Thực hành đo suất điện động và điện trở trong của nguồn điện

Phương trình / Quy luật áp dụng: E = U + Ir (Công thức 1 SGK, tr.89)

Giải thích chuẩn SGK: Vôn kế mắc vào hai đầu “Pin + Công tắc”, ampe kế mắc nối tiếp trong nhánh “Biến trở” (Hình 12.3-1 SGK); biến trở mắc theo kiểu hạn dòng, chỉ nối một chốt đầu dưới và một chốt thanh trượt. Khi công tắc ngắt, vôn kế chỉ 0.00 V chứ không chỉ E — giá trị E phải được ngoại suy từ tung độ gốc của đường thẳng U-I.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Nhận biết dụng cụ và mắc mạch là năng lực đầu tiên của Bài thực hành bắt buộc số 12 (Yêu cầu cần đạt GDPT 2018 tr.42); biết đọc thang đo của đồng hồ kim hai thang đo.

Phương trình / Quy luật áp dụng: I = E /(R + r)

Giải thích chuẩn SGK: Trình tự thao tác chuẩn trong SGK: mắc mạch theo sơ đồ, chỉnh biến trở về giá trị lớn, sau đó đóng công tắc rồi giảm dần điện trở (tr.91); lý do là “tuyệt đối không được nối trực tiếp hai cực của nguồn điện bằng dây dẫn” (tr.87) — khi R giảm về 0 thì dòng ngắn mạch lên tới 2.50 A, làm kịch kim đồng hồ và nóng nguồn pin.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Tại sao phải đưa biến trở về giá trị lớn nhất trước khi đóng mạch; tại sao dòng điện ngắn mạch lại nguy hiểm.

Phương trình / Quy luật áp dụng: U = E − Ir

Giải thích chuẩn SGK: Nếu chỉ đo hai bộ số liệu thì “nhìn có vẻ đơn giản nhưng sai số có thể khá lớn; chỉ khi đo nhiều lần và xử lý dữ liệu mới giảm được sai số” (tr.89) — vì vậy cần dùng biến trở con chạy để thay đổi điện trở mạch ngoài và đo nhiều bộ số liệu. Hiệu điện thế mạch ngoài U giảm khi I tăng là do độ giảm thế Ir trên điện trở trong tăng lên (tr.86).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Tại sao đo nhiều bộ số liệu giúp giảm sai số; cách lập bảng ghi số liệu đúng quy chuẩn.

Phương trình / Quy luật áp dụng: U = −Ir + E

Giải thích chuẩn SGK: Viết lại phương trình (1) dưới dạng U = −Ir + E (Công thức 2 SGK): tung độ gốc = hiệu điện thế hai cực khi mạch hở = E, giá trị tuyệt đối của hệ số góc = r; giao điểm ứng với U = 0 cho dòng điện ngắn mạch, tính r = E/I_nm theo cách thứ hai cũng cho cùng một giá trị r.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Xác định E và r từ đồ thị U-I (Ví dụ 3 chương trình GDPT 2018: “Hiểu được vai trò của phương pháp đồ thị”).

Phương trình / Quy luật áp dụng: E_đo = a (không phụ thuộc phạm vi hiển thị trục)

Giải thích chuẩn SGK: Pin khô có điện trở trong nhỏ nên độ biến thiên U nhỏ, vì vậy khi vẽ đồ thị “tọa độ điểm đầu của trục điện áp thường không bắt đầu từ 0” mà nên chọn theo phạm vi dữ liệu (tr.91); việc đổi phạm vi hiển thị trên trục không làm thay đổi phương trình đường thẳng, nên câu hỏi ở tr.90 “Giao điểm có thay đổi hay không” có câu trả lời là — Không thay đổi (tr.90 chỉ đặt câu hỏi, suy ra trực tiếp từ phương trình), tung độ gốc tại I = 0 vẫn là E.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Mối quan hệ giữa điểm bắt đầu trục tung và tung độ gốc E (câu hỏi SGK tr.90).

Phương trình / Quy luật áp dụng: r = (U₁ − U₂)/(I₂ − I₁)

Giải thích chuẩn SGK: Giải hệ phương trình từ hai điểm là đúng về mặt toán học, nhưng vì số đọc chỉ lấy đến 0.01 và hai bộ đầu có I chỉ chênh nhau 0.03 A, ΔU chỉ bằng 2 đơn vị chữ số cuối, nên khi chia cho ΔI sai số làm tròn bị phóng đại lên — đó là lý do SGK yêu cầu phải đo nhiều lần; khoảng cách giữa hai điểm lấy càng xa nhau thì phương pháp hai điểm càng tiệm cận phương pháp năm điểm.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Tại sao bắt buộc phải đo nhiều lần (nguyên văn tr.89); ảnh hưởng của độ rộng khoảng lấy điểm đến kết quả.

Phương trình / Quy luật áp dụng: E_đo = E, r_đo = r + R_A (Cách mắc đối chiếu)

Giải thích chuẩn SGK: Khi vừa đổi cách mắc, E đo được vẫn là 1.50 V, nhưng r tăng từ 0.59 / 0.61 lên 0.69 Ω (+0.09 Ω, +15 %, lệch 9 đơn vị chữ số cuối) — vôn kế đã đo thiếu mất phần sụt áp I·R_A trên ampe kế, toàn bộ phần điện áp thiếu hụt này bị cộng dồn vào hệ số góc làm cho r bị lệch lớn hơn thực tế, và lượng lệch tăng đúng bằng điện trở nội R_A của ampe kế (phần nâng cao L3 suy từ biểu thức giải tích).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Chiều sai số hệ thống của hai cách mắc mạch; Bài tập 3 SGK tr.92 (điện trở nội ampe kế 100 Ω cộng lẫn vào r) chính là ví dụ điển hình.

Phương trình / Quy luật áp dụng: k = R_V/(R_V + r); E_đo = E·k, r_đo = r·k

Giải thích chuẩn SGK: Sai số hệ thống của cách mắc SGK làm cho cả E_đo và r_đo đều nhỏ hơn giá trị thực theo cùng một tỉ lệ; nhưng độ lệch này nhỏ hơn đơn vị làm tròn 0.01 tới 33 / 83 lần, nên trên số đọc 2 chữ số thập phân hoàn toàn không thể nhìn thấy được — đó là lý do nội dung chính SGK không đi sâu vào sai số này mà tập trung vào việc đo nhiều lần, vẽ đồ thị và chọn gốc trục tung. Chiều của sai số hệ thống ở cách mắc này chỉ có thể suy ra bằng công thức giải tích chứ không thể nhìn từ số đọc làm tròn (suy diễn giải tích nâng cao L3).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Yêu cầu cần đạt chương trình GDPT 2018: “Phân tích được sai số trong thí nghiệm và đề xuất được phương án giảm sai số” (tr.22).

Phương trình / Quy luật áp dụng: E_đo = a, r_đo = −b; |E_đo − 1.50| ≤ 0.01 V, |r_đo − 0.60| ≤ 0.02 Ω

Giải thích chuẩn SGK: Tiêu chí chấm điểm chỉ xét kết quả cuối cùng: đủ 5 bộ số liệu trong cùng một chế độ, E_đo lệch khỏi 1.50 V ≤ 0.01 V, r_đo lệch khỏi 0.60 Ω ≤ 0.02 Ω. Bản thân nút chọn cách mắc không nằm trực tiếp trong điều kiện chấm, nhưng nó quyết định kết quả đo — cách mắc đối chiếu cộng lẫn điện trở ampe kế vào r (0.69 Ω), còn cách mắc SGK chỉ lệch 0.0200 % nên không ảnh hưởng đến số đọc.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Tổng hợp: Tự đánh giá ảnh hưởng của cách mắc mạch đến kết quả đo; xác định đồng thời E và r từ tung độ gốc và hệ số góc của đồ thị U-I.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: 0.00 V. Vôn kế mắc bao trùm cả “Pin + Công tắc”, nên sau khi ngắt công tắc phía vôn kế bị ngắt khỏi cực nguồn, cả hai đồng hồ đều chỉ 0.00. Mệnh đề ở tr.87 “khi mạch hở hiệu điện thế hai cực bằng E” là nói trường hợp vôn kế mắc trực tiếp vào hai cực của nguồn điện.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Hiệu điện thế mạch ngoài khi mạch hở, bằng suất điện động E. SGK tr.90: Giá trị tại giao điểm của đường thẳng với trục tọa độ U biểu thị hiệu điện thế mạch ngoài khi mạch hở, khi đó U bằng suất điện động E của nguồn điện.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: r = |ΔU/ΔI| (giá trị tuyệt đối của hệ số góc). Phương trình (2) U = −Ir + E có hệ số góc là −r, nên giá trị tuyệt đối của hệ số góc chính là điện trở trong r; còn tỉ số U/I tại một điểm là điện trở mạch ngoài ứng với điểm đó.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: E không lệch, r lệch lớn hơn thực tế. Số chỉ U bị hụt mất phần sụt áp I·R_A trên ampe kế, phần điện áp này bị tính gộp vào độ dốc đường thẳng: r_đo = r + R_A, còn E không bị lệch (phần suy diễn giải tích nâng cao).