skkn hệ thống bài tập, hướng giải bài tập dòng điện xoay chiều mạch r,l,c nối tiếp (lớp 12 sách nâng cao)

Việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức để giải các bài tập định tính, bàitập định lượng của chương này đối với học sinh thật không dễ dàng.. Chính vì vậy, đề tài “ hệ thống bài tập,

I PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài:

Dòng điện xoay chiều là một dao động điện từ cưỡng bức, đổi chiều liên tục hằng trămlần trong một giây, làm từ trường do nó sinh ra cũng thay đổi theo Chính điều đó đã làm chodòng điện xoay chiều có một số tác dụng to lớn mà dòng điện một chiều không có Do đó màdòng điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, trong các lĩnh vực khoa học kỹthuật, trong cuộc sống và là động lực phát triển kinh tế đất nước

Trong quá trình giảng dạy môn vật lý ở trường THPT cụ thể tại trường THPT Thiệu Hóa.

Tôi thấy một bộ phận không nhỏ học sinh còn yếu, không thể tự mình phân loại được cácdạng toán điện xoay chiều đặc trưng Việc hiểu và vận dụng giản đồ véc tơ để giải các bàitoán điện xoay chiều có các đại lượng thay đổi còn hạn chế

Chương “Dòng điện xoay chiều” là một trong những chương quan trong của chươngtrình vật lý 12 Việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức để giải các bài tập định tính, bàitập định lượng của chương này đối với học sinh thật không dễ dàng Chính vì vậy, đề tài “

hệ thống bài tập, hướng dẫn giải bài tập Dòng điện xoay chiều mạch R,L,C nối tiếp” (lớp 12chương trình nâng cao) sẽ giúp học sinh có một hệ thống bài tập, có phương pháp giải cụ thểcủa từng dạng với hướng dẫn giải chi tiết từng bài, từ đó giúp học sinh có thể hiểu rõ hơn vềchương dòng điện xoay chiều Đồng thời thông qua việc giải bài tập, học sinh có thể được rènluyện về kĩ năng giải bài tập, phát triển tư duy sáng tạo và năng lực tự làm việc của bản thân

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Xây dựng hệ thống bài tập, hướng dẫn phương pháp giải các dạng bài tập “Dòng điệnxoay chiều mạch R,L,C nối tiếp ” Nhằm giúp học sinh nắm vững kiến thức về phần dòngđiện xoay chiều, trên cơ sở đó học sinh có thể tự lực vận dụng kiến thức để giải các bài tậpcùng dạng theo phương pháp đã đưa ra

Nghiên cứu nội dung “Dòng điện xoay chiều mạch R,L,C nối tiếp ” chương trình sáchgiáo khoa vật lý 12 nâng cao nhằm xác định nội dung kiến thức cơ bản học sinh cần nắmvững và các kĩ năng giải bài tập cơ bản học sinh cần rèn luyện

Soạn thảo hệ thống bài tập “Dòng điện xoay chiều mạch R,L,C nối tiếp ”, đưa ra phương pháp giải theo từng dạng, hướng dẫn học sinh giải bài tập trong hệ thống bài tập này

1.3 Đối tượng nghiên cứu:

Các giáo viên THPT dạy môn vật lý

Các học sinh THPT

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý luận về dạy học bài tập vật lý

- Nghiên cứu chương trình vật lý trung học phổ thông: bao gồm sách giáo khoa vật lý

12, sách bài tập, một số sách tham khảo vật lý 12 về phần dòng điện xoay chiều

- Lựa chọn các dạng bài tập trong sách giáo khoa, sách bài tập, sách tham khảo phùhợp với nội dung, kiến thức của chương

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI: “HỆ THỐNG BÀI TẬP, HƯỚNG GIẢI BÀI TẬP VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU MẠCH R,L,C NỐI TIẾP” (LỚP 12 - CHƯƠNG TRÌNH NÂNG CAO ) 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1.1 Mục đích, ý nghĩa của việc giải bài tập:

1 Mục đích của việc hệ thống bài tập và giải bài tập vật lý

Để việc dạy và học đạt kết quả cao thì người giáo viên phải biết phát huy tính tích cựccủa học sinh, chọn lựa phương thức tổ chức hoạt động, cách tác động phù hợp giúp học sinhvừa học tập, vừa phát triển nhận thức

Việc giải bài tập Vật lý không những nhằm mục đích giải toán, mà nó còn có ý nghĩa

to lớn trong việc rèn luyện cho học sinh khả năng vận dụng kiến thức, kĩ năng tính toán, suyluận logic để giải quyết những vấn đề trong thực tế cuộc sống Trong quá trình dạy học bài tậpvật lý, vai trò tự học của học sinh là rất cần thiết

Để giúp học sinh khả năng tự học, người giáo viên phải biết lựa chọn bài tập sao chophù hợp, sắp xếp chúng một cách có hệ thống từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp vàhướng dẫn cho học sinh cách giải để tìm ra được bản chất vật lý của bài toán vật lý

Muốn giải được bài tập vật lý, học sinh phải biết vận dụng các thao tác tư duy, sosánh, phân tích, tổng hợp, khái quát hóa, xác định được bản chất vật lý

Vận dụng kiến thức vật lý để giải quyết các nhiệm vụ học tập và những vấn đề thực tếcủa đời sống chính là thước đo mức độ hiểu biết của học sinh Vì vậy, việc giải bài tập vật lý

là phương tiện kiểm tra kiến thức, kĩ năng của học sinh

2 Ý nghĩa của việc giải bài tập vật lý

- Giải bài tập giúp cho việc ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức

- Giải bài tập có thể là điểm khởi đầu để dẫn dắt đến kiến thức mới

- Giải bài tập vật lý rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát

- Giải bài tập là một trong những hình thức làm việc tự lực cao của học sinh

- Giải bài tập vật lý góp phần làm phát triển tư duy sáng tạo của học sinh

- Giải bài tập vật lý để kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của học sinh

2.1.2 Phân loại bài tập vật lý:

1 Phân loại theo phương thức giải

a Bài tập định tính b Bài tập định lượng

c Bài tập thí nghiệm d Bài tập đồ thị

2 Phân loại theo yêu cầu rèn luyện kĩ năng, phát triển tư duy học sinh trong quá trình dạy học:

a Bài tập luyện tập: b Bài tập sáng tạo:

c Bài tập nghiên cứu: d Bài tập thiết kế:

3 Phân loại theo hình thức làm bài

a Bài tập tự luận :

b Bài tập trắc nghiệm khách quan :

2.1.3 Phương pháp giải bài tập

Đối với học sinh phổ thông, vấn đề giải và làm bài tập gặp không ít khó khăn vì học

sinh thường không nắm vững lý thuyết và kĩ năng vận dụng kiến thức vật lý Vì vậy các emgiải một cách mò mẫm, không có định hướng rõ ràng, áp dụng công thức máy móc và nhiềukhi không giải được Có nhiều nguyên nhân:

Chưa xác định được mục đích của việc giải bài tập là xem xét, phân tích các hiệntượng vật lý để đi đến bản chất vật lý.

Việc rèn luyện cho học sinh biết cách giải bài tập một cách khoa học, đảm bảo đi đếnkết quả một cách chính xác là một việc rất cần thiết Có thể vạch ra một dàn bài chung gồmcác bước chính như sau:

a Tìm hiểu đầu bài, tóm tắt các dữ kiện

b Phân tích hiện tượng

c Xây dựng lập luận

d Lựa chọn cách giải cho phù hợp

e Kiểm tra, xác nhận kết quả và biện luận

2.1.4 Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lý

Để việc hướng dẫn giải bài tâp cho học sinh có hiệu quả, thì trước hết giáo viên phảigiải được bài tập đó, và phải xuất phát từ mục đích sư phạm để xác định kiểu hướng dẫn chophù hợp

Ta có thể minh họa bằng sơ đồ sau:

2.1.5 Lựa chọn và sử dụng bài tập trong dạy học vật lý

1 Lựa chọn bài tập

Hệ thống bài tập mà giáo viên lựa chọn phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Bài tập phải đi từ dễ tới khó, từ đơn giản đến phức tạp (phạm vi và số lượng các kiếnthức, kĩ năng cần vận dụng từ một đề tài đến nhiều đề tài, số lượng các đại lượng cho biết vàcác đại lượng cần tìm…) giúp học sinh nắm được phương pháp giải các loại bài tập điểnhình

- Mỗi bài tập phải là một mắt xích trong hệ thống bài tập, đóng góp một phần nào đóvào việc củng cố, hoàn thiện và mở rộng kiến thức

- Hệ thống bài tập cần bao gồm nhiều thể loại bài tập: bài tập giả tạo và bài tập có nộidung thực tế, bài tập luyện tập và bài tập sáng tạo, bài tập cho thừa hoặc thiếu dữ kiện, bài tậpmang tính chất ngụy biện và nghịch lý, bài tập có nhiều cách giải khác nhau và bài tập cónhiều lời giải tùy theo điều kiện cụ thể của bài tập mà giáo viên không nêu lên hoặc chỉ nêulên một điều kiện nào đó mà thôi

2 Sử dụng hệ thống bài tập:

Trong tiến trình dạy học một đề tài cụ thể, việc giải hệ thống bài tập mà giáo viên đãlựa chọn cho học sinh thường bắt đầu bằng những bài tập định tính hay những bài tập tậpdượt Sau đó học sinh sẽ giải những bài tập tính toán, bài tập đồ thị, bài tập thí nghiệm có nộidung phức tạp hơn Việc giải những bài tập tính toán tổng hợp, những bài tập có nội dung kĩthuật với dữ kiện không đầy đủ, những bài tập sáng tạo có thể coi là sự kết thúc việc giải hệthống bài tập đã được lựa chọn cho đề tài

Cần chú ý cá biệt hóa học sinh trong việc giải bài tập vật lý, thông qua các biện pháp sau Biến đổi mức độ yêu cầu của bài tập ra cho các loại đối tượng học sinh khác nhau, thể

Tư duy giải bài tập

vật lý Phân tích phương pháp giải bài tập vật lý cụ thể

Mục đích sư phạm Xác dịnh kiểu hướng

dẫn

Phương pháp hướng dẫngiải bài tập vật lý cụ thể

của các số liệu cần xử lý, loại và số lượng thao tác tư duy logic và các phép biến đổi toán họccần sử dụng, phạm vi và mức độ các kiến thức, kĩ năng cần huy động.

Biến đổi mức độ yêu cầu về số lượng bài tập cần giải, về mức độ tự lực của học sinhtrong quá trình giải bài tập

2.2 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Đối với học sinh các trường THPT nói chung và THPT Thiệu Hóa, vấn đề giải và làm

bài tập chương dòng điện xoay chiều gặp không ít khó khăn vì học sinh thường không nắmvững lý thuyết và kĩ năng vận dụng kiến thức vật lý Vì vậy các em giải một cách mò mẫm,không có định hướng rõ ràng, áp dụng công thức máy móc và nhiều khi không giải được

Qua kiểm tra khảo sát ở 2 lớp 12A,12E ban tự nhiên đầu năm khi chưa sử dụng và

khi đã sử dụng phương pháp “hệ thống và hướng dẫn giải bài tập Dòng điện xoay chiều

mạch R,L,C nối tiếp” Dùng bài kiểm tra để kiểm chứng cho thấy

Bảng điểm kiểm chứng để xác định các nhóm tương đương

T-Test để kiểm chứng sự chênh lệch điểm số trung bình của 2 nhóm sau khi tác động

Bảng điểm thống kê điểm kiểm tra sau khi tác động

đối với 2 nhóm thực nghiệm và đối chứng:

Hệ thống bài tập, phương pháp giải bài tập

“Dòng điện xoay chiều mach R,L,C nối tiếp” lớp 12 – Chương trình nâng cao.

2 3.1 LÝ THUYẾT.

Dòng điện xoay chiều – Mạch R, L, C mắc nối tiếp

I Điện áp xoay chiều – Dòng điện xoay chiều

1 Biểu thức điện áp tức thời:

Tổng quát: u U  ocos   t  u

Với Uo : điện áp cực áp (V) u : pha ban đầu của u (rad)

2 Biểu thức cường độ dòng điện tức thời:

 

cos

i I   t   , Với Io: cường độ dòng điện cực đại (A), i : pha ban đầu của i (rad)

Đại lượng:   u i gọi là độ lệch pha của u so với i

Nếu  > 0 thì u sớm pha so với i

5 Đối với mạch R, L, C mắc nối tiếp.

Mạch Các vectơ Fre-nen U và Định luật Ôm

6 Công suất của dòng điện xoay chiều Hệ số công suất:

Công suất tức thời: Cho dòng điện xoay chiều i I ocost chạy qua mạch RLC nối tiếp, có u U  ocos   t   , thì công suất tức thời là:

p ui U I   o ocos cos  t   t    hay p UI  cos   UI cos 2   t   

Công suất trung bình: P PUI cos  (Với cos là hệ số công suất)

Cũng là công suất tỏa nhiệt trên R : PR = RI2

- Hệ số công suất: cos R oR

o

U U

R Z

   : công suất tiêu thụ cực đại

2.4 HỆ THỐNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

I BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH.:

Bài 1:Trong thí nghiệm như ở hình bên Hãy dự đoán độ sáng

của đèn thay đổi như thế nào khi rút lõi sắt ra khỏi cuộn cảm

Giải thích

Hướng dẫn giải và giải:

Ban đầu khi chưa rút lõi sắt, do có dòng điện chạy qua bóng đèn nên bóng đèn sẽ sáng.Khi rút lõi sắt ra khỏi cuộn dây thì độ sáng của bóng đèn tăng lên, bóng đèn sẽ sáng hơn sovới lúc ban đầu

Giải thích: Khi rút lõi sắt ra khỏi cuộn dây, độ tự cảm L của cuộn dây giảm ZL giảm Do

U không thay đổi nên

L

U I Z

 tăng Vì vậy, độ sáng của bóng đèn sẽ tăng lên

Bài 2: Giải thích vì sao đoạn mạch xoay chiều gồm cuộn thuần cảm L nối tiếp với tụ điện C

trong thực tế vẫn tiêu thụ điện năng?

Hướng dẫn giải và giải:

Có 2 nguyên nhân:

- Trong thực tế cuộn dây vẫn có r nhỏ, dây nối có rd nên có sự tỏa nhiệt

- Dòng điện xoay chiều qua L tạo ra từ trường biến thiên làm xuất hiện điện trường biên thiên

II BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG.

Dạng 1: VIẾT BIỂU THỨC CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP.

1.1 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

1.2 Bài tập về viết biểu thức cường độ dòng điện và điện áp:

Bài 1: Mạch điện xoay chiều gồm một điện trở thuần R = 40, một cuộn thuần cảm có hệ số

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

Hướng dẫn giải và giải:

b Vì uR cùng pha với i nên : uR  UoRcos100  t

với UoR = IoR = 3.40 = 120V Vậy u 120cos100t (V)

Vì uL nhanh pha hơn i góc







F và đèn ghi (40V- 40W) Đặt vào 2 điểm A và N một hiệu

điện thế uAN  120 2 cos100  t (V) Các dụng cụ đo không

làm ảnh hưởng đến mạch điện

a Tìm số chỉ của các dụng cụ đo

b Viết biểu thức cường độ dòng điện và điện áp toàn mạch

Hướng dẫn giải và giải:

100 10 10

40

40 40

đ

đ đ

U R P

Z R

Z Z R

 H Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp xoay

chiều u  220 2 cos100  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

Hướng dẫn giải và giải:

a Để u và i đồng pha:  0 thì trong mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện  ZL = ZC 1

L C

o o o

I

Pha ban đầu của dòng điện: i  u     0 0 0 

Vậy i  4,4 2 cos100  t (A)

Bài 2: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ Biết R = 200,

b Khi R, L, C không đổi để số chỉ của ampe kế lớn nhất, thì tần số dòng điện phải bằng baonhiêu? Tính số chỉ ampe kế lúc đó (Biết rằng dây nối và dụng cụ đo không làm ảnh hưởngđến mạch điện).

Hướng dẫn giải và giải:

U I

I

Dạng 3: XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN KHI BIẾT HAI ĐOẠN

MẠCH CÓ ĐIỆN ÁP CÙNG PHA, VUÔNG PHA.

1 Phương pháp giải chung:

Điện áp hai đoạn mạch 1 và 2 ở trên cùng một mạch điện lệch pha nhau một góc  thì

Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ UAN = 150V, UMB =

200V, uAN và uMB vuông pha với nhau, cường độ dòng điện

tức thời trong mạch có biểu thức i I  ocos100  t (A) Biết

cuộn dây là thuần cảm Hãy viết biểu thức uAB

Hướng dẫn giải và giải:

Bài 2: Cho vào mạch điện hình bên một dòng điện xoay

chiều có cường độ i I  ocos100  t(A) Khi đó uMB và uAN

vuông pha nhau, và 100 2 cos 100

3

MB

u     t    

viết biểu thức uAN và tìm hệ số công suất của mạch MN

Hướng dẫn giải và giải:

U U U

Dạng 4: CÔNG SUẤT CỦA ĐOẠN MẠCH R, L, C MẮC NỐI TIẾP

1 Phương pháp giải chung:

Công thức: P UI  cos   RI2 , với cos R

2 2

R không đổi ; L, hoặc C, hoặc f thay đổi:

P đạt giá trị lớn nhất (Pmax) khi mẫu số đạt giá trị nhỏ nhất Điều này xảy ra khi trong mạch

có cộng hưởng điện ZL = ZC:

Pmax  ZL  ZC 

2 max

U P

L C

U P

Z Z R

2

U P

R



Khảo sát sự thay đổi của P:

Lấy đạo hàm của P theo đại lượng thay đổi

Lập bảng biến thiên Vẽ đồ thị

2 Bài tập về công suất của đoạn mạch R, L, C mắc nối tiếp:

Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ Cuộn dây thuần cảm,

có L = 0,159H Tụ điện có điện dung

Hướng dẫn giải và giải:

Công suất của mạch:

2 2

Vì U không đổi, R không đổi nên Pmax khi Zmin

Ta có Z  R2   ZL  ZC2 , nên Zmin khi ZL = ZC, tức là trong mạch có cộng hưởng điện:

C = 0,159.10-4F thì cường độ dòng điện i trong mạch nhanh pha hơn điện áp u giữa hai đầuđoạn mạch một góc

4



a Tìm biểu thức giá trị tức thời của i

b Tìm công suất P trong mạch Khi cho điện dung C tăng dần thì công suất P thay đổi thếnào?

Hướng dẫn giải và giải:



        

   R Z  C  ZL  R200 100 100  Tổng trở: Z  R2   ZL  ZC2  1002   100 200  2  100 2

200

2

100 2

o o

U I