skkn CHUYÊN đề DÒNG điện XOAY CHIỀU

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến đối điều hòa theo thờigian: i = I0cost+  Trong đó i là giá trị tức thời của dòng điện tại thời điểm t, I0 là giá trị cực đạicủa i, gọ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI TRƯỜNG THPT NGUYỄN ĐÌNH CHIỂU



Mã số: ………

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Đề tài:

CHUYÊN ĐỀ DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Người thực hiện: HỒ THÚY HẰNG

Lĩnh vực nghiên cứu:

Quản lý giáo dục: Phương pháp dạy học bộ môn Phương pháp giáo dục 

Năm học: 2012-2013

1

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

 Chuyên nghành đào tạo: Vật lý

KINH NGHIỆM KHOA HỌC

 Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm : Giảng dạy Vật lý THPT

 Số năm kinh nghiệm : 8 Năm

 Các sáng kiến kinh nghiêm đã có trong 5 năm gần đây :

+ Sử dụng đường tròn lượng giác trong dao động điều hòa

+ Phương pháp giảng dạy bằng trắc nghiệm để gây hứng thú và phát huy tính tích cực của học sinh trong giờ giảng trên lớp

+ Chuyên đề về sóng cơ và sóng âm

CHUYÊN ĐỀ VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

sử dụng rộng rãi và đáp ứng cho nhu cầu cuộc sống hằng ngày của chúng ta .Chính vì vậy nếu chúng ta không có phương pháp giải cụ thể cho các bài tập dạngnày thì học sinh sẽ không nắm vững kiến thức và làm bài đạt kết quả tốt

Tôi viết chủ đề này hy vọng rằng học sinh Nguyễn Đình Chiểu nói riêng vàtoàn bộ học sinh khối 12 có thể tham khảo để các em có thể hiểu rõ hơn về chương

“DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU”

II TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.

1 Cơ sở lí luận :

Đối với môn vật lý ở trường phổ thông, bài tập vật lý đóng vai trò hết sứcquan trọng Việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lý là một hoạt động dạy họckhó khăn, ở đó bộc lộ rõ nhất trình độ của người giáo viên vật lý trong việc hướngdẫn hoạt động trì tuệ học sinh Vì thế đòi hỏi người giáo viên và học sinh hiểu sâuhơn những quy luật vật lý nhằm giúp học sinh vận dụng được những kiến thức để

tự giải quyết được những bài tập cụ thể, giúp phát triển tư duy và óc sáng tạo củahọc sinh

2 Nội dung, biện pháp thực hiện chuyên đề :

CHƯƠNG : DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT:

I Định nghĩa dòng điện xoay chiều:

1 Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến đối điều hòa theo thờigian: i = I0cos(t+ )

Trong đó i là giá trị tức thời của dòng điện tại thời điểm t, I0 là giá trị cực đạicủa i, gọi là biên độ của dòng điện

Biểu thức điện áp tức thời có dạng : u = U0cos(t + u)

2 Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằngcường độ của một dòng điện không đổi, sao cho khi đi qua cùng một điện trở R thìcông suất tiêu thụ trong R bởi dòng điện không đổi ấy bằng công suất trung bìnhtiêu thụ trong R bởi dòng điện xoay chiều nói trên

I, U: Các giá trị hiệu dụng của dòng điện, điện áp.

Các giá trị hiệu dụng được đo bằng các dụng cụ đo điện (ampe kế, vôn kế)

3 Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

II Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch không phân nhánh (đoạn mạch RLC)

1 Công thức tính tổng trở của đoạn mạch RLC nối tiếp: Z  R2  (Z L  Z C) 2trong đó

R là điện trở thuần của mạch

ZL là cảm kháng của cuộn cảm, được tính bằng công thức ZL = L

ZC là dung kháng của tụ điện, được tính bằng công thức

Z



1 tan









* Mối quan hệ về pha giữa u và i trong các trường hợp:

+ Nếu ZL > ZC thì  > 0 : u sớm pha hơn i (i trễ pha hơn u)

+ Nếu ZL < ZC thì  < 0 : u trễ pha hơn i (i sớm pha hơn u)

+ Nếu ZL = ZC thì  = 0 : u và i cùng pha

4 Liên hệ giữa các hiệu điện thế hiệu dụng: U2 U R2  (U L U C) 2

5 Hiện tượng cộng hưởng điện:

Trong đoạn mạch RLC, khi ZL = ZC thì  = 0 : u và i cùng pha, trong mạchxảy ra hiện tượng cộng hưởng Khi đó





C

L  1 hay 2LC = 1

* Khi xảy ra cộng hường thì:

+ Tổng trở của mạch đạt giá trị cực tiểu Zmin= R, lúc đó cường độ hiệu dụngtrong mạch đạt giá trị cực đại: Imax U R

+ Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch biến thiên cùng pha với cường độ dòngđiện

+ Điện áp giữa hai đầu điện trở thuần bằng điện áp hai đầu đoạn mạch

III Dßng ®iÖn xoay chiÒu trong ®o¹n m¹ch chØ cã ®iÖn trë thuÇn, cuén c¶m hoÆc tô ®iÖn.

Đoạn mạch chỉ có

điện trở thuần

Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm

- Điện áp hai đầu

đoạn mạch biến thiên

điều hoà cùng pha với

L

U I Z

C

U I Z



IV Công suất của dòng điện xoay chiều:

1 Công suất tiêu thu trong mạch điện xoay chiều RLC: P = UIcos = RI2,trong đó

U: là giá trị hiệu dụng của điện áp

I: là giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện

cos là hệ số công suất của mạch điện Đối với mạch RLC:

2.Ý nghĩa của hệ số công suất:

cos = 1 ( = 0): Mạch chỉ có điện trở thuần hoặc trường hợp có cộng hưởng.cos = 0 : Mạch không có R, chỉ có cuộn L, hoặc tụ C, hoặc cuộn L và tụ C

3 Công suất hao phí trên đường dây tải điện:

 2 2

2 2

cos

1

U

P r rI

phí trên đường dây lớn Vì vậy, để tăng cường hiệu quả việc sử dụng điện năng,phải tìm cách nâng cao giá trị của cos

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN

Dạng 1: Đoạn mạch R,L,C mắc nối tiếp ( Cuộn dây không có điện trở thuần), cho

biết i=I0sint , viết biểu thức điện áp giữa hai đầu đoạn mạch Tính công suất tiêu thụ

Phương pháp giải: Giả sử i=I0sint thì u có dạng tổng quát u=U0sin( t  )

Tính công suất tiêu thụ P

Cách 1: Dùng lập luận trong đoạn mạch R,L,C chỉ có R tiêu thụ điện năng

dưới dạng nhiệt còn cuộn thuần cảm và tụ C không tiêu thụ điện năng vậyP=PR=RI2

uR cùng pha với i , u R U c0R os( t  ) với U0R=IoR

uL nhanh pha hơn i một góc

thế hai đầu mạch là u 200 2 os100c t V( ) Viết biểu thức điện áp uR, uL, uC

Hướng dẫn : Để viết các biểu thức uR, uL, uC trước hết ta phải viết biểu thức i

Vì u 200 2 os100c t V( ) nên i I0 sin( t  ) ( )A với Z  R2  (Z L  Z C) 2

Dạng 3: Tìm mối liên hệ giữa điện áp hiệu dụng hai đầu đoạn mạch và điện áp

hiệu dụng của các phần tử mắc trong mạch

Phương pháp giải: Máy đo chỉ giá trị hiệu dụng

vôn kế đo diện áp hiệu dụng: U=IZ

Nếu mạch có RLC mắc nối tiếp ta có thể dùng giản đồ Fresnel để suy ra

Nếu mạch chỉ có cuộn thuần cảm mắc nối tiếp với C thì U U L  U C

Bàt tập 2: Một đoạn mạch nối tiếp gồm R=10Ω , cuộn dây thuần cảm có L 0,1H





và tụ C 500F



 , cường độ dòng điện qua mạch I=5A, tần số f=50Hz

a.Tính tổng trở của đoạn mạch

b.Tính điện áp hiệu dụng giữa hi đầu R, L , C và của cả đoạn mạch Nghiệm lạicông thức U2 U R2  (U L  U C) 2

10 (10 20) 10 2

C Z

Cách 1: Gọi Ctđ là điện dung tương đương của C và C’

Lập luận tương tự dạng 4 ta có kết quả 2

Nếu Ctđ>C  C’ ghép song song với C và Ctđ=C+C’  C’

Nếu Ctđ<C  C’ ghép nối tiếp với C và ' '

a Để công suất đạt giá trị cực đại thì RZ L  Z C1 với

R R

Suy ra điều cần chứng minh R1R2=(ZL-ZC)2

Bài tập 4 : Cho mạch R,L,C mắc nối tiếp, R thay đổi được, điện áp hai đầu mạch

a.Công suất của mạch p= 80W

b.Công suất của mạch cực đại

Hướng dẫn : Theo dạng 7 ta có :

Dạng 8: Cho đoạn mạch RL, trong đó R thay đổ được Điện áp hai đầu mạch là U

Định R để mạch tiêu thụ công suất cực đại Tính PmaxVới P<Pmax

Chứng minh R có hai giá trị R1, R2 và R1,R2 thoả : 2

đại khi mẫu đạt giá trị cực tiểu

Mẫu đạt giá trị cực tiểu khi R=ZL

1

4 2

Hướng dẫn : Theo dạng 8 ta có PR2  U R PZ2  L2  0 (*) với p=90W , U=150V,

Z

   WNhận xét : P<PMax nên 2

Dạng 9 : Một đoạn mạch gồm cuộn dây L thuần cảm kháng nối tiếp với một tụ

điện C Hiệu điện thế hai đầu mạch có dạng u 2 sin t ( )V , lập biểu thức tínhtổng trở, độ lệch pha giữa u và i

Mạch tương đương với cuộn dây thuần cảm kháng L’

 Nếu UL<UC thì ZL>ZC: u trễ pha

2



so với i

 Nếu ZL=ZC mạch có cộng hưởng điện

Mạch tương đương với một tụ điện C’

Nếu ZL=ZC mạch có cộng hưởng điện

Bài tập 7: Một đoạn mạch nối tiếp gồm một tụ C=200F

 và cuộn dây thuần cảmL=0,3H

 , cường độ dòng điện I=10A và f=50Hz

; 100 ; 8

10 300

U Z U

U U

Z R Z Z

Câu 1: Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R:

 Điện áp luôn pha với dòng điện

 Nếu i = I0cos t thì u = U0cos( t ) với I0

Câu 2 : Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm L:

 Điện áp luôn pha so với dòng điện

 Nếu i = I0cos t thì u = U0 cos( t ) với I0

Câu 3: Đoạn mạch chỉ có tụ điện C :

 Điện áp luôn pha so với dòng điện

 Nếu i = I0cos t thì u = U0 cos( t ) với I0

Câu 4: Đoạn mạch gồm R và L mắc nối tiếp

 Tổng trở: Z =

 Cường độ dòng điện hiệu dụng I =

 Điện áp luôn pha hơn dòng điện

Câu 5: Đoạn mạch gồm R và C mắc nối tiếp

 Tổng trở: Z =

 Cường độ dòng điện hiệu dụng I =

 Điện áp luôn pha hơn dòng điện

Câu 6: Đoạn mạch gồm L và C mắc nối tiếp

 Tổng trở: Z =

 Cường độ dòng điện hiệu dụng I =

15

 Điện áp luôn HOẶC pha hơn dòng điện

Câu 7: Hệ số công suất và công suất( mạch RLC)

 Hệ số công suất: Cos =

.

.

R U P R  

Hoặc: Cos = Cos( )

 Công suất: P = Hoặc P = Hay P =

Câu 8: CỘNG HƯỞNG ĐIỆN Xảy ra khi:

KẾT QUẢ:  Tổng trở có giá trị

 Công suất tiêu thụ :

 Cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua mạch có giá trị

 Hệ số công suất là : cos =

II TRẮC NGHIỆM TỔNG HỢP Câu 1: Một dòng điện có biểu thức i = 4cos 100 t (A) đi qua ampe kế Tần số của dòng điện, chỉ số của ampe kế và số lần dòng điện đổi chiều trong 1giây có giá trị lần lượt là A 100Hz; 4A; 50lần B 50Hz; 4A; 200lần; C 50 Hz; 2 2A; 100lần D 50Hz; 4A; 100lần Câu 2: Điện áp hai đầu mạch xoay chiều chỉ có cuộn dây thuần cảm có biểu thức u = U0cost(V) Thì biểu thức cường độ dòng điện qua mạch trên có dạng: A i = .LU0cos(t+ 2  ) (A) B i =

L

U



0 cos(t-

2



) (A)

C i = .LU0cos(t -

2



L

U



0 cos(t +

2



) (A)

Câu 3: Điệp áp hai đầu mạch xoay chiều chỉ có điện trở thuần u = U0cos(t+

2



) (V) Thì biểu thức cường độ dòng điện qua mạch trên có dạng:

A i = I0cos(t+

2



2



) (A)

C i = I0cost (A) D i = I0cos(t+

4



)(A)

Câu 4: Cường độ dòng điện i = 5cos100πt (A) có

C giá trị cực đại 5 A D chu kì 0,2 s

Câu 5: Đoạn mạch gồm điện trở thuần R nối tiếp với tụ điện có điện dung là C

và nối với mạng điện xoay chiều có u = U0cost thì góc lệch pha giữa điện áp vàdòng điện được xác định bởi biểu thức :

Câu 7: Nguyên tắc chung tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng

A cộng hưởng điện B tương tác từ C cảm ứng điện từD tự cảm

Câu 8: Một đoạn mạch chứa một số tụ điện có điện dung C, đặt vào hai đầu

mạch điện áp tức thời là u = U0 cost(V) cường độ hiệu dụng trong mạch có giátrị:

2

0 C

U

D.C U0

Câu 9: Một đoạn mạch chứa một cuộn cảm thuần L, đặt vào hai đầu mạch điện áp

u = U0 cost(V) cường độ hiệu dụng trong mạch có giá trị:

2

0 L

U

D.L  U 0

Câu 10: Một đoạn mạch điện xoay chiều gồm điện trở thuần R mắc nối tiếp với tụ

điện C Nếu dung kháng ZC bằng R thì cường độ dòng điện chạy qua điện trở luôn

4 so với điện áp ở hai đầu mạch

Câu 11: Điện áp giữa hai đầu cuộn cảm thuần là u = 100 2 cos 100 t(V) Cường

độ dòng điện hiệu dụng chạy qua mạch là 5A Thì độ tự cảm của cuộn dây có giátrị

Câu 12: Đoạn mạch xoay chiều gồm điện trở R nối tiếp C Điện áp u =

100cos(100t ) (V) vào hai đầu đoạn mạch thì dòng điện i = 2cos(100t +

3



)(A) Tụ điện có dung kháng bằng

2 

F và cuộncảm có L =



5 , 1

H mắc nối tiếp vào mạng điện xoay chiều i = 2cos100t(A) thìtổng trở của đoạn mạch nhận giá trị :

Câu 18: Đặt một điện áp xoay chiều u = 100 2 cos 100 t V( ) vào hai đầu đoạn mạch

có R, L, C mắc nối tiếp Biết R = 50 , cuộn cảm thuần có độ tự cảm L = H

Câu 19: Đặt điện áp xoay chiều u = 200 2cos100t (V) vào hai đầu một đoạnmạch gồm cuộn cảm có độ tự cảm L =1/  H và tụ điện có điện dung C = 10 / 2  4 Fmắc nối tiếp Cường độ dòng điện trong đoạn mạch là

Câu 20: Đặt một điện áp xoay chiều u = U0cost(V) vào hai đầu một đoạn mạchRLC không phân nhánh Dòng điện nhanh pha hơn điện áp giữa hai đầu đoạn mạchkhi

Câu 21: Mạch điện xoay chiều gồm điện trở R và cuộn dây thuần cảm có độ tự

cảm L mắc nối tiếp Tổng trở của mạch Z = R 2 Gọi u và i là hiệu điện thế vàdòng điện xoay chiều ở mạch thì

Câu 22 : Đặt điện áp xoay chiều u = U 2cost (V) vào hai đầu một điện trở thuần R

= 110  thì cường độ hiệu dụng của dòng điện qua điện trở bằng 2A Gi trị Ubằng

Câu 24: Chọn đáp án đúng Đối với đoạn mạch R và L ghép nối tiếp thì:

A i nhanh pha hơn u B i nhanh pha hơn u một góc ð/2

C u nhanh pha hơn i D u nhanh pha hơn i một góc ð/2

Câu 25:Một mạch điện gồm R = 30 mắc nối tiếp với L =



2 , 0

H và tụ C =

 5000

1

F.Điện áp tức thời hai đầu mạch có biểu thức: u = 120 2cos100t(V) thì biểu thứcdòng điện tức thời là

4 100

4 100 cos(

2  t  (A)

4 100 cos(  t  (A) D i = 4 2 cos 100 t(A)

Câu 26: Đặt vào hai đầu điện trở R = 60một hiệu điện thế xoay chiều u = 120 2

cos100t (V) thì cường độ dòng điện tức thời có biểu thức:

A i = 2 2cos100t (A) 19 B i = 2cos100t (A)

C i = 2 2cos(100t+2) (A) D i = 2 2sin(100t -2) (A)

Câu 27: Dòng điện xoay chiều qua cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L =



2

1

Hbiết cường độ dòng điện tức thới i = 2cos(100t +6)(A) thì biểu thức điện áphai đầu mạch là:

H.Dòng điện xoay chiều có biểu thức: i = 4 2cos100t(A) thì biểu thức điện ápgiữa hai đầu đoạn mạch là:

Câu 30: Đoạn mạch R,L,C có dòng điện xoay chiều chạy qua những phần tử nào

không tiêu thụ điện?

Câu 31 : Công suất toả nhiệt trung bình của dòng điện xoay chiều được tính theo

công thức nào sau đây ?

A P = u.i.cosφ B P = u.i.sinφ C P = U.I.cosφ D P = U.I.sinφ

Câu 32: Đặt điện áp u = 50 2cos100t(V) vào hai đầu đoạn mạch R, L, C nốitiếp Biết điện áp hai đầu cuộn Điện áp hai đầu điện trở thuần R là 30V Hệ sốcông suất của mạch có giá trị

Câu 33: Đặt điện áp u = 100 2cos100t(V) vào hai đầu đoạn mạch R L C nốitiếp, dòng điện tức thời chạy qua mạch i = 4 2cos(100t -

3



)(A) Hệ số công suất

và công suất tiêu thụ có giá trị lần lượt là

A 0,5 ; 800W B 2; 400W C 2 2; 200W D 0,5 ; 200W

Câu 34 : Đặt vào hai đầu điện trở R = 60 một hiệu điện thế xoay chiều u = 120 2

cos100t (V) thì công suất tiêu thụ trên điện trở là:

Câu 39: Chọn câu đúng Một đọan mạch gồm một điện trở thuần R nối tiếp với

một tụ điện có điện dung C Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoaychiều u =U0 cost Cường độ hiệu dụng của dòng điện qua mạch được xác địnhbằng hệ thức sau đây:

Câu 41:Mạch R,L,C nối tiếp: R = 50Ω, L = 1/2π(H), C = 10-4/π(F), f = 50 Hz Hệ

số công suất của đọan mạch là:

Câu 44:Chọn câu trả lời sai: Một đoạn mạch RLC nối tiếp Biết L = 1/π (H), C =

10-3/4π(F) Hai đầu mạch có hđt u = 120 2sin100πt (V) với R thay đổi được Thayđổi R để cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch cực đại Khi đó:

A.dòng điện hiệu dụng là IMAX = 2 A B Công suất mạch là P = 240W

C Điện trở R = 0 D Công suất mạch là P = 0

Câu 45:Một đoạn mạch gồm diện trở R=100Ω nối tiếp với C0 = 10-4/π(F) và cuộndây có r = 100Ω, L = 2,5/π(H) Nguồn có u = 100 2sin(100πt ) (V) Để công suấtcủa mạch đạt giá trị cực đại, người ta mắc thêm một tụ C1 với C0:

A C1 mắc song song với C0 và C1 = 10-3/15π(F)

B C1 mắc nối tiếp với C0 và C1 = 10-3/15π(F)

C C1 mắc song song với C0 và C1 = 4.10-6/π(F)

D C1 mắc nối tiếp với C0 và C1 = 4.10-6/π(F)

Câu 46:Một đoạn mạch gồm R = 100Ω, một cuộn thuần cảm có L thay đổi được

và tụ điện có C = 0.318.10-4 F mắc nối tiếp vào mạch xoay chiều có uAB =200sin(100πt) (V) L phải có giá trị bao nhiêu để công suất lớn nhất? PMax = ?

A L = 0,318(H), P = 200W B L = 0,159(H), P = 240W

C L = 0,636(H), P = 150W D Một giá trị khác