Khảo sát quá trình nạp và phóng điện của tụ điện

Phương trình / Quy luật áp dụng: C = q / u_C

Giải thích chuẩn SGK: Công tắc đơn hai ngả lần lượt nối tụ điện vào hai mạch “Nguồn điện” và “Điện trở”. Ở Hình 10.4-1 SGK, ampe kế được mắc nối tiếp trên nhánh chung (cả dòng nạp và dòng phóng đều đi qua nó), còn ở Hình 10.4-2a cảm biến chỉ nằm trên nhánh phóng điện — bài học này mô phỏng cả hai cách mắc và sẽ đối chiếu trực tiếp ở Bước 5.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Nhận biết dụng cụ là kỹ năng đầu tiên của thí nghiệm bắt buộc (Yêu cầu cần đạt 3.1.6 “Quan sát các tụ điện thông dụng”).

Phương trình / Quy luật áp dụng: i = (U − u_C) / R

Giải thích chuẩn SGK: Dòng điện nạp chảy vào bản cực trên làm điện tích trên bản cực tăng lên; u_C càng cao thì độ chênh lệch điện áp còn lại càng nhỏ, làm dòng điện càng giảm; khi u_C đạt bằng U thì dòng điện bằng 0. Ngay cả khi ngắt khỏi nguồn điện, điện tích trên hai bản cực vẫn được giữ lại trong tụ điện nhờ lực hút tĩnh điện giữa chúng (SGK tr. 38).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Giải thích tại sao dòng điện nạp giảm dần; công thức Q = C·U; sau khi ngắt nguồn điện tích vẫn còn lưu giữ (nguyên văn SGK tr. 38).

Phương trình / Quy luật áp dụng: i = − u_C / R

Giải thích chuẩn SGK: Dòng điện phóng ngược chiều với dòng điện nạp (kim của cùng một đồng hồ lệch ngược lại chính là bằng chứng trực quan nhất). Ở sơ đồ này cả hai quá trình có cùng hằng số thời gian τ = R·C, đường cong nạp và phóng đối xứng gương qua đường u_C = U/2; chiều điện trường giữa hai bản luôn hướng từ bản cực trên xuống bản cực dưới, khi phóng điện chiều không đổi mà chỉ yếu dần đi.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Bẫy hay gặp: Khi phóng điện, điện trường giữa hai bản tụ có đổi chiều hay không (dữ kiện A7.3).

Phương trình / Quy luật áp dụng: q = q₀ + S　 (S = ∫ i dt)

Giải thích chuẩn SGK: Vì i = dq/dt nên diện tích giới hạn bởi đường cong i-t và trục thời gian chính là điện lượng chạy qua: q = q₀ + S. Phương pháp đếm ô vuông là phép tính xấp xỉ rời rạc của tích phân này (Câu hỏi (2) tr. 39 SGK yêu cầu học sinh ước lượng bằng cách đếm ô).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Diện tích dưới đồ thị I-t biểu thị điện lượng; đếm ô vuông trên lưới đồ thị là dạng bài tập phổ biến nhất (Câu hỏi (2) tr. 39 SGK).

Phương trình / Quy luật áp dụng: τ_chg / τ_dis = r / R

Giải thích chuẩn SGK: Muốn đo dòng điện nạp, bắt buộc trong mạch nạp cũng phải có R và đồng hồ đo phải mắc ở nhánh chung — đây chính là đáp án cho câu hỏi cuối tr. 39 SGK. Thang thời gian của hai cách mắc chênh nhau 16 lần (τ_chg / τ_dis = r / R = 0.0606).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi nguyên văn trong SGK, thuộc trọng tâm thiết kế mạch điện của bài thí nghiệm thực hành.

Phương trình / Quy luật áp dụng: C = q / u_C (Hệ số góc đồ thị q-u)

Giải thích chuẩn SGK: Ta có q ∝ u_C, tỉ số q/u_C là một hằng số chỉ phụ thuộc vào bản thân tụ điện — đó chính là định nghĩa điện dung C = q/u_C. SGK tr. 40 dùng lập luận “mắc song song hai tụ điện giống hệt nhau → điện tích và điện áp chia đôi” để rút ra kết luận này, còn bài học này thực hiện kiểm chứng định lượng trực tiếp.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Xác định điện dung từ đồ thị q-U (hệ số góc); thí nghiệm chia đôi điện tích khi ghép song song ở tr. 40 SGK là một cách tiếp cận khác cho cùng kết luận.

Phương trình / Quy luật áp dụng: q = C·U (Không phụ thuộc R)

Giải thích chuẩn SGK: Diện tích = C·U, hệ số góc = C: khi thay đổi điện dung thì cả hai cùng thay đổi, còn khi thay đổi điện trở thì cả hai đều giữ nguyên. Tỉ số q/u_C do bản thân tụ điện quyết định, không phụ thuộc vào việc nó phóng điện nhanh hay chậm.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Công thức định nghĩa điện dung và tính chất “tỉ số không đổi” (dữ kiện A2.2); lỗi sai thường gặp “R càng lớn thì điện tích càng ít”.

Phương trình / Quy luật áp dụng: C′ = C·(1 + δ_C) · Giá trị danh định ≠ Thực đo

Giải thích chuẩn SGK: ① Kết quả 456 μF ≠ 470 μF là do dung sai linh kiện (giá trị thực là 454.19 μF, lệch −3.4 %) chứ không phải đo sai: số ghi trên vỏ chỉ là giá trị danh định, tụ hóa cho phép dung sai ±10 %, do đó muốn biết chính xác phải đo thực nghiệm. ② Sai số của bản thân phép đo được tính riêng: độ phân giải lượng tử hóa 0.1 mA của miliampe kế và tần số lấy mẫu (ở cấu hình mặc định < 1 %), khi dòng điện kịch kim thì đỉnh đường cong bị cắt phẳng làm diện tích đo được chắc chắn bị hụt (tương đối 1.6 %), và phương pháp đếm ô vuông làm kết quả nhỏ đi 3.6 %.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Năng lực thực nghiệm: Nêu được nguồn gốc và chiều hướng sai số của dụng cụ thực tế (Yêu cầu cần đạt “Tìm tòi khám phá khoa học”).

Phương trình / Quy luật áp dụng: |i(0)| ≤ 6.67 mA　·　q/u_C ≥ 900 μF　·　|i(0)|·R ≥ 2.0 V

Giải thích chuẩn SGK: Không có kết luận mới, chỉ kết nối các quy luật ở 8 bước trước để vận dụng tổng hợp: giá trị đỉnh |i(0)| = U/R quyết định việc “có vượt thang đo hay không”, tỉ số q/u_C dùng để xác định điện dung, và u_C phải được nạp đầy thì dòng phóng ban đầu mới đạt U/R — cả ba đều được kiểm chứng từ số liệu trên cùng một đường cong phóng điện.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Tổng hợp: |i(0)| = U/R (ràng buộc thang đo) + C = q/u_C (công thức định nghĩa) + nạp đầy mới có dòng đỉnh chuẩn (trình tự thao tác).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Lệch sang phía ngược lại. Dòng điện nạp đi vào bản cực trên, còn dòng phóng điện đi từ bản cực dương qua R về bản cực âm nên có chiều ngược lại; cả hai dòng đều đi qua cùng một đồng hồ có vạch 0 ở giữa nên kim sẽ lệch sang phía đối diện (dữ kiện A2.12, B2.1 mục 15).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Giảm dần, cuối cùng bằng không. Khi u_C tăng lên thì hiệu số (U − u_C) giảm xuống, làm dòng điện i = (U − u_C)/R giảm theo; khi u_C đạt bằng U thì dòng điện bằng không (dữ kiện A2.6, Bảng nạp điện 1a).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Chiều không đổi, độ lớn giảm dần. Quá trình phóng điện chỉ làm giảm lượng điện tích trên hai bản cực chứ không tráo đổi dấu của bản dương và bản âm, do đó chiều cường độ điện trường luôn hướng từ bản trên xuống bản dưới và chỉ yếu dần đi (dữ kiện A2.13, kiểm chứng D3: Ê·ĥ = +1).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: 3.60 mC. Mỗi ô nhỏ ứng với 0.4 s × 0.2 mA = 0.08 mC, lấy 45 ô × 0.08 = 3.60 mC, lệch −0.13 mC so với diện tích chính xác 3.73 mC (dữ kiện B2.1 mục 11).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: 470 μF. C = q/u_C = Hệ số góc × 1000 = 470 μF (dữ kiện B2.1 mục 9; q/mC = 0.47 × u/V).