Giải SGK Vật Lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 25: Năng lượng và công suất điện

Giải Vật Lí 11 Bài 25: Năng lượng và công suất điện

Khởi động trang 106 Vật Lí 11: Bảng bên ghi một số nội dung trong Hoá đơn tiền điện giá trị gia tăng (GTGT) của Công ty điện lực. Em hãy cho biết ý nghĩa của các số liệu trong bảng.

Lời giải:

- Cột chỉ số mới và chỉ số cũ cho biết sự chênh lệch giữa năng lượng điện tiêu thụ tháng sau và tháng trước.

- Cột điện năng tiêu thụ: cho biết năng lượng điện đã tiêu thụ trong 1 tháng.

I. Năng lượng điện

Câu hỏi 1 trang 107 Vật Lí 11: Năng lượng điện tiêu thụ trong dụng cụ, thiết bị dùng điện ở Hình 25.1 chuyển hoá thành dạng năng lượng nào là nhiều nhất?

Lời giải:

- Hình 25.1 a: Xe đạp điện – năng lượng điện tiêu thụ chuyển hoá thành động năng là chủ yếu.

- Hình 25.1 b: Ấm đun nước – năng lượng điện tiêu thụ chuyển hoá thành nhiệt năng là chủ yếu.

- Hình 25.1 c: Bóng đèn sợi đốt – năng lượng điện tiêu thụ chuyển hoá thành quang năng và nhiệt năng là chủ yếu.

- Hình 25.1 d: Bóng đèn LED – năng lượng điện tiêu thụ chuyển hoá thành quang năng năng là chủ yếu.

Câu hỏi 2 trang 107 Vật Lí 11: Hãy chứng minh rằng, nếu đoạn mạch chỉ có điện trở R (đoạn mạch thuần điện trở) thì nhiệt lượng đoạn mạch toả ra khi có dòng điện chạy qua được tính bằng công thức: $Q=I^{2}Rt=\frac{U^2}{R}t$(25.3).

Lời giải:

Nếu mạch chỉ có điện trở R, toàn bộ năng lượng điện đã chuyển hoá thành nhiệt năng nên ta có công thức: $Q=A=UIt=I^{2}Rt=\frac{U^2}{R}t$

II. Công suất điện

Câu hỏi trang 107 Vật Lí 11: Hãy chứng minh rằng 1 kWh = 3,6.10³ kJ.

Lời giải:

Ta có công thức tính công suất:

$\text{P}=\frac{A}{t}\Rightarrow A=\text{P}.t\Rightarrow 1kWh=1000\left(W\right).3600\left(s\right)=3600000\left(J\right)={\mathrm{3,6.10}}^{3}kJ$

Hoạt động 1 trang 108 Vật Lí 11: Trên hoá đơn GTGT (tiền điện) ở đầu bài học, tiền điện được tính lũy tiến (càng dùng điện nhiều thì đơn giá của 1 kWh điện càng tăng). Theo em, cách tính này nhằm những mục đích gì? Tại sao?

Lời giải:

- Cách tính này nhằm mục đích chính là khuyến khích người dân sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả.

- Nguyên nhân do nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt, nguồn năng lượng tái tạo chưa được khai thác tối đa, nguồn năng lượng không tái tạo cạn dần, dẫn đến ngành sản xuất điện ngày càng phải khan hiếm nguồn nguyên liệu đầu vào. Do đó người ta sẽ tăng giá điện để con người sử dụng điện một cách hợp lí, tiết kiệm hơn.

Hoạt động 2 trang 108 Vật Lí 11: Cho các thông tin về bóng đèn sợi đốt và bóng đèn LED cùng có độ sáng như sau:

Giả sử trung bình mỗi bóng đèn sử dụng 5 h/ngày, em hãy tính tiền điện phải trả cho từng bóng đèn mỗi tháng và trong 30 000 h, từ đó lập luận để so sánh về hiệu quả kinh tế khi sử dụng hai loại bóng trên.

Lời giải:

Trường hợp sử dụng bóng đèn sợi đốt

- Tính cho một tháng, với thời gian hoạt động của một bóng là 1000 h mà chỉ sử dụng bóng đèn 5h/ ngày nên trong 1 tháng (sử dụng có 150 h < 1 000 h) vẫn chưa phải thay bóng mới.

+ Số bóng sử dụng trong 1 tháng là 1 bóng. Tiền mua 1 bóng đèn là 8000 đồng.

+ Điện năng tiêu thụ trong 1 tháng: $A=\text{P}.t=\mathrm{100.5.30}=15kW.h$

+ Giá tiền điện phải trả trong 1 tháng: 15 . 2 000 = 30 000 đồng

$\Rightarrow$ Tổng số tiền phải trả cho một tháng sử dụng bóng đèn sợi đốt là:

30 000 + 8 000 = 38 000 đồng.

- Khi sử dụng trong 30 000 h thì số bóng đèn phải sử dụng là: 30 000 : 1000 = 30 bóng

+ Số tiền phải mua bóng đèn là: 30 . 8 000 = 240 000 đồng

+ Điện năng tiêu thụ trong 30 000 h: $A=\text{P}.t=100.30000=3000kW.h$

+ Giá tiền điện phải trả trong 30 000 h là: 3 000 . 2 000 = 6 000 000 đồng

$\Rightarrow$ Tổng số tiền phải trả cho 30 000 h sử dụng bóng đèn sợi đốt là:

6 000 000 + 240 000 = 6 240 000 đồng.

Trường hợp sử dụng bóng đèn LED

- Tính cho một tháng, với thời gian hoạt động của một bóng là 30 000 h mà chỉ sử dụng bóng đèn 5h/ ngày nên trong 1 tháng hay trong 30000 h (sử dụng có 150 h < 1000 h) vẫn chưa phải thay bóng mới.

+ Số bóng sử dụng trong 1 tháng là 1 bóng. Tiền mua 1 bóng đèn là 48 000 đồng.

+ Điện năng tiêu thụ trong 1 tháng: $A=\text{P}.t=\mathrm{20.5.30}=3kW.h$

+ Giá tiền điện phải trả trong 1 tháng: 3 . 2 000 = 6 000 đồng

$\Rightarrow$ Tổng số tiền phải trả cho một tháng sử dụng bóng đèn LED là:

6 000 + 48 000 = 54 000 đồng.

- Khi sử dụng trong 30 000 h thì số bóng đèn phải sử dụng là 1 bóng

+ Số tiền phải mua bóng đèn là: 48 000 đồng

+ Điện năng tiêu thụ trong 30 000 h: $A=\text{P}.t=20.30000=600kW.h$

+ Giá tiền điện phải trả trong 30 000 h là: 600 . 2 000 = 1 200 000 đồng

$\Rightarrow$Tổng số tiền phải trả cho 30 000 h sử dụng bóng đèn LED là:

1 200 000 + 48 000 = 1 248 000 đồng.

So về hiệu quả kinh tế và độ bền thì ta nên sử dụng bóng đèn LED.

Bài 1 trang 109 Vật Lí 11: Trên nhãn của bóng đèn 1 có ghi 220 V – 20 W và bóng đèn 2 có ghi 220 V – 10 W. Coi điện trở của mỗi bóng đèn không thay đổi.

a) Tính năng lượng điện tiêu thụ của mỗi bóng đến khi sử dụng ở hiệu điện thế 200 V trong thời gian 2 giờ.

b) Tính tổng công suất điện tiêu thụ của cả hai bóng đèn trong những trường hợp sau:

- Mắc song song hai bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V.

- Mắc nối tiếp hai bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V.

c) Dùng cách mắc nào nêu trên để cả hai bóng đèn đều sáng bình thường? Tại sao?

Lời giải:

Bóng đèn 1: U_đm = 220 V, $\text{P}$_đm = 20 W, I_đm = $\frac{\text{P}}{U}=\frac{1}{11}A$$R_1=2420\Omega$

Bóng đèn 2: U_đm = 220 V, $\text{P}$_đm = 10 W, I_đm = $\frac{\text{P}}{U}=\frac{1}{22}A$$R_2=4840\Omega$

a) Năng lượng điện tiêu thụ của bóng đèn 1 là:

$A_1=\frac{U^2}{R_1}t=\frac{{200}^2}{2420}\mathrm{.2.3600}\approx \mathrm{119008,3}J$

Năng lượng điện tiêu thụ của bóng đèn 2 là:

$A_2=\frac{U^2}{R_2}t=\frac{{200}^2}{4840}\mathrm{.2.3600}\approx \mathrm{59504,1}J$

b)

Trường hợp 1: Mắc song song hai bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V.

Khi đó hiệu điện thế qua mỗi đèn đúng bằng hiệu điện thế định mức của từng đèn.

Tổng công suất tiêu thụ của cả 2 bóng đèn là 20 + 10 = 30 W.

Trường hợp 2: Mắc nối tiếp hai bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V

Điện trở tương đương của mạch: $R_{nt}=R_1+R_2=7260\Omega$

Cường độ dòng điện qua mỗi bóng đèn: $I_1=I_2=I=\frac{U}{R_{nt}}=\frac{220}{7260}=\frac{1}{33}A$

Công suất tiêu thụ của bóng đèn 1 là: ${\text{P}}_1=U{I}_1=220.\frac{1}{33}=\frac{20}{3}W$ <  $\text{P}$_đm = 20 W

Công suất tiêu thụ của bóng đèn 2 là: ${\text{P}}_2=U{I}_2=220.\frac{1}{33}=\frac{20}{3}W$ > $\text{P}$_đm = 10 W

Tổng công suất tiêu thụ của cả 2 bóng là: $\frac{20}{3}+\frac{20}{3}=\frac{40}{3}W$

c) Dùng cách mắc 2 bóng đèn song song để đèn sáng bình thường vì khi đó bóng đèn hoạt động đúng công suất định mức.

Bài 2 trang 109 Vật Lí 11: Thông thường, ở nước ta hiệu điện thế mạng điện trong các gia đình, trường học... là 220 V. Em hãy tìm hiểu về hiệu điện thế định mức, công suất định mức của mỗi thiết bị điện, cách mắc các thiết bị điện dùng trong lớp học của em và thời gian sử dụng trung bình của từng thiết bị mỗi tháng để làm các việc sau:

a) Vẽ lại sơ đồ mạch điện.

b) Áp dụng giá điện trong Hoá đơn GTGT (tiền điện) ở đầu của bài học để dự tính tiền điện trung bình phải trả mỗi tháng cho lớp học.

c) Hãy đề xuất phương án sử dụng tiết kiệm điện cho gia đình, lớp học.

Lời giải:

a)

- Hiệu điện thế định mức là giá trị hiệu điện thế dụng cụ điện cần được cung cấp để hoạt động bình thường.

- Công suất định mức của mỗi dụng cụ điện cho biết công suất mà dụng cụ đó tiêu thụ khi hoạt động bình thường.

Ví dụ: một bóng đèn ghi 220 V – 100 W thì chỉ khi nào dụng cụ được dùng ở đúng hiệu điện thế 220 V thì công suất điện của nó mới bằng 100 W.

- Cách vẽ: Chúng ta sẽ ưu tiên sử dụng cách mắc song song để sử dụng các thiết bị độc lập với nhau.

Học sinh tự quan sát các thiết bị điện trong lớp học để vẽ lại sơ đồ.

b) Giả sử lớp học sử dụng các thiết bị sau:

- 6 bóng đèn LED có công suất 10W và sử dụng 6h/ ngày

- 4 quạt trần có công suất 60W và sử dụng 4h/ ngày

- 4 quạt treo tường công suất 50W và sử dụng 4h/ ngày

- 2 điều hoà công suất 750W và sử dụng 4h/ ngày

- Đơn giá điện tiêu thụ được tính theo các mốc:

Áp dụng để tính số điện tiêu thụ của lớp học trong 1 tháng

Điện năng tiêu thụ trong 1 tháng:

(6.10.6 + 4.60.4 + 4.50.4 + 2.750.4) . 30 = 243 600 W.h = 243,6 kWh

Số tiền điện phải trả:

50.1549 + 50.1600 + 100.1858 + 43,6.2340 = 445 274 đồng

c) Phương án tiết kiệm điện cho gia đình, lớp học

- Tắt các thiết bị khi không sử dụng

- Vệ sinh, bảo dưỡng các thiết bị điện định kì

- Sử dụng các thiết bị đúng mục đích sử dụng, công năng sử dụng

- Chọn các thiết bị chính hãng, tiết kiệm điện

…

Em có thể trang 110 Vật Lí 11: Giải thích được nội dung ghi trong hóa đơn tiền điện và ý nghĩa của việc tính giá điện lũy tiến; lợi ích của việc thay đèn sợi đốt bằng đèn LED.

Lời giải:

- Nội dung ghi trong hóa đơn tiền điện:

+ Cột chỉ số mới và chỉ số cũ cho biết sự chênh lệch giữa năng lượng điện tiêu thụ tháng sau và tháng trước.

+ Cột điện năng tiêu thụ: cho biết năng lượng điện đã tiêu thụ trong 1 tháng.

- ý nghĩa của việc tính giá điện lũy tiến là khuyến khích người dân sử dụng điện năng đúng mục đích, tránh lãng phí.

- Lợi ích của việc thay đèn sợi đốt bằng đèn LED để:

+ tiêu thụ điện năng thấp hơn.

+ chi phí hoạt động thấp hơn.

+ tỏa ít nhiệt hơn.

+ hoạt động tức thì.

+ độ bền cao.

Em có thể trang 110 Vật Lí 11: Ước tính được số tiền điện trung bình mỗi tháng phải trả cho các dụng cụ và thiết bị điện dùng trong nhà và các biện pháp tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ.

Lời giải:

- Giả sử: ước tính số tiền điện trung bình mỗi tháng phải trả cho các dụng cụ và thiết bị điện dùng trong nhà em là 1 000 000 đồng.

- Các biện pháp tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ:

+ Tắt, rút khỏi nguồn các thiết bị điện khi không sử dụng

+ Vệ sinh, bảo dưỡng các thiết bị điện định kì.

+ Chọn các thiết bị chính hãng, tiết kiệm điện

Xem thêm các bài giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 21: Tụ điện

Bài 22: Cường độ dòng điện

Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

Bài 24: Nguồn điện

Bài 26: Thực hành: Đo suất điện động và điện trở trong của pin điện hoá