sáng kiến kinh nghiệm xây dựng công thức bài toán điện xoay chiều theo hướng đổi mới phương pháp

ĐẶT VẤN ĐỀ Đối với các em học sinh lớp 10, 11 việc học và làm bài tập môn Vật Lý chủ yếu là các câu hỏi và bài tập tự luận.. Phương pháp giải và tư duy về bài tập trắc nghiệm khác với bà

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Đối với các em học sinh lớp 10, 11 việc học và làm bài tập môn Vật Lý chủ yếu là các câu hỏi và bài tập tự luận Khi chuyển lên lớp 12 các bài tập, các câu hỏi chủ yếu là trắc nghiệm, đặc biệt trong các bài kiểm tra, các bài thi là 100% các câu hỏi trắc nghiệm Phương pháp giải và tư duy về bài tập trắc nghiệm khác với bài tập tự luận đòi hỏi trong thời gian ngắn học sinh phải đưa

ra được kết quả nhanh Trên cơ sở đó người giáo viên phải tìm ra được phương pháp phù hợp, xây dựng được các công thức vận dụng cho kết quả nhanh là rất cần thiết trong việc hướng dẫn học sinh lớp 12 làm các bài tập trắc nghiệm

Với suy nghĩ như vậy và bằng những kinh nghiệm giảng dạy môn Vật Lý lớp 12 trong nhiều năm qua, sau đây tôi xin đưa ra một phương pháp giúp các em học sinh làm các bài tập trắc nghiệm về mạch RLC mắc nối tiếp qua việc nghiên cứu đề tài “XÂY DỰNG CÔNG THỨC GIẢI BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU THEO HƯỚNG ĐỔI MỚI PHƯƠNG PHÁP”

II CƠ SỞ LÍ LUẬN

Mỗi mảng chủ đề học trong chương trình Vật lý phổ thông đều có vai trò rất quan trọng

trong việc hình thành và phát triển tư duy của học sinh.Trong quá trình giảng dạy, người thầy luôn phải đặt ra mục đích là giúp học sinh nắm được kiến thức cơ bản, phương pháp, kĩ năng, kĩ xảo, tạo thái độ và động cơ học tập đúng đắn để học sinh có khả năng tiếp cận và chiếm lĩnh những nội dung kiến thức mới theo xu thế phát triển của thời đại

Môn Vật lí là môn khoa học nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy ra hàng ngày, có tính ứng dụng thực tiễn cao, cần vận dụng những kiến thức toán học Học sinh phải có một thái độ học

SÁNG KẾN KINH NGHIỆM GV:ĐẶNG VĂN THÂN

tập nghiêm túc, có tư duy sáng tạo về những vấn đề mới nảy sinh để tìm ra hướng giải quyết phù hợp

Mạch điện xoay chiều RLC mắc tiếp trong chương trình lớp 12 Vật Lí THPT là một mảng kiến thức quan trọng và khó học đối với mọi đối tượng học sinh Việc giải bài tập của học sinh đối với các bài tập về mạch điện xoay chiều RLC là tương đối khó khăn vì loại bài tập này có rất nhiều dạng câu hỏi, hơn nữa đối với các câu hỏi bài tập trắc nghiệm đòi hỏi học sinh phải có phương pháp làm ngắn gọn cho kết quả nhanh vì vậy ta cần phải trang bị cho các em học sinh những kiến thức, công thức cơ bản nhất để các em giải quyết các bài tập đơn giản, từ đó hướng dẫn các em biết cách liên hệ, kết hợp các bài toán đơn giản để giải quyết một bài toán khó hơn

III CƠ SỞ THỰC TIỄN

Trong năm học 2014-2015 vừa qua tôi được giao nhiệm vụ giảng dạy hai lớp 12 là 12A1 và 12A5, trong đó lớp 12A5 là lớp có nhiều học sinh yếu kém, các em gặp rất nhiều khó khăn trong việc giải các bài tập về mạch điện xoay chiều, đặc biệt là các bài toán có các thông số R,L,C, (f) biến thiên Với thực trạng trên tôi trình bày phương pháp và tiến hành nghiên cứu đề tài “XÂY DỰNG CÔNG THỨC GIẢI BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU THEO HƯỚNG ĐỔI MỚI PHƯƠNG PHÁP” tại lớp 12A5

IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

NỘI DUNG 1: ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU, CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN XOAY

CHIỀU, CÁC TRỞ KHÁNG

1 Đặc điểm của điện áp và dòng điện xoay chiều

- Trong 1T điện áp và dòng điện có độ lớn bằng giá trị hiệu dụng 4 lần

- Trong 1s dòng điện đổi chiều 2f lần

- Bóng đèn hoạt động với điện áp u U thì trong 1T đèn sáng 2 lần và tắt 2 lần, thời gian đèn 1

0

U 4

, os =

U





- Điện lượng chuyển qua mạch trong thời gian

t t t

I

i I cos( t ) q cos( t )

2



         



 q q2q1

2 Xác định cảm kháng, dung kháng, tổng trở

2

L

Z L  fL: Dòng điện có tần số càng lớn ZL càng lớn càng khó đi qua cuộn cảm

1 1

2

C

Z

 

  : Dòng điện có tần số càng lớn ZC càng nhỏ càng dễ đi qua tụ điện

Trong đó tích Z Z L C L

C

 không phụ thuộc vào tần số của dòng điện

Z  r Z Z  Rr  Z Z Nếu cuộn dây thuần cảm thì

0

r

Z Z

 









 Nếu trên mạch có nhiều cuộn dây nối tiếp

Z Z Z  LL L 

Nếu trên mạch có nhiều tụ điện nối tiếp

2 1

1 1 1

NỘI DUNG 2: XÁC ĐỊNH ĐIỆN ÁP HIỆU DỤNG VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG

ĐIỆN HIỆU DỤNG

1 Điện áp hiệu dụng

, d d, L L, C C, R

U IZ U IZ U IZ U IZ U IR

Nếu cuộn dây thuần cảm U d U L

 Khi bài toán biết từ 3 điện áp trở lên, ta sử dụng công thức liên hệ giữa các điện áp :

R

U  U U  U U U U U U U U U U U U U U

 Khi bài toán cho từ 2 điện áp trở lên và biết độ lệch pha giữa các điện áp thì ta biểu diễn các điện áp trên giản đồ vectơ, hoặc dựa vào công thức xác định độ lệch pha, từ đó lập thêm được phương trình theo các điện áp

2 Cường độ dòng điện hiệu dụng

R

U

I

NỘI DUNG 3: XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT

2

2

R

P RI là công suất trên điện trở thuần R, P r rI2 là công suất trên cuộn dây

Nếu cuộn dây thuần cảm P r 0,PP R

Điện năng tiêu thụ hoặc nhiệt lượng tỏa ra trong thời gian t: W=Q=P.t

NỘI DUNG 4: BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ĐỘ LỆCH PHA

1 Xác định độ lệch pha của u so với i trên một đoạn mạch

 Nếu biết pha ban đầu của u và i:  ui



tan













R

r

r

Z



U

R

Z

os =

R+r

Z











R

U r U c

r U



với



  

Chú ý:

SÁNG KẾN KINH NGHIỆM GV:ĐẶNG VĂN THÂN

 cos chỉ cho biết độ lớn của  nên không cho biết u sớm hay trễ pha hơn i, độ lớn của

 phụ thuộc vào L,C,R,r,

 tan,sin còn cho biết dấu của  nên cho biết u sớm hay trễ pha hơn i, dấu của

 phụ thuộc vào L,C, không phụ thuộc vào R,r

0

 thì u sớm , i trễ

0thì u trễ , i sớm

2 Xác định độ lệch pha giữa 2 điện áp u và X u trên hai đoạn mạch thành phần X và Y Y

- Xác định độ lệch pha u so với i: Tính X tanX X

- Xác định độ lệch pha u so với i: Tính Y tanY Y

- Độ lệch pha u so với X u : Y X/Y XY

- Tìm điều kiện để u và X u lệch pha nhau một góc Y  : X Y

tan tan

tan

1 tan tan



 







thay tanX,tanYvào suy ra điều kiện

Nếu u vuông pha X uY tanXtanY   , Nếu 1 X Y tan Xtan Y 1

2

NỘI DUNG 5: XÁC ĐỊNH CẤU TẠO CỦA MẠCH ĐIỆN (BÀI TOÁN HỘP

ĐEN)

1 Dựa vào độ lệch pha giữa u so với i : X X

 Trường hợp X chỉ có một phần tử

 X  : X là R 0

 X / 2: X là cuộn dây thuần cảm

 X   / 2: X là C

 0X / 2: X là cuộn dây không thuần cảm

 Trường hợp X có từ 2 phần tử trở lên

 X  : X phải chứa L 0

 X  : X phải chứa C 0



2

X



   : X phải chứa R

 X  : X phải chứa L và C trong đó Z0 L = ZC

2 Dựa vào quan hệ điện áp: U2 U R2(U LU C)2 thì cuộn dây phải có điện trở r

NỘI DUNG 6: SỰ PHỤ THUỘC CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN TRÊN MẠCH RLC VÀO CÁC THÔNG SỐ R,L,C,,f CỦA MẠCH KHI ĐẶT VÀO HAI ĐẦU ĐOẠN MẠCH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU CÓ GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG

KHÔNG ĐỔI uU 2cos  t u

* Bài toán cực trị: Là bài toán cho một thông số của mạch biến thiên tìm điều kiện để một đại lượng điện trên mạch đạt cực đại hoặc cực tiểu

* Bài toán cùng trị: Là bài toán cho một một thông số của mạch biến thiên thấy có hai giá trị của thông số này làm cho một đại lượng điện trên mạch không đổi (có cùng giá trị) vì vậy ta gọi là bài toán cùng trị

1 TRƯỜNG HỢP 1 : I, P, cos,UR phụ thuộc vào L,C, hoặc f

a,Cùng trị:I, P, cos,UR không đổi:Z L1Z C1 (Z L2Z C2)

Z



+ Nếu C biến thiên: 1 2

1 1

Z C Z C  Z L    Z L

       

 

+ Nếu f biến thiên : 1 2 12 02

4

LC



Hệ quả: 1  2

b,Cực trị: I, P, cos,UR cực đại: ZL = ZC hay 2LC = 1 : mạch xảy ra cộng hưởng

 Z=Zmin=R, I=Imax=U/R,cos=(cos)max=1,P=Pmax=U2/R,UR=URmax=U

-Nếu C biến thiên thì : + điện áp trên L cực đại: ax

R

L

Z U

+ điện áp trên đoạn mạch RL cực đại: ax R2 2

R

U

-Nếu L biến thiên thì : + điện áp trên C cực đại: ax

R

C

Z U

+ điện áp trên đoạn mạch RC cực đại: ax R2 2

R

U

c,Liên hệ cùng trị và cực trị:L1L2 2L0,

C C C ,

2

0  1 2

f f  f

L0,C0, ,0 f0 là các giá trị xảy ra cộng hưởng

2 TRƯỜNG HỢP 2 : UC phụ thuộc vào C

a,Cùng trị:Hai giá trị là C1 và C2 thì điện áp trên tụ điện UC không đổi:

2

R

L

Z

Z Z  Z

b,Cực trị:UCmax khi '

C

L

Z Z

Z



R

U

Hệ quả: u trễ pha hơn URL góc /2

2 2 RL

u u

1

U ax U U





 



 



c,Liên hệ cùng trị và cực trị:

'

Z Z  Z

3 TRƯỜNG HỢP 3 :UL phụ thuộc vào L

a,Cùng trị:Hai giá trị là L1 và L2 thì điện áp trên cuộn dây UL không đổi:

2

R

C

Z

Z Z  Z

b,Cực trị:UL max khi

L

C

Z Z

Z



R

U

Hệ quả: u sớm pha hơn URC góc /2

2 2 RC

u u

1

U ax U U





 



c,Liên hệ cùng trị và cực trị:

'

Z Z  Z

4 TRƯỜNG HỢP 4 : P toàn mạch phụ thuộc vào R

SÁNG KẾN KINH NGHIỆM GV:ĐẶNG VĂN THÂN

4.1 Cuộn thuần cảm r=0

a,Cùng trị: R1 và R2 thì P toàn mạch không đổi

2

2

U

R R

P

R R Z Z









Hệ quả: tan1tan  , 2 1 2 1

tan R tan R



  , 1 2 2



    và   luôn cùng dấu 1, 2

b,Cực trị:

2

0

,

2

U

R

Hệ quả: c 2,

  

c,Liên hệ cùng trị và cực trị:R20 R R1 2

4.2, Cuộn dây không thuần cảm r0

a,Cùng trị: R1 và R2 thì P toàn mạch không đổi:

2

2

2

U

P









Hệ quả: tan1tan  , 2 1 2 1

tan R r tan R r









 , 1 2 2



    và   luôn cùng dấu 1, 2

b,Cực trị:

2

0

,



U

R r Chú ý : Nếu Z LZ C  thì Pr max khi R=0

c,Liên hệ cùng trị và cực trị:(R1r) (2 R2r)2 (R0r)2

5 TRƯỜNG HỢP 5 : PR trên R phụ thuộc vào R trong trường hợp cuộn dây không thuần cảm

r0

a,Cùng trị: R1 và R2 thì PR không đổi:

2

1 2

2

R

U

P









b,Cực trị:R'0  r2 (Z LZ C)2 ,

2

0

U P

2(R r)



 c,Liên hệ cùng trị và cực trị:R' 20 R R1 2

 Liên hệ và so sánh giữa R0 và R'0 trong trường hợp r0:

Với RR0 P toàn mạch cực đại, vớiRR'0 PR cực đại thì

'

R (R r) r

 







Nghĩa là tăng dần R từ 0 đến vô cực thì P toàn mạch đạt cực đại trước còn PR đạt cực đại sau

6 TRƯỜNG HỢP 6 : UC phụ thuộc vào 

a,Cùng trị:  1, 2 UC không đổi

2

2

L R C X



2

X

b,Cực trị:Để UCmax thì

2 2

1 2

C

 hay R2 2Z Z L( CZ L)Khi đó

C

C m

Z U U



 c,Liên hệ cùng trị và cực trị:2C2 12  22

7 TRƯỜNG HỢP 7: UL phụ thuộc vào 

a,Cùng trị:  1, 2 UL không đổi 2 2 2 2 2 2

1 1

2LC R C 2C X

 

b,Cực trị:Để ULmax thì 2 2 2 1

2

L

LC R C CX



 hay R2 2Z C(Z LZ C)khi đó

ax

L

Lm

Z U

U



 c,Liên hệ cùng trị và cực trị: 2 2 2

L

  

8 TRƯỜNG HỢP 8 : UR phụ thuộc vào  (tham khảo trường hợp 1)

a,Cùng trị:  1, 2 UR không đổi 1 2 1

LC



 

b,Cực trị: R 1 , URmax U

LC

c,Liên hệ cùng trị và cực trị:R2   1 2

 Liên hệ và so sánh :

2

  







9 TRƯỜNG HỢP 9 : Điều kiện để UR ,URL ,URC không phụ thuộc vào biến trở R khi thay đổi giá trị của biến trở R

*Điều kiện 1:Để UR không đổi và luôn bằng U khi R thay đổi thì Z L  Z C hay 2LC  1

*Điều kiện 2:Để URL không đổi và luôn bằng U khi R thay đổi thì

2

C L

Z

2

1

LC

 

*Điều kiện 3:Để URC không đổi và luôn bằng U khi R thay đổi thì Z L 2Z C hay 2LC 2

Liên hệ 3 điều kiện:

-Nếu điều chỉnh  thì 1 2 2 3

2



    trong đó    lần lượt là các tần số góc thỏa mãn 1, 2, 3 điều kiện 1, điều kiện 2, điều kiện 3

-Nếu điều chỉnh L thì 3

L

L 2L

2

  trong đó L , L , L lần lượt là các độ tự cảm thỏa mãn điều 1 2 3 kiện 1, điều kiện 2, điều kiện 3

-Nếu điều chỉnh C thì 3

C

C 2C

2

  trong đó C , C , C lần lượt là các điện dung thỏa mãn điều 1 2 3 kiện 1, điều kiện 2, điều kiện 3

10 TRƯỜNG HỢP 10 : URC phụ thuộc C

Khi ''

0

CC thỏa mãn

R Z C (Z C Z L)thì

''

U

m

U Z R



11 TRƯỜNG HỢP 11 : URL phụ thuộc L

Khi LL''0thỏa mãn

R Z L (Z L Z C)thì

''

U

m

U Z R



12 TRƯỜNG HỢP 12 : ULrC phụ thuộc L,C,

Z  Z hay 2LC  1 thì LrC min

0

r

R r









 

Nếu r=0 Nếu r0

SÁNG KẾN KINH NGHIỆM GV:ĐẶNG VĂN THÂN

NỘI DUNG 7: LIÊN HỆ GIỮA CÁC GIÁ TRỊ TỨC THỜI TRÊN

MẠCH RLC

1 Liên hệ giữa các điện áp tức thời với nhau

2

0

U U   R Z 

2

0

U U   R Z 

0L

U

u  U  Z

uu u u

Nếu L biến thiên để ULmax thì

2

0

U U   Z R Z  Nếu C biến thiên để UCmax thì

2

0

U U   Z R Z 

2 Liên hệ giữa các điện áp tức thời với cường độ dòng điện tức thời

2

0

i

I U   Z 

0

I U   Z 

0R R 0

U u

R

i  I 

Chú ý : Cần cảnh giác với các giá trị hiệu dụng

NỘI DUNG 8: MÁY BIẾN ÁP VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG MỘT

PHA ĐI XA

1 Máy biến áp

Công thức biến đổi diện áp 2 2

Công suất trên mạch sơ cấp và thứ cấp:P1U I c1 1 os1,P2 U I c2 2 os2

Hiệu suất: 2 2 2 2

os

100%

os

H





Nếu máy biến áp lí tưởng ( bỏ qua hao phí điện năng) và hệ số công suất trên mạch sơ cấp và thứ

cấp bằng nhau 1 2 2

Chú ý : Nếu đề không đề cập tới hiệu suất coi máy biến áp lí tưởng, không đề cập đến hệ số công

suất trên các mạch coi hệ số công suất trên hai mạch bằng nhau

2 Truyền tải điện năng không dùng máy biến áp

*Sơ đồ truyền tải điện thực tế:

*Sơ đồ lý thuyết:

a, Các điện áp:

điện

B

U

Máy phát điện

Thiết

bị tiêu thụ điện

Rd/2

Rd/2

B

A

h

U: Điện áp nơi bắt đầu truyên tải điện, U=Umáy phát điện

UTT: Điện áp nơi tiêu thụ, UTT=Ucác thiết bị điện

URd: Điện áp trên điện trở của dây dẫn (độ giảm áp trên đường dây) URd= RdI

(R d  l  2h

*Giản đồ vecto:

*Liên hệ:U2 U2Rd U2TT2U U cosRd TT TT hoặc 2 2 2

U U U 2U Ucos

Nếu đề cho các hệ số công suất là 1, hoặc các điện áp cùng pha với dòng điện thì ta có liên hệ:UURd UTT

b, Các công suất

P=UIcos : Công suất nơi phát, cũng là công suất của toàn bộ mạch truyền tải điện

cos : là hệ số công suất của toàn mạch truyền tải điện

2

P U IR I =

2 d

R P

U cos : Là công suất hao phí trên đường dây

P U Icos : Là công suất nơi tiêu thụ, cũng là công suất có ích

cosTT : là hệ số công suất nơi tiêu thụ điện

*Liên hệ: PPRdPTT

Nếu nơi phát điện có n máy phát ( n tổ máy) thì PnP0

Nếu nơi tiêu thụ điện có m thiết bị điện hoặc m hộ gia đình thì PTT mP0TT

Nếu dây siêu dẫn hoặc máy phát điện đặt tại nơi tiêu thụ điện thìPRd 0PPTT

c, Tỉ lệ hao phí điện năng và hiệu suất truyền tải điện

R P P

Tỉ lệ hao phí điện năng: Rd d

1 H

P U cos   

*Liên hệ: Tỉ lệ hao phí điện năng + Hiệu suất = 1

3 Truyền tải điện năng sử dụng máy biến áp

*Trên máy tăng áp:

U1=Umáy phát điện

U  N

Trong các công thức trên (mục 2) ta thay U=U2

*Trên máy hạ áp:

'

2

U =Ucác thiết bị điện



TT

U

Rd

U

U TT



N N

Máy phát điện

Thiết

bị tiêu thụ điện

Rd/2

Rd/2

B

A

1

U

' 2

U

U1

N N Máy tăng áp Máy hạ áp

SÁNG KẾN KINH NGHIỆM GV:ĐẶNG VĂN THÂN

U  N

Trong các công thức trên (mục 2) ta thay UTT U1'

NỘI DUNG 9: ĐỘNG CƠ ĐIỆN

1 Động cơ là đoạn mạch X

Công suất động cơ PĐC=PX = UXIcosx=PCH+PQ

cosx là hệ số công suất động cơ

PCH : là công suất cơ học

PQ=RXI2 : là công suất tỏa nhiệt trên động cơ

RX : là điện trở của động cơ

Hiệu suất động cơ CH Q

P P

2 Động cơ X mắc nối tiếp với đoạn mạch RLC là đoạn mạch AM

*Liên hệ

os(

Chú ý : Nếu đoạn mạch AM chỉ là điện trở thuần R thì : AM 0, PAM RI2

NỘI DUNG 10: MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA

1 Biểu thức suất điện động của máy phát

0

eE cos( t )

E NBSqN  ax trong đó q là số cuộn dây của phần ứng

N0 là số vòng dây trên một cuộn của phần ứng

m

BS  axlà từ thông cực đại qua một vòng dây của phần ứng

2 f 2 np

    trong đó n là tốc độ quay của rôto đơn vị là vòng/s

p là số cặp cực từ của phần cảm

2



 , trong đó  là góc hợp bởi giữa n, B 

ở thời điểm ban đầu

2 Mạch RLC nối với hai đầu của máy phát

Coi điện trở của máy phát không đáng kể thì cường độ dòng điện hiệu dụng trên mạch

M

M

A



AM

U

X

U

U

AM



X

