Quan sát quá trình nạp và phóng điện của tụ điện — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)

Câu hỏi trọng tâm: Tụ điện thực sự tích trữ thứ gì bên trong? Liệu có thể chỉ dùng một con số để đo “sức chứa” của nó hay không?

Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: C = q / u_C　·　i = dq/dt

Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Vật lý 11 · Chương X Bài 4 (Thí nghiệm thực hành 8)

Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)

1. Bước 1 (Làm quen dụng cụ): Trên bàn thí nghiệm có những gì? Cách mắc mạch ở Hình 10.4-1 và Hình 10.4-2a trong SGK khác nhau ở điểm nào? — Kết luận: 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. | C = q / u_C
2. Bước 2 (Đóng sang 1 để nạp điện): Gạt công tắc sang chốt 1, dòng điện chạy theo chiều nào? Kim đồng hồ lệch về phía nào? — Kết luận: 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). | i = (U − u_C) / R
3. Bước 3 (Đóng sang 2 để phóng điện): Gạt công tắc sang chốt 2, kim đồng hồ lệch về phía nào? Điện trường giữa hai bản tụ có đổi chiều không? — Kết luận: 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. | i = − u_C / R
4. Bước 4 (Tính điện tích từ diện tích): Không dùng đồng hồ vạn năng, làm thế nào để đọc được lượng điện tích ban đầu lưu trong tụ điện từ đồ thị I-t? — Kết luận: 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). | q = q₀ + S　 (S = ∫ i dt)
5. Bước 5 (Hai cách mắc mạch): SGK đặt câu hỏi: Muốn đo và vẽ đồ thị I-t trong quá trình nạp điện thì phải mắc mạch điện như thế nào? — Kết luận: 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). | τ_chg / τ_dis = r / R
6. Bước 6 (Ghi dữ liệu q-u): Ghi lại từng cặp giá trị điện tích và điện áp tương ứng rồi vẽ đồ thị, ta sẽ quan sát thấy gì? — Kết luận: 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. | C = q / u_C (Hệ số góc đồ thị q-u)
7. Bước 7 (Thay đổi C và R): Đổi sang một tụ điện có điện dung nhỏ hơn thì hệ số góc và diện tích thay đổi thế nào? Nếu chỉ đổi điện trở R thì sao? — Kết luận: 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. | q = C·U (Không phụ thuộc R)
8. Bước 8 (Dụng cụ thực tế): Trên vỏ tụ ghi 470 μF, tại sao kết quả đo thực nghiệm lại không đúng bằng 470? — Kết luận: 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 %. | C′ = C·(1 + δ_C) · Giá trị danh định ≠ Thực đo
9. Bước 9 (Thực hành đánh giá): Đánh giá: Tự chọn bộ thông số U, R, C sao cho điện dung đo được ở giai đoạn này đủ lớn mà dòng điện cực đại không bị kịch thang đo — Kết luận: 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. | |i(0)| ≤ 6.67 mA　·　q/u_C ≥ 900 μF　·　|i(0)|·R ≥ 2.0 V

Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Quan sát quá trình nạp và phóng điện của tụ điện · Trang chủ VietLab 3D