(SKKN 2022) kinh nghiệm giải bài tập đồ thị công suất tiêu thụ trong vật lý lớp 12

Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập đồ thị liên quan đến công suất ở lớp...3 2.3.. Lý do chọn đề tàiCó thể nói các phân dạng trong các chương của sách Vật lí 12 đã được kh

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 1

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

1.5 Điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm 2

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm “phương pháp giải bài toán đồ thị liên quan đến công suất” 2

2.1.1 Khái niệm về đồ thị trong vật lí 2

2.1.2 Phương pháp giải đồ thị của hàm không điều hòa trong vật lí 2

2.2 Thực trạng vấn đề của học sinh trường THPT Lê Văn Hưu trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2

2.2.1 Đặc điểm tình hình nhà trường 2

2.2.2 Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập đồ thị liên quan đến công suất ở lớp 3

2.3 Giải pháp sử dụng để giải quyết đồ thị liên quan đến công suất trong mạch điện xoay chiều 3

2.3.1 Công suất tiêu thụ trong mạch điện xoay chiều chiều không phân nhánh RLC (cuộn thuần cảm) 3

2.3.2 công suất tiêu thụ trong mạch RrLC không phân nhánh (cuộn dây có L,r)7 2.4 Bài tập đồ thị liên quan đến công suất trong vật lý 12 9

2.4.1 Bài tập liên quan đến R biến thiên (mối quan hệ giữa P và φ khi R thay đổi) 9

2.4.2 Bài tập đồ thị liên quan đến L biến thiên 13

2.4.3 Bài tập đồ thị liên quan đến C biến thiên 14

2.4.4 Bài tập đồ thị liên quan đến f,  biến thiên 15

2.5 Bài tập làm thêm 17

2.6 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với bản thân và nhà trường 18

3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 19

3.1 Kết luận 19

3.2 Kiến nghị 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Có thể nói các phân dạng trong các chương của sách Vật lí 12 đã được khánhiều tác giả biên soạn vì nó thiết thực và giúp được nhiều cho học sinh dùnglàm tài liệu tham khảo ôn thi THPT Quốc gia cũng như ôn luyện Học sinh giỏi.Trong các phân dạng bài tập, thì có nhiều phân dạng khá khó, nhiều bài tập ítgặp làm học sinh bối rối, đặc biệt là đối với các em học sinh còn yếu kém về suyluận nếu gặp dạng bài tập mới các em hầu như không thể tự giải quyết được vấn

đề Theo xu hướng hiện nay thường có nhiều bài toán yêu cầu học sinh phải sửdụng và vận dụng linh hoạt các kiến thức liên quan đến đồ thị Gặp những bàitoán dạng này học sinh thường lúng túng trong việc tìm cho mình một phươngpháp giải tốt nhất Các sách tham khảo hiện nay lại chỉ chú trọng áp dụng luôncác công thức vật lí vào làm bài tập để ra kết quả nhanh mà không chú trọngnhiều về bài tập đồ thị, các tài liệu tham khảo trên mạng thì lại chú trọng nhiều

về dạng đồ thị của hàm điều hòa chứ ít khi đề cập đến đồ thị của hàm khôngđiều hòa, nên các bài tập về đồ thị đặc biệt là đồ thị của hàm không điều hòa(trong đó có đồ thị liên quan đến công suất) thường là khó với học sinh THPT.Nhằm giúp các em học sinh có cái nhìn khái quát hơn, lựa chọn cho mình mộtphương pháp tối ưu nhất để đạt hiệu quả cao khi làm các bài tập liên quan đến

đồ thị về công suất môn Vật lý lớp 12 nói riêng và đồ thị của hàm không điềuhòa nói chung, tôi chọn đề tài “Giải bài tập đồ thị công suất tiêu thụ trong mạchđiện xoay chiều”

Tuy đề tài chỉ nằm trong một phạm vi rất nhỏ trong tổng thể 8 Chương nhưng

hy vọng giúp đỡ học sinh nắm vững dạng bài tập cơ bản xuất hiện trong các đềthi THPT Quốc gia, đề Học sinh giỏi gần đây về “đồ thị của hàm không điềuhòa” Tôi rất mong được sự nhận xét của quý lãnh đạo, đồng nghiệp để tôi hoànthiện hơn Sáng kiến kinh nghiệm của mình Tôi xin chân thành cảm ơn!

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Khai thác được hệ thống bài tập đồ thị về công suất tiêu thụ vật lí lớp 12

- Đánh giá được thực trạng hiện nay về khả năng giải bài tập về đồ thị về côngsuất của học sinh

- Học sinh có thể nhìn vào đồ thị để tìm ra kết quả mà đề bài yêu cầu hoặc từnhững dừ kiện đề cho mà vẽ được đồ thị công suất

- Học sinh tự tìm ra hướng giải quyết bài tập đồ thị công suất vật lí lớp 12

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài được đưa vào giảng dạy cho học sinh lớp 12 trường THPT Lê Văn Hưu

2 năm học 2020 - 2021 ôn thi THPT QG năm 2021 phần bài tập đồ thị công suấtvật lý 12

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Học sinh lớp 12C5 trường THPT Lê Văn Hưu, Thiệu Hóa, Thanh Hóa

- Đội tuyển học sinh giỏi trường THPT Lê Văn Hưu, Thiệu Hóa, Thanh Hóa

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để làm rõ vấn đề mà đề tài nghiên cứu, chúng tôi cần vận dụng tổng hợp cácphương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp điều tra giáo dục

- Phương pháp quan sát sư phạm

- Phương pháp thống kê thu thập thông tin, tổng hợp, so sánh, xử lý số liệu

- Phương pháp mô tả

- Nghiên cứu lí luận:

+ Nghiên cứu lí luận dạy học vật lí, nghiên cứu mục tiêu dạy học, lí

luận về đồ thị trong vật lí

+ Nghiên cứu các tài liệu vật lí: Sách giáo viên, sách giáo khoa vật lí lớp 12,các tài liệu có liên qua đến đồ thị và các đại lượng xác định từ đồ thị

1.5 Điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

Tôi viết đề tài nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết và phương pháp đầy đủ, tổngquát nhất để giải các bài tập về bài toán đồ thị liên quan đến công suất nói riêng

và bài toán đồ thị của hàm không điều hòa nói chung Bởi vì theo tôi được biết

“bài toán đồ thị liên quan đến công suất tiêu thụ” là dạng bài tập ngày càng đượcđưa ra rất nhiều trong các kỳ thi THPT Quốc gia, thi học sinh giỏi, tuy nhiên tàiliệu tham khảo còn rất ít và mới có lời giải mà chưa có đường lối cụ thể vàphương pháp giải chung cho bài toán này Tôi hi vọng tài liệu sẽ giúp ích chohọc sinh trong việc giải quyết dạng toán này

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm “phương pháp giải bài toán đồ thị liên quan đến công suất tiêu thụ trong mạch điện xoay chiều”

2.1.1 Khái niệm về đồ thị trong vật lí

- Đồ thị là một cấu trúc rời rạc bao gồm các đỉnh và các cạnh nối các đỉnh này

- Các loại đồ thị khác nhau được phân biệt bởi kiểu và số lượng các cạnh nốihai đỉnh nào đó của đồ thị

2.1.2 Phương pháp giải đồ thị của hàm không điều hòa trong vật lí

- Bước 1 Tìm hiểu đề bài: Dựa vào đồ thị chỉ ra những đại lượng đã biết, đơn

vị của các đại lượng trên các trục, các điểm có hoành độ, tung độ xác định nhất

là những điểm đặc biệt (cực đại, cực tiểu, điểm cắt,…), bước này thực tế là từ đồthị ta chuyển về bài toán thông thường với các thông số về đại lượng đã biết vàđại lượng cần tìm

- Bước 2 Xác lập các mối liên hệ cơ bản giữa những đại lượng có được từ đồ

thị và những đại lượng cần tìm theo yêu cầu của đề (thông qua các công thứcliên hệ để lập phương trình), Bước này đòi hỏi cần nắm vững kiến thức cơ sở vềcác đại lượng vật lí trong bài toán

- Bước 3 Rút ra kết luận hoặc tính toán kết quả, bước này ngoài kiến thức vật

lí còn đòi hỏi thêm kĩ năng tính toán tốt

2.2 Thực trạng vấn đề của học sinh trường THPT Lê Văn Hưu trước khi

áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

2.2.1 Đặc điểm tình hình nhà trường

- Trường THPT Lê Văn Hưu là trường loại hình Công lập, tuy nhiên nhiềuhọc sinh mất kiến thức căn bản, khi học các môn Khoa học thực nghiệm nhưmôn Vật lí các em thường chán nản và học đối phó, do vậy các bài tập mangtính suy luận các em gặp rất nhiều khó khăn

- Đội ngũ giảng dạy môn Vật lí ở trường có 8 giáo viên, phải dạy kiêm nhiệmthêm Công nghệ nên thời gian đầu tư chuyên môn chưa nhiều Nhiều giáo viênchưa thực sự thích ứng với đổi mới trong dạy học Tuy nhiên với sức trẻ toàn bộgiáo viên môn Vật lí trong trường không ngừng học hỏi, trau dồi chuyên môn đó

là một thuận lợi lớn cho bộ môn Vật lí

2.2.2 Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập đồ thị liên quan đến công suất ở lớp.

- Giáo viên ít đề cập đến các bài tập về đồ thị dao động và chỉ chú trọng vàocác bài tập áp dụng công thức rồi tính toán

- Tài liệu, sách tham khảo viết về phần đồ thị rất ít hoặc chỉ nói tóm tắt

- Rất nhiều học sinh khi thi THPT QG gặp những bài toán về đồ thị thường bỏqua và cuối cùng là chọn bừa đáp án nên có kết quả thi không cao

- Bài tập đồ thị liên quan đến công suất nói chung có khá nhiều vấn đề để khaithác trong đó các vấn đề, các khái niệm cơ bản thì học sinh có thể tiếp thu được,tuy nhiên đối với những bài toán yêu cầu suy luận và biến đổi nhiều bước để làmnhững bài tập mở rộng trong các đề THPT Quốc gia, đề thi học sinh giỏi thì họcsinh gặp khá nhiều khó khăn Trước thực trạng đó tôi nhận thấy phải hướng dẫncác em trước hết phải nắm vững hiện tượng sau đó là kiến thức căn bản trong sáchgiáo khoa cung cấp, sau đó từ từ đưa các dạng bài toán và ví dụ thực tế trong đề thicho các em làm quen

- Bài tập đồ thị liên quan đến công suất là một trong những phân dạng lạ vàkhó không chỉ đối với học sinh trường THPT Lê Văn Hưu mà nó còn lạ và khóvới nhiều học sinh trên cả nước, đối với giáo viên thì cũng còn khá khan hiếmtài liệu tham khảo về dạng toán này Vì vậy để học sinh có thể hiểu rõ được hiệntượng và bản chất của bài toán tôi sẽ đưa ra cơ sở lý thuyết, phân loại và đưa raphương pháp giải cho từng loại của dạng toán này

2.3 Giải pháp sử dụng để giải quyết đồ thị liên quan đến công suất trong mạch điện xoay chiều.

Để giải quyết tốt những bài toán về đồ thị liên quan đến công suất tối thiểu chúng ta cần nắm được kiến thức trọng tâm về Công suất, mối quan hệ giữa công suất và các đại lượng biến thiên trong mạch.

2.3.1 Công suất tiêu thụ trong mạch điện xoay chiều chiều không phân

nhánh RLC (cuộn thuần cảm)

 Công suất tức thời: P = UIcos + UIcos(2t + ) (1)

 Công suất trung bình: P = UIcos = RI 2

 Công suất tiêu thụ của mạch điện xoay chiều: P UI cos  (2)

 Hệ số công suất: cos

R Z

U R P

(4)(5)(6)

KHẢO SÁT SỰ BIẾN THIÊN CỦA P THEO CÁC ĐẠI LƯỢNG: R, L, C, φ,



2.3.1.1 Công suất tiêu thụ cực đại khi mạch RLC có cộng hưởng.

Nếu giữ không đổi điện áp hiệu dụng U giữa hai đầu đoạn mạch và thay đổitần số góc  (hoặc thay đổi f, L, C) sao cho

1

ωL =

ωC (hay Z L = Z C) thì có hiện

tượng cộng hưởng điện

Điều kiện xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong mạch RLC nối tiếp:

ZL= ZC;

1



L C

 Lưu ý: L và C mắc liên tiếp nhau

2.3.1.2 Khảo sát sự biến thiên của P theo R

a R thay đổi để P =P max

Khi L,C, không đổi thì mối liên hệ giữa

Z L và ZC không thay đổi nên sự thay đổi của

C

N M

R không gây ra hiện tượng cộng hưởng

 Công suất tiêu thụ của đoạn mạch cực đại khi: (13) Khi đó: Z R 2 ,

U I

Max

U P

R

2 max

UP

RU P

c Mối quan hệ giữa P và φ khi R thay đổi

Công suất tiêu thụ của mạch điện:  

2

2 2

U R P

Cos R; Sin Z L Z C

Công thức lượng giác: sin 2 2sin cos 

Khi độ lệch pha giữa điện áp hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện là ,

công suất tiêu thụ của mạch là:

2.3.1.3 Công suất tiêu thụ trên R khi tần số ( f hay ) thay đổi:

a P thay đổi khi ω( hay f) thay đổi.

 Nếu R, U = const Thay đổi C, L hoặc :

 Với  =  1 hoặc  =  2 thì I hoặc P hoặc UR có cùng một giá trị

khi     1 2  tần số f  f f1 2 .Thay đổi f có hai giá trị f1  f2 biết

2

ch

LC a

2.3.1.4 Với hai giá trị của cuộn cảm L 1 và L 2 mạch có cùng công suất Tìm L để P max

Với hai giá trị của cuộn cảm L1 và L2 mạch có cùng công suất

P 1 = P 2  Z 1 =Z 2  |Z L1 Z C | = | Z L2  Z C |



L1 L2 C

L1 L2 L

2.3.1.5 Với hai giá trị của tụ điện C 1 và C 2 mạch có cùng công suất Tìm C để

Với điện dung của tụ điện C mạch có công suất cực đại khi ZL = Z C kết

hợp với (26) suy ra:

C1 C2 C



Đồ thị P – C:

2.3.2 công suất tiêu thụ trong mạch RrLC không phân nhánh (cuộn dây có L,r):

 Công suất tiêu thụ của cả đoạn mạch xoay chiều:

P = UIcos  hay P = I 2 (R+r) =

2 2

U ( R r ) Z



.

 Hệ số công suất của cả đoạn mạch : cos =

R r Z



 Công suất tiêu thụ trên điện trở R: PR = I 2 R=

2 2

U R Z

Với Z = (R+r) (Z - Z ) 2  L C 2

 Công suất tiêu thụ của cuộn dây: Pr = I 2 r =

2 2

U r Z

 Hệ số công suất của đoạn mạch chứa cuộn dây : cos d = d

U P

2(R r)



 ,

2 max

U P

 Chứng minh:

a Công suất tiêu thụ cực đại của cả đoạn mạch R thay đổi :

(L,r,C, không đổi)

R thay đổi để P max : Khi L,C, không đổi thì mối liên hệ giữa ZL và ZC không

thay đổi nên sự thay đổi của R không gây ra hiện tượng cộng hưởng

Công suất tiêu thụ cực đại trên (R+r): Pmax = Z L Z C

U

 2 2

b Công suất tiêu thụ cực đại trên R:

2 2

 Lưu ý: Có khi kí hiệu r thay bằng R0.

2.4 Bài tập đồ thị liên quan đến công suất trong mạch điện xoay chiều

2.4.1 Bài tập liên quan đến R biến thiên (mối quan hệ giữa P và φ khi R thay

đổi)

Bài 1. (Chuyên Lam Sơn - Thanh Hóa L2

- 2021): Đặt điện áp xoay chiều có giá trị

hiệu dụng U không đổi tần số f = 50Hz vào

hai đầu đoạn mạch nối tiếp gồm biến trở R,

cuộn dây không thuần cảm có r = 30 Ω độ

tự cảm � =

1,2

 � Tụ có điện dung � =4

10





� Gọi P là tổng công suất trên biến

trở và trên mạch Hình bên là một phần đồ thị P theo R Khi biến trở có giá trị

R1 thì tổng hệ số công suất trên cuộn dây và trên mạch gần nhất giá trị nàosau đây?

A 1,22 B 1,15 C 1,26

D 1,19 Hướng giải:

Bài cho :

30120100

L C

r Z Z

75

R

(R0 là giá trị của điện trở khi Pmax)

Từ dữ kiện đề bài cho và rút ra được từ đồ thị, ta có thể đưa bài toán đồ thị thànhbài toán thông thường là:

- Bài cho:

30120100

L C

r Z Z

75

R

(R0 là giá trị của điện trở khi Pmax)

- Cần tìm: tổng hệ số công suất: cosd + cos = ?

 Bước 2: Tìm công thức liên hệ giữa 2 đại lượng trên trục tung và hoành (P

- Công suất trên mạch theo (31) ta có: P’ = (R+r)

2

L c

U ( R r ) ( Z Z )

- Tổng công suất trên biến trở và mạch là:

 Bước 3: Biến đổi toán học để tìm tổng hệ số công suất (lưu ý R0 là giá trị

của điện trở khi Pmax)

- Thay số vào P ta được:

7

145

+ Hệ số công suất của cả đoạn mạch : cos =

R r Z

 =

Bài 2 (Vật lí BeeClass) Cho đoạn mạch RLC mắc nối tiếp, cuộn dây thuần

cảm Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp xoay chiều có biểu thức

suất tiêu thụ của mạch phụ thuộc R được cho như đồ thị hình bên Giá trị của U0

là

A.130 2 V B 60 V C 120 V

D 130 V

Hướng giải:

 Bước 1: Các đại lượng trên trục

tung và trục hoành là: P(W) và R( ),

Từ đồ thị ta thấy, với R = R1 = 40Ω và

R = R 0 = 60Ω thì P max Tìm U 0 ?

 Bước 2 + 3: Tìm công thức liên

hệ giữa 2 đại lượng trên trục tung và

hoành (P và R) rồi biến đổi toán học

 Mối quan hệ giữa P và φ khi R thay đổi

Bài 3 Đặt điện áp xoay chiều có giá trị hiệu

dụng và tần số không đổi vào hai đầu đoạn mạch

AB mắc nối tiếp gồm biến trở R và cuộn cảm

thuần L Gọi φ là độ lệch pha của điện áp hai

đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện trong

đoạn mạch Hình vẽ là đồ thị của công suất mà

mạch tiêu thụ theo giá trị của φ Giá trị φ1 gần

giá trị nào nhất sau đây?

Tìm φ1 ?

 Bước 2 + 3: Tìm công thức liên hệ giữa 2 đại lượng trên trục tung và hoành

(P và φ) rồi biến đổi toán học

- Theo (21) ta có: P P max.2sin cos  Pmaxsin 2

Bài 4 (L1 - Thăng Long - Hà Nội- 21) Đặt điện áp xoay chiều

� = �0 ���(�� ) vào hai đầu đoạn mạch gồm điện trở R có thể

thay đổi, cuộn dây thuần cảm và tụ điện mắc nối tiếp Gọi φ là

-11-A 0,79 rad B 0,365 rad.

độ lệch pha giữa điện áp hai đầu và

cường độ dòng điện trong mạch

Khi thay đổi R, đồ thị của công suất

tiêu thụ của đoạn mạch phụ thuộc

vào φ như hình vẽ Giá trị của φ1

 Bước 2 + 3: Tìm công thức liên hệ giữa 2 đại lượng trên trục tung và hoành

(P và φ) rồi biến đổi toán học

- Theo (21) ta có: P P 0.2sin cos P0sin 2

Bài 5. Lần lượt đặt vào hai đầu đoạn mạch

AB mắc nối tiếp gồm biến trở R, cuộn cảm

thuần L và tụ điện C hai điện áp xoay chiều:

u 1 = U 10 cos(ω 1 t + φ 1 )V và u 2 = U 20 cos(ω 2 t +

mạch tiêu thụ theo R như hình vẽ (lần lượt

là đường 1 và đường 2) Gọi x là công suất

mạch tiêu thụ cực đại khi đặt điện áp u2 Giá

trị của x gần giá trị nào nhất sau đây?

 Bước 2 + 3: Tìm công thức liên hệ giữa 2 đại lượng trên trục tung và hoành

(P và R) rồi biến đổi toán học

- Theo (13); (15); (18); (19) ta có: