Giải Câu hỏi trang 9 Chuyên đề Vật lí 12

Lời giải

Dự đoán: Có. Khi thay điện trở $R$ bằng tụ điện hoặc cuộn dây, điện áp xoay chiều giữa hai đầu linh kiện thay đổi theo tần số của dòng điện xoay chiều, vì tụ điện và cuộn dây cản trở dòng điện xoay chiều bằng một đại lượng phụ thuộc tần số (khác với điện trở $R$ không phụ thuộc tần số).

a) Trường hợp thay $R$ bằng tụ điện

- Tụ điện cản trở dòng điện xoay chiều bằng dung kháng:
$$Z_C=\frac{1}{\omega C}=\frac{1}{2\pi f C}$$
- Nếu giữ cường độ dòng điện hiệu dụng $I$ qua mạch không đổi thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu tụ điện là:
$$U_C=I\,Z_C=\frac{I}{2\pi f C}$$
- Khi tần số $f$ tăng thì $Z_C$ giảm, do đó $U_C$ giảm; khi $f$ giảm thì $U_C$ tăng. Vậy $U_C$ thay đổi theo tần số (tỉ lệ nghịch với $f$).

b) Trường hợp thay $R$ bằng cuộn dây (cuộn cảm)

- Cuộn dây cản trở dòng điện xoay chiều bằng cảm kháng:
$$Z_L=\omega L=2\pi f L$$
- Với cùng cường độ dòng điện hiệu dụng $I$, điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây là:
$$U_L=I\,Z_L=2\pi f L\,I$$
- Khi tần số $f$ tăng thì $Z_L$ tăng, do đó $U_L$ tăng; khi $f$ giảm thì $U_L$ giảm. Vậy $U_L$ cũng thay đổi theo tần số (tỉ lệ thuận với $f$).

c) Thí nghiệm kiểm chứng

- *Dụng cụ:* máy phát âm tần (nguồn xoay chiều có tần số điều chỉnh được), tụ điện (hoặc cuộn dây), ampe kế xoay chiều, vôn kế xoay chiều, dây nối.
- *Cách tiến hành:* Mắc nối tiếp nguồn xoay chiều với tụ điện (hoặc cuộn dây); dùng ampe kế đo cường độ dòng điện $I$ trong mạch, vôn kế đo điện áp hiệu dụng giữa hai đầu linh kiện. Giữ điện áp hiệu dụng của nguồn không đổi, lần lượt thay đổi tần số $f$ của nguồn và ghi lại số chỉ của ampe kế và vôn kế ứng với mỗi giá trị $f$.
- *Kết quả dự kiến:*
+ Với tụ điện: khi tăng $f$, số chỉ vôn kế $U_C$ giảm (dòng điện qua mạch tăng) — đúng với $Z_C=\dfrac{1}{2\pi fC}$ giảm.
+ Với cuộn dây: khi tăng $f$, số chỉ vôn kế $U_L$ tăng (dòng điện qua mạch giảm) — đúng với $Z_L=2\pi fL$ tăng.
- *Kết luận:* Số liệu đo xác nhận điện áp giữa hai đầu tụ điện và hai đầu cuộn dây phụ thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều, khác với điện trở $R$ (điện áp $U_R=IR$ không đổi theo tần số khi $I$ không đổi).

Đáp số