Đo suất điện động và điện trở trong của nguồn điện — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Suất điện động và điện trở trong của một viên pin khô cũ làm sao có thể “đo” được bằng một vôn kế, một ampe kế và một biến trở con chạy? Nếu đổi sang cách mắc khác thì kết quả đo có còn giống nhau không?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: U = E − Ir (Tung độ gốc E, giá trị tuyệt đối hệ số góc r)
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Vật lý 11 (SGK GDPT 2018) · Chương XII Bài 3 (trang 89–92)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)
- Bước 1 (Tìm hiểu sơ đồ mạch): Trên bàn có những dụng cụ gì? Sơ đồ mạch điện Hình 12.3-1 trong SGK được mắc như thế nào? — Kết luận: 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. |
E = U + Ir (Công thức 1 SGK, tr.89) - Bước 2 (Đưa về cực đại trước): Tại sao SGK yêu cầu mắc mạch xong phải chỉnh biến trở về giá trị lớn trước, rồi cuối cùng mới đóng công tắc? — Kết luận: 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. |
I = E /(R + r) - Bước 3 (Đo nhiều bộ số liệu): Tại sao không thể chỉ đọc một bộ số liệu? Khi dịch con chạy giảm dần từ lớn về nhỏ thì số chỉ hai đồng hồ thay đổi như thế nào? — Kết luận: 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). |
U = E − Ir - Bước 4 (Vẽ đồ thị U-I): Chấm 5 điểm thực nghiệm này lên đồ thị U-I, ta thu được kết quả gì? — Kết luận: 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. |
U = −Ir + E - Bước 5 (Gốc của trục tung): Nếu trục tung bắt đầu từ 0 thì đồ thị trông như thế nào? Tung độ gốc có thay đổi không? — Kết luận: 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. |
E_đo = a (không phụ thuộc phạm vi hiển thị trục) - Bước 6 (Chỉ đo hai bộ số liệu): Nếu chỉ ghi hai bộ số liệu đầu tiên rồi lập hệ hai phương trình để giải thì kết quả sẽ lệch bao nhiêu? — Kết luận: 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. |
r = (U₁ − U₂)/(I₂ − I₁) - Bước 7 (Đổi cách mắc mạch): Nếu mắc nối tiếp ampe kế vào nhánh nguồn điện và vôn kế chỉ mắc vào hai đầu biến trở, thì giá trị r đo được có còn như cũ không? — Kết luận: 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). |
E_đo = E, r_đo = r + R_A (Cách mắc đối chiếu) - Bước 8 (Phân tích sai số): Cách mắc trong SGK sẽ làm cho E, r đo được bị lệch lớn hơn hay nhỏ hơn thực tế? Tại sao nhìn vào bảng số đọc lại không nhận ra độ lệch đó? — Kết luận: 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). |
k = R_V/(R_V + r); E_đo = E·k, r_đo = r·k - Bước 9 (Thực hành đánh giá): Với sơ đồ đang mắc trên bàn, kết quả đo E và r có đạt yêu cầu nghiệm thu không? — Kết luận: 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. |
E_đo = a, r_đo = −b; |E_đo − 1.50| ≤ 0.01 V, |r_đo − 0.60| ≤ 0.02 Ω
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Đo suất điện động và điện trở trong của nguồn điện · Trang chủ VietLab 3D