Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập rất hay liên quan đến định luật Jun – Lenxơ và sự truyền nhiệt trong vật lý lớp 11. Các em hãy cùng quan sát và suy nghĩ theo thầy nhé.

Đề bài cho chúng ta biết:
– Khối lượng nước là m = 1 kg.
– Nhiệt độ của nước tăng thêm là ΔT = 1°C. Lưu ý, với độ chênh lệch nhiệt độ, đơn vị °C và K là tương đương, nên ta cũng có ΔT = 1 K.
– Cường độ dòng điện chạy qua điện trở là I = 1 A.
– Điện trở có giá trị là R = 7 ôm.
– Nhiệt dung riêng của nước là c = 4200 J/kg.K.

Chúng ta cần tìm thời gian làm nóng cần thiết.

Để giải bài tập này, chúng ta sẽ dựa vào hai nguyên lý cơ bản:
1. Định luật Jun – Lenxơ: Nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn có điện trở R khi có dòng điện I chạy qua trong khoảng thời gian t được tính bằng công thức:
Q = I²Rt
2. Công thức tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng một vật: Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng một khối lượng m của chất có nhiệt dung riêng c thêm một độ là ΔT được tính bằng công thức:
Q’ = mcΔT

Trong bài toán này, chúng ta giả định rằng toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra từ điện trở được truyền hết cho nước để làm nóng nó. Vì vậy, nhiệt lượng tỏa ra bằng nhiệt lượng cần thiết để làm nóng nước.

Bước 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng 1 kg nước thêm 1°C.
Ta sử dụng công thức:
Q’ = mcΔT

Thay số vào ta có:
Q’ = 1 kg 4200 J/kg.K 1 K
Q’ = 4200 J

Vậy, chúng ta cần cung cấp 4200 J nhiệt lượng để làm nóng 1 kg nước thêm 1°C.

Bước 2: Tính nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở khi dòng điện I chạy qua trong thời gian t.
Ta sử dụng định luật Jun – Lenxơ:
Q = I²Rt

Vì chúng ta đang tìm thời gian t, nên chúng ta có thể xem nhiệt lượng tỏa ra này chính là Q’ mà chúng ta vừa tính ở Bước 1.
Do đó, ta có phương trình:
I²Rt = Q’

Bước 3: Tìm thời gian t.
Từ phương trình ở Bước 2, ta có thể suy ra công thức tính thời gian t như sau:
t = Q’ / (I²R)

Bây giờ, chúng ta thay các giá trị đã biết vào công thức này:
Q’ = 4200 J
I = 1 A
R = 7 ôm

t = 4200 J / ( (1 A)² * 7 ôm )
t = 4200 J / ( 1 A² * 7 ôm )
t = 4200 J / 7 Ω.A²

Lưu ý về đơn vị: J / (Ω.A²) = J / (V.A.A) = J / (V.A²) => đây là đơn vị sai, ta cần xem xét lại.
Ta có định luật Jun – Lenxơ: Q = I²Rt. Đơn vị của Q là Joule (J). Đơn vị của I là Ampere (A), R là Ohm (Ω).
Do đó, đơn vị của I²R là A² * Ω.
Vậy ta có J = A² Ω t.
Suy ra đơn vị của t là J / (A² * Ω).
Vì 1 Watt (W) = 1 Joule trên giây (J/s), và 1 Watt cũng bằng 1 Volt nhân 1 Ampere (V.A), và theo định luật Ôm, 1 Volt (V) = 1 Ampere (A) nhân 1 Ohm (Ω), nên 1 Watt = 1 A 1 Ω 1 A = 1 A² * Ω.
Như vậy, đơn vị của I²R là Watt (W), đơn vị của Q cũng là Watt giây, tức là Joule.
Do đó, t = Q / (I²R) sẽ có đơn vị là Joule / Watt = Joule / (Joule/giây) = giây.
Vậy đơn vị của kết quả cuối cùng sẽ là giây (s).

Tiếp tục phép tính:
t = 4200 / 7
t = 600 s

Vậy, thời gian làm nóng cần thiết là 600 giây.

Chúng ta có thể đổi 600 giây ra phút để dễ hình dung hơn:
600 s = 600 / 60 phút = 10 phút.

Đáp số: 600 s.

Qua bài tập này, các em đã thấy được mối liên hệ giữa năng lượng điện và năng lượng nhiệt. Chúc các em học tốt!