SKKN Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao...

SKKN Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động LC SKKN năm 2018 GV Xuân Sỹ Trang 1 Trang MỤC LỤC 1 1 PHẦN MỘT ĐẶT VẤN ĐỀ 2 1 1 Lí do chọn SKKN[.]

Trang 1

Trang MỤC LỤC ……… ………1

1 PHẦN MỘT : ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Lí do chọn SKKN……… ……… … 2

1.2 Mục đích của SKKN……….……… ……… 2

2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan thông tin về những vấn đề cần nghiên cứu 2

2.2 Phạm vi và đối tượng của SKKN 2

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

4 PHẦN NỘI DUNG 3

4.1 Cơ sở lý luận của vấn đề 3

4.2 Cơ sở thực tiễn và thực trạng 3

4.2.1 Thực trạng tình hình của vấn đề 4

4.2.2 Các biện pháp đã tiến hành để giải quyết 5

4.2.3 Hiệu quả của SKKN 12

5 KÊT LUẬN 13

6 KIẾN NGHỊ 13

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

1 Đặt vấn đề.

1.1 Lí do chọn sáng kiến kinh nghiệm:

Trong thực tế dạy và học môn vật lí, thì bài tập vật lí được hiểu là một vấn đề được đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ những suy luận lôgíc, thí nghiệm, dựa trên cơ sở lý thuyết và kết hợp phương pháp vật lí để giải quyết Nếu ta hiểu theo nghĩa rộng thì mỗi đại lượng vật lí xuất hiện do nghiên cứu thực nghiệm, tài liệu giáo khoa và các bài toán vận dụng thì phương pháp liên hệ với những kiến thức đã biết với những kiến thức mới là hết sức cần thiết đối với học sinh, nhằm mục đích thúc đẩy tư duy lôgíc để vận dụng kiến thức giải một số bài toán vật lí

Trong quá trình học môn vật lí, các bài tập vật lí có tầm quan trọng đặc biệt Hiện nay để thực hiện tốt chương trình dạy và học sách giáo khoa “theo chương trình chuẩn” mới theo phương pháp đổi mới có hiệu quả, thì vệc hướng dẫn học sinh, sự tương quan, liên hệ, phân loại và làm tốt các bài tập trong chương trình “chuẩn” sách

Ở chương IV “ Dao động và sóng điện từ” vật lí 12, thì lại xuất hiện một dạng dao

động điện trong mạch dao động LC, lúc này học sinh lại liên tưởng với phần dao động

cơ Vì vậy, để học sinh có thể liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện và giải quyết

một số bài toán vậy lí ở phần này, tôi đã chọn đề tài “ Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động LC”.

1.2.Mục đích của sáng kiến kinh nghiệm:

1.2.1 Cơ sở lí luận liên quan đến đề tài:

1.2.2 Cơ sở thực tế và hiện trạng của việc giảng dạy và hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí ở trường THPT Đông Sơn 2

1.2.3 Phương pháp liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để làm bài tập trong phần mạch dao động

1.2.4 Kết quả đạt được

2 Tổng quan

2.1 Tổng quan thông tin về những vấn đề cần nghiên cứu

Để thực hiện tốt chương trình sách giáo khoa mới môn vật lí 12 và dạy - học theo phương pháp đổi mới đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi giáo viên phải nghiên cứu, tìm tòi để đưa ra được những phương pháp giảng dạy có hiệu quả nhằm hướng dẫn học sinh biết liên hệ lôgíc làm tốt các dạng bài tập trong chương trình sách giáo khoa đồng thời phát triển thêm tư duy lôgíc để làm một số bài tập nâng cao nhăm đáp ứng yêu cầu xu thế của các đề thi Đại Học hiện hành Như vậy, Phương pháp liên hệ giữa dao động cơ và

học sinh khối 12 trong năm học

2.2 Phạm vi và đối tượng của sáng kiến kinh nghiệm:

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu:

Liên hệ giữa ‘ dao động cơ ’ và ‘ dao động điện ’để làm bài tập mạch dao động LC 2 2.2 Phạm vi nghiên cứu:

3 Phương pháp nghiên cứu :

Trang 3

a Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận.

- Phương pháp thu thập thông tin từ giáo viên

- Phương pháp thu thập thông tin từ học sinh

- Phương pháp thu thập thông tin từ đồng nghiệp

b Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Phương pháp tổng kết kinh nghiệm GD

- Phương pháp nghiên cứu các sản phẩm hoạt động

- Phương pháp lấy ý kiến các chuyên gia

- Phương pháp khảo nghiệm, thực nghiệm

c Phương pháp thông kê, tổng hợp, so sánh về mặt toán học.

4 Phần nội dung

4.1 Cơ sở lý luận của vấn đề:

Phương pháp dạy - học là một bộ phận hợp thành của quá trình sư phạm nhằm đào tạo thế hệ trẻ có tri thức khoa học, về thế giới quan và nhân sinh quan, thói quen và kỷ năng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tế, đẩy mạnh sự phát triển khoa học công nghệ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng khoa học kĩ thuật và đời sống cho xã hội Phương pháp dạy học có mối liên hệ biện chứng với các nhân tố khác của quá trình học Những phương pháp dạy học phải thống nhất biện chứng giữa việc giảng dạy cuả

hiện tốt các khâu của quá trình dạy - học Xác định kế hoạch giáo dục, giáo dưỡng,

thực tế, tổ chức và hướng dẫn học sinh học tập ở trên lớp cũng như ở nhà phù hợp với phương pháp sư phạm theo dự định

Đối với bộ môn vật lí ở trường phổ thông, bài tập vật lí đóng một vai trò hết sức

người thầy và học trò cần phải học tập, tìm tòi và lao động không ngừng Bài tập sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn những quy luật và hiện tượng vật lí Thông qua các bài tập

ở các dạng khác nhau thì sẽ giúp học sinh phân biệt được các đặc tính vật lí trong mỗi trạng thái ở các thời điểm, tạo điều kiện cho học sinh vận dụng linh hoạt những kiến thức để tự lực giải quyết thành công những tình huống cụ thể, thì những kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn riêng, tạo tiền đề cho tư duy độc lập

thích các hiện tượng vật lí

4.2 Cơ sở thực tiễn và thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí ở trường THPT Đông Sơn 2:

4.2.1 Thực trạng tình hình về vấn đề:

* Đặc điểm tình hình:

tập, nhưng đa số các em có cha hoặc mẹ làm nghề nông nên điều kiện kinh tế không cho phép các em được học bồi dưỡng thêm nhiều kiến thức ở ngoài nhà

trường, do đó không có nhiều cơ hội rèn luyện nhiều các phương pháp giải các bài tập khác nhau

*Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí tại

trường THPT Đông Sơn 2

cầu học sinh về kiến thức là:

Nắm vững:

* Tần số góc, tần số và chu kì dao động riêng của mạch LC:

LC 2 T

; LC 2

1 f

;

LC

1













* Điện áp tức thời giữa hai bản tụ: uU0 cos t

* Điện tích tức thời của tụ điện: qCu Q0 cos t với q0 CU0

dt

dq

i   0   0cos( )

2

i I  t

* Năng lượng điện trường tức thời tích luỹ trong tụ:

2 2

c

q

C

2

L

W  Li

* Công thức :W = W đ W t=

C

Q 2

1 CU 2

1 LI 2

1 C

q 2

1 Li 2

1 Cu 2

1 Li 2

0 2

0

2 2

2

W W W

W W

đ t

đ

t đ

2

1

















thế năng và động năng trong dao động cơ với tần số góc ω' = 2ω => f' = 2f và T' =

T/2

* Cách tính thời gian để i biến thiên từ i = 0 đến i = I0 họăc q = Q0đến q = 0 là T/4 và

sinh thảo luận và tìm ra kết quả cho câu hỏi và giáo viên thường kết luận đúng, sai và thường là không giải thích gì thêm, việc giảng dạy vật lí nhất là bài tập vật lí như thế

yếu kém hay trung bình không thể tư duy kịp và nhanh như những học sinh khá giỏi

thì thường các kết quả này là tư duy của các học sinh khá, giỏi trong nhóm Vì thế giáo viến không chú trọng đến việc hướng dẫn học sinh phương pháp tư duy lôgíc để giải

giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động” trong mạch

E,r C

L

k (2) (1)

Trang 5

điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động LC thì tôi đã vận dụng kết quả của năm hoc 2016-2017 chưa áp dụng đối với lớp 12A3 để tiến hành khảo sát và kiểm chứng, năm học 2017-2018 đối với hai lớp 12A1, 12A5 :

Bảng số liệu chưa áp dụng khảo sát năm 2017

- Đối với nhóm HS Trung bình và yếu thi tôi sử dụng phương pháp thảo luân nhóm và yêu cầu học sinh xác định pha ban đầu và pha dao động theo thời gian dao động trong mạch dao động, đồng thời xác định được các giá trị của i và q theo các thời điểm

4.2.2 Các biện pháp đã tiến hành để giải quyết vấn đề:

*Giải pháp: Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha, biên

độ và thời gian dao động trong mạch dao động LC:

A- Sơ đồ tương tác :

B- Sự tương quan giữa dao động điện và dao động cơ

Đại lượng

m

LC

 

( ) v





đ = mv1 2

2

Wt = Li1 2

2

t = kx1 2

2

Wđ =

2

2

q C

*Tổ chức thực hiện:

A- Phương pháp liện hệ và vận dụng:

1 Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện:

Dao động cơ: cos( ) (1)

 



 Khi đó ta chọn thời điểm thích hợp t0  0 và thay vào hệ phương trình (1) để tìm x

và 

Chú ý 1: Khi vật qua VTCB x = 0 thì vận tốc đạt cực đại vmax, ngược lại khi ở biên,

0

 



 Tương tự ta chọn thời điểm thích hợp và chiều biến thiên của i để chọn t0  0 và thay vào hệ phương trình (2) để tìm q và trong dao động điện

Chú ý 2: khi q = 0 thì i = I0 và khi i = 0 thì q = Q0

Đặc biệt nên vận dụng sự tương quan giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều để giải quyết các bài toán liên quan đến thời gian chuyển động

B- Bài tập vận dụng:

Trang 7

1B- Dạng bài tập xác đinh pha và phưong trình dao động:

0

 



 Tương tự ta chọn thời điểm thích hợp t0  0 và thay vào hệ phương trình (2) để tìm q

và trong dao  động điện

Chú ý : khi q = 0 thì i = I0 và khi i = 0 thì q = Q0

1B.1- Bài tập tự luận:

Thí dụ 1: Mạch dao động lí tưởng gồm cuộn dây có độ tự cảm L = 0,2H và tụ điện có điện dung C = 20F Người ta tích điện cho tụ điện đến hiệu điện thế cực đại U0 = 4V Chọn thời điểm ban đầu (t = 0) là lúc tụ điện bắt đầu phóng điện

a Viết biểu thức tức thời của điện tích q trên bản tụ điện mà ở thời điểm ban đầu nó tích điện dương

8

T

t

Hướng dẫn:

a Biểu thức điện tích

Điện tích tức thời qQ0 cos(t)

10 20 2 , 0

1 LC

1







0 0







Khi t = 0 =>q  Q0cos    Q0  cos   1 hay   0

Vậy phương trình cần tìm: q=8.10 cos500t-5 (C)

b Năng lượng điện trường tại thời điểm : Ta có:

8

T

t

C

q 2

1 W

2

8

T

t

2

Q 8

T T

2 cos Q



hay W đ = 80µJ J

80.10 20.10

2

8.10

2

1

2 5



















q = 2,5.10-6cos(2.103t)(C)

dây, biết điện dung của tụ điện là 0,25F

Hướng dẫn:

hay có thể viết dưới dạng )

A ( t 10 2 sin(

10 5 , 2 10

2

dt

dq

(A) ) 2 t cos(2.10

5.10

i 3 3 

b + Năng lượng điện từ   μJ

12,5

W









hay J 10 5 , 12 10

25 , 0

10 5 , 2 2

1 C

Q 2

1

2 6 2

0

+ Độ tự cảm của cuộn dây

LC

1



) (2.10 0,25.10

1

C ω

1

L 2  6 3 2 

cảm có độ tự cảm L = 0,02H Tụ điện được tích điện đến điện áp 10V Tại thời điểm

t = 0, tụ điện được nối với cuộn cảm:

a Tìm chu kì và tần số góc của mạch dao động

b Viết biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch và điện tích của tụ

Hướng dẫn:

a Tính T, : 

T   LC      s 2 4

10 rad s/

T



 

b Biểu thức của q, i: Ta có :

6

0 0

5.10 cos( ) sin( )

 



0

q Q t



    

Vậy : * Biểu thức điện tích của tụ điện trong mạch dao động

0 cos 5.10 cos10 ( )

* Biểu thức cường độ dòng điện trong mạch dao động

2 4

i  Q  t    t A

c Biểu thức của WC, WL, W

2

6 2 4 1

25.10 cos 10 2

C

q

C



(J)

1

25.10 sin 10 2

L

(J)

6

25.10

W W W  

độ dòng điện hiệu dụng I = 1 mA Chọn gốc thời gian lúc năng lượng điện trường bằng 3 lần năng lượng từ trường và tụ điện đang phóng điện Viết biểu thức điện tích trên tụ điện, điện áp giữa hai bản tụ và cường độ dòng điện trên mạch dao động

Hướng dẫn :

LC

1

= 104 rad/s

I0 = I 2= 2.10-3 A

Trang 9

q0 =

0

I

= 2.10-7 C

Khi t = 0 thì WC = 3Wt  W =

3

4

WC  q =

2

3

q0  cos

0

q

q

= cos(±

6



)

6



Vậy: q = 2.10-7cos(104t +

6



)(C)

u =

C

q

= 2.10-2cos(104t +

6



)(V)

i = 2.10-3cos(104t +

2

3

)(A)

1B.2- Bài tập học sinh tự làm:

dao động có đường biểu diễn sự phụ

thuộc cường độ dòng điện qua cuộn dây

theo thời gian như hình vẽ Hãy viết

biểu thức điện tích tức thời trên tụ điện

6 t 10 3

25 cos

120











tụ điện là UC = 4 V Lúc t = 0, uC = 2 2 V và tụ điện đang được nạp điện Viết biểu thức điện áp trên tụ điện và cường độ dòng điện chạy trong mạch dao động

ĐS: u = 4 2cos(106t -

3



)(V)

1B.3 - Bài tập Trắc nghiệm:

dung C  36pF Lấy 2  10 Giả sử ở thời điểm ban đầu điện tích của tụ điện đạt giá trị cực đại q0  6 106C Biểu thức điện tích trên bản tụ điện và cường độ dòng điện là:

2 10 1 , 1 cos(

6 ,

2 10 6 , 6 cos(

6 ,

C q 6 106 cos 6 , 6 10 6t(C) và 6

2

2 10 6 , 6 cos(

6 ,

bản tụ đạt giá trị cực đại Qo = 12 nC, sau đó 2 s điện tích trên bản tụ này giảm chỉ còn

Q0/2 Biểu thức cường độ dòng điện trong mạch là

106

2 4

10 6 

t

i (mA)

t (s)

10

5



C i = 3cos( 6 t) (mA) D i = 2cos( ) (mA).

10 6

2 6

10 6  t

2B Dạng bài toán xác định thời gian dao động:

Phương pháp giải:

Khoảng thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có q1

đến q2





1 1

0 2 2

0

s

s

q co

Q q co

Q











0  , 

Phân tích: t2 – t1 = nT + t (n N; 0 ≤ t < T)

2B.1- Bài tâp tự luận:

dao động điện từ Hãy xác định khoảng thời

gian, giữa hai lần liên tiếp, năng lượng điện

trường trên tụ điện bằng năng lượng từ trường

trong cuộn dây

Hướng dẫn Khi năng lượng điện trường trên tụ bằng năng

lượng từ trường trong cuộn dây,

2

1 W

Wđ  t 

hay

2

2 Q q C

Q 2

1 2

1 C

q

2

1

0

2 0

2





















2

2 Q

q   0

tương ứng với 4 vị trí trên đường tròn, các vị trí này cách đều nhau bởi các cung

2



Có nghĩa là, sau hai lần liên tiếp Wđ = Wt, pha dao động đã biến thiên được một

4

T 4

2

2   



4 T

q=Q

0sin(2π.106t)(C) Xác định thời điểm năng lượng từ bằng năng lượng điện đầu tiên

Hướng dẫn

q

2

2

Q0 2

2

Q0



4

 4

3

4

3



4





q

-q o q2 q1 qo

 O

M 2

1

 2

M 1

2 i

Trang 11

Có thể viết lại biểu thức điện tích dưới

dạng hàm số cosin đối với thời gian,

( C )

) 2 t 10 2

cos(

Q

q  0  6  

và coi q như li độ của một vật dao

động điều hòa.Ban đầu, pha dao động

2





chiều dương

2

2 Q

4





nó

8

2 4







8 T

Vậy thời điểm bài toán cần xác định là : t  => t = =





 

8

T

s 10 5 10 2 8

6















khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên một bản tụ điện có độ lớn cực đại và khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường

Hướng dẫn

Ta có chu kỳ dao động: T = 2 LC = 10.10-6 = 31,4.10-6 s Trong một chu kì có 2 lần điện tích trên bản tụ đạt giá trị cực đại nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên bản tụ đạt cực đại là:

=> t =

2

T = 5.10-6 = 15,7.10-6s





 

khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là : t’ =

4

T = 2,5.10-6 = 7,85.10-6 s

Hướng dẫn Giả sử ở thời điểm ban đầu t1, điện tích trên tụ điện có

giá trị q1 Ở thời điểm t2, sau đó một khoảng thời gian

4



có:

q

2

2

Q0

4





T

q

-qo q 2 q 1 q o

 O

M 2

 1

2

M 1

2 i

1 + 2 = => sin2 = cos1 (1) Từ công thức: => Do đó

2



2

2 2 2



i q

q o  

o

q

i



2

sin 

o

q q

i2 1

10 2 , 1

7 3

1

q i

2B.2 - Bài tập Trắc nghiệm tự giải:

điện dung C đang thực hiện dao động điện từ tự do với chu kì T Chọn thời điểm ban đầu khi điện tích trên tụ điện bằng không Thời gian ngắn nhất để điện tích trên tụ đạt được một nửa giá trị cực đại bằng

6

T

8

T

4

T

12

T

tự cảm L = 10 mH Khi t = 0, cường độ dòng điện qua cuộn dây có giá trị cực đại là 0,05 A Điện áp giữa hai bản tụ điện đạt cực đại là

A 3 V tại thời điểm t = 0,03.10-4 s B 5 V tại thời điểm t = 1,57.10-4 s

C 3 V tại thời điểm t = 1,57.10-4s D 5 V tại thời điểm t = 0,03.10-4s

điện dung C đang có dao động điện từ tự do Cứ sau những khoảng thời gian ngắn nhất t thì năng lượng điện trường và năng lượng từ trường trong mạch lại bằng nhau

A 0,25t B 2t C 0,5t D 4t

điện có điện dung 16/ pF, đang thực hiện dao động điện từ tự do Khi t = 0 thì hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện đạt cực đại Sau đó một khoảng thời gian ngắn nhất là bao nhiêu thì cường độ dòng điện trong mạch đạt cực đại?

A 8.10-9 s B 10-9 s C 4.10-9 s D 2.10-9 s

Câu 5: Một mạch dao động LC lí tưởng đang có dao động điện từ tự do Cứ sau những khoảng thời gian ngắn nhất 10-8 s thì cường độ dòng điện lại có độ lớn bằng cường độ hiệu dụng trong mạch Chu kì dao động điện từ riêng của mạch dao động này là

A 10-8 s B 6.10-5 s C 4.10-8 s D 2.10-8 s

4.2.3 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiêm:

động cơ và dao động điện để xác định pha dao động và thời gian dao động trong mạch dao động LC ” tôi đã thu được kết quả theo bảng số liệu sau:

Bảng số liệu thu được năm 2018

Lớp Số lượng