b.Phân loại: * Mạch dao động LC kín: Hai bản cực của tụ điện song song và đối nhau Đặc điểm: - Điện trường chỉ tập trung trong lòng tụ điện, từ trường chỉ tập trung trong lòng cuộn dây.
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT NGA SƠN
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ VÀ MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG
Người thực hiện: Dương Trọng Quý
Chức vụ: Giáo viên -Tổ trưởng chuyên môn SKKN thuộc môn: Vật lý
THANH HOÁ NĂM 2018
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT NGA SƠN
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ VÀ MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG
Người thực hiện: Dương Trọng Quý
Chức vụ: Giáo viên -Tổ trưởng chuyên môn SKKN thuộc môn: Vật lý
Trang 2
Mục lục
1 Mở đầu
1.1 Lí do chọn đề tài……… …Trang 2 1.2 Mục đích nghiên cứu……… Trang 2 1.3 Đối tượng nghiên cứu……… …Trang 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu……… Trang 2 1.5 Những điểm mới của SKKN……… Trang 2
2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm
2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm……….Trang 3 2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm….Trang 3 2.3 Giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề……… Trang 3 2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo
dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường……… Trang 11
3 Kết luận, kiến nghị
3.1 Kết luận……… Trang 12 3.2 Kiến nghị………Trang 12
Tài liệu tham khảo……… Trang 13
Trang 31 Mở đầu 1.1 Lí do chọn đề tài.
- Mạch dao động điện từ là một phần kiến thức không thể thiếu trong chương trình vật lý phổ thông, có trong các đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh và trong đề thi THPT QG do Bộ GD và ĐT tổ chức
- Trong quá trình giảng dạy nhiều năm trên lớp Từ những học sinh học theo chương trình cơ bản cho đến những học sinh theo ban khoa học tự nhiên, phần kiến thức chương mạch dao động điện từ hay chương dòng điện xoay chiều Đại
đa số học sinh luôn băn khoăn và thường đặt câu hỏi cho giáo viên “ Tại sao tụ
điên không cho dòng một chiều đi qua mà lại cho dòng xoay chiều đi qua nó?”
- Có rất nhiều sách tham khảo, tài liệu trên mạng internet viết về chủ đề này nhưng thường ở dạng hệ thống bài tập một cách máy móc, sử dụng công
cụ toán học một cách cồng kềnh Không giúp học sinh hiểu rõ bản chất vật lý của vấn đề
- Để có cách nhìn tổng quát, nắm rõ bản chất vật lý của vấn đề Giúp các
em học sinh giải đáp được những thắc mắc và vận dụng làm bài tập, giải các câu trong đề thi HSG, THPT QG
Vì những lí do trên Tôi mạnh dạn chọn đề tài và đưa ra giải pháp giải quyết
1.2 Mục đích nghiên cứu.
- Đối với học sinh: Giúp các em học sinh hiểu rõ bản chất vật lí về hoạt động của mạch dao động điện từ
- Đối với giáo viên: Làm tài liệu tham khảo hữu ích để việc giảng dạy trên lớp được tốt hơn
1.3 Đối tượng nghiên cứu: Học sinh lớp 12 và giáo viên bộ môn vật lí.
1.4 Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu lí luận về dạy học vật lí
- Lựa chọn các dạng bài tập có nội dung, kiến thức liên quan đến đề tài
1.5 Những điểm mới của SKKN.
- Các sáng kiến kinh nghiệm các tác giá khác cùng chủ đề của các năm trước
chưa làm rõ bản chất vật lí về sự hoạt động của dao động điện từ trong mạch
dao động
- Đề tài của Tôi xây dựng giúp các em giải quyết nhanh và chính xác các bài tập
liên quan đến vấn đề Đặc biệt là những bài tập định tính trong đề thi THPT
QG
2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm
2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm: Đề tài sang kiến của Tôi dựa
trên các kiến thức, định luật vật lí trong chương trình phổ thông:
Trang 4- Hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua một mạch kín biến thiên thì
trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng
- Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có
dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên cùa cường độ dòng điện trong mạch
- Định luật ôm cho các loại đoạn mạch
2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
- Trong quá trình dạy học sinh lớp 12, đặc biệt là những học sinh ôn thi THPT
Quốc gia, tôi nhận thấy khi các em làm bài tập định tính và định lượng phần này, có gì đó cảm thấy rất khó khăn đặc biệt là đối với những bài toán liên quan đến bản chất vật lí Dẫn đến việc giải thích hiện tượng không đúng và kết quả thường bị sai Làm cho các em giảm hứng thú đối với môn vật lý nói chung và ngại học môn này
- Trong kì thi THPT QG số lượng câu hỏi của chương này ít Tuy nhiên xu thế hỏi thường liên qua đến bản chất vật lí, nếu giáo viên không có phương pháp để làm học sinh hiểu rõ bản chất vấn đề thì khi làm bài gặp rất nhiều khó kkăn
2.3 Giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.
2.3.1 Dao động điện từ trong mạch LC
a Cấu tạo và công dụng:
- Cấu tạo: gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L và tụ điện có điện dung C
- Công dụng: là dụng cụ tạo ra dao động điện từ, để phát và thu song điện từ
b.Phân loại:
* Mạch dao động LC kín: Hai bản cực của tụ điện song song và đối nhau
Đặc điểm:
- Điện trường chỉ tập trung trong lòng tụ điện, từ trường chỉ tập trung trong lòng cuộn dây.Điện từ trường không truyền được ra xa, chỉ dùng để tạo ra dao động điện từ cao tần
- Năng lượng chỉ hao phí do tỏa nhiệt trên điện trở của dây nối và cuộn cảm
* Mạch dao động LC hở: Hai bản của tụ điện không song song song đối diện
nhau, mạch hở nhất có hai bản hướng về hai phía ngược nhau
Đặc điểm:
- Điện trường lan truyền ra ngoài tụ điện, từ trường lan truyền ra ngoài ống dây, điện từ trường lan truyền được ra xa trong không gian, dùng để phát và thu sóng điện từ
- Năng lượng bị hao phí do tỏa nhiệt trên điện trở thuần và do bức xạ ra không gian
2.3.2.Kích thích dao động cho mạch LC (cách làm cho mạch LC hoạt động)
a Cách một:Tích điện cho tụ trước bằng cách nối với
nguồn điện một chiều
+ Lúc đầu đóng khóa K vào chốt a, tụ được tích điện
đến điện thế cực đại Q =C.E=C.U 0 0
+ chuyển khóa K từ chốt a sang b, tụ phóng điện qua
cuộn cảm và mạch hoạt động
L C
E,r
K
Trang 5b Cách hai : Cung cấp dòng điện cho cuộn cảm
trước bằng cách nối với nguồn điện một chiều
+ Khi K đóng dòng điện qua cuộn cảm tăng từ 0
đến giá trị cực đại 0
E
I = R+r
+Khi K chuyển từ chốt a sang b trong mạch có
dao động điện từ
2.3.3.Hoạt động của mạch LC lí tưởng (Đây là phần trọng tâm của đề tài)
a Nghiên cứu hoạt động định tính của mạch LC sau khi được kích thích
bằng cách một
- Thời điểm t=0 tụ được tích điện cực đại Q =C.E=C.U 0 0.Tụ chưa phóng điện nên
chưa có dòng điện qua qua cuộn cảm hay i=0
- Tại các thời điểm 0 < t < T
4 Tụ phóng điện qua cuộn cảm, điện tích tức thời q của tụ giảm,cường độ dòng điện i trong mạch( qua cuộn cảm) tăng
-Tại thời điểm T
t =
4 Tụ phóng hết điện nên điện tích tức thời của tụ q=0, cường độ dòng điện qua cuộn cảm tăng lên đến giá trị cực
đại imax= I0
- Tại các thời điểm T< t <T
4 2 .Do hiện tượng tự cảm nên dòng điện giảm từ từ nhưng tiếp tục chạy từ bản
A sang bản B làm cho e chạy từ B sang A, vì vậy bản
B mang điện dương còn bản A mang điện âm
-Đến t =T
2 dòng điện qua cuộn cảm bằng không( i=0), bản A tích điện âm lớn
nhất, bản B tích điện dương, điện tích của tụ q=- Q 0 , điện tích của tụ cực đại
- Tại các thời điểm T< t < 3T
2 4 tụ phóng điện qua cuộn cảm từ B sang A,điện tích q của tụ giảm,cường độ dòng điện qua cuộn cảm i tăng
-Đến thời điểm 3T
t =
4 , tụ phóng hết điện nên điện tích của tụ q=0, cường độ dòng điện qua cuộn cảm cực đại imax= I0
- Tại các thời điểm 3T < t < T
4 , do hiện tượng tự cảm nên dòng điện giảm từ từ nhưng tiếp tục chạy từ bản
B sang A làm cho e chạy từ A sang B, vì vậy A mang
điện + còn B mang điện âm
- Đến thời điểm t=T dòng điện qua cuộn cảm i=0, bản A tích điện +cực đại,
bản B tích điện âm, điện tích của tụ q=Q 0 , điện tích của tụ cực đại
C
K E,r
L
B A
L
A
B
Trang 6Kết luận: Khi mạch LC hoạt động, dao động điện từ trong mạch LC là dao động của điện tích q, của cường độ dòng điện i, của hiệu điện thế hai đầu tụ, của năng lượng điện trường, của năng lượng từ trường
b Hoạt động định lượng của mạch LC:
-Theo định luật ôm, suất điện động tự cảm et= uL+ i.r= uL( do r=0),
mặt khác et=-Li’=-Lq’’, uL=uC=C q suy ra q’’+ 1 q
KL: Điện tích trên tụ điện dao động điều hòa với tần số góc
LC
1
-Phương trình dao động của điện tích q:
qQ0 cos( t )
- Phương trình dao động của i:
i=q’ )
2 cos(
)
0
i Q t I t với I0=
Cường độ đòng điện trong mạch vuông pha với điện tích của tụ
( ) ( ) 2 1
0 2 0
Q
q I
i
- Phương trình dao động của hiệu điện thế hai bản tụ:
u= 0 cos( )
C
Q c
q
hay u U0cos( t )với
C
Q
0
2.3.4 Năng lượng của mạch dao động LC lí tưởng:
a Năng lượng điện trường chỉ có ở tụ: điện:
2
2
C
w = = cos (ωt+φ)=+cos(2ωt+2φ)t+φ)= + cos(2ωt+φ)=+cos(2ωt+2φ)t+2φ)
Nhận xét: Năng lượng điện trường biến thiên tuần hoàn với chu kì C mach
w
T
T =
2
và tần số f =2.f w C mach
b Năng lượng từ trường chỉ có ở cuộn dây:
L
w = Li = sin (ωt+φ)=+cos(2ωt+2φ)t+φ)= - cos(2ωt+φ)=+cos(2ωt+2φ)t+2φ)
Nhận xét: : Năng lượng tử tường biến thiên tuần hoàn với chu kì L mach
w
T
T =
tần số f =2.f w L mach
c Năng lượng điện từ của mạch:
2 0
C L
1
2
Q C
Trang 7d.Đồ thị năng lượng điện trường, năng lượng từ trường khi 0
Các kết luận rút ra từ đồ thị:
lượng điện trường bằng năng lượng từ trường.
- Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là T/4
- Từ thời điểm năng lượng điện trường cực đại hoặc năng lượng từ trường cực đại đến lúc năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là T/8
- Năng lượng điện từ có đồ thị là đường
4
Q C
2.3.5 Một số dạng toán áp dụng
Dạng 1 Tìm tần số dao động, chu kì dao động của mạch LC VD1: Mạch dao động lí tưởng gồm cuộn dây có độ tự cảm không đổi, tụ điện có
điện dung thay đỏi được Điều chỉnh điện dung của tụ C=C1 thì tần số dao động của mạch là f1, để tần số của mạch 5 f1thì phải điều chỉnh điện dung của tụ đến giá trị
A 5C1 B 5C1 C C1/5 D 25C1
VD2: Mạch dao động LC lúc t=0 điện tích của tụ cực đại sau khoảng thời gian
ngắn nhất tđiện tích trên tụ giảm còn một nửa chu kì dao động của mạch là
A 6t B 4t C 2t D 0,5t
VD3: Mạch LC lí tưởng, thời gian ngắn nhất để năng lượng điện trường giảm từ
giá trị cực đại xuống còn một nửa cực đại là 1,5.10-4s thời gian ngắn nhất để điện tích trên tụ giảm từ cực đại xuống còn một nửa giá trị cđ là
A 2.10-4s B 10-4s C 310-4s D 2,5.10-4s
VD4: Mạch dao động LC lí tưởng gồm L=50mH và tụ C trong mạch có dao
động điện từ với cường độ dòng điện i= 0,12cos(2000t) A Ở thời điểm cđdđ trong mạch = một nửa cưòng độ dòng điện hiệu dụng thì hđt giữa hai bản tụ có
độ lớn là
A 3 14 V; B 14V; C 5 14V; D 2 14
VD5: Mạch dao động lý tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm L không đổi
và có tụ điện có điện dung C thay đổi được Khi C C 1 thì tần số dao động riêng của mạch bằng 30 kHz và khi C C 2 thì tần số dao động riêng của mạch bằng 40 kHz Nếu C C 1 2
C
thì tần số dao động riêng của mạch bằng
8
T
W
O
8
2T
8
3T
8
4T
8
5T
8
6T
8
7T T
2
0
1
2
Q
C
2
0
1
4
Q
C
Trang 850 kHz B 24 kHz C 70 kHz D 10 kHz.
VD6: Một mạch dao động điện từ LC lí tưởng đang thực hiện dao động điện từ
tự do Điện tích cực đại trên một bản tụ là 2.10-6C, cường độ dòng điện cực đại trong mạch là 0,1A Chu kì dao động điện từ tự do trong mạch bằng
A 10 6 .
B 103
C 4.10 s 7 D 4.10 5s.
VD7: Xét hai mạch dao động điện từ lí tưởng Chu kì dao động riêng của mạch
thứ nhất là T1, của mạch thứ hai là T2 = 2T1 Ban đầu điện tích trên mỗi bản tụ điện có độ lớn cực đại Q0 Sau đó mỗi tụ điện phóng điện qua cuộn cảm của mạch Khi điện tích trên mỗi bản tụ của hai mạch đều có độ lớn bằng q (0 < q <
Q0) thì tỉ số độ lớn cường độ dòng điện trong mạch thứ nhất và độ lớn cường độ dòng điện trong mạch thứ hai là
A
2 B 4 C 12 D 41
VD8:M ạch LC l í tưởng đang dao đ ông gồm tụ điện có C=2F , cuộn dây thuần cảm có L=0,2mH, chọn t=0 lúc cường độ dòng điện có giá trị cực đại cường độ dòng điện tức thời có độ lớn bằng nửa cường độ dòng điện cực đại lần thứ 2012 tại thời điểm
A 0,063177s B 0,063156s C 0,053177s D 0,053156s
VD9: Trong mạch dao động LC lí tưởng, tại thời điểm t=0, điện tích trên tụ cực
đại, khoảng thời gian ngắn nhất kể từ thời điểm t=0, để năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là
A LC
2
B LC
4
C LC D 2 LC
VD10: Một mạch dao động LC lí tưởng lúc đầu tụ được tích điện cực Q0=10
-8C Thơì gian ngắn nhất để tụ phóng hết tích là 2s Cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch là
A 55,5mA B 5,55mA C 1,11mA D 22,2mA
Dạng2 Tìm điện tích của tụ, hiệu điện thế hai đầu tụ và cường độ dòng điện trong mạch VD1:Một mạch dao động lí tưởng gồm tụ C=10F và cuộn dây thuần cảm có L=0,1H Khi hiệu điện thế hai đầu tụ là 4V thì dòng điện trong mạch là 0,02A Hiệu điện thế cực đại trên bản tụ là
A 4V B 5V C 2 5V D 5 2V
VD2 Mạch dao động như hình vẽ, tụ điện có điện dung C=20F, cuộn dây có
độ tự cảm L=0,2H, Suất điện động của nguồn E= 5V và điện trở trong r=1 Ban đầu K ở chốt a, sau khi tụ đã tích đầy điện, chuyển khoá K sang chốt b Cường độ dòng điện trong mạch tại thời điểm điện tích trên tụ chỉ bằng một nửa giá trị điện tích của tụ khi khoá K còn ở chốt a là
A 43mA B 45mA C 20mA D 10mA
VD3: Một mạch dao động LC lí tưởng Ban đầu nối hai đầu cuộn cảm thuần với
nguồn điện có r = 2, suất điện động E Sau khi dòng điện qua mạch ổn định,
Trang 9C C
K
người ta ngắt cuộn dây với nguồn và nối nó với tụ điện thành mạch kín thì điện
tích cực đại của tụ là 4.10-6 C Biết khoảng thời gian ngắn nhất kể từ khi năng lượng từ trường đạt giá trị cực đại đến khi năng lượng trên tụ bằng 3 lần năng
lượng trên cuộn cảm là 10 6
6
(s) Giá trị của suất điện động E bằng
A 2V B 6V C 8V D 4V
Giải: Cường độ dòng điện cực đại qua mạch 0
ξ
I = r
Năng lượng ban đầu của mạch: W0 = LI20
2 = Q20
2C
Khi năng lượng của tụ wC = 3wl q2
2C
2
Q
C q =
2
3 Q0
Thời gian điện tích giảm từ Q0 đến
2
3 Q0 là t= T
12 T = 2.10-6 (s)
T = 2 LC = 2.10-6 (s) -> LC = 10-6
2
2 0
LI
= Q20
2C I0 = Q 0
10
10 4
= 4 (A)
E = I 0 r = 8 (V)
VD4: Mạch dao động như hình vẽ, tụ điện có điện dung
C, cuộn dây thuần cảm L, Suất điện động của nguồn
E= 1,2V và điện trở trong r=2 Ban đầu K ở chốt a,
sau đó chuyển khoá K sang chốt b Cường độ dòng
điện trong mạch tại thời điểm điện tích trên tụ chỉ bằng
một nửa giá trị điện tích cực của tụ là
A 0,3 3A B 0,6 3A C 0,2 3A D 0,4 3A
VD5 Mạch dao đ ộng li tưởng có L= 0,2H, tụ điện có C=5F , Thời điểm ban đầu tụ tích điện cực đại Thời gian ngắn nhất kể từ lúc t=0 đến lúc WL=3WC lần thứ 3 là
A s
750
B s
1000
C s
250
D
s
550
VD6 Cho mạch LC lí tưởng, bộ gồm hai tụ mắc nt C1=C2=C lúc đầu hiệu hiệu điện thế cực đại của bộ là U0 Khi WC=WL thì người ta nối tắt tụ 2 Hiệu điện
thế cực đại của tụ C1 là
A 8 0
3
U B 5 0
3
U C 2 0
3
U D
3
0
U
VD7: Một mạch dao động gồm cuộn thuần cảm L và hai tụ C
giống nhau mắc nối tiếp, khóa K mắc ở hai đầu một tụ C (hình
vẽ) Mạch đang hoạt động thì ta đóng khóa K ngay tại thời
điểm năng lượng điện trường và năng lượng từ trường trong
mạch đang bằng nhau Năng lượng toàn phần của mạch sau đó
sẽ
C
L C
E,r
K
Trang 10A giảm còn ¾ B giảm còn ¼
C không đổi D giảm còn ½
VD8 Mạch dao động điện từ gồm L=6mH Bộ tụ gồm 2 tụ C1 2 F và
F
C2 3 mắc nt Mạch đang hoạt động với năng lượng 2,4.10-6J Người ta đóng khoá K để nối tắt tụ C1 vào thời điểm dòng điện qua cuộn cảm đạt giá trị cực đại hiệu điện thế cực đại của mạch sau khi đóng khóa K là
A 2 0 , 4V B 2V; C 2,5V; D 0,5V
VD9 Mạch dao động điện từ gồm L=6mH Bộ tụ gồm 2 tụ C1 2 F và
F
C2 3 mắc nt Mạch đang hoạt động với năng lượng 2,4.10-6J Người ta đóng khoá K để nối tắt tụ C1 vào thời điểm dòng điện qua cuộn cảm có giá trị bằng nửa giá trị cực đại hiệu điện thế cực đại của mạch sau khi đóng khóa K là
A 0,94V B 3V C 1,5V; D 2V
VD10 Cho mạch như hình vẽ, L=2H , C1=C2=
2.10-10F Suất điên động của nguồn E=100V, Lúc
đầu, K1 ở chốt 1 sau đó chuyển K1 sang chốt 2
đồng thời đóng K2 Cường độ dòng điện
cực đại qua cuộn dây là
A A
2
1
B 2A
C 2 2A D 2A
Dạng 3 Viết phương trình điện tích, cường độ dòng điện trong mạch dao động VD1: Mạch LC gồm cuộn dây có L=1mH và tụ điện có điện dung C=0,1F
thực hiện dao động điện từ Khi i=6.10-3A thì điện tích trên tụ là q=8.10-8C lúc t=0 thì năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường và điện tích của tụ dương nhưng đang giảm Biểu thức điện tích trên tụ là
4 10 cos(
B.q t )C
4 10 cos(
C q t )C
4
3 10 cos(
D q t )C
4
3 10 cos(
VD2 Mạch LC gồm L=10-4H và C= 10nF.Lúc đầu tụ được nối với nguồn một chiều E=4V sau khi tụ tích điện cực đại, vào thời điểm t=0 nối tụ với cuộn cảm
và ngắt khỏi nguồn Biểu thức điện tích trên tụ là
A q 4 10 8 cos( 10 6t)C
B q 4 10 8 cos( 10 6t / 2 )C
C q 4 108 cos( 10 6t / 2 )C D q 4 108 cos( 10 6t / 4 )C
VD3 Mạch LC lí tưởng gồm tụ C và cuộn cảm L đang hoạt động Thời gian
ngắn nhất để năng lượng điện truờng giảm từ giá trị cực đại xuống còn nửa giá trị cực đại là 0,5.10-4s Chọn t=0 lúc năng lượng điện trường bằng 3 lần năng lượng từ trường Biểu thức điện tích trên tụ điện là
A q Q t )C
6 5000 cos(
0
B q Q t )C
3 5000 cos(
0
C q Q t )C
3 5000 cos(
0
D q Q t )C
4 5000 cos(
0
E,r
K 1
K 2