SKKN Nghiên cứu phương pháp giải các bài tập về máy điện THPT CHUYÊN HÀ TĨNH

Với đề tài này tôi hi vọng các em học sinh không bở ngỡ khi gặp các dạng toán khác nhau về các máy điện, rèn luyện kỉ năng giải bài tập phần điện, góp phần hình thành tư duy tích cực, kh

Phan Thị Phượng – THPT Phan ĐÌnh Phùng

I ĐẶT VẤN ĐỀ:

1.1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý là một bộ môn khoa học tự nhiên nghiên cứu về các hiện tượng vật lý nói chung và điện học nói riêng Những thành tựu của vật lý được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất và ngược lại chính thực tiễn sản xuất đã thúc đẩy khoa học Vật lý phát triển Vì vậy học vật lý không chỉ đơn thuần là học lý thuyết vật lý mà phải biết vận dụng vật lý vào thực tiễn sản xuất và đời sống đặc biệt là trong giai đoạn mới hiện nay Không những thế, sau này khi các em vào học các trường đại học, cao đẳng hoặc nghề, rất nhiều trường đòi hỏi những kỉ năng thực nghiệm cao Do

đó trong quá trình giảng dạy vật lý người giáo viên phải rèn luyện cho học sinh có được những kỹ năng, kỹ xảo và thường xuyên vận dụng những hiểu biết đã học để giải quyết những vấn đề thực tiễn đặt ra

Các máy điện là một phần kiến thức rất quan trọng trong phần điện học - chương trình vật lí 12 Với kiến thức lí thuyết cần sự hiểu biết chắc chắn về kiến thức phần điện, từ và hiện tượng cảm ứng điện từ ở vật lí 11 kết hợp điện xoay chiều ở chương trình 12 Hơn nữa phần này ứng dụng vào thực tiễn tương đối rộng

và đa dạng Bài tập phần này trong các sách tham khảo không nhiều Đa số học sinh gặp nhiều khó khăn khi giải các bài tập phần này Mặt khác mấy năm gần đây các dạng bài phần này trong các đề thi Đại học, Cao đẳng đa dạng Với lí do đó tôi chọn

đề tài này

Với đề tài này tôi hi vọng các em học sinh không bở ngỡ khi gặp các dạng toán khác nhau về các máy điện, rèn luyện kỉ năng giải bài tập phần điện, góp phần hình thành tư duy tích cực, khả năng vận dụng sáng tạo kiến thức vào thực tiễn, nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất

1.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Đề tài tập trung vào nghiên cứu phương pháp giải các bài tập về máy phát điện và động cơ điện xoay chiều

+ Mục đích: Nghiên cứu phương pháp giải các bài tập về máy điện

1.5 GIẢ THIẾT KHOA HỌC

Từ tiềm năng sách giáo khoa, áp dụng các phương pháp dạy học và sử dụng các phương tiện hiện có, nếu giáo viên quan tâm đến việc rèn luyện kỉ năng giải bài tập cho học sinh thì chất lượng dạy học môn vật lí sẽ được nâng cao

1.6 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Thực nghiệm sư phạm để xét tính khả thi và hiệu quả của đề tài

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Về lí luận: Đã đưa ra được hệ thống các kiến thức cơ sở và phương pháp giải các dạng bài tập phần máy phát điện và các động cơ điện

- Về thực tiễn: Có thể sử dụng làm tài liệu

II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC

- Các máy điện được trình bày trong chương trình vật lí THPT lớp 12 Nội dung của nó tương đối trừu tượng Tuy nhiên nó lại có ý nghĩa quan trọng trong việc rèn luyện, phát triển tư duy cho học sinh, đặc biệt nó giàu tính thực tiễn khi vận dụng vào khoa học và kỷ thuật cũng như đời sống Nhất là với những học sinh sau này có nguyện vọng đi vào các ngành kỷ thuật hoặc một số trường nghề

- Lí thuyết về máy điện mặc dù đã được SGK trình bày cụ thể, nhưng thực tế

có nhiều sự thay đổi so với lí thuyết Các bài tập phần này đa dạng, học sinh phải nắm vững kiến thức và biết vận dụng linh hoạt khi liên kết với mạch điện xoay chiều mới tránh được sự nhầm lẫn Các sách tham khảo viết về phần này chưa nhiều Do đó quá trình tiếp cận kiến thức về phần này của học sinh còn gặp nhiều hạn chế

2.2 ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG

2.2.1 Mục tiêu đánh giá

Khả năng tiếp thu kiến thức của học sinh

2.2.2 Công cụ và nội dung đánh giá

Trước khi áp dụng đề tài vào dạy học tôi đã khảo sát chất lượng học tập của học sinh (năng lực khá) bằng các bài tập:

Bài 1: Một máy phát điện xoay chiều một pha có phần ứng gồm bốn cuộn dây

giống nhau mắc nối tiếp Suất điện động xoay chiều do máy phát sinh ra có tần số 50Hz và giá trị hiệu dụng 100 2 V Từ thông cực đại qua mỗi vòng dây của phần

ứng là 5mWb

 Tính số vòng dây trong mỗi cuộn dây của phần ứng

Bài 2: Một động cơ điện xoay chiều hoạt động bình thường với điện áp hiệu dụng

220V, cường độ dòng điện hiệu dụng 0,5A và hệ số công suất của động cơ là 0,8

Biết rằng công suất hao phí của động cơ là 11W Tính hiệu suất của động cơ (tỉ số giữa công suất hữu ích và công suất tiêu thụ toàn phần)

Bài 3: Nối hai cực của một máy phát điện xoay chiều một pha vào hai đầu đoạn

mạch ngoài RLC nối tiếp Bỏ qua điện trở dây nối, coi từ thông cực đại gửi qua các cuộn dây của máy phát không đổi Khi rôto của máy phát quay với tốc độ n1 = 30 vòng/phút và n2 = 40 vòng/phút thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài có cùng một giá trị Hỏi khi rôto của máy phát quay với tốc độ bao nhiêu vòng/phút thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài đạt cực đại?

Bài 4: Stato của một động cơ không đồng bộ ba pha gồm 6 cuộn dây, cho dòng điện

xoay chiều ba pha tần số 50Hz vào động cơ

a) Tính tốc độ quay của từ trường tại tâm

b) Tốc độ quay của rô to thỏa mãn điều kiện gì?

2.2.3 Kết quả thu được

Khảo sát với 42 học sinh khá, có kết quả sau: Không có học sinh đạt điểm giỏi, có 11 em đạt điểm khá, 16 em đạt trung bình, còn lại yếu

Qua kết quả đó tôi thấy:

- Số lượng học sinh giải được bài 3, 4 không nhiều Nguyên nhân do chưa có nguồn kiến thức và kỷ năng cần thiết, không định hướng được phương pháp giải và chưa liên kết được kiến thức giữa các phần

2.3 CÁC GIẢI PHÁP

2.3.1 Cơ sở lý thuyết:

*Máy phát điện xoay chiều một pha

+ Nguyên tắc hoạt động:

Máy phát điện xoay chiều một

pha kiểu cảm ứng hoạt động

dựa vào hiện tượng cảm ứng

điện từ Cho một khung dây

kim loại, diện tích S có N vòng

quay quay đều quanh trục x/x

trong một từ trường đều có phương vuông góc với trục quay

+ Biểu thức của suất điện động:

Từ thông qua khung dây tại thời điểm t :  NBScos( t)

- Từ thông cực đại qua một vòng dây: 0 BS

- Từ thông cực đại qua khung dây: 0 NBS

-Suất điện động cảm ứng: e = - NBS sin( t)

- Tần số dòng điện do máy phát điện xoay chiều tạo ra: f n p

*Máy phát điện xoay chiều 3 pha:

+Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động:

Cấu tạo:

- Phần cảm (rô to) là nam châm điện

- Phần ứng(Stato): gồm ba cuộn dây gống hệt nhau đặt lệch 1200 trên một vòng tròn(hình vẽ)

Hoạt động:

- Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

Cho Rôto quay đều với tốc độ góc , từ thông qua ba cuộn dây biến thiên điều hoà cùng tần số, cùng biên độ nhưng lệch pha nhau 2/3 Do đó suất điện động cảm ứng xuất hiện trong ba cuôn dây có cùng biên độ và lệch pha nhau 1200

Biểu thức suất điện động

3 2 os

+ Nguyên tắc hoạt động của động cơ không đồng bộ

- Cho nam châm chữ U quay đều

với tốc độ góc  thì từ thông qua khung dây

biến thiên làm xuất hiện dòng điện cảm ứng

Theo định luật Len-xơ, dòng điện này chống

lại nguyên nhân sinh ra nó, tức là chống lại

chuyển động tương đối giữa nam châm và khung dây, do đó lực từ tác dụng lên khung dây làm khung quay cùng chiều với nam châm Nếu khung dây đạt vận tốc

 thì từ thông qua nó không biến thiên nữa, dòng cảm ứng mất đi, lực từ mất đi, khung quay chậm lại Nên thực tế khung chỉ đạt vận tốc 0

- Động cơ hoạt động trên nguyên tắc trên gọi là động cơ không đồng bộ

+ Động cơ không đồng bộ ba pha:

- Nguyên tắc hoạt động: Biển điện năng thành cơ năng trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ và sử dụng từ trường quay

Trong động cơ không đồng bộ ba pha, người ta tạo ra

từ trường quay bằng cách dùng dòng điện ba pha : Cho

dòng ba pha đi vào ba cuộn dây giống nhau đặt lệch nhau góc 1200 trên một vòng tròn thì từ trường do ba cuộn dây có cùng biên độ và lệch pha nhau 1200 hay 2 / 3

 T B B t  T B B t  T t

, 3

2 sin

3 âm B2 = B3 = B0/2 nghĩa là hướng vào trong cuộn dây Do đó trường tổng hợp của

ba cuộn dây có hướng trùng với hướng của B1

và có độ lớn B= 1,5 B0

Lí luận tương tự, sau T/3 chu kì, từ trường hướng ra từ cuộn 2 ra và sau T/3 chu kì nữa từ trường hướng từ cuộn 3 ra và độ lớn không đổi 1,5 B0 Vậy từ trường tổng hợp có độ lớn không đổi, quay đều quanh O với tốc độ quay bằng tần số góc của dòng điện

- Cấu tạo: Stato gồm ba cuộn dây giống nhau quấn trên lõi sắt đặt lệch nhau

1200 trên một vòng tròn để tạo ra từ trường quay

Roto là hình trụ có tác dụng như dây quấn trên lõi thép

- Hoạt động: Cho dòng điện xoay chiều chay qua ba cuộn dây của Stato, từ trường quay do stato gây ra làm cho Roto quay quanh trục

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dể chế tạo

Người ta có thể chế tạo các loại có công suất lớn bé tuỳ theo mục đích sử dụng

Sử dụng tiện lợi, không cần vành khuyên, chổi quyết

Có thể thay đổi chiều quay dễ dàng

- Chú ý - Tốc độ quay của từ trường bằng tần số góc của dòng điện xoay chiều

khi máy có một cặp cực

- Nếu máy có p cặp cực thì tốc độ quay của từ trường là n = f/p

- Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường

- Ba cuộn của động cơ mắc hình sao: U d  3U p ; và I d I p

- Ba cuộn của động cơ mắc tam giác: U d U p và I d = 3I p

-U P : là điện áp pha (điện áp giữa hai đầu một pha của động cơ)

-U d: là điện áp dây (điện áp giữa hai dây pha nối vào động cơ)

-Công suất tiêu thụ mỗi cuộn: PU I p tcos t

- Công suất tiêu thụ của động cơ điện ba pha: P 3U I p tcos t

+ Động cơ điện một pha:

- Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sử dụng từ trường quay

- Từ trường quay trong động cơ không đồng bộ một pha được tạo ra khi mắc cuộn dây của động cơ và tụ điện song song với nhau bố trí lệch nhau

900 hiệu điện thế một pha

- Công suất của động cơ:

P = UIcos = Pi + Php trong đó Pi là công suất cơ học, Php là công suất tỏa

nhiệt trên dây quấn của động cơ

+ Để giảm hao phí của động cơ người ta thường nâng cao hệ số công suất của

động cơ Trên thực tế khi chế tạo các động cơ, người ta tính toán để cos  0,85.

+ Hiệu suất của động cơ: H = i i

tp tp

A  P

+ Động cơ điện một pha được sử dụng rộng rãi như quạt điện các loại, máy

bơm nước, máy sấy tóc v.v…

2.3.2 Phương pháp chung:

- Vận dụng các công thức về từng phần đã nêu trong phần cơ sở lí thuyết

- Vận dụng các kiến thức về mạch điện xoay chiều đã học

- Phân dạng toán ra để giải

2.3.3 Các ví dụ minh hoạ

Phần1: Bài tập về máy phát điện:

Dạng 1: Tính các đại lượng điện trong máy phát điện xoay chiều một pha:

Ví dụ 1: Một máy phát điện phần cảm có 6 cặp cực quay với vận tốc 600

vòng/phút Từ thông cực đại qua các vòng dây là 0,01Wb và mỗi cuộn dây có 10 vòng dây (số cuộn bằng số cực từ)

a Tính tần số của dòng điện xoay chiều phát ra

b Chọn t = 0 lúc vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây.Viết biểu thức của suất điện động cảm ứng và tính suất điện động hiệu dụng của máy phát

c Nếu giảm tốc độ quay của máy 300 vòng/phút Để tần số phát ra không đổi thì phải thay đổi số cặp cực bao nhiêu?

Giải: a Ta có f = n

60p Với: n = 600 (vòng/phút); p =6

Nhận xét: Bài này học sinh dễ nhầm nhất là khi tính E0 = NBS do không xác định chính xác giá trị của N, vì vậy khi hướng dẫn giải bài này giáo viên cần nhấn mạnh mạnh cách tính số vòng dây của máy theo số cặp cực

Dạng 2: Máy phát điện xoay chiều một pha nối với mạch ngoài:

- Chú ý: Các đại lượng của mạch ngoài phụ thuộc vào máy phát: Điện áp hiệu dụng, tần số, cảm kháng, dung kháng v.v

Vi dụ 1: Phần cảm của một máy phát điện xoay chiều có 2 cặp cực và quay 25

vòng/s tạo ra ở hai đầu một điện áp có trị hiệu dụng U = 120V Dùng nguồn điện

này mắc vào hai đầu một đoạn mạch điện gồm cuộn dây có điện trở thuần R = 10,

độ tự cảm L = 0,159H mắc nối tiếp với tụ điện có điện dung C = 159 F Tính công

suất tiêu thụ của mạch điện

Giải: Tần số của dòng điện là:

U

Vi dụ 2: Một máy phát điện xoay chiều một pha có một cặp cực, mạch ngoài được

nối với một mạch RLC nối tiếp gồm cuộn thuần cảm L = 10/25(H), tụ điện C và

điện trở R Khi máy phát điện quay với tốc độ 750 vòng/phút thì dòng điện hiệu

dụng qua mạch là 2A, khi máy phát điện quay với tốc độ 1500vòng/phút thì trong

mạch có cộng hưởng và dòng điện hiệu dụng qua mạch là 4A Tìm giá trị của R và

C trong mạch

Giải:

Chú ý: Với bài này, khi thay đổi tôc độ quay của máy phát thì điện áp hiệu dụng,

tân số f thay đổi Đây là điều học sinh dễ sai nhất Phương pháp giải dạng này

Z Z

Vi dụ 3: Nối hai cực của một máy phát điện xoay chiều một pha có 5 cặp cực từ

vào hai đầu đoạn mạch AB gồm điện trở thuần R=100, cuộn cảm thuần có độ tự

F Tốc độ rôto của máy có thể thay

đổi được Khi tốc độ rôto của máy là n hoặc 3n thì cường độ dòng điện hiệu dụng

trong mạch có cùng giá trị I Giá trị của n bằng bao nhiêu?

Giải:

Chú ý: Đây là dạng toán quen thuộc đã giải nhiều trong phần mạch điện xoay chiều

khi cho tần số biến đổi, một giá trị của I ứng với hai giá trị của f khi đó ta có công

    Hay n 1 2 n 2 2 = n ch 2 Tuy nhiên điều đáng nói ở đây là nếu giải theo

phương pháp này thì cho kết quả sai vì đã quên mất một yếu tố quan trọng là giá trị

hiệu dụng của U cũng thay đổi theo Cần nhấn mạnh điều này cho học sinh khi giải

toán để tránh sai sót đáng tiếc

Ta có :

Suất điện động cực đại của nguồn điện: E0 = N0 = NBS

=> U = E =

2

0

E

(coi điên trở trong của máy phát không đáng kể)

+ Cường độ dòng điện qua mạch I =

L C

Vi dụ 4: Nối hai cực của một máy phát điện xoay chiều một pha vào hai đầu đoạn

mạch ngoài RLC nối tiếp Bỏ qua điện trở dây nối, coi từ thông cực đại gửi qua các cuộn dây của máy phát không đổi Khi rôto của máy phát quay với tốc độ n1 = 30 vòng/phút và n2 = 40 vòng/phút thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài có cùng một giá trị Hỏi khi rôto của máy phát quay với tốc độ bao nhiêu vòng/phút thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài đạt cực đại?

Giải : Chú ý: Cũng như ví dụ 4, dạng toán này xét riêng mạch điện xoay với điện

áp đặt vào mạch có giá trị hiệu dụng không đổi, có tần số thay đổi, khảo sát cực đại của công suất mạch thì học sinh đã giải nhiều và có công thức giải nhanh Tuy nhiên nếu giái viên không nhấn mạnh và khai thác kĩ thì học sinh sẽ nhầm vì lúc này điện áp hiệu dụng cũng thay đổi Bài toán này phức tạp hơn nhiều

Ta có:

+ Suất điện động hiệu dụng của nguồn điện:

E = N0 / 2= 2fN0 / 2= U ( do r = 0)

+ Với f = np

+ Do P1 = P2 ta có: I12R = I22R => I1 = I2

2 1 1

2 2

)

1 (

C L R

C L R





1 1 2 2 2

C L R

L

2

2 1 2 2 2 2 1 2

L

1

2 2 2 2 2 2 1 2 2

2 2 2

2 1 2 2 2 1 2 2 2

) )(

( 1

1 1



  (*) Dòng điện hiệu dụng qua mạch

2

2 0

)

1 (

C L R

2 2 0

2 2

=

2 2

0

2

4 0 2

2 1

1

1

L C

L R

C

L R C

1 1

2

2

1

2 1

2 1 1

n n