skkn PHÂN LOẠI và PHƯƠNG PHÁP GIẢI bài tâp CHƯƠNG DÒNG điện XOAY CHIỀU

Chương “Dòng điện xoay chiều” là một trong những chương quan trong của chương trình vật lý 12.Việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức để giải các bài tập định tính, bài tập định lượn

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

Đơn vị Trường THPT Hồng Bàng

Mã số:

(Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi)

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM:

PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TÂP CHƯƠNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Người thực hiện: Phạm Đình Dinh Lĩnh vực nghiên cứu:

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

Năm học: 2012-2013

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

1 Họ và tên: Phạm Dinh Dinh

2 Ngày tháng năm sinh: 26/08/1978

8 Đơn vị công tác: Trường THPT Hồng Bàng

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

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

- Chuyên ngành đào tạo: Vật lý

III KINH NGHIỆM KHOA HỌC

Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Giảng Dạy Vật lý

Số năm có kinh nghiệm: 11 năm

Chương “Dòng điện xoay chiều” là một trong những chương quan trong của chương trình vật lý 12.Việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức để giải các bài tập định tính, bài tập định lượng của chươngnày đối với học sinh thật không dễ dàng Chính vì vậy, đề tài : “Phân loại và phương pháp giải bài tậpdòng dieân xoay chiều” sẽ giúp học sinh có một hệ thống bài tập, có phương pháp giải cụ thể của từngdạng với hướng dẫn giải chi tiết từng bài, từ đó giúp học sinh có thể hiểu rõ hơn về chương dòng điệnxoay chiều Đồng thời thông qua việc giải bài tập, học sinh có thể được rèn luyện về kĩ năng giải bài tập,phát triển tư duy sáng tạo và năng lực tự làm việc của bản thân.

B: THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN GIẢI PHÁP CỦA ĐỀ TÀI

I: Thuận lợi: - Được sự tạo điều kiện của BGH, tổ chuyện môn và các đồng nghiệp trong trường

- Bản thân có kinh nghiệm 9 năm giảng dạy vật lý 12

- Thư viện nhà trường có tương đối đầy đủ các tài liệu tham khảo cho giáo viên

- Thời gian học trên lớp nhiều nên giáo viên có thời gian dạy kỷ

II: Khó khăn:

- Học sinh nhà trường đa số là HS trung bình, yếu, kém nên nắm bắt và khả năng tư duy

trong việc học vật lý nói chung và chương điện xoay chiều nói riêng là rất chậm

- Thời gian cho các em tự học ở nhà ít C: NỘI DUNG ĐỀ TÀI

1 Dạng 1: CÁCH TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Thông thường bài tập thuộc dạng này yêu cầu ta tính từ thông, suất điện động cảm ứng xuất hiện trongkhung dây quay trong từ trường Ta sử dụng các công thức sau để giải:

  (Đơn vị: Hz) (Với no : số vòng quay trong mỗi giây)

- Chu kỳ quay của khung dây: 1 1 2

- Biểu thức từ thông:  ocos   t    , với  o NBS

- Biểu thức suất điện động: e  ' Eosin   t    , Với   B n ,

lúc t = 0 Hay e E  ocos   t  o , với Eo   NBS (đơn vị: V)

- Vẽ đồ thị: Đường sin:  có chu kì T 2 

Một khung dây có diện tích S = 60cm2 quay đều với vận tốc 20 vòng trong một giây Khung đặttrong từ trường đều B = 2.10-2T Trục quay của khung vuông góc với các đường cảm ứng từ, lúc t = 0

pháp tuyến khung dây n có hướng của B

a Viết biểu thức từ thông xuyên qua khung dây

b Viết biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây

Bài 2:

Một khung dây dẫn gồm N = 100 vòng quấn nối tiếp, diện tích mỗi vòng dây là S = 60cm2 Khungdây quay đều với tần số 20 vòng/s, trong một từ trường đều có cảm ứng từ B = 2.10-2T Trục quay củakhung vuông góc với B

a Lập biểu thức của suất điện động cảm ứng tức thời

b Vẽ đồ thị biểu diễn suất điện động cảm ứng tức thời theo thời gian

Bài 4:

Khung dây gồm N = 250 vòng quay đều trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 2.10-2T Vectơcảm ứng từ B vuông góc với trục quay của khung Diện tích của mỗi vòng dây là S = 400cm2 Biên độcủa suất điện động cảm ứng trong khung là Eo  4  (V)  12,56 (V)

Chọn gốc thời gian (t = 0) lúc pháp tuyến của khung song song và cùng chiều với B

a Viết biểu thức của suất điện động cảm ứng e theo t

b Xác định giá trị của suất điện động cảm ứng ở thời điểm 1

- Biểu thức từ thông  xuyên qua khung dây có dạng:  ocos   t     cần tìm o, , 

- Vectơ pháp tuyến của khung n trùng với B lúc t = 0   = 0

- Có o, ,   viết được biểu thức từ thông 

- Tìm Eo = o  viết được biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Chọn gốc thời gian ở thời điểm n trùng B   có

- Dạng của biểu thức từ thông gởi qua khung dây?

- Từ biểu thức bên, hãy tìm các đại lượng chưa biết

- Có o, ,   biểu thức từ thông

- Biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong

khung dây có dạng thế nào?

- Hãy xác định biên độ của suất điện động cảm ứng Eo

- Có Eo  biểu thức suất điện động cảm ứng e.

-  ocos   t   

- o = NBS   2  no

- Áp dụng công thức tính tần số góc , suất điện động cảm ứng cực đại Eo  biểu thức e

- Đồ thị có sạng hình sin qua gốc tọa độ O, có chu kì T, biên độ Eo

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Chọn gốc thời gian tại thời điểm n  trùng

- Đồ thị biểu diễn e theo t là đường biểu

diễn có dạng hình sin Vậy để vẽ đồ thị này



Bài giải:

a Chu kì: 1 1

0,05 20

o

T n

Tần số góc:   2  no  2 20 40    (rad/s)

Biên độ của suất điện động:

Eo = NBS = 40 100.2.10-2.60.10-4 1,5V

Các mối liên hệ cần xác lập:

- Khung dây quay đều quanh trục vuông góc với cảm ứng từ  B thì từ thông qua diện tích S củakhung dây biến thiên Theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây sẽ xuất hiện suất điện độngxoay chiều biến đổi theo thời gian

- Tìm , Eo  biểu thức suất điện động cảm ứng tức thời e

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Điều kiện để xuất hiện suất điện động

cảm ứng trong khung dây là gì?

- Khi khung dây quay quanh trục 

vuông góc với cảm ứng từ  B thì nguyên

nhân nào đã làm cho từ thông qua khung

dây biến thiên?

- Để viết được biểu thức suất điện động

cảm ứng tức thời e thì ta phải tìm Eo, 

- Áp dụng công thức nào để tính Eo, ?

- Từ thông qua khung dây biến thiên

- Khi khung dây quay trong từ trường đều có cảm ứng

từ B  thì góc tạo bởi vectơ pháp tuyến n  của khungdây và  B thay đổi  từ thông qua khung dây biếnthiên  trong khung dây xuất hiện suất điện động cảmứng

-   2  no

Eo = NBS

Bài giải:

Khung dây quay đều quanh trục  vuông góc với cảm ứng từ B  thì góc hợp bởi vectơ pháp tuyến

n  của khung dây và  B thay đổi  từ thông qua khung dây biến thiên  Theo định luật cảm ứngđiện từ, trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng

- Tìm   biểu thức suất điện động cảm ứng tức thời e theo t.

- Có t thay vào biểu thức e  giá trị e

- Thay giá trị 6,28

2

o

E

e   V vào biểu thức e  thời điểm t

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Đề bài chưa cho  và cho Eo Làm thế nào để tìm

?

- Chọn gốc thời gian t = 0 lúc pháp tuyến n  của

khung song song và cùng chiều với  B  điều gì?

- Có , Eo ta viết được biểu thức suất điện động

o

E NBS



Biểu thức của suất điện động cảm ứng tức thời:

e  12,56sin 20  t (V) hay 12,56cos 20

2 6 20

5

2 6

k t

( )

24 10

k s t

k s

- Chọn gốc thời gian t = 0 lúc con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng góc  o 0,1rad

- Biểu thức tính góc  theo thời gian t có dạng:   osin   t     phải tìm ,   biểuthức tính góc 

- Đề bài không cho g, ta hiểu g = 9,8 m/s2

- Con lắc đơn dao động trong từ trường đều có B 

vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc

 theo định luật cảm ứng điện từ, con lắc sẽ có suất điện động cảm ứng  giữa hai đầu I, C củacon lắc sẽ có một hiệu điện thế u

- Biểu thức của u theo t bằng biểu thức của e theo t  tìm Eo, .

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Chọn gốc thời gian lúc con lắc lệch khỏi vị trí cân

bằng góc  o 0,1rad

- Viết phương trình dao động của con lắc đơn

- Để viết phương trình dao động của con lắc đơn, ta

cần tìm , 

-  được tính bằng công thức nào?

- Với cách chọn gốc thời gian như trên thì ta được

điều gì?

- Con lắc dao động trong từ trường đều có  B

vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc thì

có xuất hiện suất điện động cảm ứng không? Vì

sao?

- Trong con lắc xuất hiện suất điện động, có nghĩa

là giữa hai đầu con lắc tồn tại một hiệu điện thế u

- Do n  ( vectơ pháp tuyến của mặt phẳng dao động

quét bởi con lắc) luôn song song và cùng chiều với

- Khi con lắc dao động trong từ trường đều

có B  vuông góc với mặt phẳng dao độngcủa con lắc, thì từ thông qua diện tích S (củamặt phẳng dao động của con lắc) biến thiên

do diện tích S thay đổi trong quá trình conlắc dao động  trong con lắc xuất hiệnsuất điện động cảm ứng

- Biểu thức u theo t được viết có dạng thế nào?

- Ta có Eo =  NBS Để tìm Eo thì ta phải tìm S

- Ta thấy như hình vẽ, mặt phẳng dao động quét bởi

con lắc có dạng hình quạt Do đó S chính là diện

tích hình quạt Diện tích hình quạt được tính như

Phương trình dao động của con lắc có dạng:   osin   t   

Chọn gốc thời gian t = 0 lúc con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng góc  o 0,1rad

b Con lắc dao động trong từ trường đều có B 

vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc 

diện tích S của mặt phẳng dao động quét bởi con lắc thay đổi theo thời gian t  từ thông qua diệntích S biến thiên  trong con lắc xuất hiện suất điện động cảm ứng, suy ra giữa hai đầu I và C củacon lắc có một hiệu điện thế u

Do vectơ pháp tuyến n  của mặt phẳng dao động quét bởi con lắc trùng B      n B    ,   0

l

Vậy u e   0,079sin  t (V)

2 Dạng 2: VIẾT BIỂU THỨC CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP.

2.1 Phương pháp giải chung:

- Xác định giá trị cực đại của cường độ dòng điện Io hoặc điện áp cực đại Uo

- Xác định góc lệch pha  giữa u và i: tan L C L C

a Tính cảm kháng của cuộn cảm, dung kháng của tụ điện và tổng trở toàn mạch.

b Viết biểu thức điện áp tức thời giữa hai đầu điện trở, giữa hai đầu cuộn cảm, giữa hai đầu tụđiện, giữa hai đầu mạch điện

Bài 2:

Một đoạn mạch điện xoay chiều gồm một điện trở thuần R = 80, một cuộn dây thuần cảm có độ

tự cảm L = 64mH và một tụ điện có điện dung C  40  F mắc nối tiếp

a Tính tổng trở của đoạn mạch Biết tần số của dòng điện f = 50Hz

b Đoạn mạch được đặt vào điện áp xoay chiều có biểu thức u  282cos314 t (V) Lập biểu thứccường độ tức thời của dòng điện trong đoạn mạch

C





 F Điện áp uAF  120cos100  t

(V) Hãy lập biểu thức của:

a Cường độ dòng điện qua mạch

b Điện áp hai đầu mạch AB

Khi K đóng hay khi K mở, số chỉ của ampe kế không đổi

a Tính độ tự cảm L của cuộn dây và số chỉ không đổi của

ampe kế

b Lập biểu thức của cường độ dòng điện tức thời trong mạch khi K đóng và khi K mở

2.3 Hướng dẫn giải và giải:

Bài 1:

Tóm tắt:

R = 40

- Tìm U0R, U0L, U0C, Uo và xác định góc lệch pha  tương ứng  Biểu thức uR, uL, uC, u.

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Cảm kháng, dung kháng, tổng trở của

mạch được tính bằng biểu thức nào?

- Biểu thức uR, uL, uC, u có dạng như thế

nào?

- Dựa vào các biểu thức bên, hãy tìm các đại

lượng chưa biết

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

- Để viết được biểu thức i, ta phải tìm Io, i

- Io được tính như thế nào?

o o

U I Z

U

- Tính dung kháng, cảm kháng, điện trở của bóng đèn

- Tính tổng trở ZAN của đoạn mạch AN gồm tụ điện C và bóng đèn:

Z



- Tìm Io và i  biểu thức i, với chú ý i  uAN  AN   0 AN  AN

- Tìm uAB  i  AB , và tìm Uo  biểu thức uAB

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

a - Viết biểu thức tính cảm kháng, dung

kháng, điện trở của bóng đèn

- Vôn kế đo điện áp của đoạn mạch nào? Từ

đó, hãy tìm số chỉ của vôn kế

- Cường độ dòng điện trong đoạn AN có

bằng cường độ dòng điện của toàn mạch

dm

U R P



- Vôn kế đo điện áp hiệu dụng của đoạn mạch AN  sốchỉ của vôn kế chính là điện áp hiệu dụng của đoạnAN:

2

oAN AN

U

- IAN = I vì mạch mắc nối tiếp

- Đoạn mạch AN gồm các phần tử điện nào?

- Hãy tính độ lệch pha của điện áp so với

cường độ dòng điện trong đoạn AN

- Viết biểu thức liên hệ góc lệch pha giữa

điện áp và cường độ dòng điện trong đoạn

- Hãy tính độ lệch pha giữa điện áp và

cường độ dòng điện của đoạn mạch AB, từ

đó tìm u

AN

U I

40

40 40

đ

đ

đ

U R P

Z R

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

a -Tính tổng trở của đoạn mạch AF

- Biểu thức i có dạng như thế nào?

- Giá trị của cường độ dòng điện cực đại Io

toàn mạch được tính thế nào?

- Hãy xác định góc lệch pha giữa điện áp

và cường độ dòng điện của đoạn mạch

AF

- Suy ra giá trị của i?

b – Tính tổng trở Z của toàn mạch

- Biểu thức u có dạng thế nào?

- Tương tự hãy tìm các đại lượng chưa

biết của biểu thức (*)



- Áp dụng công thức tan L

AF

Z R

- Ta có: Uo = IoZ

Áp dụng công thức tan ZL ZC

oAF o

AF

U I Z

- Khi K mở hay khi K đóng thì biểu thức uAB và số chỉ ampe kế không đổi nên  tổng trở Z khi K

mở bằng khi K đóng Từ mối liên hệ này, ta tìm được giá trị của độ tự cảm L

- Tìm tổng trở Z khi K đóng và U  số chỉ của ampe kế A d

- Tìm độ lệch pha  khi K mở, khi K đóng  i khi K mở, K đóng với chú ý : i  u  , tìm Io

 biểu thức cường độ dòng điện i khi K mở, K đóng

Tiến trình hướng dẫn học sinh giải:

a.- Theo bài, biểu thức uAB và số chỉ của

ampe kế không đổi ta suy ra được điều gì?

- Hãy lập biểu thức mối liên hệ giữa Zm và

Zd, từ đó hãy tính giá trị của L

- Do số chỉ của ampe kế không đổi khi K

đóng cũng như khi K mở nên để tính toán

nhanh chóng, ta chọn tìm số chỉ của ampe

kế khi K đóng Khi K đóng thì dòng điện

trong mạch chạy như thế nào?

- Hãy tìm tổng trở của mạch khi K đóng?

- Như vậy số chỉ của ampe kế được tính như

thế nào?

b.- Cường độ dòng điện cực đại trong toàn

mạch được tính như thế nào?

 Lập biểu thức cường độ dòng điện tức

thời khi K đóng

- Biểu thức cường độ dòng điện tức thời khi

K đóng có dạng thế nào?

- Khi K đóng thì mạch gồm R nối tiếp C,

góc lệch pha giữa cường độ dòng điện và

điện áp được xác định như thế nào? Suy ra

pha ban đầu của dòng điện khi K đóng

 Tương tự, hãy hập biểu thức cường độ

dòng điện tức thời khi K mở

- Tổng trở Z khi K đóng và khi K mở bằng nhau:

Ta có: 4

173 10

L

Z L

Z R

3.1 Phương pháp giải chung:

 Khi có hiện tượng cộng hưởng điện thì:

- Cường độ dòng điện và điện áp đồng pha (  0)

- Hệ số công suất cực đại, công suất tiêu thụ cực đại

- Để mạch có cộng hưởng điện

 Nếu đề bài yêu cầu mắc thêm tụ điện C’ với C và tìm cách mắc thì chú ý so sánh Ctđ với C trong mạch:

- Ctđ > C : phải mắc thêm C’ song song với C

- Ctđ < C : phải mắc thêm C’ nối tiếp với C

3.2 Bài tập về cộng hưởng điện:

Bài 1:

Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ Biết R = 50, 1

u   t (V) Biết tụ điện C có thể thay đổi được

a Định C để điện áp đồng pha với cường độ dòng điện

b Viết biểu thức dòng điện qua mạch

a Hỏi dòng điện trong đoạn mạch sớm pha hay trễ pha so với điện áp ở hai đầu đoạn mạch ?

b Cần phải thay tụ điện nói trên bởi một tụ điện có điện dung C’ bằng bao nhiêu để trên đoạnmạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện?

10 2

C





 F, vôn kế có điện trởrất lớn

a Tìm tổng trở của mạch và số chỉ của vôn kế

b Ghép thêm với tụ điện C1 một tụ điện có điện dung C2 sao cho vôn kế có số chỉ lớn nhất Hãycho biết cách ghép và tính C2 Tìm số chỉ của vôn kế lúc đó

điện là cos   0,8

a Biết điện áp u sớm pha hơn dòng điện i trong mạch Xác định Co

b Để công suất tiêu thụ đạt cực đại, người ta mắc thêm một tụ điện có điện dung C1 với tụ điện Co

để có bộ tụ điện có điện dung C thích hợp Xác định cách mắc và giá trị của C1

3.3 Hướng dẫn giải và giải:

- Để u và i đồng pha (  0) thì trong mạch xảy ra cộng hưởng điện ZL = ZC  giá trị C

- Trong mạch xảy ra cộng hưởng điện nên Zmin = R  o

o

U I R



- Có Io và   biểu thức i