Giải SBT Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 21: Tụ điện

Giải Sách bài tập Vật lí 11 Bài 21: Tụ điện

Câu 21.1 trang 42 SBT Vật Lí 11: Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là:

A. điện dung C

B. điện tích Q

C. khoảng cách d giữa hai bản tụ.

D. cường độ điện trường.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là điện dung C.

Câu 21.2 trang 43 SBT Vật Lí 11: Khi trong phòng thí nghiệm chỉ có một số tụ điện giống nhau với cùng điện dung C, muốn thiết kế một bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn C thì:

A. chắc chắn phải ghép song song các tự điện.

B. chắc chắn phải ghép nối tiếp các tụ điện.

C. chắc chắn phải kết hợp cả ghép song song và nối tiếp.

D. không thể thiết kế được bộ tự điện như vậy.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Để bộ tụ có điện dung nhỏ hơn thì phải ghép nối tiếp các tụ điện với nhau.

Câu 21.3 trang 43 SBT Vật Lí 11: Hai tụ điện có điện dung lần lượt ${\text{C}}_1=1\mu \text{F},{\text{C}}_2=3\mu \text{F}$ ghép nối tiếp. Mắc bộ tụ điện đó vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 40V. Điện tích của các tụ điện là:

A. $Q_1=40\cdot {10}^{-6}\text{C}$ và $Q_2=120\cdot {10}^{-6}\text{C}$.

B. $Q_1=Q_2={30.10}^{-6}\text{C}$.

C. $Q_1=7,5\cdot {10}^{-6}\text{C}$ và $Q_2=22,5\cdot {10}^{-6}\text{C}$.

D. $Q_1=Q_2=160\cdot {10}^{-6}\text{C}$.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Điện dung bộ tụ: $C=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}=\frac{1.3}{1+3}=0,75\mu F$

Điện tích các tụ điện: $Q_1=Q_2=Q=CU=0,75.40=30\mu C$

Câu 21.4 trang 43 SBT Vật Lí 11: Một tụ điện khởi động cho động cơ có các thông số như Hình 21.1. Đơn vị VAC (hoặc V.ac) là điện áp ứng với dòng điện xoay chiều, còn VDC (hay V.dc) là điện áp ứng với dòng điện một chiều cùng được đọc là vôn. Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là

Hình 21.1. Tụ điện của một động cơ

A. điện áp tối thiểu khi mắc tụ điện vào.

B. điện áp mà tụ điện hoạt động tốt nhất.

C. điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều.

D. điện áp mà khi mắc tụ điện vào thì điện dung bằng 15$\mu$F.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều

Câu 21.5 trang 43 SBT Vật Lí 11: Quạt treo tường nhà bạn Nam bị hỏng chiếc tụ điện như Hình 21.2 và cần được thay thế. Hãy cho biết bạn Nam có thể chọn được tụ điện loại nào trong các loại dưới đây mà cửa hàng đồ điện có bán.

Hình 21.2. Tụ điện của quạt treo tường

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Điện dung của tụ quạt bị hỏng là 2,5 μF nên chọn D là hợp lí.

Câu 21.6 trang 44 SBT Vật Lí 11: Ở bài 21.5, khi bạn Nam ra tới cửa hàng đồ điện để mua tụ điện thay thế cho tụ điện quạt trong Hình 21.2 thì cửa hàng đã bán hết loại tụ điện mà Nam dự định mua. Biết rằng giá bán các tụ loại A, B, C, D là bằng nhau, hãy giúp bạn Nam lựa chọn phương án thay thế với chi phí hợp lí nhất.

Lời giải:

Mua hai tụ điện loại C và ghép song song để dùng.

Câu 21.7 trang 44 SBT Vật Lí 11: Chọn mua hai chiếc tụ điện loại A và một chiếc tụ điện loại B trong bài 21.5 về ghép thành bộ như Hình 21.3.

a) Tính điện dung của bộ tụ điện.

b) Sử dụng bộ tụ điện trong Hình 21.3 có thể thay thế cho tụ điện quạt bị hỏng trong Hình 21.2 không? Giải thích lí do.

Hình 21.3. Bộ tụ điện

Lời giải:

a) Áp dụng công thức ghép tụ điện nối tiếp và song song để giải bài toán.

Ở đoạn mạch phía dưới Hình 21.3 có tụ C_A ghép nối tiếp tụ C_B nên:

${\text{C}}_{\text{AB}}=\frac{{\text{C}}_{\text{A}}{\text{C}}_{\text{B}}}{{\text{C}}_{\text{A}}+{\text{C}}_{\text{B}}}=\frac{1,5.3}{1,5+3}=1\mu \text{F}$

Xét cả bộ tụ ta có mạch dưới và mạch trên mắc song song nên điện dung C_b của bộ tụ điện là $C_b=C_A+C_{AB}=1,5+1=2,5\mu F$

b) Tuy điện dung của bộ tụ điện trong Hình 21.3 phù hợp với điện dung của tụ điện dùng cho quạt điện trong Hình 21.2 nhưng lại không thể thay thế cho tụ điện này được vì điện áp tối đa của tụ A chỉ là 150V kéo theo bộ tụ điện cũng chỉ sử dụng được ở điện áp tối đa 150V, nhỏ hơn điện áp thực tế mà chiếc quạt điện sử dụng là 220V.

Câu 21.8 trang 44 SBT Vật Lí 11: Tính điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng điện áp theo thông số điện áp ghi trên tụ điện.

Lời giải:

Điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng an toàn là: Q = CU = 2,5.10^-6.150 = 375.10^-6C.

Câu 21.9 trang 44 SBT Vật Lí 11: Có hai chiếc tụ điện giống nhau như Hình 21.4. Tụ điện thứ nhất được tích điện với hiệu điện thế U = 48 V rồi bỏ ra khỏi nguồn. Sau đó ghép song song tụ điện thứ nhất với tụ thứ hai chưa được tích điện.

a) Khi bỏ qua các sai số, hãy xác định hiệu điện thế đo được giữa hai cực của bộ tụ điện.

b) Thay hai tụ điện trong Hình 21.4 bằng hai tụ điện khác nhưng thông số kĩ thuật vẫn giống nhau. Sử dụng nguồn tích điện có hiệu điện thế phù hợp để tích điện cho một tụ rồi lặp lại thí nghiệm như trên. Hiệu điện thế đo được của bộ tụ điện ghép song song sẽ phụ thuộc vào thông số nào?

c) Có thể làm thí nghiệm kiểm tra được không?

Hình 21.4. Tụ điện dùng cho động cơ xe máy

Lời giải:

a) Điện tích của tụ thứ nhất sau khi nạp: Q₁ = CU = 25.48 = 1200$\mu$C

Hai tụ sau khi ghép song song thì điện dung của bộ tụ: $C_b=C_1+C_2=2C=50\mu F$

Hiệu điện thế của bộ tụ: $U=\frac{Q_1}{C_b}=24\text{V}$.

b) Hiệu điện thế đo được chỉ phụ thuộc vào hiệu điện thế tích điện lúc đầu của tụ điện thứ nhất và luôn bằng một nửa của hiệu điện thế này.

c) HS tiến hành thí nghiệm kiểm tra.

Câu 21.10 trang 44 SBT Vật Lí 11: Tích điện cho tụ như trong hình 21.5 nguồn điện một chiều để có hiệu điện thế U = 100V. Giả sử sai số là 5% là chính xác.

Hình 21.5. Tụ điện dùng cho quạt điện

a) Thực tế, điện tích mà tụ này tích được sẽ có giá trị trong khoảng nào?

b) Xác định sai số tương đối của điện tích mà tụ tích được.

Lời giải:

a) (4,5-4,5.5%).10^-6.100$\le$Q$\le$(4,5+4,5.5%).10^-6.100

$\Rightarrow$427,5.10^-6C$\le$Q$\le$472,5.10^-6C

b) Do C có sai số 5% nên Q = CU cũng có sai số 5%.

Ta có thể viết Q = 450.10^-6$\pm$5%C^.

Câu 21.11 trang 45 SBT Vật Lí 11: Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào

A. điện tích mà tụ điện tích được.

B. hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện.

C. thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện.

D. điện dung của tụ điện.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

$\text{W}=\frac{1}{2}C{U}^2=\frac{Q^2}{2C}=\frac{1}{2}QU$. Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện

Câu 21.12 trang 45 SBT Vật Lí 11: Năng lượng của tụ điện bằng

A. công để tích điện cho tụ điện.

B. điện thế của các điện tích trên các bản tụ điện.

C. tổng điện thế của các bản tụ điện.

D. khả năng tích điện của tụ điện.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Năng lượng của tụ điện bằng công để tích điện cho tụ điện.

Câu 21.13 trang 45 SBT Vật Lí 11: Một tụ điện có điện tích bằng Q và ngắt khỏi nguồn, nếu tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện thì

A. năng lượng của tụ điện giảm.

B. năng lượng của tụ điện tăng lên do ta đã cung cấp một công làm tăng thế năng của các điện tích.

C. năng lượng của tụ điện không thay đổi.

D. năng lượng của tụ điện tăng lên rồi mới giảm.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Năng lượng của tụ không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai bản tụ điện.

Câu 21.14 trang 45 SBT Vật Lí 11: Có bốn chiếc tụ điện như Hình 21.6, hãy sắp xếp theo thứ tự tăng dần về năng lượng khi chúng được tích điện tới mức tối đa cho phép.

Hình 21.6. Một số tụ diện dùng cho quạt điện

A. b, d, a,c.

B. b, c, d,a.

C. c, a, b,d.

D. c, b, a,d.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Năng lượng của tụ lần lượt là:

a. $\text{W}=\frac{1}{2}C{U}^2=\frac{1}{2}.2,{5.10}^{-6}.250=3,{125.10}^{-4}J$

b. $\text{W}=\frac{1}{2}C{U}^2=\frac{1}{2}.1,{25.10}^{-6}.450=2,{8.10}^{-4}J$

c. $\text{W}=\frac{1}{2}C{U}^2=\frac{1}{2}.1,{5.10}^{-6}.150=1,{125.10}^{-4}J$

d. $\text{W}=\frac{1}{2}C{U}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{.2.10}}^{-6}.400={4.10}^{-4}J$

Câu 21.15 trang 45 SBT Vật Lí 11: Công dụng nào sau đây của một thiết bị không liên quan tới tụ điện?

A. Tích trữ năng lượng và cung cấp năng lượng.

B. Lưu trữ điện tích.

C. Lọc dòng điện một chiều.

D. Cung cấp nhiệt năng ở bàn là, máy sấy,...

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Nhiệt lượng toả ra ở tụ điện rất nhỏ.

Câu 21.16 trang 46 SBT Vật Lí 11: Khi sử dụng một tụ điện loại b và một tụ điện loại c trong Hình 21.6 để ghép thành bộ tụ điện. Hãy so sánh năng lượng bộ tụ điện ghép song song và bộ tụ điện ghép nối tiếp khi chúng được tích điện đến mức tối đa cho phép.

A. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song lớn hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp.

B. Hai cách ghép đều cho kết quả như nhau.

C. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song nhỏ hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp.

D. Cả ba phương án A, B, C đều có thể xảy ra.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Với cùng hai tụ điện, thì điện dung bộ tụ ghép song song nhỏ hơn điện dung bộ tụ ghép nối tiếp.

Câu 21.17 trang 46 SBT Vật Lí 11: Hai tụ điện a và b (Hình 21.7) đã được tích điện lần lượt tới hiệu điện thế U_a = 100 V và U_b = 120 V. Sau đó đem ghép nối hai tụ điện bằng cách nối hai dây dương (màu đỏ) với nhau và nối hai dây âm (màu trắng) với nhau.

a) Hãy vẽ sơ đồ mạch điện ghép nối.

b) Xác định năng lượng của mỗi tụ điện trước và sau khi ghép nối.

Hình 21.7

Lời giải:

a) Vẽ mạch điện như Hình 21.1G

b) Năng lượng tụ điện a và b trước khi ghép nối là:

${\text{W}}_{\text{a}/\text{tr}}=\frac{{\text{C}}_{\text{a}}{\text{U}}_{\text{a}}^2}{2}=0,01\text{J};{\text{W}}_{\text{b}/\text{tr}}=\frac{{\text{C}}_{\text{b}}{\text{U}}_{\text{b}}^2}{2}=0,0108\text{J}$

Sau khi ghép nối ta có $Q_{\text{sau}}={\text{Q}}_{\text{a}}+{\text{Q}}_{\text{b}}$;

${\text{U}}_{\text{sau}}=\frac{{\text{Q}}_{\text{sau}}}{{\text{C}}_{\text{sau}}}=\frac{{\text{C}}_{\text{a}}{\text{U}}_{\text{a}}+{\text{C}}_{\text{b}}{\text{U}}_{\text{b}}}{{\text{C}}_{\text{a}}+{\text{C}}_{\text{b}}}=\frac{760}{7}\text{V}$

Năng lượng các tụ điện sau khi ghép nối là:

${\text{W}}_{\text{a}/\text{s}}=\frac{{\text{C}}_{\text{a}}{\text{U}}_{\text{sau}}^2}{2}=0,01179\text{J};{\text{W}}_{\text{b}/\text{s}}=\frac{{\text{C}}_{\text{b}}{\text{U}}_{\text{sau}}^2}{2}=0,00884\text{J}$

Câu 21.18 trang 46 SBT Vật Lí 11: Tính năng lượng được giải phóng (hay công phóng điện) khi ta ghép nối hai tụ điện trong bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia.

Lời giải:

Khi ta ghép nối hai tụ điện trong Bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia thì điện tích của bộ tụ điện sau khi ghép nối bằng:

Q_sau = |Q_a-Q_b| = 20.10^-6 C

Năng lượng trên bộ tụ điện sau khi ghép bằng:

${\text{U}}_{\text{sau}}=\frac{{\text{Q}}_{\text{sau}}}{{\text{C}}_{\text{sau}}}=\frac{{\text{C}}_{\text{a}}{\text{U}}_{\text{a}}-{\text{C}}_{\text{b}}{\text{U}}_{\text{b}}}{{\text{C}}_{\text{a}}+{\text{C}}_{\text{b}}}=\frac{40}{7}\text{V}$

Năng lượng trên bộ tụ điện sau khi ghép nối bằng: $W_{\text{sau}}=\frac{C_{\text{sau}}{U}_{\text{sau}}^2}{2}=0,000057\text{J}$.

Năng lượng đã giải phóng trong quá trình ghép nối là:

$A=\left(W_{a/tr}+W_{b/tr}\right)-W_{\text{sau}}=0,020743\text{J}$

Câu 21.19 trang 46 SBT Vật Lí 11: Sử dụng bốn tụ a, b, c, d trong Hình 21.6 để ghép nối thành mạch như Hình 21.8. Nếu hiểu thông số điện áp ghi trên tụ điện là điện áp tối đa được mắc vào tụ điện để hoạt động tốt.

Hình 21. 8

a) Hãy xác định hiệu điện thế tối đa có thể mắc vào mạch trên mà không làm hỏng các tụ điện trong mạch.

b) Tính năng lượng tối đa cho phép mà bộ tụ điện trên có thể tích trữ được.

Lời giải:

a) U_max = 262,5 V ;

b) $C=\frac{C_a{C}_b}{C_a+C_b}+\frac{C_c{C}_d}{C_c+C_d}=\frac{2,5.1,25}{2,5+1,25}+\frac{1,5.2}{1,5+2}=1,69\mu F$

${\text{W}}_{\text{max}}=\frac{1}{2}C{U}_{\max }^2=0,058\text{J}$.

Câu 21.20 trang 47 SBT Vật Lí 11: Hình 21.9 bị xoá tên đại lượng trên trục tung. Ba đồ thị mô tả sự biến thiên của ba đại lượng: năng lượng, điện dung, điện tích, khi hiệu điện thế U thay đổi từ 0 đến 40 V. Hãy xác định tên trên trục tung của các đồ thị đó và giải thích.

Hình 21.9. Đồ thị biến thiên của các đại lượng theo hiệu điện thế

Lời giải:

Điện dung của tụ điện là đại lượng không đổi và không phụ thuộc hiệu điện thế U nên đồ thị song song với trục hoành. Vì vậy trục tung của Hình 21.9a là điện dung C. Điện tích của tụ điện là hàm bậc nhất do tỉ lệ với hiệu điện thế giữa hai đầu bản tụ điện theo công thức Q = CU có đồ thị là đường thẳng. Vì vậy trục tung của Hình 21.9b điện tích Q.

Năng lượng của tụ điện là hàm bậc hai của hiệu điện thế giữa hai bản tụ theo công thức $\text{W}=\frac{{\text{CU}}^2}{2}$, có đồ thị là đường cong parabol. Vì vậy trục tung của Hình 21.9c là năng lượng W.

Câu 21.21 trang 47 SBT Vật Lí 11: Hãy tìm hiểu, sưu tầm thông tin, hình ảnh một số tụ điện rồi lựa chọn và sử dụng thông tin để hoàn thành báo cáo tìm hiểu một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Lời giải:

Hoàn thành báo cáo theo gợi ý như sau:

Xem thêm các bài giải SBT Vật Lí lớp 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 19: Thế năng điện

Bài 20: Điện thế

Bài tập cuối chương 3

Bài 22: Cường độ dòng điện

Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm