SKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba pha

SKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba phaSKKN Phương án thí nghiệm về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba pha

Phần I: PHẦN MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Vật lí học là môn khoa học thực nghiệm, một trong những khâu quan trọng của quá trình đổi mới phương pháp dạy học bộ môn vật lí là phải tăng cường các hoạt động thực nghiệm của học sinh trong quá trình học tập Vì vậy, việc đưa thí nghiệm vào dạy học để học sinh tiếp cận với con đường nghiên cứu khoa học và hiểu sâu sắc các kiến thức vật lí là hết sức cần thiết

và có ý nghĩa quan trọng Thông qua thí nghiệm, học sinh được rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo, giáo dục tổng hợp, hình thành tư duy sáng tạo và tinh thần làm việc tập thể

Trong quá trình giảng dạy tôi thấy động cơ không đồng bộ ba pha là loại máy điện được sử dụng phổ biến trong kĩ thuật truyền động điện do có các ưu điểm là: đơn giản về kết cấu, gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ sử dụng và hiệu suất cao

Để dạy bài “Động cơ không đồng bộ ba pha” Vật lí 12, thì cần phải có thiết bi ̣ thí nghiê ̣m kiểm nghiệm:

- Sự quay không đồng bộ của động cơ không đồng bộ ba pha

- Trong không gian của stato có từ trường tổng hợp là một từ trường quay đều có biên độ không thay đổi

Hiện nay, trong danh mục thiết bi ̣ thí nghiê ̣m tối thiểu ở trường THPT không có thiết bi ̣ thí nghiê ̣m về động cơ không đồng bộ ba pha Vì vậy tôi lựa chọn đề tài “ Phương án thí nghiệ m về đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ ba pha” với mong muốn giới thiê ̣u mô ̣t phương án thí nghiê ̣m về đô ̣ng cơ không đồng bô ̣

ba pha để sử du ̣ng trong da ̣y bài đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ ba pha vâ ̣t lí 12

II Mục đích của đề tài

Đề tài tâ ̣p trung xây dựng mô ̣t phương án thí nghiê ̣m có thể kiểm nghiê ̣m được:

- Sự quay không đồng bộ của động cơ không đồng bộ ba pha

- Trong không gian của stato có từ trường tổng hợp là một từ trường quay đều, biên độ của từ trường quay không thay đổi

III Phương pháp nghiên cứu của đề tài

1 Nghiên cứu lí luận về thí nghiê ̣m Vâ ̣t lí

2 Nghiên cứu nội dung chương trình Vâ ̣t lí 12, đă ̣c biê ̣t là phần kiến thức về động cơ không đồng bộ ba pha để xác định mức độ nội dung các kiến thức học sinh

cần nắm vững và các thí nghiệm mà giáo viên và học sinh cần tiến hành khi dạy học các kiến thức đó

3 Thiết kế, thử nghiệm nhiều lần các phương án thí nghiệm để đi tới được những bản hướng dẫn chi tiết cho từng thí nghiệm

IV Bố cu ̣c của đề tài

Đề tài gồm 2 phần:

Phần 1: Phần mở đầu Phần 2: Phần nô ̣i dung

Nô ̣i dung của đề tài chia làm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lí luâ ̣n và thực trạng Chương 2: Thiết kế phương án thí nghiê ̣m về đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ ba pha

Chương 3: Kết luâ ̣n Trong chương I, tác giả trình bày mô ̣t số lí thuyết cơ bản để vâ ̣n du ̣ng trong quá trình thực hiê ̣n đề tài , và tình hình thực tiễn của vấn đề mà đề tài đang nghiên cứu

Trong chương II, tác giả nêu phương án t hí nghiệm về động cơ không đồng bộ ba pha nhằm sử dụng trong dạy học kiến thức “ Động cơ không đồng bộ ba pha” Vật lí 12

Chương III nêu kết luâ ̣n và mô ̣t số kết quả đa ̣t được

PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương I Cơ sở lí luâ ̣n và thực tra ̣ng

I Cơ sơ ̉ lí luâ ̣n

1 Khái niệm thí nghiệm Vật Lí:

Thí nghiệm Vật Lí là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận những tri thức Vật Lí mới, rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo thực hành

2 Đặc điểm của thí nghiệm Vật Lí:

- Các điều kiện của thí nghiệm phải được lựa chọn và thiết lập có chủ định sao cho thông qua thí nghiệm thu được kết quả phục vụ tiến trình xây dựng kiến thức

- Các điều kiện thí nghiệm có thể biến đổi được để ta có thể nghiên cứu sự phụ thuộc giữa 2 đại lượng khi các đại lượng khác được giữ không đổi

- Các điều kiện của thí nghiệm phải được khống chế, kiểm soát đúng như dự định

- Có thể quan sát được các biến đổi của đại lượng nào đó do sự biến đổi của đại lượng khác Điều này đạt được bằng giác quan hoặc sự hỗ trợ của các phương tiện quan sát, đo đạc

3 Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật Lí ở trường phổ thông

a Các chức năng của thí nghiệm theo quan điểm lý luận nhận thức

- Thí nghiệm là phương tiện của việc thu nhận tri thức: thu nhận những kiến

thức đầu tiên về đối tượng, tạo điều kiện cho học sinh đưa ra giả thuyết

- Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức thu được

- Thí nghiệm là phương tiện của việc vận dụng tri thức đã thu được vào thực

tiễn: việc vận dụng các tri thức đã thu được vào thiết kế, chế tạo các thiết bị kỹ thuật gặp nhiều khó khăn, thí nghiệm được sử dụng như là phương tiện tạo cơ sở cho việc vận dụng các tri thức đã thu được vào thực tiễn

- Thí nghiệm là một bộ phận của phương pháp nhận thức Vật Lí: bồi dưỡng

cho học sinh hai phương pháp nhận thức phổ biến trong nghiên cứu Vật Lí là phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình

b Các chức năng của thí nghiệm theo quan điểm lý luận dạy học

- Có thể sử dụng trong tất cả các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học:

đề xuất vấn đề; giải quyết vấn đề tìm ra kiến thức, kỹ năng mới; củng cố kiến thức

kĩ năng; kiểm tra đánh giá kiến thức kĩ năng mà học sinh đã thu được

- Thí nghiệm là phương tiện phát triển nhân cách của học sinh:

+ Thí nghiệm là phương tiện để nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện

kĩ năng, kĩ xảo về Vật Lí của học sinh

+ Thí nghiệm là phương tiện kích thích hứng thú học tập Vật Lí, tổ chức quá trình học tập tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh

+ Thí nghiệm là hình thức tổ chức các hình thức làm việc tập thể khác nhau, bồi dưỡng các phẩm chất đạo đức của học sinh

- Thí nghiệm là phương tiện đơn giản và trực quan trong dạy học Vật Lí + Thí nghiệm là phương tiện giúp ta có thể nghiên cứu các hiện tượng, quá trình trong những điều kiện có thể khống chế được dễ dàng đi đến nhận thức về nguyên nhân, bản chất của hiện tượng hay các mối quan hệ

+ Thí nghiệm là phương tiện trực quan giúp học sinh nhanh chóng thu được thông tin chân thực về hiện tượng quá trình Vật Lí Đặc biệt là trong nghiên cứu những lĩnh vực mà con người không thể tri giác trực tiếp bằng các giác quan thì sử dụng thí nghiệm mô hình là không thể thiếu được

II Thƣ ̣c Tra ̣ng

Vật lí là một bộ môn khoa học thực nghiệm, vì vậy việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vâ ̣t lí ở trường phổ thông không chỉ là công việc bắt buộc, mà nó còn

là một trong những biện pháp quan trọng giúp nâng cao chất lượng dạy học, góp phần tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh

Thí nghiệm vật lí hiểu theo nghĩa rộng còn là một trong những phương pháp dạy học vâ ̣t lí ở trường phổ thông Đó là cách thức hoạt động của thầy và trò, giúp cho trò tự chiếm lĩnh kiến thức kĩ năng, kĩ xảo, đặc biệt là kĩ năng, kĩ xảo thực hành Thêm vào đó, thí nghiệm còn có tác dụng giúp cho việc dạy học vâ ̣t lí tránh được tính chất giáo điều hình thức đang phổ biến trong dạy học hiện nay Ngoài ra, thí nghiệm vật lí còn góp phần giúp cho học sinh củng cố niềm tin khoa học nhằm hình thành thế giới quan duy vật biện chứng cho học sinh

Hiện nay, trong danh mục thiết bi ̣ thí nghiê ̣m tối thiểu ở trường THPT không có thiết bi ̣ thí nghiệm về động cơ không đồng bộ ba pha Vì vậy viê ̣c giới thiê ̣u mô ̣t phương án thí nghiê ̣m về đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ ba pha để sử dụng trong dạy bài động cơ không đ ồng bộ ba pha vật lí 12 là công việc có ý nghĩa và cần thiết

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM

VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

I Tìm hiểu vị trí của kiến thức “Động cơ không đồng bộ ba pha” trong

chương Sự cần thiết phải thiết kế phương án thí nghiê ̣m về đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ ba pha

1 Sơ đồ tiến trình kiến thức chương “Dòng điện xoay chiều”

Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức chương “ Dòng điện xoay chiều"

Dòng điện xoay chiều

Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều

Sản xuất, biến đổi và truyền tải điện năng

Khái

niệm

về e,

u, i

tức

thời

Giá

trị

cực

đại

E0,

U0,

I0

Giá trị hiệu dụng

E, U,

I

Khái niệm cảm kháng

ZL; dung kháng

ZC

Độ lệch pha

φ

Công suất của dòng điện xoay chiều

Sản xuất điện xoay chiều

Biến đổi dòng điện xoay chiều

Truyền tải điện năng đi

xa

Mạch điện xoay chiều

R, L, C, RLC nối tiếp

Mạch

chỉ

có R

Mạch chỉ có

L

Mạch chỉ

có C

Máy phát điện xoay chiều

1 pha

Máy phát điện xoay chiề

u 3 pha

Động

cơ điện xoay chiều

1 pha;

3 pha

Máy biến thế

Khô

ng dùng máy biến thế

Có dùng máy biến thế

2 Vị trí của kiến thức “Động cơ không đồng bộ ba pha” trong chương

Kiến thức “Động cơ không đồng bộ ba pha" trong chương trình Vật Lí 12 là một ứng dụng kĩ thuật của Vật Lí, được đưa vào gần cuối chương “Dòng điện xoay chiều” Sau khi đã được học tổng quan về dòng điện xoay chiều, biết cách tạo ra dòng điện, học sinh được nghiên cứu đến những máy móc thiết bị sử dụng dòng điện xoay chiều Kiến thức “ Động cơ không đồng bộ ba pha" được đưa vào một cách khá hợp lý và phù hợp với thực tiễn, bởi động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật truyền động điện do có các ưu điểm là: đơn giản về kết cấu, gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ sử dụng, đặc biệt động cơ rô – to lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không có yêu cầu về cách điện và có thể làm việc ở cả môi trường có hoạt tính cao hoặc trong nước Tuy nhiên, thiết bị dạy học ở phần kiến thức này chưa phù hợp với thực tiễn cũng như đảm bảo phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh

3 Sự cần thiết phải thiết kế phương a ́ n thí nghiê ̣m về đô ̣ng cơ không đồng bô ̣

ba pha

Khi học về bài “Động cơ không đồng bộ ba pha”- Vật lí 12 THPT, một trong những kiến thức trọng tâm là việc tạo ra từ trường quay bằng dòng điện ba pha Sau khi phương án dùng dòng điện ba pha để tạo ra từ trường quay được đưa ra thì cần được khẳng định bằng thực nghiệm Tuy nhiên, hiện nay, ở các trường phổ thông, chưa có thiết bị thí nghiệm nào có thể chứng tỏ được từ trường sinh ra là từ trường quay do đó, thực tiễn việc dạy những kiến thức này đều là dạy chay hoặc dạy trên những thí nghiệm ảo Bên cạnh đó, cũng cần thiết phải có một thí nghiệm định lượng chứng tỏ tần số quay của roto luôn nhỏ hơn tần số quay của dòng điện cung cấp

Chính vì những lý do đó, tôi đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế phương án thí nghiê ̣m, kiểm chứng từ trường do dòng điện ba pha sinh ra là từ trường quay

Thiết bị này đảm bảo về mặt kĩ thuật, về mặt sư phạm, cũng như bảm bảo về thẩm mĩ Bên cạnh đó, nó phù hợp với những tiết học thực hành hay cho học sinh hoạt động theo nhóm nhỏ tại lớp khi học về kiến thức “Động cơ không đồng bộ ba

pha”

II Cấu ta ̣o và nguyên tắc hoa ̣t đô ̣ng của thiết bi ̣ thí nghiê ̣m

1 Cấu tạo

(10) (2) (1)

Ảnh 1 TBTN Động cơ không đồng bộ ba pha

- Stato (1) là một khối thép được ghép từ nhiều là thép cách điện Trên khối thép đó có 3 cuộn dây (2) được kí hiệu màu xanh, vàng, đỏ đặt lệch nhau 1200; 6 đầu dây của 3 cuộn dây được nối ra các chốt cắm (3)

- Rô to gồm có rô to lồng sóc đơn giản (4); khung dây (5), các rô to này được gắn trên trục quay thẳng đứng; khung dây có gắn đèn led đứng yên (6); rô to lồng sóc có gắn thanh quay (7)

- Cổng quang và đồng hồ đo thời gian hiện số (8)

- Máy dao động kí 2 chùm tia (9)

- Máy biến tần SV004iE5(10)

* Sơ lược về máy biến tần SV004iE5

Máy biến tần có chức năng biến điện áp xoay chiều một pha ( tần số cố định

50 Hz) thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số có thể biến đổi cung cấp cho động cơ

Nguyên lý hoạt động của máy biến tần: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn một chiều bằng phẳng.Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96 Điện

áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng

Bộ biến tần có các khả năng sau:

- Điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn

- Điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong

(6 ) (5 ) (4 )

(7 )

(8 )

(9 )

(3 )

vùng điều chỉnh momen không đổi

- Cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

* Cách sử dụng máy biến tần:

- Đầu vào: 200 - 230V; 1 pha; 5,5A; 50/60Hz

- Đầu ra: 0 – input V; 3 pha; 2,5A; 0,1 -200Hz

- Cách đấu dây:

Ảnh 2 Cách đấu dây của máy biến tần

2 Nguyên tắc hoạt động

Thiết bi ̣ thí nghiê ̣m (TBTN) động cơ không đồng ba pha hoạt động dựa trên

sự quay không đồng bộ Dòng điện ba pha đưa vào các cuộn dây sinh ra từ trường quay Từ trường quay làm từ thông qua khung dây biến thiên, trong khung dây xuất hiện một dòng điện cảm ứng Cũng chính từ trường quay này tác dụng lên dòng điện trong khung dây một mômen lực làm khung dây quay Theo định luật Len –

xơ, khung dây quay theo chiều quay của từ trường để làm giảm tốc độ biến thiên từ thông qua khung dây Tốc độ góc của khung dây luôn nhỏ hơn tốc độ góc của từ trường

III Các thí nghiệm có thể tiến hành với TBTN

TBTN động cơ không đồng bộ ba pha do tôi thiết kế có thể tiến hành được những thí nghiệm sau

- Thí nghiệm nghiên cứu sự quay không đồng bộ

- Thí nghiệm chứng tỏ từ trường tổng hợp do 3 cuộn dây gây ra là từ trường quay đều

Sau đây, tôi sẽ mô tả cụ thể các thí nghiệm tiến hành với TBTN

1 Thí nghiệm 1: Nghiên cứu sự quay không đồng bộ

a Mục đích thí nghiệm

Ở thí nghiệm này, ta đi nghiên cứu một cách định lượng tần số của rô to so với tần số của dòng điện cung cấp

b Các bước tiến hành

- Cho khung dây hay rô to lồng sóc vào giữa stato

- Bật công tắc nguồn cấp điện, ta thấy chúng quay với tần số xác định, tắt công tắc

- Để khảo sát một cách định lượng tần số của rô to so với tần số của nguồn cung cấp, ta thay rô to trên bằng một rô to có gắn thanh quay

- Gắn cổng quang điện lên giá và kết nối với đồng hồ đo thời gian hiện số; đặt đồng hồ ở chế độ đo chu kì

- Bật công tắc nguồn, đặt máy biến tần ở chế độ 15Hz, lúc này rô to có gắn thanh quay quay xung quanh trục của nó

- Trên đồng hồ đo thời gian hiện số hiển thị chu kì của rô to ứng với tần số của dòng cung cấp là 15Hz

- Lặp lại các bước thí nghiệm với 20Hz, 25Hz

c Kết quả thí nghiệm

Ta thấy khi tần số của nguồn cấp tăng lên thì tần số của rô to cũng tăng lên nhưng rô to của động cơ không đồng bộ ba pha luôn chuyển động với tần số nhỏ hơn tần số của dòng điện cung cấp

2 Thí nghiệm 2: Chứng tỏ từ trường tổng hợp do 3 cuộn dây gây ra là từ trường quay đều

a Mục đích thí nghiệm

Để kiểm tra từ trường tổng hợp do 3 cuộn dây gây ra là từ trường quay đều hay không, ta cần khảo sát biên độ và dạng đồ thì của từ trường đó

Có I ~ B nên thay vì khảo sát từ trường tổng hợp, ta khảo sát cường độ dòng điện chạy qua một cuộn dây đứng yên đặt trong từ trường

b Các bước tiến hành

- Cho cuộn dây đứng yên có gắn đèn led vào giữa stato

- Kết nối cuộn dây với dao động kí 2 chùm tia

- Bật công tắc nguồn cấp điện

- Sử dụng đồng hồ đo cường độ dòng điện của vòng dây, ta thấy đồng hồ luôn dao động nhỏ quanh một giá trị xác định

- Bật công tắc máy dao động kí 2 chùm tia và quan sát dạng đồ thị của dòng điện

c Kết quả thí nghiệm

- Ta thấy đèn led sáng chứng tỏ đã xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ; dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây

- Khi sử dụng đồng hồ đo cường độ dòng điện của vòng dây, ta thấy đồng hồ luôn dao động nhỏ quanh một giá trị xác định

- Đồng thời khi kết nối với máy dao động kí 2 chùm tia ta thấy đồ thị hiển thị trên dao động kí là hình sin

Chứng tỏ, từ trường tổng hợp do dòng điện ba pha sinh ra trên ba cuộn dây là

từ trường quay đều

Ảnh 3 TN chứng tỏ trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng

Ảnh 4 Dạng đồ thị của cường độ dòng điện qua vòng dây có dạng hình sin