nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông chuong dong dien xoay chieu

Như vậy ở chương dao động và sóng điện từ đã nghiên cứu mạch dao động LC, phương trình dao động của dao động điện từ, năng lượng dao động… nhữngkiến thức này có thể giúp HS hiểu về cuộn

Phân tích chương trình vật lí phổ thông

NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC

CHƯƠNG "DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU"

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

NỘI DUNG TRÌNH BÀY TRONG SÁCH GIÁO KHOA 3

I Tổng quan 3

1 Chuẩn kiến thức, kỹ năng 4

2 Phân phối thời gian 4

II NỘI DUNG KIẾN THỨC TRÌNH BÀY TRONG SGK CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO 5

1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều 5

2 Các giá trị hiệu dụng 7

3 Phương pháp giản đồ Fresnel (phương pháp vector quay) 8

4 Các loại mạch điện xoay chiều 10

4.1 Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần 10

4.2 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện 11

4.3 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm 12

4.4 Mạch điện RLC nối tiếp 13

5 Công suất của dòng điện xoay chiều 14

6 Máy phát điện xoay chiều 17

7 Động cơ không đồng bộ ba pha 19

8 Máy biến áp Truyền tải điện 20

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

MỞ ĐẦU

Ngày nay dòng điện xoay chiều (Alternating Current - AC) được dùng rộng rãi trong hầu hết mọi nơi trên toàn thế giới Vai trò của dòng điện xoay chiều là rất lớn đối với chúng ta Dòng điện xoay chiều được sử dụng hầu hết trong các ngành nghề từ thành thị đến nông thôn, từ miền đồng bằng đến miền núi, từ nhà máy đến công sở… Hãy thử tưởng tượng nếu không có điện thì thế giới chúng ta sẽ như thế nào? Phải nói rằng nhờ có điện xoay chiều nó đã góp phần đưa thế giới phát triển như ngày hôm nay.

Dòng điện xoay chiều được tạo ra bởi máy phát điện xoay chiều với tần số xác định Khác với dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều có sự đổi chiều liên tục khoảng 50 đến 60 lần trong một giây

Điểm đặc biệt của dòng điện xoay chiều là điện áp có thể thay đổi được nhờ một máy biến thế và vì thế nó có thể truyền tải đi xa hơn dòng điện một chiều

Dòng điện xoay chiều có thể làm nguồn sử dụng với nhiều thiết bị khác nhau như tivi, đèn, máy tính và các thiết bị khác Trong mạch điện xoay chiều có thể có thêm các tụ điện, cuộn cảm Dòng điện xoay chiều cũng được chứng minh rằng có thể làm nguồn điện tốt hơn dòng điện một chiều.

Vậy làm thế nào để sinh ra dòng điện xoay chiều? Các đại lượng, hiện tượng các tác dụng liên quan đến dòng điện xoay chiều là gì? Các ứng dụng cơ bản của dòng điện xoay chiều là gì? Để hiểu rõ hơn những vấn đề trên của dòng điện xoay chiều tôi chọn phần “Dòng điện xoay chiều” Vật lý 12 để nghiên cứu.

Do thời gian và hiểu biết của bản thân có hạn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của Thầy và các bạn để tiểu luận hoàn chỉnh hơn.

NỘI DUNG TRÌNH BÀY TRONG SÁCH GIÁO KHOA

Cả SCB và SNC trong chương dao động và sóng điện từ đều nghiên cứu

dao động điện tự do, dao động điện từ tắt dần, dao động điện từ duy trì Dòngđiện xoay chiều là một loại dao động điện từ đó là dao động điện từ cưỡng bức

Như vậy ở chương dao động và sóng điện từ đã nghiên cứu mạch dao động LC,

phương trình dao động của dao động điện từ, năng lượng dao động… nhữngkiến thức này có thể giúp HS hiểu về cuộn cảm, tụ điện và các tác dụng củachúng trong mạch điện cũng như những kiến thức liên quan đến mạch dao độngđiện từ Mặt khác trong chỉnh thể nghiên cứu các loại dao động thì phần “daođộng và sóng điện từ” nghiên cứu tiếp theo sau “dao động cơ”, “sóng cơ” là hợp

lý Do đó, SCB có logic trình bày kiến thức chương dòng điện xoay chiều chưa

hợp lý so với SNC

1 Chuẩn kiến thức, kỹ năng

Các nội dung Kiến thức Mức độ cần đạt Kỹ năng

- Viết được hệ thức của định luật

Ôm đối với đoạn mạch xoay chiềuthuần điện trở, thuần cảm kháng,thuần dung kháng và đối với đoạnmạch RLC nối tiếp

- Nêu được độ lệch pha giữa dòngđiện và điện áp tức thời đối với cácđoạn mạch điện xoay chiều thuầnđiện trở, thuần cảm kháng, thuầndung kháng và chứng minh đượccác độ lệch pha này

- Viết được công thức tính độ lệchpha giữa dòng điện và điện áp tứcthời đối với đoạn mạch RLC nốitiếp và nêu được trường hợp nàothì dòng điện trễ pha, sớm pha sovới điện áp

- Nêu được điều kiện và các đặcđiểm của hiện tượng cộng hưởngđiện đối với đoạn mạch RLC nốitiếp

- Viết được công thức tính công suấtđiện và tính hệ số công suất củađoạn mạch RLC nối tiếp

- Nêu được lý do tại sao phải tăng hệ

số công suất ở nơi tiêu thụ điện

- Nêu được hệ thống dòng điện bapha là gì

- Trình bày được nguyên tắc cấu tạo

và hoạt động của máy phát điệnxoay chiều, động cơ điện xoaychiều ba pha, máy biến áp

- Vận dụng được cáccông thức tínhcảm kháng, dungkháng và điệnkháng

- Vẽ được giản đồFre-nen cho đoạnmạch RLC nốitiếp

- Giải được các bàitập về đoạn mạchRLC nối tiếp

- Vẽ được đồ thịbiểu diễn hệ thốngdòng điện ba pha

- Vẽ được sơ đồbiểu diễn cáchmắc hình sao vàcách mắc hìnhtam giác đối với

hệ thống dòngđiện ba pha

- Giải được các bàitập về máy biến

áp lý tưởng

- Tiến hành được thínghiệm để khảosát đoạn mạchRLC nối tiếp

2 Phân phối thời gian [4], [6].

Sách giáo khoa Lý

thuyết

Thực hành

Bài tập

Kiểm tra

Tổng số tiết

Nhìn chung thời lượng dành cho phần dòng điện xoay chiều ở SCB vàSNC là bằng nhau (15 tiết) Chỉ khác nhau sự phân bố số tiết cụ thể như: SCNnhiều hơn 01 tiết lý thuyết thì lại ít hơn một tiết bài tập Điều này cho thấy tầmquan trọng của phần dòng điện xoay chiều là như nhau đối với chương trình cơbản và nâng cao.

II NỘI DUNG KIẾN THỨC TRÌNH BÀY TRONG SGK CƠ BẢN

VÀ NÂNG CAO

SGK vật lý 12 nâng cao và cơ bản được soạn thảo trên cơ sở SGK thíđiểm lớp 12 cho ban KHTN (bộ sách 1 và 2) đã được dạy thí điểm cho nhiềutrường THPT từ năm 2005 đến năm 2007 Các tác giả đã tiếp thu ý kiến đónggóp trong quá trình thí điểm và dựa vào chương trình mới để sửa đổi và tu chỉnh.Không những viết theo chương trình mới mà còn dùng cho học sinh đã được họcchương trình THCS mới Một số khái niệm, kiến thức đã học được tiếp tục pháttriển trong đó có kiến thức về dòng điện xoay chiều [6]

Cả SCB và SNC bản trình bày rất kỹ về những kiến thức về dòng điệnxoay chiều Đã làm rõ được đặc điểm cơ bản của dòng điện xoay chiều, dòngđiện này thay đổi liên tục từ 50 đến 60 lần trong một giây làm từ trường do nósinh ra cũng thay đổi theo Chính vì điều đó dòng điện xoay chiều có một số tácdụng mà dòng điện một chiều không có

Để tìm hiểu kỹ hơn về sự trình bày kiến thức về dòng điện xoay chiềutrong hai bộ SCB và SNC trong chương trình vật lý 12 ta đi nghiên cứu sự trìnhbày trong từng đơn vị kiến thức

1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều

SCB trình bày khái niệm theo hướng diễn dịch Bằng cách thông báo

“Dòng điện xoay chiều hình sin, gọi tắt là dòng điện xoay chiều, là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật của hàm sin hay côsin, với dạng tổng quát: i I c 0 os( t  )” [3], sau đó đưa ra nguyên tắc tạo radòng điện xoay chiều bằng cách cho cuộn dây quay trong từ trường

SNC thì trình bày theo hướng quy nạp giống như SGK cũ Đầu tiên trình

bày về sự xuất hiện suất điện động xoay chiều bằng cách cho khung dây quay trong từ trường, rồi giới thiệu về hiệu điện thế xoay chiều (điện áp xoay chiều):

“hiệu điện thế bíên thiên theo thời gian theo định luật dạng sin gọi là hiệu điện thế xoay chiều hay điện áp xoay chiều” [5] và dòng điện xoay chiều và các đại

lượng trong biểu thức

Hai cách đưa ra khái niệm khác nhau với ý đồ khác nhau Nhóm tác giảSCB muốn thông báo, những dòng điện dao động với đặc điểm như vậy thì gọi

là dao động xoay chiều Phương pháp trình bày này giúp học sinh định hìnhtrước được dòng điện xoay chiều là gì? Định hướng cho học sinh tiếp thu nhữngkiến thức tiếp theo liên quan tới nó Nhóm tác giả SNC giới thiệu sự xuất hiệnsuất điện động xoay chiều tránh việc đưa đột ngột vào mạch điện hình sin mà

HS không biết nó từ đâu Do vậy khi đưa vào suất điện động xoay chiều các tácgiả chỉ nêu vắn tắt cách tạo ra và biểu thức, còn việc nghiên cứu được trình bày

kỹ hơn ở bài sau (bài 30 trang 161)

Trong SCB chỉ đưa ra biểu thức của dòng điện xoay chiều mà không đưa

ra biểu thức của điện áp xoay chiều Trong SNC ngoài việc đưa ra biểu thức củađiện áp và dòng điện:

u U cos( t     )

i I cos( t     )

còn đưa ra các trường hợp khác nhau của độ lệch pha     1 2 giữa điện

áp tức thời uso với dòng điện tức thời i trong trường hợp tổng quát:

1 2

   

- Nếu  > 0 thì u nhanh pha hơn so với i

- Nếu  < 0 thì u chậm pha hơn so i

- Nếu  = 0 thì u cùng pha với i

Sự trình bày này là hợp lý, giúp HS hiểu và tránh được sự nhầm lẫn khitính đại lượng pha của dòng điện và điện áp sau này Ngoài ra GV có thể địnhhướng và dẫn dắt vấn đề để nghiên cứu các trường hợp cụ thể của các mạch điệnxoay chiều SCB có trình các trường hợp lệch pha của điện áp so với dòng điện

nhưng trình bày ở phần các mạch điện xoay chiều và trình bày cụ thể ở trong các

loại mạch điện

Mặt khác, SNC khác với SCB đó là SNC còn đưa ra đồ thị (hình 26.2)biểu diễn sự biến đổi của cường độ dòng điện và điện áp giữa hai đầu một đoạnmạch xoay chiều Điều này giúp HS hiểu rằng dòng điện xoay chiều là một daođộng cưỡng bức biến đổi lệch pha so với điện áp Sự biến đổi lệch pha đượcminh hoạ bằng đồ thị và chứng minh bằng thí nghiệm

2 Các giá trị hiệu dụng

Để xây dựng các khái niệm về các giá trị hiệu dụng cả SCB và SNC đềuđược trình bày gần như giống nhau Các tác giả SCB xây dựng các giá trị hiệudụng dựa trên giá trị của công suất tiêu thụ tức thời trên điện trở R:

1

p RI 2

dựng dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện nhưng nó cũng được sử dụng trongviệc đánh giá các tác dụng khác nhau của dòng điện.

Tuy nhiên SNC không nêu được trường hợp tổng quát của giá trị hiệudụng áp dụng cho các đại lượng khác như SCB:

Giá trị hiệu dụng =

mà chỉ nêu thêm giá trị hiệu dụng của suất điện động và điện áp

Ngoài ra, SCB còn nêu được các số chỉ ở trên các

thiết bị sử dụng điện và các thiết bị đo cũng như những

giá trị thường dùng hằng ngày đều là các giá trị hiệu

dụng Đây là nội dung mà HS rất hay nhầm lẫn trong

khi tính toán cho bài tập trong phần dòng điện xoay

chiều GV cần nhấn mạnh để HS phân biệt được các giá

trị hiệu dụng, giá trị cực đại, giá trị định mức của các

đại lượng

3 Phương pháp giản đồ Fresnel (phương pháp vector quay)

Đây là phương pháp rất quan trọng

trong khi nghiên cứu mối liên hệ giữa các đại

lượng của dòng điện xoay chiều Thế nhưng

SCB không có phần dành riêng cho phương

pháp này ở phần đầu, chỉ đến mạch điện xoay

chiều chứa R, L, C mới đề cập đến Như vậy

HS sẽ không làm quen được với phương

pháp này trong suốt thời gian học ở các loại

mạch điện thuần trở, chỉ chứa tụ điện và thuần cảm để áp dụng linh hoạt trongmạch điện RLC sau này

Có thể các tác giả SCB nghĩ rằng học sinh đã được học phương pháp này

ở chương dao động cơ Nhưng trong phần dòng điện xoay chiều HS cần hiểu đócũng là phương pháp chung để tổng hợp dao động điều hoà Cường độ dòng điện

xoay chiều i và điện áp xoay chiều u là các dao động điều hoà nên đều có thểđược biểu diễn dao động điện từ có độ dài hoặc tỉ lệ với các giá trị hiệu dụng vàđược ký hiệu tương ứng i« rI,u « Uur hoặc tỉ lệ với biên độ và được ký hiệu0

i « Ir , u « Uur0

Ưu điểm của SCB trong phần này là các tác giả đã đưa ra được các bảngtóm tắt cho từng trường hợp của mạch điện chứa các thiết bị điện mà SNCkhông có Việc làm này giúp HS hệ thống được các kiến thức đã học để vậndụng vào trong từng trường hợp cụ thể

Tuy nhiên nhóm tác giả SNC giới thiệu phương pháp này một phần riêng.Chú ý rằng trong phần dao động cơ, thường

dùng các vector quay biểu diễn li độ dao

động có thứ nguyên chiều dài Trong phần

dòng điện xoay chiều dùng các vetor quay

biểu diễn các dao động không có thứ

nguyên chiều dài Hơn nữa trong đa số các

trường hợp cần biểu diễn trên cùng một giản

đồ cả hai loại vector quay ví dụ như vector

I

r

và các vector U ur

Do đó, trên giản đồ độ dài mỗi loại vector được chọn với các

hệ số tỉ lệ khác nhau Thường chọn sao cho độ dài các vector khác nhau để hình

vẽ được cân đối [6]

Hình 3.2 Giản đồ Fresnel theo quy tắc tam giác

4 Các loại mạch điện xoay chiều

4.1 Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần

Cả hai SGK đều được trình bày giống nhau về logic hình thành kiến thức.SNC xuất phát từ điện áp tức thời đặt vào hai đầu đoạn mạch u U cos t  0  , xéttrong khoảng thời gian rất nhỏ thì có thể áp dụng được định luật Ohm cho đoạnmạch chứa điện trở:

i = u U 0

cos t

R R 

từ đó đưa ra biểu thức của dòng điện xoay chiều tức thời i = I0cost (với

I0 = U0/R) và kết luận pha của điện áp cùng pha với dòng điện đi qua điện trởthuần R

Tuy nhiên SCB thì thay U0 bằng U 2 nhằm mục đích nhấn mạnh mốiliên hệ giữa giá trị hiệu dụng và giá trị cực đại của các đại lượng Điều này khidạy ở chương trình cơ bản hay nâng cao GV nên lưu ý nhắc HS thực chất U0 hay

U 2 đều giống nhau

Giá trị hiệu dụng =

Hình 4.1.1 Đoạn mạch thuần trở SCB

Hình 4.1.2 Đoạn mạch thuần trở SNC

Giá trị cực đại

2

4.2 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện

Cả SCB và SNC đều chỉ ra được tác dụng của tụ điện trong mạch điệnxoay chiều được nghiên cứu định tính bằng thí nghiệm với tụ điện mắc nối tiếpvới một đèn rồi sau đó mới chứng minh định lượng bằng giải tích Nếu điều kiệncho phép có thể để HS tham gia làm thí nghiệm để chứng tỏ hiện tượng dòngđiện xoay chiều đi qua tụ điện Việc lý giải hiện tượng dòng điện đi qua tụ điện

là yêu cầu mở rộng thêm được xếp ở cột phụ Hai tác dụng cơ bản của tụ điệnnhắc đến trong bài có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều và làm cho cường

vẽ nằm ngang) đúng với vị trí của I trên giản đồ đoạn mạch chỉ có cuộn cảm vàđoạn mạch RLC mắc nối tiếp học ở những bài sau Điều đó tạo thuận lợi cho HSkhi vận dụng kiến thức của bài này cho bài học sau

Hình 4.2.1 Đoạn mạch chỉ chứa tụ điện

(SCB)

Hình 4.2.2 Đoạn mạch chỉ chứa tụ điện

(SNC)

4.3 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm

SCB và SNC đều đưa ra khái niệm cuộn cảm thuần tuy nhiên SNC có vẻ

kỹ hơn SCB Đầu tiên đưa ra khái niệm thế nào là cuộn cảm, rồi nếu cuộn cảm

có điện trở r không đáng kể thì gọi là cuộn cảm thuần Còn SCB thì đi thẳng vào

vấn đề: “cuộn cảm thuần là cuộn cảm có điện trở không đáng kể”

SNC ở mục 1, dùng cuộn cảm có lõi sắt dịch chuyển được đễ chứng tỏmột cách định tính ảnh hưởng của độ tự cảm tới cường độ hiệu dụng của dòngđiện trong mạch khi điện áp hiệu dụng của mạch không đổi Trong thí nghiệmnày, khi mắc A và B với nguồn điện một chiều, ngay sau khi đóng hay ngắt khoá

K, dòng điện trong cuộn dây chưa ổn định, dòng điện tự cảm có tác dụng quađèn khi mở khoá K nhưng chỉ có tác dụng trong thời gian rất ngắn Do vậy, cầncho HS thấy là cuộn cảm thuần chỉ có tác dụng làm tăng hoặc giảm dòng điệnkhi đóng ngắt mạch Lúc ổn định, dòng điện tự cảm có tác dụng như một dâydẫn điện trở nhỏ Trong thí nghiệm này, quan sát độ sáng của bóng đèn khi dòngđiện đã ổn định Đối với dòng điện xoay chiều, cuộn cảm có tác dụng cản trởdòng điện ngay khi mạch điện đã ổn định Chú ý HS trong các mục tiếp theo tadùng cuộn cảm có độ tự cảm không đổi [6]

Cả SCB và SNC chưa nói rõ được rằng các cuộn dây trong thực tế đều cóđiện trở Như vậy trong phần này GV định hướng cho HS là đang học về cuộncảm có điện trở bằng 0 nhưng lại sử dụng kết quả thu được cho cuộn cảm có

Hình 4.3.1 Đoạn mạch thuần cảm (SCB)

Hình 4.3.2 Đoạn mạch thuần cảm (SNC)