Lý thuyết vật lí 12

1.8 Năng lượng, mật độ năng lượng, mật độ dòng năng lượng 1.8.1 Năng lượng sóng Sóng lan truyền làm cho các phần tử môi trường dao động, mỗi phần tử khi dao động sẻ có năng lượng:  2

Trang 1

b Dao động tuần hoàn: Là dao động mà trạng thái chuyển động của vật được lặp lại sau những

khoảng thời gian bằng nhau (gọi là chu kì)

c Dao động điều hòa: Là dao động được mô tả bằng một định luật dạng sin (hoặc cosin) đối với thời

gian: x  A cos(   t  )

Ví dụ:

)

2 cos(   

T A

I.1.2 Định nghĩa các đại lượng trong phương trình dao động điều hòa: x  A cos(   t  )

 x: li độ của dao động; là độ lệch của vật khỏi vị trí cân bằng

 A: biên độ dao động; là giá trị cực đại của li độ, xmax= A.

 : pha ban đầu của dao động ( không phải là góc thật mà là đại lượng trung gian cho phép ta xác định đại lượng ban đầu của vật ( vị trí, vận tốc ban đầu ) Thời điểm t=0

  t  : pha của dao động; ( t   không phải là góc thật mà là đại lượng trung gian cho phép

ta xác định trạng thái dao động của vật ( vị trí ) Thời điểm t

 T: chu kì dao động; là khoảng thời gian ngắn nhất mà trạng thái dao động của vật lặp lại như củ

 f: Tần số dao động; là số dao động mà vật thực hiện được trong một đơn vị thời gian

I.1.3 Công thức vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa

Xét dao động điều hòa: x  A cos(   t  )

Vận tốc tức thời ( bằng đạo hàm của li độ đối với thời gian)

dt

t A

d dt

dx x

Tai VTCB (vi trí cân bằng) x = 0 thì vận tốc cực đại: vmax   A

Gia tốc tức thời: a  v'  x''   A 2cos(  t   ) Hay a   2x

Tại VTCB x = 0 thì a = 0 và hợp lực F = 0

Gia tốc luôn ngược dấu với li độ; hay a luôn hướng về vị trí cân bằng

I.1.4 Đồ thị dao động

Biểu diễn sự biến thiên của x, v, a theo thời gian với (t = 0, = 0)

I.1.5 Hệ thức liên hệ giữa x, v, A, a độc lập đối với thời gian t

I.1.6 Mối liên hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hòa

Trang 2

Lý thuyết Vật Lí 12 Toàn tập

Biên soạn: Nguyễn Tất Thành email: thanhvl9@gmail.com Page 2 of 54

- Xét điểm M chuyển động tròn đều trên đường tròn tâm O bán kính A, với tốc độ góc  (rad/d)

- Lấy một điểm C trên đường tròn làm gốc

+ Tại thời điểm t = 0 (ban đầu): vị trí của điểm chuyển động là M0 xác định bởi góc  (hình vẽ)

+ Tại thời điểm t bất kì: vị trí của chất điểm chuyển động là Mt được xác định bởi góc  t  

- Khi chiếu điểm M xuống trục OC, được xác định bởi điểm P: có tọa độ x  OP

- Ta có x  OP  OMtcos  =OMtcos(  t   )

- Vậy: x  A cos(  t   )

Kết luận: Vậy chuyển động của điểm P trên trục OC là một dao động điều hòa

Vậy một dao động điều hòa có thể xem là hình chiếu của một chuyển động tròn đều xuống một trục qua tâm nằm trong mặt phẳng quỹ đạo

I.2 Khảo sát dao động của con lắc lò xo

I.2.1 Cấu tạo

-Lò xo có độ cứng k, khối lượng không đáng kể

-Một đầu lò xo gắn cố định, đầu còn lại gắn vào viên bi có khối lượng m (viên bi chuyển động không

có ma sát theo phương ngang)

I.2.2 Phương trình dộng lực học

- Chọn trục tọa độ ox hướng sang phải, góc tọa độ tại vị trí cân bằng

- Đưa viên bi ra khỏi vị trí cân bằng đến tọa độ x = A, rồi buông ra, viên bi dao động xung quanh vị trí cân bằng với biên độ A

- Xét viên bi tại vị trí bất kì ( tại M có tọa độ x), lực ma sát nhỏ (bỏ qua), các lực tác dụng lên viên bi + Lực đàn hồi của lò xo, (định luật Húc) F = -kx ( dấu – chỉ rằng F luôn hướng về vị trí cân bằng)

+ Trọng lực P của viên bi, phản lực của mặt phẳng ngang cùng độ lớn và ngược chiều, luôn cân bằng và bỏ qua

Vậy lực đàn hồi F là lực gây nên gia tốc chuyển động của viên bi là:

- theo định luật II Newtơn: F = ma

- với a là gia tốc của viên bi

2

x dt



 , tần số:

m

k T

1



I.2.4 Năng lượng trong dao động điều hoà của con lắc lò xo

I.2.4.a Sự biến đổi năng lượng (khảo sát định tính)

* Xét dao động điều hoà của con lắc lo xo

+Kéo viên bi từ vị trí O đến A, công của lực kéo truyền cho viên bi một dạng năng lượng là thế năng đàn hồi Et Tại vị trí cân bằng thế năng đàn hồi bằng không (gốc thế năng)

+Tại biên A :Etmax , Ed = 0

+Thả viên bi lực đàn hồi sẻ kéo viên bi chuyển động nhanh dần về O dẫn đến Et giảm, Ed tăng

+Tại O :Edmax, Et = 0

O

Trang 3

Do quán tính viên bi tiếp tục chuyển động đi qua O làm lò xo bị nén lại ,lực đàn hồi ngược chiều chuyển động làm viên bi chuyển động chậm lại Et tăng và Ed giảm

+Tại -A viên bi dừng lại Etmax ,Ed = 0

Lò xo đẩy viên bi về phía O,nữa chu kỳ sau quá trình được lặp lại

Vậy trong quá trình dao động điều hoà luôn diễn ra quá trình biến đổi năng lượng giữa Et và Ed Nếu Et tăng thì Ed giảm và ngược lại

I.2.4.b.Sự bảo toàn cơ năng trong dao động điều hoà (khảo sát định lượng) Xét dao động

 Et là thế năng đàn hồi của là xo

 Ed là động năng của con lắc lò xo

* E t  kx2  kA2cos2 t

2

12

1

(1)

* E d  mv2  mA 2 2 t

sin2

12

1

(2) với 2

 m

 Từ 1 và 2 thì trong quá trình dao động Et và Ed luôn biến đổi theo thời gian

 Năng lượng (cơ năng) của hệ dao động không đổi theo thời gian, tỉ lệ với bình phương

biên độ dao động điều hoà

3 Khảo sát dao động của con lắc đơn

3.1 Cấu tạo

 Xét con lắc đơn gồm một viên bi nhỏ (khối lượng m) được xem như là một chất điểm

Treo vào sợi dây không giãn, có khối lượng không đáng kể

 Con lắc có vị trí cân bằng là CO

 Chọn O làm góc toạ độ, chiều dương theo chiều dương lượng giác Vị trí của viên bi tại

M được xác định được xác định bằng độ dài đại số cung OM = s

3.2 Phương trình động lực học của con lắc đơn

- Đưa con lắc tới vị trí A, có biên độ cung s0 , con lắc dao động xung quanh vị trí cân bằng CO với biên độ góc là 0

- Xét tại vị trí bất kì, được xác định bởi cung s ( li độ ) viên bi chịu tác dụng của 2 lực: P, T

- Theo định luật 2 Newtơn: PT m a (1)

- Phân tích lực P thành 2 thành phần

 P t : vuông góc với dây (tiếp tuyến với quỹ đạo)

 P h: theo phương sợi dây

Trang 4

s d

a t   thay vào (2) ta có ,   ,  s0

l

s s l

s g

(4) có nghiệm: sS0cos  t  gọi là phương trình dao động của con lắc đơn

Dạng khác của phương trình dao động con lắc đơn :

- lấy  làm biến số thay cho cung s

- ta có s ls, ,l (5)

Thay (5) vào (4): ,l2 l0,2 0 (6)

(6) là phương trình vi phân hạng hai thuần nhất (phương trình động lực học của con lắc đơn) có

nghiệm là:  0cos t là phương trình dao động con lắc đơn dạng góc

Vậy với nhưng dao động nhỏ thì dao động của con lắc đơn là dao động điều hoà với T, f,  là:

 Tại biên A: thế năng cực đại Etmax , Ed =0

 Thả viên bi, thành phần tiếp tuyến Pt

của trọng lực P

làm viên bi chuyển động nhanh dần về vị trí cân bằng: thế năng Et giảm, động năng Ed tăng

 Tới VTCB O: Et = 0, Edmax

 Do quán tính viên bi vượt qua VTCB O tiếp tực đi lên chậm dần do Pt

tăng, ngược chiều chuyển động, do đó Et tăng, còn Ed giảm

 Đến biên A’ viên bi dừng lại Etmax , Ed = 0, sau đó dưới tác dụng của Pt

viên bi chuyển động về O Trong nữa chu kì sau quá trình lặp lại

Vậy trong quá trình chuyển động của con lắc đơn luôn diễn ra quá trình biến đổi giữa thế năng và động năng nếu Et tăng thì Ed giảm và ngược lại

sinh công làm thay đổi thế năng và động năng của con lắc (cơ năng không đổi)

Xét tại thời điểm t (con lắc ở vị trí góc lệch  )

 Phương trình li độ cung: sS0cos t

 Phương trình vận tốc: vs, S0sin t

thế năng hấp dẫn: Et mgh, chọn góc thế năng ở VTCB E t0 0

2sin2cos

 mgl mgl

mgh

22sin 

14

1

l

s mgl

E t     , hay E t  m 2S02cos2 t

21

Trang 5

Cơ năng của con lắc đơn; E E t E d

 t  m S   t  m S const S

m

E 2 02 2   0 2 2   2 02 

2

1sin

2

1cos

 Con lắc lò xo dao động điều hoà trong giới hạn đàn hồi

 Con lắc đơn dao động điều hoà (gần đúng) khi biên độ góc nhỏ (  100)

4.2 Độ lệch pha của hai dao động

Xét hai dao động cùng phương, tần số, có pha ban đầu khác nhau 1và 2

 x1 A1cos  t 1

 x2  A2cos  t 2

 Độ lệch pha:  t2   t121

Vậy độ lệch pha là đại lượng đặc trưng cho sự khác nhau về trạng thái giữa hai dao động cùng tần số

và xác định bởi hiệu số pha ban đầu

  const  o: hai dao động lệch pha

  0: x2 sớm pha so với x1

 0: x2 chậm pha so với x1

   k : k0,1,2,3 hai dao động cùng pha

  2 k 1: hai dao động ngược pha



2



 

 : hai dao động vuông pha

 Ví dụ về 2 dao động ngược pha như hình vẽ

4.3 Phương pháp giản đồ Frexnen (véctơ quay)

Cơ sở: dựa trên tính chất một dao động điều hoà có thể xem như là một hình chiếu của một chuyển động tròn đều xuống một trục qua tâm trong mặt phẳng quỹ đạo

Biểu diễn dđđh: x Acos  t 

 Vẽ trục toạ độ ox có góc tại tâm quỹ đạo tròn (hình vẽ)

 Véctơ A

có góc tại tâm O: độ dài bằng độ lớn biên độ dao động A, tạo với OC (ox) một

góc  tại thời điểm t = 0

4.5 Tổng hợp hai dao động điều hoà cùng phương và tần số

Xét một vật tham gia đồng thời hai dao động điều hoà

Trang 6

cũng quay theo chiều dương với vận tốc góc 

 Vì tổng đại số của các hình chiếu của hai véctơ A1

và A2 xuống một trục bằng hình chiếu của véctơ tổng tới trục đó, nên véctơ tổng A

biểu diễn dao động tổng hợp và  biểu diễn pha ban đầu của dao động tổng hợp

 Biên độ của dao động tổng hợp, xét  OMM2 :  (21)

 Theo định lí hàm cosin:

2 1 2 2 2

2 2 1 1

sinsin

A A

Ảnh hưởng của độ lệch pha tới biên độ dao dông tổng hợp

  k  hai dao động cùng pha A A1A2

1 A A

A 

 const  o hai dao động lệch pha: A1A2 AA1A2

5 Dao động tự do Dao động tắt dần Dao động duy trì

 

Trang 7

5.2.2 Nguyên nhân

 Lực ma sát của môi trường sinh công âm, làm giảm cơ năng của hệ nên biên độ dao động giảm

 Tuỳ theo ma sát lớn hay nhỏ mà quá trình tắt dần nhanh hay chậm

 Đồ thị dao động tắt dần:

5.3 Dao động duy trì

5.3.1 Khái niệm: Là dao động có biên độ không thay đổi theo thời gian (tự dao động)

5.3.2 Nguyên tắc: Phải tác dụng một ngoại lực tuần hoàn bằng tần số riêng của hệ, lực tuần hoàn nhỏ

cung cấp cho hệ một phần năng lượng đúng bằng phần bị mất sau một chu kì dao động

5.4.1 Khái niệm: là dao động dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn: F n Hcos2  ft 

 H: biên độ của ngoại lực

 F: tần số của ngoại lực với f  f0

5.4.2 Đặc điểm

 Trong khoảng thời gian nhỏ t ban đầu khi có ngoại lực tác dụng, dao động của vật là một dao động phức tạp Là sự tổng hợp của dao động riêng và dao động do ngoại lực tác dụng Sau đó dao động riêng tắt dần chỉ còn lại dao động do tác dụng của ngoại lực: đó là dao động cưởng bức

 Biên độ không đổi

 Dao động cưởng bức có tần số bằng tần số của ngoại lực tuần hoàn

 Dao động cưởng bức có biên độ phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa tần số cưởng bức f và tần số dao động riêng f 0

 Nếu f  f  f0 có giá trị nhỏ thì biên độ dao động cưởng bức càng lớn, và ngược lại

 Nếu f  f  f0 0 thì xãy ra cộng hưởng

Trang 8

II SÓNG CƠ HỌC VÀ SÓNG ÂM

1 SÓNG CƠ

1.1 Khái niệm về sóng

Môi trường truyền sóng cơ học

 Sóng tuần hoàn cơ học chỉ truyền được trong môi trường mà các phân tử kiên kết với nhau bằng lực đàn hồi

 Đối với sóng nước được tạo thành nhờ trọng lực và lực căng mặt ngoài

Sóng cơ học

 Là những dao động đàn hồi lan truyền tong môi trường vật chất theo thời gian

 (hoặc) Là những biến dạng đàn hồi lan truyền trong môi trường vật chất theo thời

 Cơ chế: là sự truyền các chổ tụ (nén) và chổ tán (giãn) của môi trường vất chất

dọc theo phương truyền song

 Môi trường: Truyền trong môi trường khí, lỏng, rắn Không truyền trong chân không

1.2 Quá trình truyền sóng trên mặt nước

Xét một viên bi nhở P gắn trên đầu một thanh thép đàn hồi Thanh thép đặt song song với mặt nước và viên bi tiếp xúc với mặt nước Khi cho viên bi dao động vuông góc với mặt nước, ta thấy có những sóng lan truyền từ P ra trên mặt nước dạng những gợn hình tròn lồi, lỏm đồng tâm tại P, lan rộng ra xa Mỗi điểm trên mặt nước nơi sóng truyền qua sẻ dao động lên xuống với chu kì T

Hình ảnh:

1.3 Nguyên nhân của sự truyền sóng trên mặt nước

Giữa các phần tử nước nằm ở bề mặt (cũng như các chất khác) có lực tương tác lẫn nhau (lực liên kết) Khi có một phần tử nước A dao động nhô lên cao, các lực tương tác kéo các phần tử

lân cận nhô lên nhưng chậm hơn Đồng thời các lực tương tác này cũng kéo phần tử A về vị trí

củ (cân bằng) Vậy lực tương tác giữa các phân tử đóng vai trò như là lực đàn hồi của lò xo Các

quá trình như vậy diễn ra liên tục và dao động lan truyền ra xa

1.4 Các đại lượng đặc trưng của sóng

 Chu kì T: Là chu kì dao động chung của các phần tử vật chất có sóng truyền qua và bằng chu kì dao động của nguồn sóng

 Là khoảng thời gian ngắn nhất sau đó trạng thái lặp lại như cũ

Trang 9

 Tần số: Là tần số dao động chung của các phần tử vật chất có sóng truyền qua bằng tần số của nguồn sóng :

 F Lực căng lò xo hoặc sợi dây

 D Khối lượng trên một đơn vị chiều dài

v

x t A x

t x

u , cos2

 Biểu thức của li độ u là một hàm của hai biến số x, t

Lưu ý: Li độ u khác với tọa độ x

 Sóng ngang: trục u vuông góc với x

 Sóng dọc: trục u trùng với x

1.5.1 Tính chất tuần hoàn theo không gian và thời gian

1.5.2 Tuần hoàn theo thời gian

Trang 10

Xét một điểm P trên sợi dây có toạ độ xác định x = d P dao động điều hoà có li độ u Pd,t là một hàm tuần hoàn theo thời gian:

biểu diễn li độ của điểm P theo thời gian

1.5.3 Tuần hoàn theo không gian

Xét tại một thời điểm to bất kì xác định, vào thời điểm to li độ u của một điểm bất kì phụ thuộc vào toạ độ x của điểm đó, nếu đi dọc theo dây thì x thay đổi và u củng thay đổi

v

x t A x u t

x

0

chứng minh: thay giá trị x bằng x + : ux,t0ux,t0

x T

t A

t x

1.5.4 Độ lệch pha giữa hai dao động cách nhau một khoảng d

Xét hai điểm dao động có toạ độ x1 và x2 cách nhau một khoảng d trên phương truyền sóng

d x

Ta thấy bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm dao động cùng pha nằm gần nhau nhất:

  k  với k1,2,3 dao động cùng pha

21

T d/v

x

u(x,t U(t 0 ,x)

)



Trang 11

Ví dụ: phản xạ sóng âm ở tường, vách núi

1.7.2 Nhiễu xạ

Nếu gặp một chướng ngại vật, thì nó có thể di vòng qua phía sau vật cản

Đặc điểm:

 Mặt sóng bị biến dạng, do tia sóng bị biến dạng

 Một lỗ nhỏ khi nhận được sóng tới bất kì dạng nào, củng có vai trò giống như một nguồn phát sóng cầu

1.7.3 Giao thoa

Khi hai sóng cùng loại gặp nhau trong một miền không gian thì chúng sẻ hợp lại với nhau và tạo nên dao động tại một điểm ở miền đó Nếu hai sóng cùng tần số, thì mỗi điểm gặp nhau có cùng

li độ cùng phương và độ lệch pha không đổi với thời gian

1.8 Năng lượng, mật độ năng lượng, mật độ dòng năng lượng

1.8.1 Năng lượng sóng

Sóng lan truyền làm cho các phần tử môi trường dao động, mỗi phần tử khi dao động sẻ có năng lượng:

 2 2 2 2

2

12

Với: m  D khối lượng riêng của môi trường

m J

Mật độ năng lượng sóng (năng lượng sóng) tại một điểm tỉ lệ với bình phương biên độ sóng tại đó

1.8.2 Mật độ dòng năng lượng

Là lượng năng lượng do sóng truyền tải qua một đơn vị diện tích trên mặt đầu sóng, trong một đơn vị thời gian

2 2

có dạng gợn lồi, lỏm đứng yên không thay đổi theo thời gian nằm xen kẻ nhau

 chổ lồi có biên độ cực đại

 chổ lỏm có biên độ cực tiểu

Hiện tượng này gọi là giao thoa của hai sóng: từ hai sóng kêt hợp phát ra từ hai nguồn kết hợp Chổ lồi, lỏm gọi là vân giao thoa Các vân này có dạng đường hypebol với hai tiêu điểm ở A, B

2.2 Định nghĩa hiện tượng giao thoa

Là hiện tượng xãy ra do sự tổng hợp của hai (hay nhiều) sóng kết hợp trong không gian, trong đó

có những chổ nhất định mà biên độ sóng được tăng cường hoặc bị giảm bớt (thậm chí bị triệt tiêu)

Trang 12

2.5 Phương trình giao thoa sóng

Thừa nhận nguyên lí: Nguyên lý chồng chập các dịch chuyển hoặc nguyên lý về tính độc lập của các tín hiệu

Nếu hai tín hiệu cùng tính chất đi tới một điểm của môi trường thì chúng không ảnh hưởng gì lên nhau mà chỉ chồng chập sau đó tiếp tục truyền đi xem như không có tín hiệu kia

Nếu tín hiệu một gây nên dịch chuyển u1, tín hiệu 2 gây nên dịch chuyển u2 thì tại thời điểm hai tín hiệu gặp nhau dịch chuyển là: u = u1 + u2

Nếu các tín hiệu dịch chuyển là khác phương và dịch chuyển diễn tả bằng véctơ u1

và u2 thì thời điểm chồng chập sẻ là véctơ: u u1 u2



Nguyên lý này đúng khi các dịch chuyển là không quá lớn

 Xét giao thoa trên mặt nước

Giả sử A và B là hai dao động tử điều hoà cùng T, cùng biên độ A, đồng pha

T

t A

u cos2

 Xét tại điểm M có khoảng cách tới A là r1, và tới B là r2

Dao động tại M do sóng truyền từ A tới, có phương trình sóng là:

v

r t T A u

v

r t T A u

T

t A

u u

coscos

T

t r

r A



 r r

Suy ra: r2r1k  , với k1,2,3

Những điểm tại đó có biên độ dao động cực đại là diểm mà hiệu đường đi của hai nguồn sóng tới điểm đó bằng một số nguyên lần bước sóng 

Vị trí cực tiểu giao thoa (điểm nút) (là những điểm đứng yên)



 r r

212

1 2

Sóng tới và sóng phản xạ lan truyền trên cùng một môi trường có cùng vận tốc lan truyền

 Khi sóng phản xạ trên đầu cố định, thì sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới tại điểm phản xạ

 Khi sóng phản xạ trên đầu tự do, thì sóng phản xạ luôn cùng pha với sóng tới tại điểm phản xạ

3.1.2 Sóng dừng

Là sóng xuất hiện trên sợi dây với các nút và bụng được cố định trong không gian

3.1.3 Giải thích hiện tượng sóng dừng

Trang 13

Dao động truyền trên sợi dây từ P đến M dưới dạng một sóng ngang, đến M được giữ cố định xem như không dao động Sóng truyền tới M sẻ bị phản xạ và truyền ngược trở lại P Sóng tới và phản xạ thoả mãn điều kiện sóng kết hợp

Điểm M không dao động nghĩa là sóng tới và phản xạ ngược pha nhau tại M Kết quả là trên dây

có sự dao thoa của hai sóng kết hợp truyền ngược chiều Chúng cùng tần số với âm thoa và luôn ngược pha tại M

Điểm P dao động cùng tần số với âm thoa và biên độ rất nhỏ nên nút ở đầu P rất gần điểm P

3.1.4 Điều kiện để có sóng dừng

Để tìm điều kiện sóng dừng, ta phải xem P và M là hai nguồn phát sóng và xác định sóng tổng

hợp do hai sóng tại một điểm N nào đó trên dây PM (dây có chiều dài l)

Dao động của nguồn P: u P Acos t

u PM cos với l = PM, v là vận tốc truyền sóng

Nguồn M phát sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới tại M, do đó dao động của nguồn M là:

l t A

t

Acos2Dao động tổng hợp: u N u PN u MN

Vận dụng hệ thức lượng giác:

2

sin2sin2cos

r T

t A

l A

A M 2 sin2 ; với điều kiện 0r  l

Điều kiện tại N là cực tiểu giao thoa, hay điểm nút của sóng dừng: AM = 0 chỉ khi

02

 Khi r = l thì AM = 0, điểm M đứng yên

 Điểm P đứng yên thì nếu r = 0 (N trùng P) ta có: 



 k

l

2

2

 k

l 

2,1

Trang 14

212

Điều kiện để có sóng dừng với 2 bụng hai đầu

2

 k

l 

D

F f

k l

Sóng âm là sóng cơ học (sóng doc) truyền trong môi trường khí, lỏng, rắn

 Trong chất rắn có hai loại sóng âm: sóng ngang và sóng dọc

 Trong khí hay lỏng: chỉ có sóng dọc mới truyền được

 Có hai loại âm

 Nhạc âm (tiếng đàn, sáo….) là những sóng âm có tần số xác định

 Tiếng ồn (tiếng nổ, va chạm…) là những âm không tuần hoàn, tần số không xác định

4.2 Cơ chế phát âm và truyền âm trong không khí

Lấy một lá thép, được giữ chặt một đầu còn đầu kia dao động tự do Khi lá thép dao động thì nó

có thể phát ra âm, lá thép dao động là một vật phát dao động âm Lá thép càng ngắn thì tần số dao động càng cao, khi tần số nằm trong khoảng 16Hz đến 20000Hz, thì tai người có thể nge thấy Giải thích: Khi lá thép cong về một phía nào đó, nó làm cho lớp không khí trước đó bị nén lại và lớp sau bị dãn ra Do đó khi lá thép dao động làm cho lớp không khí hai bên lá thép bị nén và dãn liên tục Nhờ sự truyền áp suất của không khí mà sự nén dãn được truyền đi xa dần, tạo ra sóng dọc trong không khí Sóng này có tần số đúng bằng tần số dao động của lá thép Khi sóng truyền đến tai, thì áp suất không khí tác dụng lên màng nhĩ và gây nên cảm giác âm

4.3 Môi trường truyền âm, vận tốc

 Môi trường truyền âm: rắn, lỏng, khí

 Sóng âm không truyền trong chân không

 Chất cách âm: là chất gần như cản trở hoàn toàn với âm Như bông, xốp, len…

Vận tốc âm: Phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường Lưu ý: Vận tốc của một sóng cơ học nào đó ngang hay dọc đều phụ thuộc vào

 Quán tính của môi trường (dùng để giữ trữ động năng)

 Tính đàn hồi của môi trường (dùng để giữ trữ thế năng)

4.4 Âm nghe được, hạ âm, siêu âm

 Âm nghe được: là âm có tần số 16 Hz đến 20000 Hz

 Hạ âm: có tần số nhỏ hơn 16 Hz; voi, chim bồ câu… nghe được

 Siêu âm: có tần số lớn hơn 20000 Hz; dơi, chó, cá heo…nghe được

4.5 Các đặc trưng vật lí của âm

4.5.1 Tần số âm

Là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất

4.5.2 Cường độ âm và mức cường độ âm

Năng lượng âm tỉ lệ với bình phương biên độ dao động âm

4.5.2.1 Cường độ âm

Cường độ âm tại một điểm là lượng năng lượng được nguồn âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích, đặt tại điểm đó vuông góc với phương truyền âm

Trang 15

Đơn vị W m2, kí hiệu I

Hoặc: là tốc độ trung bình mà năng lượng được chuyển qua một đơn vị diện tích

Mối liên hệ giữa I và biên độ dịch chuyển um theo hệ thức: 2 2

2

1

m u v

Mức cường độ âm L của một âm là đại lượng đo bằng loga thập phân của tỉ số I/I0

Đơn vị L: Ben kí hiệu B; đơn vị thường dùng deciben: dB với dB B

I

I dB

Lưu ý:

Tai người chỉ nghe được âm có cường độ âm lớn hơn một gía trị cực tiểu gọi là ngưỡng nghe Ing ;

Ing chỉ phụ thuộc vào f ; f 1000HzI ng 10 12W m2

Tai người cũng chỉ nghe được âm có cường độ nhỏ hơn một giá trị gọi là ngưỡng đau Id , nếu lớn hơn thì làm đau tai (nhức tai): I d 10W m2

4.5.3 Âm cơ bản và hoạ âm

Âm cơ bản: mỗi dụng cụ âm nhạc khi phát ra âm có tần số f0 gọi là âm cơ bản, hay hoạ âm thứ nhất

Họa âm: là âm phát ra có tần số: 2f0;3f0;4f0;5f0 gọi là các họa âm, các họa âm có biên độ rất khác nhau và tuỳ thuộc vào dụng cụ phát âm

Đồ thị dao động nhạc âm: là tập hợp đồ thị âm cơ bản và các họa âm đó Vậy có thể xem đồ thị dao động của âm như là một đặc trưng vật lí của âm

4.6 Các đặc trưng sinh lí của âm và sự phụ thuộc của chúng vào các đặc trưng vật lí

4.6.1 Độ cao

Là một đặc trưng sinh lý của âm gắn liền (phụ thuộc) vào tần số âm

 Âm có tần số càng lớn thì nghe càng cao (hoặc thanh): giọng nữ

 Âm có tần số nhỏ thì nghe càng trầm: giọng nam

4.6.2 Độ to của âm

Là một đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc vào mức cường độ âm (cường độ âm và tần số âm)

Độ to của âm biểu diễn bởi mức cường độ âm:

0

lg10

Mức cường độ âm lớn đến một mức nào đó sẻ gây ra cảm giác đau nhức tai, là ngưỡng đau Ngưỡng nghe < độ to của âm < ngưỡng đau

4.6.3 Âm sắc

Là đặc điểm sinh lý âm phụ thuộc vào tần số âm, biên độ sóng âm và các thành phần cấu tạo âm Sóng âm do nhạc cụ phát ra là sóng âm tổng hợp của nhiều âm cùng được phát ra cùng một lúc, các sóng âm này có tần số là f,2f,3f,4f với các biên độ u1,u2,u3 rất khác nhau

Âm có tần số f gọi là âm cơ bản, các âm có tần số 2f,3f gọi là các âm thứ 2, thứ 3… Họa

âm có biên độ mạnh nhất sẻ quyết định độ cao của âm mà nhạc cụ phát ra

Dao động tổng hợp vẫn kà một dao động tuần hoàn nhưng không điều hoà Đường biểu diễn của dao động âm tổng hợp không phải là một đường hình sin, mà là một đường có tính chất tuàn hoàn

Trang 16

nhưng hình dạng phức tạp Một dao động tổng hợp có một âm sắc xác định Chính vì vậy hai nhạc cụ

khác nhau có thể phát ra hai âm cùng độ cao (cùng f) nhưng âm sắc hoàn toàn khác nhau

Vậy âm sắc phụ thuộc vào số các họa âm và cường độ của các họa âm (tức là phụ thuộc vào tần

Khi sóng do nguồn phát ra truyền vào trong hộp cộng hưởng thì khối không khí trong hộp sẻ hình thành một sóng dừng, ở miệng của hộp cộng hưởng có một bụng sóng Áp suất không khí ở miệng hộp cộng hưởng dao động rất mạnh Dao động này truyền ra môi trường xung quanh một sóng

âm có cường độ lớn

Lưu ý: kích thước của hộp cộng hưởng phải thích hợp với âm cần khuyếch đại, mới có thể hình thành sóng dừng trong hộp

Ví dụ:

 Đàn ghita thì bầu đàn là hộp cộng hưởng

 Kèn, sáo thì phần ống rỗng thân kèn sáo là hộp cộng hưởng

5 HIỆU ỨNG DOPPLER

Là hiện tượng khi có sự chuyển động tương đối giữa nguồn âm và tai nghe, thì âm mà tai nghe được có tần số khác với tần số âm do nguồn phát ra

Ví dụ:

 Dùng để đo tốc độ xe chuyển động nhờ rađa (bắntốc độ)

 Nhờ hiệu ứng Doppler với ánh sang khả kiến cho phép các nhà thiên văn học, xác định được tốc độ của các ngôi sao và các thiên hà đối với Trái Đất

5.1 Nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động (tai chuyển động)

Xét một người (máy thu) đang chuyển động với vận tốc v (m/s) và một nguồn âm phát ra âm với tốc độ c (m/s), tần số f và bước sóng 

Khi máy thu đứng yên so với nguồn, trong một khoảng thời gian t mặt sóng của âm di chuyển về phía máy thu một khoảng ct Số bước sóng mà máy thu nhận được trong khoảng thời gian t chứa trong khoảng vt là ct 

Vận tốc máy thu nhận được các bước sóng chính là tần số f mà máy thu nhận được:



 c t

ct

f   , trong trường hợp này không có hiệu ứng Doppler

5.1.1 Máy thu tới nguồn phát

Trong thời gian t

 Mặt sóng di chuyển tới nguồn một khoảng ct

 Nguồn thu di chuyển tới nguồn phát một khoảng vt

 Các mặt sóng di chuyển tới nguồn thu một khoảng là ct  vt

 Số bước sóng trong khoảng cách tương đối ct  vt, đó cũng chính là số bước sóng mà máy thu nhận được trong thời gian t





vt ct

f' 1

 Ta thấy f'  f;(f' f,v0)

5.1.2 Máy thu ra xa nguồn phát

Tương tự ta có tần số mà nguồn thu nhận được là: 

f' 1 , vậy f' f;(f'  f,v0)Nếu c  v chúng ta sẻ có trường hợp khác

5.2 Nguồn chuyển động, máy thu đứng yên

Trang 17

5.2.1 Nguồn tới gần máy thu

Xét tương tự trên ta có tần số máy thu nhận được là:

v c

c f f

5.2.2 Nguồn ra xa máy thu

Tương tự ta có tần số mà máy thu nhận được là:

v c

c f f





'

5.3 Nguồn và máy thu đều chuyển động

5.3.1 Nguồn và máy thu cùng chuyển động trên đường thẳng nối chúng

Tổng hợp từ trên ta có tần số mà máy thu nhận được là:

c v c

v

f f

1

2 '

 Với v1là vận tốc của nguồn đối với không khí

 Với v2là vận tốc của máy thu đối với không khí

Lưu ý:

 Nếu nguồn và máy thu chuyển động ra xa nhau thì: v1,v2 0

 Nếu nguồn và máy thu chuyển động lại gần nhau thì: v1,v2 0

5.3.2 Nguồn và máy thu không chuyển động theo đường thẳng nối chúng

Các véctơ v1và v2 tạo với đường thẳng nguồn và máy thu các góc 1và2

Âm mà máy thu nhận được có tần số là:

c v c

v f f

1 1

2 2 '

cos1

có hiệu ứng Doppler ngang

5.4 Hiệu ứng Doppler với vận tốc nhỏ

Khi vận tốc của nguồn phát hay máy thu nhở so với vận tốc âm truyền đi: v  c

tần số âm mà máy thu nhận được là:

c v c

v

f f

1

2 '

Khi nguồn chuyển động lại gần máy thu với một tốc độ v  c Thì ta tiên đoán rằng f' rất lớn

Có nghĩa là nguồn phát chuyển động nhanh đến nỗi nó đuổi kịp các sóng âm mà nó phát ra

Vậy điều gì sẻ xãy ra nếu v  ? c

Với tốc độ siêu thanh thì các công thức nghiệm cho trường hợp v  c không còn sử dụng được nữa

Khi đó các mặt đầu sóng hình cầu của nguồn âm phát ra sẻ chụm lại dọc theo một đường bao hình chữ V, mà trong không gian 3 chiều là một hình nón gọi là Mateh Làm xuất hiện một sóng

xung kích trên mặt nón (do sự chụm lại của những mặt sóng tsọ nên một sự tăng, rồi giảm đột ngột của áp suất không khí khi mặt nón đi qua bất cứ điểm nào)

 góc biểu diễn một nữu hình nón ở đỉnh, được gọi là hình nón Mateh, được xác định bởi công thức:

Sóng xung kích do một máy bay sieu thanh (hay đầu đạn) gây ra tạo nên một sự nổ âm thanh gọi

là sự nổ siêu thanh

Trang 18

III DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1 Nguyên tắc tạo nên dòng điện xoay chiều Hiệu điện thế xoay chiều và cường độ dòng xoay chiều

1.1 Nguyên tắc tạo nên dòng xoay chiều

1.1.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi cho một khung dây dẫn diện tích S quay đều trong một từ trường đều không đổi B

, xung quanh một trục XX’ nằm trong mặt phẳng khung dây và vuông góc với các đường cảm ứng từ

(hình vẽ) Khi đó trong khung dây sẻ xuất hiện một suất điện động cảm ứng điều hoà Nối hai đầu

A,B của khung dây với mạch ngoài thì trong mạch sẻ xuất hiện một dòng điện biến thiên điều hoà

(dòng điện xoay chiều)

1.1.2 Suất điện động cảm ứng từ trong khung dây

Xét tại thời điểm ban đầu t = 0 pháp tuyến n

của khung dây trùng với với hướng của từ trường B

Đến tại một thời điểm t bất kì, pháp tuyến n

của khung dây quay được một góc  t

với  là vận tốc góc Từ thông qua khung dây:

t BS

BScos  cos



 , khi có N vòng dây ta có NBScos NBScos t

Vậy từ thông qua khung dây biến thiên tuần hoàn theo thời gian, nên trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng Độ lớn của suất điện động cảm ứng được xác định bởi sự biến thiên của  theo thời gian

e ( dấu ‘-‘ xuất hiện vì theo định luật Lenxơ dòng điện cảm ứng sinh

ra trong khung dây, có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông qua nó)

BNS t BNS t

e cos ,  sin , đặt E 0 NBS  ta có eE0sin t

Nếu cuộn dây là khép kín và có điện trở thuần R thì cường độ dòng cảm ứng trong mạch là:

t I t R

E

i 0sin  0sin

1.2 Hiệu điện thế và Cường độ dòng xoay chiều

Nếu ta nối hai đầu A, B với một mạch ngoài (tiêu thụ) thì trong mạch sẻ có một dòng điện:

Khung dây dẫn đóng vai trò là nguồn, suất điện động cảm úng đóng vai trò là suất điện động của nguồn Vì suất điện động của nguồn biến thiên điều hòa với tần số góc  nên hiệu điiện thế mà nó sinh ra ở mạch ngoài cũng biến thiên điầu hòa với tần số góc  và có dạng:

t U

u 0cos

 u: hiệu điện thế tức thời

 U0: hiệu điện thế cực đại

Trong trường hợp tổng quát, ở mạch ngoài có các dụng cụ tiêu thụ điện R, L, C… Khi đó hiệu điện thế biên thiên điều hòa u sẻ tạo ra trong mạch một dòng điện có cường độ cũng biến thiên điều hoà với cùng tần số góc  và có dạng:

Trang 19

Vì điện trường truyền trong các dây dẫn với vận tốc rất lớn (cỡ 3.10 8 m/s) nên ở mỗi thời

điểm nhất định điện trường ở mỗi điểm trên mạch điện không phân nhánh là như nhau Do đó cường độ dòng điện trên mạch không phân nhánh là như nhau

 Dòng xoay chiều có chu kì:

2 Cường độ hiệu dụng và Hiệu điện thê hiệu dụng

2.1 Lý do sử dụng giá trị hiệu dụng U và I

 Vì dòng xoay chiều rất khó xác định giá trị tức thời của nó (biên thiên quá nhanh), không thể lấy giá trị trung bình của i (vì trong một chu kì giá trị trung bình i bằng không)

 Không thể dùng Ampe kế, Vôn kế khung quay để đo cường độ và hiệu điện thế dòng

xoay chiều (vì mỗi khi dòng đổi chiều thì đáng lẽ kim điện kế đổi chiều ngay, nhưng do quán tính lớn của kim và khung quay nên kim không theo kịp sự đổi chiều của dòng điện) vì kim

đứng yên khi dòng điện đi qua

 Mặt khác khi sử dụng dòng xoay chiều, cái ta cần quan tâm tới không phải là giá trị tức thời của nó trong từng thời điểm mà là tác dụng trong thời gian dài Vì vậy ta không cần biết đến giá trị tức thời của dòng điện mà cần biết tác dụng lâu dài của nó Ta biết tác dụng tỏa nhiệt của dòng điện không phụ thuộc vào chiều dòng điện, vì nó tỉ lệ với bình phương cường

độ dòng điện Do đó có thể so sánh tác dụng toả nhiệt của dòng điện xoay chiều với tác dụng tỏa nhiệt của dòng không đổi

 Dựa vào nguyên tắc nhiệt người ta chế tạo ra Ampe kế, Vôn kế nhiệt để sử dụng đo các giá trị hiệu dụng

 Đây là lý do để ta đưa ra khái niệm giá trị hiệu dụng I và U

2.2 Định nghĩa cường độ hiệu dụng I

Cho một dòng điện xoay chiều: iI0cos t chạy qua một đoạn mạch có điện trở thuần R trong thời gian t khá dài Thí nghiệm và thực nghiệm chứng tỏ rằng nhiệt lượng toả ra trên R

t RI

Q 02

2

1

 , (chứng minh tại SGK12 GS: Ngô thúc Lanh và GS: Phan đức Chính, sách củ)

Nếu ta cũng cho dòng điện không đổi đi qua R, có cường độ I, trong thời gian t như đối với dòng xoay chiều thì mó cũng toả ra một nhiệt lượng như dòng xoay chiều: Q RI2t

2.3 Hiệu điện thế hiệu dụng U

3 Định luật Ôm cho các đoạn mạch riêng lẻ: R,L,C

Dòng điện qua mạch có dạng: iI0cos tI 2cos t thì điện áp hai đầu đoạn mạch có dạng

3.1 Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R

3.1.1 Thiết lập mối quan hệ giữa dòng điện và hiệu điện thế

Trang 20

Xét một đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R

 Nếu đặt vào giữa hai đầu A, B một hiệu điện thế không đổi U, thì trong mạch sẻ có một dòng điện không đổi I, theo định luật Ôm: I  U R và trong mạch có hiệu ứng Junlenxơ

 Bây giờ ta dặt vào hai đầu đoạn mạch A, B một hiệu điện thế xoay chiều có dạng:

t U

u 0cos Trong mạch AB củng chỉ xãy ra hiệu ứng Jun_Lenxơ Trong một khoảng thời gian rất ngắn, ta có thể xem u và i là không đổi và áp dụng định luật Ôm đối với dòng không đổi

t R

U R

3.1.2 Biễu diễn giản đồ véctơ

Giản đồ mối quan hệ giữa u và i

3.2 Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần L, (r = 0)

3.2.1 Mối quan hệ giữa cường độ và hiệu điện thế

Xét đoạn mạch AB chỉ có cuộn cảm thuần L (có điện trở thuần r0)

Thí nghiệm Với dòng điện một chiều thì chúng tở rằng cuộn cảm L không có tác dụng cản trở dòng điện này Nhưng L có tác dụng cản trở dòng xoay chiều đi qua nó, và độ tự cảm càng L càng lớn tác dụng cản trở càng nhiều Điều này chứng tỏ rằng l cũng có tác dụng cản trở đối với dòng xoay chiều và nó được gọi là Cảm kháng

Biểu thức hiệu điện thế Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một dòng xoay chiều có cường độ dòng điện là:

t I

i 0cos trong cuộn cảm sẻ xuất hiện một suất điện động tự cảm:

t

i L e

Nếu xét trong khoảng thời gian t rất nhỏ thì ta có tỉ số i  t trở thành đạo hàm của

i đối với thời gian:

t LI

o LI

Trang 21



L Z

U

I 

 , với Z L L2 fL gọi là cảm kháng

Tính chất Z L; phụ thuộc vào tần số dòng điện, Z Lđóng vai trò như điện trở trong định luật Ôm của dòng điện không đổi, nếu tần số dòng điện càng lớn thì Z L càng lớn, dòng điện

bị cản trở nhiều Nếu f dần tới giá trị bằng không, thì I dần đến giá trị vô cùng lớn lác này sẻ

xảy ra đoản mạch (nếu điện trở thuần bằng không)

Đặt hiệu điện thế xoay chiều: uU0cos t vào hai đầu đoạn mạch AB Điện tích của tụ tại thời điểm t: qC.uCU0cos t, như vậy điện tích của tụ biến thiên điều hòa với tần số góc  Nghĩa là luôn có những electron chạy từ đầu mạch đến bản tụ, và ngược lại Tức là có một dòng điện biến đổi chạy qua mạch AB, xét trong một khoảng thời

gian vô cung nhỏ t , cường độ dòng điện tức thời qua mạch là: iq t khi t0, i trở thành đạo hàm của q theo thời gian

 

dt

d q dt

0



 t I

i , giá trị cực đại I0C  U0 Dòng điện trong mạch chỉ có tụ điện biên thiên điều hoà cung tần số với hiệu điện thê nhưng sớm pha hơn  2

Nếu dòng điện có biểu thức: iI0cos t, thì hiệu điện thế: 

0



 t U

U

I  , với

f C C

Z C



 2

1

không đi qua tụ điện

Trang 22

Đặt vào hai đầu AB chỉ có điện trở thuần, một dòng không đổi thị có hiệu điện thế U

và dòng điện I Theo định luật Ôm:

sự va chạm này dẫn đến cản trở đối với dòng điện và toả nhiệt ở vật dẫn

3.4.2 Sự ảnh hưởng cuộn cảm thuần L

3.4.2.1 Đoạn mạch với dòng không đổi

L đóng vai trò là dây dẫn có điện trở không đáng kể, nghĩa là cuộn cảm hầu như không cản trở đối với dòng điện không đổi

3.4.2.2 Với dòng xoay chiều

Cản trở dòng xoay chiều như một điện trở gọi là Cảm kháng: Z L L2 fL

Tạo ra sự lệch pha  (có điện trở thuần) giữa i và u ở hai đầu cuộn cảm, với cuộn cảm có điện trở thuần không đáng kể (r = 0) thì u sơm pha hơn so với i một góc

0





 LI t e

e tương đương với một suất phản điện trong mạch, khi tính ta có thể xem như là một nguồn điện

Li e

e   , với e’ là suất điện động của nguồng điện ở trên mạch, do đó theo định luật ôm ta có: ue, Riue, Ri

Khi L = 0 (dây thẳng dài) u  Ri

Khi đoạn mạch có điện trở thuần rất nhỏ, có thể bỏ qua:

0



 LI t e

Cho dòng xoay chiều đi qua

Có tác dụng cản trở dòng xoay chiều gọi là Dung kháng

f C C

Z C



 2

1



 Tạo độ lệch pha giữa i và u hai đầu bản tụ, với i sớm pha so với u một góc  2

3.4.3.3 Giải thích

Xem phần 3.3.1

4 Định luật Ôm cho đoạn mạch RLC mắc nối tiếp

4.1 Thiết lập mối quan hệ giữa i và u

Xét một đoạn mạch không phân nhánh AB có R, L, C mắc nối tiếp

Trang 23

Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế xoay chiều, có một dòng điện chạy trong mạch, có dạng: iI0cos.t

Hiệu điện thế trên mỗi đoạn mạch (phần tử) có dạng:

t U

0



 t U

0



 t U

u

u NB C C ; U0L I0Z C

Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch: u AB u AM u MN u NB

Hay uuRu L u CU0cos.t

u là hiệu điện thế cực đại trên AB

 là độ lệch pha giữa u và i trên AB

4.2 Xác định giá trị U 0 và 

Dựa vào giản đồ véctơ Frexnen, trên cùng một giản đồ véctơ ta chọn trục ox làm trục dòng điện, dựng các véctơ U0R

, U0L, U0C

nếu U0L>U0C LC

U0 cùng chiều với U0C

nếu U0L<U0C LC

U0 bằng không nếu U0L=U0C

2 0

2 0 2

0 U R (U L U oC)

0 2

U U U

0 0

Trang 24

L 1 2 1



 suy ra  > 0: đoạn mạch có u sớm pha hơn

so với dòng điện i Đoạn mạch có tính chất cảm kháng

Nếu Z L<Z C hay

LC C

L 1 2 1



 suy ra  < 0: đoạn mạch có u chậm pha hơn

so với dòng điện i Đoạn mạch có tính chất dung kháng

C

L Z Z R

Z    : gọi là tổng trở của mạch RLC Suy ra:

U

min max , lúc này hiệu điện thế cùng pha với dòng điện

Kết quả: trên L, C có U  L U C và có thể đạt giá trị rất lớn nếu R có giá trị nhỏ

5 Định luật Ôm cho các đoạn mạch RLC mắc nối tiếp bị khuyết một phần tử

5.1 Định luật Ôm cho đoạn mạch RC (khuyết L)

5.1.1 Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện

Xét đoạn mạch AB gồm có R và C mắc nối tiếp với nhau: hình vẽ

R C

A M B

)2.cos(

3.cos(

Trang 25

Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điên thế xoay chiều, trong mạch xó một dòng điện xoay chiều có dạng: iI0cos.t

Hiệu điện thế giữa hai điểm AB có dạng: uu AM u MB uRu C

0



 t U

Z U

Z

U Z R

U I

Z   là tổng trở của mạch AB

5.1.4 Dung kháng

Dung kháng của tụ điện có làm thay đổi cường độ dòng điện xoay chiều Nhưng không gây hiệu ứng Jun-Lenxơ, nên trong các dụng cụ điện có tụ điện khi hoạt động sẻ không tiêu hao điện năng và tụ không nóng lên

Trong thực tế do điện môi của tụ điện không hoàn toàn cách điện (có điện trở thuần) nên khi

tụ hoạt động sẻ có hiệu ứng Jun-Lenxơ nên tụ nóng lên

5.2 Định luật Ôm cho đoạn mạch RL (khuyết C)

Trên đoạn mạch AB chứa điện trở R và cuộn dây L (không có điện trở thuần r = 0) Đặt vào

hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều có cường độ: iI0cos.t

0



 t U

u L L , do đó hiệu điện thế hai đầu mạch có dạng:

Z U

R

  

sớm pha hơn cường độ dòng điện một góc 

5.2.3 Định luật Ôm

biểu thức hiệu dụng: U I R2Z L2

Z

U Z R

U I

Trang 26

Trong đèn neon mạch điện có chấn lưu, là một cuộn cảm có cảm kháng  L, và điện trở thuần R, tổng trở của mạch là: 2 2

L Z R

Z   Khi dùng bóng đèn 220V-50Hz mắc vào mạng điện 220V-60Hz, thì sẻ làm tổng trở của mạch tăng lên, mặt khác hiệu điện thế không đổi nên theo định luật Ôm thì cường độ dòng điện giảm xuống làm cho bóng đèn bị tối

5.3 Định luật Ôm cho đoạn mạch LC (khuyết R)

Xét đoạn mạch AB chỉ có L, C (cuộn cảm có điện trở thuần không đáng kể r = 0) Đặt vào

hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều, trong mạch xuất hiện dòng điện xoay chiều:

t I

0



 t U

0



 t U

u C C vậy hiệu điện thế trên mạch có dạng:

Hướng của véctơ U0

0

Ucùng chiều với U0L

nếu U OL>U OC

0

Ucùng chiều với U0C

nếu U OL<U OC

0

U = 0 nếu U OL= U OC

L

Z Z

U I

Z Z I U

u 2cos

 

i 2cos Công suất tức thời của mạch: pu.i2UIcos.tcos.tUIcoscos2.t 

Giá trị trung bình trong một chu kì: P pUIcoscos2.t 

Theo tính chất hàm cosin ta có:

 cos cos

 cos2.t0

Trang 27

Do đó P  UIcos là công suất trung bình trong một chu kì, cung như công suất sử dụng trong một thời gian dài

6.2 Điện năng tiêu thụ

Lượng năng lượng tiêu thụ trên mạch được xác định bởi: WPtUIcos.t

Z R

R U

U U

U

C L C

L R

2 0 0 2 0

R Z

U U UI

2

6.4 Tầm quan trọng của cos 

Theo công thức P  UIcos với một giá trị xác định của U và I thì công suất tiêu thụ lớn khi



   : mạch chỉ có L (thuần cảm) hoặc C, hoặc cả L và C; công

suât tiêu thụ trên mạch nhỏ nhất và bằng không Khi đó dù nguồn điện cung cấp một công suất vô cùng lớn thì nơi tiêu thụ vẫn không tiêu thụ công suất đó Nghĩa là không có hiệu quả, trong khi đó vẫn có một phần hao phí trên đường truyền tải

2

;2

0   đây là trường hợp thường gặp trong thực

tế Khi đó công suất trên mạch tiêu thụ là P  UIcos nhỏ hơn công suất nguồn cung cấp UI cho mạch Để tăng hiệu quả sử dụng điện năng cho mạch, người ta tìm cách nâng cao cos ở nơi tiêu thụ

 Thường được lắp thêm tụ điện vào mạch nơi tiêu thụ, để làm giảm 

7 Truyền tải điện và Máy biến áp

7.1 Khái niệm

Là thiết bị có khả năng thay đổi (biến đổi) điện áp (xoay chiều)

 Cấu tạo:

 Gồm một lõi thép được ghép từ nhiều lá thép kỉ thuật, ghép cách điện với

nhau (nhằm giảm dòng Fucô)

 Phần ứng gồm hai cuộn dây: cuộn sơ cấp N1 và cuộn thứ cấp N2 có số vòng khác nhau

 Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

7.2 Công thức

1 2 2 1 2

1

I

I U

U N

7.3 Truyền tải điện năng

Khi truyền tải điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ sẻ bị hao phí trên đường truyền tải với công suât hao phí:

2 2 2

2 2

phat phat phat

phat hp

U

r P U

P r rI

Ta có P phat hoàn toàn xác định, như vậy để giảm P hp thì phải giảm r hoặc tăng U phat

Không thể giảm r, vì khi đó phải thay dây dẫn tôt hơn như Ag, Au là không thực tê

hoặc là tăng tiết diện dây dẫn vì không thể giảm chiều dài (

S

l

r ) Tăng tiết diện dây dẫn

thì phải tăng hao phí để làm cột điện Vậy giảm r là không khả thi

Định dạng
Số trang	54
Dung lượng	1,51 MB