skkn phương pháp nguồn tương đương và bài toán công suất của dòng điện không đổi

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP NGUỒN TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ BÀI TOÁN CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI Người thực hiện: BẠCH NGỌC LINH Có đính kèm: Các sản phẩm không thề hiện trong bản in S

Mã số:

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP NGUỒN TƯƠNG ĐƯƠNG

VÀ BÀI TOÁN CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

Người thực hiện: BẠCH NGỌC LINH

Có đính kèm: Các sản phẩm không thề hiện trong bản in SKKN

 Mô hình  Phần mềm  Phim ảnh  Hiện vật khác

x

MỤC LỤC

I

Trang

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC 3

PHẦN A: MỞ ĐẦU 4

I Lý do chọn đề tài 4

II Tổ chức thực hiện đề tài 5

III Hiệu quả của đề tài 6

IV Đề xuất, khuyến nghị, khả năng áp dụng 6

PHẦN B: NỘI DUNG 7

I Phương pháp nguồn tương đương 7

II.Bài toán công suất 12

III Áp dụng 15

IV Các câu hỏi trắc nghiệm 33

V Đáp án các câu hỏi trắc nghiệm 48

PHIẾU NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ SKKN 49

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

1 Họ và tên: BẠCH NGỌC LINH

2 Ngày tháng năm sinh: 15-4-1967

3 Nam, nữ: Nữ

4 Địa chỉ: 291 đường 30 / 4 – Khu phố 4 – Phường Quyết Thắng –

Thành phố Biên Hoà – Tỉnh Đồng Nai

5 Điện thoại: 0613 828 107 (CQ); ĐTDĐ: 0983 825 672

6 E-mail: ngoclinhbach1967@yahoo.com

7 Chức vụ: Phó bí thư chi bộ – Chủ tịch Công đòan – Tổ phó chuyên

môn tổ Vật lý

8 Đơn vị công tác: Trường THPT chuyên LƯƠNG THẾ VINH

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Đại học SP

- Năm nhận bằng: 1989

- Chuyên ngành đào tạo: Vật lý

III.KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm:

Số năm có kinh nghiệm: 25 năm

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

+ Hồ quang điện

+ Giải bài toán điện xoay chiều bằng phương pháp số phức

+ Bài toán Bessel trong Quang hình học – Mở rộng và ứng dụng

+ Hiệu trưởng phối hợp với Công đoàn để xây dựng đội ngũ tại trườngTHPT chuyên Lương Thế Vinh trong giai đoạn 2010-2015

Tên SKKN:

PHƯƠNG PHÁP NGUỒN TƯƠNG ĐƯƠNG

VÀ BÀI TOÁN CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

PHẦN A – PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1 Lý do khách quan: Trong các dạng bài tập của chương II – Dòng

điện không đổi – Vật lý lớp 11, nhiều học sinh còn lúng túng khi giải dạng

bài tập liên quan đến nguồn điện và công suất cực đại Phương pháp

nguồn tương đương có thể giúp giải các bài toán dòng điện không đổi một

cách nhanh chóng Đặc biệt, bài toán công suất của dòng điện không đổi trong các mạch điện phức tạp có thể giải dễ dàng nếu sử dụng phương

pháp nguồn tương đương Bài toán công suất trong đó có công suất cực đại của dòng điện không đổi là dạng toán Vật lý khó. Nếu học sinh làmđược các bài tập phần này sẽ tự tin để học các phần tiếp theo Phần bài tậpnày là phần trọng tâm của Học kỳ I Vật lý lớp 11 và các phần thi Học sinh

Giỏi của Vật lý lớp 11 và 12 Do đó tôi chọn đề tài: “Phương pháp nguồn

tương đương và bài toán công suất của dòng điện không đổi” để viết Sáng

kiến kinh nghiệm trong năm học 2013-2014 này, nhằm giúp học sinh nắmđược phương pháp và giải được nhanh các bài toán dòng điện không đổi

có nguồn phức tạp

2 Lý do chủ quan: Bản thân tôi đã trực tiếp giảng dạy khối 11 nhiều

năm nên có kinh nghiệm với đề tài đã chọn Ngoài ra, tôi có nhiều hứngthú với đề tài nghiên cứu và được sự động viên của đồng nghiệp

II TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Cơ sở lý luận:

Phương pháp nguồn tương đương có cơ sở lý luận từ định luật Ohm

tổng quát và định luật Kirchhoff I (định luật về nút mạch)

Đề tài tôi chọn liên quan đến phương pháp thay thế nhiều nguồn điện,

máy thu hoặc các nguồn điện với các điện trở bởi một nguồn tương đương

có suất điện động E’ và điện trở trong r’ thuộc phần dòng điện không đổi

của Vật lý lớp 11 Đồng thời, đề tài có đề cập đến việc vận dụng phương

pháp nguồn tương đương này vào bài toán công suất của dòng điện không

đổi Nội dung kiến thức có trong chương 2 của chương trình Vật lý 11Nâng cao và 11 Cơ bản Tôi viết đề tài này nhằm đi sâu nghiên cứu để mở

rộng vấn đề liên quan đến phương pháp nguồn tương đương Giáo viên

phải dạy cho học sinh biết vận dụng lý thuyết mà sách giáo khoa đưa ravào giải bài tập Đặc biệt, trong những bài toán mạch điện có nguồn phức

tạp, giáo viên nên giới thiệu phương pháp nguồn tương đương để các em

sử dụng giải bài toán điện không đổi một cách gọn nhẹ

2 Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài:

Đề tài này trình bày một phương pháp giải toán điện liên quan đếnnguồn điện không đổi, chia làm 9 dạng cụ thể Ở mỗi dạng, có hình vẽ vàcông thức tính suất điện động E’ và điện trở trong r’ của một nguồn điện

tương đương được thay thế cho nhiều nguồn, máy thu, điện trở Với 8 dạngđầu, tôi không chứng minh công thức vì chúng ta có thể tự suy từ ra địnhluật Ohm tổng quát và định luật Kirchhoff I hoặc đã có trong sách giáokhoa, sách tham khảo, Riêng dạng cuối cùng, tôi có chứng minh chi tiết

Phần tiếp theo là bài toán mẫu về công suất, công suất cực đại củamach ngoài hoặc một điện trở của mach ngoài và hiệu suất của nguồn

Sau đó, tôi đưa ra 11 bài toán có số liệu để tính toán cụ thể Các bàitoán này đều có giải chi tiết Nhiều bài giải bằng 2 cách, trong đó, cách thứ

2 là cách dùng phương pháp nguồn tương đương để bạn đọc thấy được

hiệu quả của phương pháp này Cuối đề tài là phần luyện tập dưới dạng cáccâu trắc nghiệm kèm theo đáp án

III HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI

Học sinh sau khi đọc kỹ phần I - Phương pháp nguồn tương

đương, phần II - Bài toán công suất và phần III - Áp dụng thì có thể làm

được các Câu hỏi trắc nghiệm - phần IV, tự mình có thể kiểm tra kết quả,

đánh giá quá trình học tập và vận dụng của bản thân Như vậy học sinh cóthể làm tốt các câu trắc nghiệm dạng này trong các đề thi Học kỳ I, các bài

tự luận thi học sinh Giỏi Vật lý lớp 11 và 12 có liên quan đến đề tài

Phương pháp nguồn tương đương cùng với các định luật Ohm,

các định luật Kirchhoff và các phương pháp khác như phương pháp điệnthế nút, phương pháp chồng chập là cơ sở để giải quyết các bài toán điệnkhông đổi

IV ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ, KHẢ NĂNG ÁP DỤNG

- Đề tài có thể phổ biến rộng rãi cho học sinh khối 11 khá và giỏi

- Giáo viên có thể dùng phương pháp này để dạy bồi dưỡng họcsinh giỏi, lấy các câu trắc nghiệm ở cuối đề tài để bổ sung vào ngân hàng

đề thi của mình

BẠCH NGỌC LINH

PHẦN B: NỘI DUNG

1 Có n nguồn điện khác nhau mắc nối tiếp như hình I.1a Các nguồnnày có thể thay bằng một nguồn điện tương đương có suất điện động

E’ và điện trở trong r’ như hình I.1b, tính bởi công thức:

E ’ = E1 + E2 + + En và r’ = r1 + r2 + + rn

2 Có 3 nguồn điện khác nhau mắc nối tiếp, nhưng có nguồn thứ bamắc nhầm cực (hoặc nguồn thứ ba là máy thu) như hình I.2a Cácnguồn này có thể thay bằng một nguồn điện tương đương có suấtđiện động E’ và điện trở trong r’ như hình I.2b, tính bởi công thức:

E ’ = E1 + E2  E3 và r’ = r1 + r2 + r3

Lưu ý:

- Nếu E’ > 0 thì nguồn điện tương đương có 2 cực đúng như hình I.2b.

- Nếu E’ < 0 thì nguồn điện tương đương có 2 cực ngược với hình I.2b.

3 Một nguồn điện có suất điện động E, điện trở trong r mắc nối tiếpvới một điện trở R như hình I.3a Chúng có thể thay bằng một nguồnđiện tương đương có suất điện động E’ và điện trở trong r’ như hình

I.3b, tính bởi công thức:

5 Có n nguồn điện có cùng suất điện động E, nhưng điện trở trong

khác nhau, mắc song song như hình I.5a Các nguồn này có thể thaybằng một nguồn điện tương đương có suất điện động cũng là E và

điện trở trong r’ như hình I.5b, tính bởi công thức:

- Nếu E’ > 0 thì nguồn điện tương đương có 2 cực đúng như hình I.6b.

- Nếu E’ < 0 thì nguồn điện tương đương có 2 cực ngược với hình I.6b.

7 Một nguồn điện có suất điện động E và điện trở trong r mắc songsong với một điện trở R như hình I.7a Chúng có thể thay bằng một

nguồn điện tương đương có suất điện động E’ và điện trở trong r’như hình I.7b, tính bởi công thức:

có thể thay bằng một nguồn điện tương đương có suất điện động E’

và điện trở trong r’ như hình I.8c, tính bởi công thức:

nguồn mắc nhầm cực (trong đó số nguồn mắc nhầm cực ở dãy thứ 1 là z1;dãy thứ 2 là z2;… ; dãy thứ x là zx) Chúng có thể thay bằng một nguồnđiện tương đương có suất điện động E’ và điện trở trong r’ được tìm nhưsau:

Gọi (E1, r1); (E2, r2); ; (Ex, rx) là suất điện động, điện trở trong củadãy thứ 1; dãy thứ 2; ; dãy thứ x

II BÀI TOÁN CÔNG SUẤT

Cho mạch điện kín như hình II.1 Nguồn điện có suất điện động E,

điện trở trong r; mạch ngoài có biến trở R

1 Điều chỉnh biến trở R để công suất mạch ngoài có giá trị cực đại.Chứng minh rằng:

c Hiệu suất của nguồn điện là: H = 50%

2 Điều chỉnh R thì thấy với cùng một công suất tiêu thụ ở mạch ngoài là

PR < PRmax, luôn tồn tại 2 giá trị của R là R1 và R2 Chứng minh rằng:

E



- Suất điện động E = P RR  1  R2

- Tổng hiệu suất của nguồn khi R = R1 và R = R2 là H1 + H2 = 100%

3 Vẽ sơ lược đồ thị PR theo R để thấy được ứng với cùng một công suấttiêu thụ ở mạch ngoài là PR < PRmax, luôn tồn tại hai giá trị của R là R1

rR

r R

rrr

P

R

Dựa vào đồ thị PR theo R ở hình II.2, ta thấy ứng với cùng mộtcông suất tiêu thụ ở mạch ngoài là PR < PRmax, luôn tồn tại hai giá trị của R

là R1 và R2 Nếu R1 < r thì R2 > r sao cho thỏa: R1.R2 = r2

E, r

Hình III.1

Bài 1: Cho mạch điện kín như hình III.1 Nguồn điện có suất điện động E

= 15 V, điện trở trong r = 2 ; mạch ngoài có biến trở R

1 Điều chỉnh biến trở R để công suất mạch ngoài có

giá trị cực đại Tìm giá trị biến trở R và công suất

mạch ngoài cực đại

1 Điều chỉnh biến trở R = R1 = 4 Tìm công suất

tiêu thụ ở mạch ngoài và một giá trị khác của R là

R2 cũng cho cùng công suất tiêu thụ ở mạch ngoài

này Tính hiệu suất của nguồn điện lúc này

Bài 2: Cho mạch điện kín như hình III.2 Nguồn điện có suất điện động E

= 24 V, điện trở trong r = 1,5 ; mạch ngoài có biến trở R

2 Điều chỉnh biến trở R để hiệu suất của nguồn điện

là H = 50% Tìm giá trị biến trở R và công suất

mạch ngoài

3 Điều chỉnh biến trở R thì thấy với cùng công suất

tiêu thụ ở mạch ngoài, luôn có hai giá trị của R là R1

và R2 thỏa R1 + R2 = 3,4 Tìm R1, R2, công suất tiêu thụ ở mạchngoài và hiệu suất của nguồn điện lúc này

Giải

1 Để hiệu suất của nguồn điện là H nguồn = 50%:

 Công suất tiêu thụ ở mạch ngoài phải cực đại  R = r = 1,5 

Công suất mạch ngoài cực đại: PRmax =

R

E, r

Hình III.2

Với R = R2 = 2,5 hiệu suất nguồn là H2 = 2

2

R

R r = 0,9

0,9 1,5 = 37,5%(hoặc dùng H1 + H2 =100%)

Bài 3: Cho mạch điện kín như hình III.3 Nguồn điện có E = 15 V, r = 1,8

 Mạch ngoài gồm điện trở R1 = 1,5  mắcnối tiếp với biến trở R

1 Điều chỉnh biến trở R để công suất tiêu thụ ở cả mạch ngoài cực đại.Tìm giá trị biến trở R, công suất mạch ngoài và

hiệu suất của nguồn lúc này

2 Điều chỉnh biến trở R để công suất tiêu thụ ở

biến trở R cực đại Tìm giá trị biến trở R, công

suất biến trở và hiệu suất của nguồn lúc này

2 Điều chỉnh biến trở R để công suất tiêu thụ ở biến trở R cực đại:

=

25

15 1,81115



72,7%)

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương.

Hình III.3  Hình III.3a với mạch ngoài chỉ có biến

E = 152

4.3,3  17,0 W

Bài 4: Cho mạch điện kín như hình III.4: Nguồn điện có suất điện động E

= 12 V, điện trở trong r = 2 ; mạch ngoài gồm điện

trở R1 = 6  mắc song song với biến trở R

1 Điều chỉnh biến trở R để công suất tiêu thụ ở cả

mạch ngoài cực đại Tìm giá trị biến trở R, công

suất mạch ngoài và hiệu suất của nguồn lúc này

2 Điều chỉnh biến trở R để công suất tiêu thụ ở biến trở R cực đại Tìm

giá trị biến trở R, công suất biến trở và hiệu suất của nguồn lúc này

4r

E = 122

4.2= 18 WHnguồn = 50%

2 Điều chỉnh biến trở R để công suất tiêu thụ ở biến trở R cực đại:

2

R RR.R R.r R r

2 1 1

PRmax =

 12

2 1

R

R r2

.R4r

E = 2

2

12 1,54.2 = 13,5 W

 H nguồn =U

E =

I.r

E E



=12 3,75.212



= 37,5%)

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương.

Hình III.4  Hình III.4a với mạch ngoài chỉ có biến trở R và nguồn

mới có

1 1

Bài 5: Cho mạch điện như hình III.5: Nguồn có suất điện động E = 12 V

và điện trở trong r = 3 ; R1 = 1 ; R2 = 4 ; R3 là biến trở

1 Điều chỉnh biến trở R3 để công suất tiêu thụ của

cả mạch ngoài là cực đại Tìm giá trị biến trở R3,

công suất mạch ngoài và hiệu suất của nguồn lúc

2 Điều chỉnh biến trở R3 để công suất tiêu thụ ở biến trở R3 là cực đại.Tìm giá trị biến trở R3, công suất biến trở và hiệu suất của nguồn lúc này

2

4r

E = 122

4.3= 12 WHnguồn = 50%

2 Điều chỉnh biến trở R 3 để công suất biến trở R 3 có giá trị cực đại:

3  = 43,75%



=12 2,25.312



= 43,75%)

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương

Hình III.5  Hình III.5a với mạch ngoài có biến trở

PR3 max  R3 = r’’ = 2 

P R3 max =

2

''4r ''

E = 62

4.2= 4,5 W

Bài 6: Cho mạch điện như hình III.6.

Nguồn có suất điện động E = 12 V và điện trở

trong r = 2 ; R1 = R2 = 2 ; R3 là biến trở Điều

chỉnh biến trở R3 để công suất tiêu thụ ở biến trở R3

cực đại

Tìm giá trị biến trở R3, công suất biến trở và

hiệu suất của nguồn lúc này

3  = 40%



=12 3,6.212



= 40%)

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương

Hình III.6  Hình III.6a với mạch ngoài có biến trở R3 nt R2; nguồn có

Hình III.6a  Hình III.6b với mạch ngoài chỉ có biến trở R3; nguồn có

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương

Hình III.7  Hình III.7a chỉ có nguồn E ’, r’ để hở.

4

2+

123,6=

403

 E ’ = 4,8 V > 0 (cực + ở bên B đúng như hình III.7a)

.

1

Điều chỉnh biến trở R3 để công suất tiêu thụ trên

R3 đạt giá trị lớn nhất Tìm R3, công suất tiêu thụ

trên R3 và UAB lúc này

Giải

 Cách 1: Xin mời bạn đọc tự làm!

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương.

Hình III.8  Hình III.8a với mạch ngoài chỉ có biến trở R3 và nguồn có

E = 42

4.2= 2 WHình III.8a  Hình III.8b chỉ có nguồn E ’’, r’’ để hở.

.

Bài 9: Cho mạch điện như hình III.9.

3 Thay đèn Đ bằng máy thu có suất phản điện Ep = 3 V và điện trở trong

rp = 1,5 Ω Tìm R để công suất tiêu thụ trên R đạt giá trị cực đại Tính giátrị cực đại đó

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương.

Hình III.9  Hình III.9a với mạch ngoài chỉ có

 Cách 2: dùng PP nguồn tương đương.

R3Hình III.10b

2'

40,5 1,5 = 10

 r’ = 0,4 và E ’ = 4 V

Hình III.10a  Hình III.10b với mạch ngoài chỉ có

biến trở R3 và nguồn E ’’, r’’ tính bởi:

Bài 11: Một mạch điện kín gồm: bộ nguồn có 60 nguồn điện giống nhau

(mỗi nguồn có E = 1,5 V, r = 0,6  mắc hỗn hợp đối xứng thành x dãy

song song, mỗi dãy có y nguồn nối tiếp; mạch ngoài chỉ có điện trở R = 1



1 Tính x và y để công suất tiêu thụ trên mạch ngoài đạt cực đại Tìmcông suất cực đại này và hiệu suất của bộ nguồn

2 Giả sử trong 60 nguồn mắc như trên, người ta đảo cực z nguồn Tìmcông suất mạch ngoài và hiệu suất của bộ nguồn Hãy rút ra nhận xétkhi cho z tăng dần từ 1 đến 60.

2 bo

4.R

E =  2

10.1,54.1 = 56,25 WHbộ nguồn = 50%

2 Giả sử đảo cực z nguồn:

Bộ 60 nguồn tương đương với 1 nguồn mới có E’ và r’



E. =

z1032.R



E. = 7,5 4z (A)

 31  z  E ’< 0; IR < 0: các cực của nguồn tương đươngđảo lại.

Các kết quả thu được về độ lớn có:

a r’ và Hnguồn không phụ thuộc z.

b Với 0  z  30, khi z tăng 1 đơn vị thì:

IV CÁC CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

Câu 1: Có 10 nguồn điện giống nhau ( E và r) dự định mắc nối tiếp, nhưng

có 1 nguồn mắc nhầm cực Bộ nguồn này có suất điện động E’ và điện trở

trong r’ là

A E ’ = 9E và r’= 10r C E ’ = 8E và r’= 10r

B E ’ = 9E và r’= 9r D E ’ = 8E và r’= 9r

Câu 2: Có 20 nguồn điện giống nhau ( E và r) dự định mắc nối tiếp, nhưng

có 3 nguồn mắc nhầm cực Bộ nguồn này có suất điện động E’ và điện trở

trong r’ là

A E ’ = 14E và r’= 17r C E ’ = 17E và r’= 17r

B E ’ = 17E và r’= 20r D E ’ = 14E và r’= 20r

Câu 3: Có a nguồn điện giống nhau ( E và r) dự định mắc nối tiếp, nhưng

có b nguồn mắc nhầm cực Bộ nguồn này có suất điện động E’ và điện trở

trong r’ là

A E ’ = (a  b).E và r’= (a  b).r C E ’ = (a  b).E và r’= a.r

B E ’ = (a  2b)E và r’= (a  b).r D E ’ = (a  2b).E và r’= a.r

Câu 4: Có 9 nguồn điện giống nhau ( E và r) dự định mắc nối tiếp, nhưng

có 1 nguồn mắc nhầm cực Mắc bộ nguồn này với điện trở R = 2r thànhmạch kín Dòng điện qua mạch là