Bài tập về Định luật Jun – Len-xơ

Kiến thức cần nhớ

Trường hợp điện năng biến đổi thành nhiệt năng

Trong thực tế, khi ta sử dụng các dụng cụ thiết bị điện có sự chuyển hóa từ điện năng thành nhiệt năng, xảy ra 2 trường hợp sau đây:

+ Trường hợp 1: Một phần điện năng được biến đổi thành nhiệt năng

Ví dụ: Khi sử dụng bóng đèn dây tóc, quạt điện, …

+ Trường hợp  2: Toàn bộ điện năng được biến đổi thành nhiệt năng

Ví dụ: Khi sử dụng máy sưởi dầu, bếp từ, …

Định luật Jun – Len-xơ

- Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.

- Hệ thức của định luật: Q = I².R.t

Trong đó:

+ R là điện trở của vật dẫn (Ω)

+ I là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn (A)

+ t là thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn (s)

+ Q là nhiệt lượng tỏa ra từ vật dẫn (J)

- Cách đổi đơn vị chuyển đổi giữa Jun (J) và calo (cal):

+ 1 J = 0,24 cal

+ 1 cal = 4,18 J

- Ngoài ra Q còn được tính bởi công thức:

Q = U. I. t = $\frac{U^2}{R}.t$

Chú ý: Có thể sử dụng công thức tính nhiệt lượng thu vào của một vật $Q=m.c.\Delta t$ để tính phần nhiệt lượng mà năng lượng dòng điện đã chuyển hóa thành như trong trường hợp sử dụng ấm điện đun nước.

Các dạng bài tập về Định luật Jun – Len-xơ

Dạng 1: Vận dụng định luật Jun – Len-xơ

Phương pháp giải

Bước 1: Tính nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn:

Bước 2: Tính nhiệt lượng vật thu vào: trong đó m là khối lượng vật, c là nhiệt dung riêng của vật và  là nhiệt độ ban đầu và lúc sau của vật

Bước 3:

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt: và rút ra đại lượng cần tìm.

Dạng 2: Hiệu suất của các dụng cụ điện

Phương pháp giải

Trong thực tế, các dụng cụ điện luôn mất một phần năng lượng chuyển hóa thành dạng năng lượng khác với mục đích sử dụng (gọi là hao phí). Do đó hiệu suất của chúng không đạt 100%. Để tính hiệu suất, ta làm theo các bước sau:

Bước 1: Tính năng lượng toàn phần  hoặc công suất toàn phần

Bước 2: Tính năng lượng có ích  hoặc công có ích  là phần năng lượng chuyển hóa đúng với mục đích sử dụng của dụng cụ.

 Bước 3: Áp dụng công thức tính hiệu suất:

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1: Dây xoắn của một bếp điện dài 7 m, tiết diện 0,1 mm² và điện trở suất là 1,1.10^-6 Ω.m.

a) Tính điện trở của dây xoắn

b) Tính nhiệt lượng tỏa ra trong thời gian 25 phút khi mắc bếp điện vào hiệu điện thế 220V.

c) Trong thời gian 25 phút, bếp này có thể đun sôi bao nhiêu lít nước từ nhiệt độ 25^oC. Cho nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K. Bỏ qua sự mất mát nhiệt.

Đáp án: a) 77 Ω; b) 944743,8 J; c) 3 lít

Lời giải:

a) Điện trở của dây xoắn của bếp là

b) Cường độ dòng điện chạy qua dây xoắn khi mắc vào hiệu điện thế 220V là

Nhiệt lượng tỏa ra trong thời gian 25 phút là:

Q_tỏa = I².R.t = 2,862.77.25.60 = 944743,8 J

c) Nhiệt lượng nước cần thu vào để nóng lên là: Q_thu = m.c.Δt

Ta có: Q_tỏa = Q_thu.

Suy ra: 944743,8 = m.4200.(100 - 25) ⇒ m = 3 kg

Vì nước có khối lượng riêng 1kg/lít nên 3 kg nước ứng với 3 lít nước.

Ví dụ 2: Dây điện trở của một bếp làm bằng nicrom có điện trở suất 1,1.10^-6 Ω.m, chiều dài 3m, tiết diện 0,05 mm².

a) Tính điện trở của dây.

b) Bếp sử dụng ở hiệu điện thế U = 220V. Hãy tính công suất của bếp điện, từ đó suy ra nhiệt lượng tỏa ra của bếp trong 30 phút.

Đáp án: a) 66 Ω; b) P = 732,6 W; Q = 1318680 J.

Lời giải:

a) Điện trở của dây là:

b) Cường độ dòng điện chạy qua bếp là:

Công suất của bếp là: P = U.I = 220.3,33 = 732,6 W

Nhiệt lượng tỏa ra khi sử dụng bếp trong 30 phút là:

Q = A = P.t = 732,6.30.60 = 1318680 J.

Ví dụ 3: Hai điện trở R₁ = R₂ = 100 Ω. Người ta mắc hai điện trở đó lần lượt bằng hai cách: song song và nối tiếp, rồi nối vào mạch điện có hiệu điện thế 100V

a) Tính dòng điện qua các điện trở trong mỗi trường hợp.

b) Xác định nhiệt lượng tỏa ra trên mỗi điện trở trong hai trường hợp trong thời gian 30 phút . Có nhận xét gì về kết quả tìm được.

Đáp án: a) 0,5A, 2A, b) 90 000J, 360 000J

Lời giải:

a) Khi hai điện trở mắc nối tiếp: R_nt = R₁ + R₂ = 200 Ω.

Cường độ dòng điện qua bộ là:

Khi hai điện trở mắc song song:

Cường độ dòng điện qua bộ là:

b) Khi hai điện trở mắc nối tiếp, nhiệt lượng tỏa ra là:

Q = I_nt².R_nt.t = 0,5².200.30.60 = 90000J

Khi hai điện trở mắc song song, nhiệt lượng tỏa ra là:

Q = I_ss².R_ss.t = 2².50.30.60 = 360000J

Khi mắc song song thì nhiệt lượng tỏa ra lớn gấp 4 lần so với khi mắc nối tiếp.

Bài tập tự luyện

Câu 1: Mắc các dây dẫn vào hiệu điện thế không đổi. Trong cùng một thời gian thì nhiệt lượng toả ra trên dây dẫn phụ thuộc như thế nào vào điện trở dây dẫn?

A. Tăng gấp đôi khi điện trở của dây dẫn giảm đi một nửa.

B. Tăng gấp đôi khi điện trở của dây dẫn tăng lên gấp đôi.

C. Tăng gấp bốn khi điện trở của dây dẫn giảm đi một nửa.

D. Giảm đi một nửa khi điện trở của dây dẫn tăng lên gấp bốn.

Câu 2: Thời gian đun sôi 1,5 lít nước của một ấm điện là 10 phút. Hiệu điện thế giữa hai đầu dây nung của ấm là 220V. Tính điện trở của dây nung này, biết rằng nếu kể cả nhiệt lượng hao phí để đun sôi 1 lít nước thì cần nhiệt lượng là 420000J.

A. 28 Ω

B. 45 Ω

C. 46,1 Ω

D. 23 Ω

Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi 1,5 lít nước là:

Q = 420000.1,5 = 630000 J

Theo công thức tính nhiệt lượng tỏa ra của ấm ta có:

→ Đáp án C

Câu 3: Dòng điện có cường độ 2mA chạy qua một điện trở 3kΩ trong thời gian 10 phút thì nhiệt lượng toả ra ở điện trở này có giá trị nào dưới đây?

A. Q = 7,2J

B. Q = 60J

C. Q = 120J

D. Q = 3600J

Câu 4: Khi mắc một bàn là vào hiệu điện thế 110V thì dòng điện chạy qua nó có cường độ 5A. Bàn là này sử dụng như vậy trung bình 15 phút mỗi ngày. Tính nhiệt lượng mà bàn là tỏa ra trong 30 ngày theo đơn vị kJ, cho rằng điện năng mà bàn là này tiêu thụ được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng.

A. 14850 kJ

B. 1375 kJ

C. 1225 kJ

D. 1550 kJ

15 phút = 0,25 giờ

Công suất tiêu thụ của bàn là :

Điện năng mà bàn là tiêu thụ trong 30 ngày:

Nhiệt lượng tỏa ra của bàn là:

Q = 4,125.3,6.10⁶ = 14850000 (J) = 14850 (kJ)

→ Đáp án A

Câu 5: Định luật Jun – Len-xơ cho biết điện năng biến đổi thành:

A. Cơ năng

B. Năng lượng ánh sáng

C. Hóa năng

D. Nhiệt năng

Câu 6: Đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu của một biến trở R thì cường độ dòng điện chạy qua là I. Công thức nào dưới đây không phải là công thức tính nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn trong thời gian t?

A. 

B. Q = U.I.t

C. 

D. Q = I².R.t

Câu 7: Câu phát biểu nào dưới đây là không đúng?

Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua:

A. Tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn với thời gian dòng điện chạy qua.

B. Tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và với thời gian dòng điện chạy qua.

C. Tỉ lệ thuận với bình phương hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với thời gian dòng điện chạy qua và tỉ lệ nghịch với điện trở dây dẫn.

D. Tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua.

Câu 8: Trong mùa đông, một lò sưởi điện có ghi 220V – 880W được sử dụng với hiệu điện thế 220V trong 4 giờ mỗi ngày. Tính tiền điện phải trả cho việc dùng lò sưởi như trên trong suốt mùa đông, tổng cộng là 30 ngày. Cho rằng giá tiền điện là 1000 đồng/kW.h.

Câu 9: Người ta dùng hai dây điện trở khác nhau để đun sôi cùng một lượng nước. Khi dùng điện trở R1, sau thời gian t1 phút nước sôi, khi dùng điện trở R2 sau thời gian t2 phút nước sôi. Hãy xác định thời gian cần thiết để đun sôi nước khi hai điện trở mắc nối tiếp nhau.

Gọi hiệu điện thế hai đầu nguồn điện là U

Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi nước là Q

Khi dùng điện trở R1:  (1)

Khi dùng điện trở R2:  (2)

Khi R1 mắc nối tiếp R2:  (3)

Từ (1) và (2) thay vào (3) ta có:

Câu 10: Một ấm điện hoạt động bình thường ở hiệu điện thế U = 220V và cường độ dòng điện qua bếp là I = 5A.

a) Tính nhiệt lượng mà ấm tỏa ra trong một phút:

b) Dùng bếp trên để đun sôi 3,5 lít nước ở 25⁰C thì mất 20 phút. Tính hiệu suất của bếp.

a) Nhiệt lượng mà ấm tỏa ra trong một phút là:

Q₁ = U.I.t = 220.5.60 = 66000 J

b) Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi 3,5 lít nước:

Nhiệt lượng mà ấm tỏa ra trong 20 phút:

Q = Q₁.20 = 66000.20 = 1320000J

Hiệu suất của bếp: 

Bài 11: Mắc các dây dẫn vào hiệu điện thế không đổi. Trong cùng một thời gian thì nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn phụ thuộc như thế nào vào điện trở dây dẫn?

A. Tăng gấp đôi khi điện trở của dây dẫn tăng lên gấp đôi

B. Tăng gấp đôi khi điện trở của dây dẫn giảm đi một nửa

C. Tăng gấp bốn khi điện trở của dây dẫn giảm đi một nửa

D. Giảm đi một nửa khi điện trở của dây dẫn tăng lên gấp bốn

Lời giải

Ta có nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn tỉ lệ thuận với điện trở R

=> Khi tăng gấp đôi điện trở của dây dẫn thì nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn cũng tăng gấp đôi

Đáp án: A

Bài 12: Chọn câu trả lời đúng. Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua phụ thuộc vào:

A. Điện trở R của dây dẫn

B. Cường độ dòng điện I chạy qua dây

C. Thời gian dòng điện chạy qua

D. Cả A, B, C đều đúng

Lời giải

Nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn:  

=> Nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn phụ thuộc vào: cường độ dòng điện chạy qua dây, điện trở dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua

Đáp án: D

Bài 13: Nếu đồng thời giảm điện trở của dây dẫn, cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn đi một nửa thì nhiệt lượng tỏa ra trên dây sẽ thay đổi như thế nào?

A. Giảm đi 2 lần                                            

B. Giảm đi 4 lần

C. Giảm đi 8 lần                                            

D. Giảm đi 16 lần

Lời giải

Ta có: Nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn:  

=> Khi đồng thời giảm điện trở của dây dẫn, cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn đi một nửa:  

Nhiệt lượng tỏa ra trên dây khi đó:  

=> Nhiệt lượng sẽ giảm đi 16 lần

Đáp án: D

Bài 14: Chọn câu trả lời sai

Nhiệt lượng Q được dùng để đun nóng nước có khối lượng m₁ , nhiệt dung riêng c₁ và cốc đựng nước có khối lượng m₂, nhiệt dung riêng c₂ tăng từ nhiệt độ t₁⁰C lên t₂⁰C được liên hệ với nhau bởi công thức:

Lời giải

Ta có, nhiệt lượng: Q = mcΔt

Nhiệt lượng Q được dùng để đun nóng nước có khối lượng m₁ , nhiệt dung riêng c₁ và cốc đựng nước có khối lượng m₂, nhiệt dung riêng c₂ tăng từ nhiệt độ t₁⁰C lên t₂⁰C được liên hệ với nhau bởi công thức:

 

=> A, B, D - đúng

C - sai

Đáp án: D

Bài 15: Phương trình nào sau đây là phương trình cân bằng nhiệt:

A. Q _tỏa + Q _thu = 0

B. Q _tỏa.Q _thu = 0

C. Q _tỏa – Q _thu = 0

D.  

Lời giải

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q _tỏa = Q _thu

Đáp án: C

Bài 16: Khi cho dòng điện có cường độ I₁ = 1A chạy qua một thanh kim loại trong thời gian τ thì nhiệt độ của thanh tăng lên là Δt₁ = 80C. Khi cho cường độ dòng điện I₂ = 2A chạy qua thì trong thời gian đó nhiệt độ của thanh tăng thêm là Δt₂ bằng:

A. 4⁰C                                                                    

B. 16⁰C

C. 24⁰C                                                                   

D. 32⁰C

Lời giải

Ta có: Nhiệt lượng được tính bởi các công thức

 

Gọi Q₁, Q₂ lần lượt là nhiệt lượng của thanh kim loại khi có cường độ dòng điện I₁, I₂ chạy qua

Ta có:  

Từ (1) và (2), ta suy ra:

 

Đáp án: D

 

 

Xem thêm các dạng câu hỏi và bài tập liên quan khác:

70 Bài tập về Công suất điện và điện năng sử dụng (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Công suất (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Điện năng – công của dòng điện (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Từ phổ - đường sức từ (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Sự nhiễm từ của sắt, thép – nam châm điện (2024) có đáp án chi tiết nhất