PHÁT HIỆN và KHẮC PHỤC sự NHẦM lẫn của học SINH KHI GIẢI bài tập CHƯƠNG “DÒNG điện XOAY CHIỂU’ vật lí 12 NÂNG CAO

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRIỆU SƠN 4 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHÁT HIỆN VÀ KHẮC PHỤC SỰ NHẦM LẪN CỦA HỌC SINH KHI GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỂ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRIỆU SƠN 4

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHÁT HIỆN VÀ KHẮC PHỤC SỰ NHẦM LẪN CỦA HỌC SINH KHI GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỂU’

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 32.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 42.3 Những nhầm lẫn thường gặp của học sinh khi giải bài tập dòng điện

2.3.1.Các dạng bài tập học sinh thường nhầm lẫn 42.3.1.1Nhầm lẫn khi viết biểu thức hiệu điện thế, dòng điện tức thời 42.3.1.2.Nhầm lẫn khi tính các đại lượng điện R, L, C 62.3.1.3 Nhầm lẫn khi giải bài toán điện cực trị 92.3.1.4 Nhầm lẫn khi xác định phần tử điện chứa trong hộp đen 112.3.1.5.Sai lầm khi giải bài tập về máy phát điện 142.3.1.6.Sai lầm khi giải bài tập về động cơ điện 142.3.1.7 Sai lầm khi giải bài tập về máy biến thế, truyền tải điện 152.3.2 Phân tích các nguyên nhân dẫn đến nhầm lẫn của học sinh khi giảibài tập chương “ Dòng điện xoay chiều ” 152.3.3 Những biện pháp dạy học nhằm phát hiện và khắc phục các nhầm lẫncho học sinh khi giải BT chương “ Dòng điện xoay chiều’’ 172.3.4 Các biện pháp dạy học nhằm khắc phục nhầm lẫn của HS khi giải

BT chương ‘‘Dòng điện xoay chiều’’

2.3.5 Kết quả thực nghiệm sư phạm

17

172.3.5.1.Chọn mẫu thực nghiệm 17

Những thuật ngữ viết tắt trong đề tài:

1 KHTN Khoa học tự nhiên 6 ĐH- CĐ Đại học – Cao đẳng

2 THPT Trung học phổ thông 7 VD Ví dụ

5 GV Giáo viên

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Sau nhiều năm dạy học sinh lớp 12 ban KHTN ôn thi THPT quốc gia xét

tuyển ĐH - CĐ, tôi nhận thấy khi làm bài tập chương “ Dòng điện xoay chiều”

học sinh hay mắc phải những nhầm lẫn không đáng có trong quá trình tư duy ,đặc biệt khi giải các bài tập trắc nghiệm Nếu không chú ý đúng mức việc pháthiện và sữa chữa những nhầm lẫn cho học sinh thì trong quá trình học tập HS sẽlàm giảm chất lượng dạy học vật lí, kết quả thi sẽ không cao Hiện nay, với hìnhthức thi trắc nghiệm học sinh giải bài tập vật lí theo kiểu “giải toán”, tức là chỉtìm ra đáp số mà chưa làm sáng tỏ bản chất vật lí Bên cạnh đó, việc sử dụngmáy tính cầm tay của HS phát triển rất nhanh nên mọi tính toán của HS đều dựavào máy tính, kể cả những phép tính đơn giản nhất Khả năng trình bày của HS

đã bị “công thức hoá”, đồng nghĩa với việc giải BT vật lí của các em trở thành

“lập hàm, thay số bằng máy tính” cho nên nhầm lẫn của HS khi giải bài tập sẽcàng bộc lộ nhiều hơn, đa dạng hơn

Với những lí do cơ bản nêu trên, tôi chọn đề tài:” Phát hiện và khắc phục

sự nhầm lẫn của học sinh khi giải bài tập chương“ Dòng điện xoay chiều ”

- Vật lí 12 nâng cao “.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất các biện pháp phát hiện và sửa chữa những nhầmlẫncủa học sinh khi giải bài tập chương ‘‘Dòng điện xoay chiều” nhằm góp phầnnâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường THPT

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu các nhầm lẫn phổ biến của học sinh lớp 12 khi giải bài tập chươngdòng điện xoay chiều và phân tích các nguyên nhân dẫn đến các nhầm lẫn đó

- Đề xuất các biện pháp, thủ thuật để sửa chữa các nhầm lẫn trên

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

- Nghiên cứu các tài liệu, sách giáo khoa có liên quan đến đề tài

- Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại lớp 12A1trường THPT Triệu sơn 4 nămhọc 2017-2018 để xem xét tính khả thi và hiệu quả của đề tài

- Thống kê và xử lí số liệu

2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm.

Trong quá trình tiếp thu kiến thức, vận dụng kiến thức đã học vào giải cácbài tập cụ thể, nhiều học sinh thường gặp phải một số nhầm lẫn, hoặc có nhữngquan niệm sai lầm, nhưng nó được áp dụng vào bài một cách “hợp lí” trong tưduy loic của học sinh Do vậy, GV cần tổ chức thảo luận, trao đổi với HS để bổsung những phần còn thiếu, điều chỉnh những chỗ chưa chính xác, chưa hợp lí

về cách trình bày, cách tư duy logic nhằm đi đến kiến thức khoa học cần nhậnthức, nếu không có những biện pháp, thủ thuật, kỹ năng sư phạm hợp lí để khắcphục chúng thì những kiến thức mà HS tiếp thu được sẽ trở nên méo mó, sailệch với bản chất vật lí

3

nhầm lẫn thường gặp của HS khi giải bài tập chương “ Dòng điện xoay chiều ”.

Ở mỗi sự nhầm lẫn ngoài ví dụ về một hoặc nhiều lời giải sai còn phân tíchnguyên nhân nhầm lẫn của từng lời giải

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm:

Trong quá trình giảng dạy chương “ Dòng điện xoay chiều” ở các lớp12D1, 12D2 ban KHTN năm học 2016-2017 của Trường THPT Triệu Sơn 4,tôinhận thấy:

- Về lí thuyết: Đa số học sinh nắm vững kiến thức cơ bản

- Về kĩ năng giải bài tập: Nhiều học sinh vẫn còn mắc một số nhầm lẫn trongquá trình tư duy, quá trình tính toán …

Hiện tượng này xảy ra nhiều hơn trong quá làm bài thi trắc nghiệm khách quan

2.3.Những nhầm lẫnthường gặp của học sinh khi giải bài tập chương “Dòng điện xoay chiều”

2.3.1 Các dạng bài tập học sinh thường nhầm lẫn.

2.3.1.1 Nhầm lẫnkhi viết biểu thức hiệu điện thế, dòng điện tức thời VD1:Cho mạch điện như hình1

UAN = 75√2V; UMB = 100√2V;

UAN và UMB vuông pha với nhau;

dòng điện tức thời i = I0cos100πt (A) t (A)

Cuộn dây thuần cảm Hãy viết biểu thức uAB?

Lời giải sai của HS:

- Ta có⃗U AB=⃗U AN+⃗U MB do ⃗U ANvuông pha với ⃗U MBv nên

U

rad s U

     Vậy u AB=250 cos(100 πtt +0.664) V

Nhầm lẫn của HS trong lời giải trên là nhầm lẫn U AN là U AM dẫn đếnsai khi tínhtan

; Vậy u AB=139cos (100 πtt+0,53)V

VD2: Một đoạn mạch điện xoay chiều gồm: R = 100 Ω ; cuộn dây thuần cảm

L =

1

πt H; tụ diện có điện dung C = 15,9 μ F HĐT xoay chiều đặt vào hai đầuđoạn mạch là u = 200cos(100 πt t ) (V) Chọn biểu thức cường độ dòng điệnứng với đoạn mạch trong số các biểu thức sau đây:

Lời giải sai của HS:

Chọn A: đã nhầm khi xác định độ lệch pha giữa u và i

Chọn B: đã nhầm khi tính tổng trở dẫn đến sai khi tính cường độ dòng điện cực đại.Chọn D: nhầm khi tính tổng trở dẫn đến sai khi tính cường độ dòng điện cực đại

Cường độ dòng điện trong mạch có dạng i = √2cos(100t) (A )

Hãy tính hệ số công suất và viết biểu thức hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm?

Lời giải sai của HS:

Cảm kháng: ZL = L = 100 Ω; Dung kháng:

1 200

C Z C



  ΩTổng trở: Z  (R r )2(Z L Z C)2 100 2( )Ω

Hệ số công suất: cos 0.56

R Z

và công thức tính HĐT ở hai đầu cuộn cảm khi có thêm điện trở thuần của nó Do

đó, tính sai góc lệch pha giữa dòng điện và HĐT ở hai đầu cuộn dây

Lời giải đúng:

Cảm kháng: ZL = L = 100 Ω

5

C L,r

R Hình 3 A

Dung kháng:

1 200

C Z

   

HĐT hai đầu cuộn dây: uNB = U0 NBcos( 100t +φ)

Với φlà góc lệch pha giữa hiệu điện ở hai đầu cuộn dây so với dòng điện

tan Z L 5 1,373( )

rad R

    

Vậy uNB = 200cos( 100t +1,373 ) (V)

2.3.1.2 Nhầm lẫn khi tính các đại lượng điện R, L, C.

VD1: Cho mạch điện như hình 3.Tụ có điện dung thay đổi Hiệu điện thế hai

đầu mạch điện là uAB = 160cos(100t) (V) Điều chỉnh cho công suất của mạchcực đại bằng 80√2W, khi đó

Nhầm lẫn ở lời giải trên là học sinh đã bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây

là r (do đọc sót đề hoặc chủ quan vì bài toán khá quen thuộc ) dẫn đến tính toán sai

Lời giải sai của HS2:

Để có công suất cực đại khi C thay đổi thì phải xảy ra hiện tượng cộnghưởng

Lúc đó PMax = U.IMax =>I max=P max

=> L = 0,311 (H), C = 3,25.10-5 (F ).

Nhầm lẫn của HS2 là đã nhầm HĐT hiệu dụng với HĐT cực đại (đây làmột sai lầm mà các học sinh thường mắc phải )

Lời giải đúng:

Công suất của mạch P = U.I.cos = I2 Rt với Rt = R + r

Công suất đạt được giá trị cực đại khi I đạt cực đại và lúc đó xảy ra hiện tượngcộng hưởng I max=P max

2

7 (1)

- Khi K mở ta có:

' ' U U

Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được: 13ZL2 - 560ZL+ 5600 = 0

Giải ra ta được hai giá trị: ZL= 27,3 Ω và ZL = 15,7Ω

Vậy R = 14,5Ω và ZL = 27,3Ω; hoặc R = 8,4Ω và ZL = 15,7Ω

Nhầm lẫn của HSlà đã quên mất điện trở thuần của cuộndây, khi tính tổngtrở đoạn AM ( khi K đóng ) và bỏ qua dung kháng ZC ( khi K mở ) dẫn đến các

7

A B

M L K

Hình 5

kết quả tính toán đều không phù hợp Ngoài racòn có những cách giải khác

nhưng cũng gặp HS bị sai lầm tương tự

R R Z U 

 7R2 = 4Rr + 2r2 + 2ZL2 ( 1)

Tương tự ta có

2 2

1

2

2 5

L

U R

Thay ZC = 20Ω và (4) vào (5) ta được: 13r2 - 120r - 100 = 0

 r = 10Ω ( loại nghiệm âm )

 R = 2Ω và ZL = 30Ω

VD3: Cho mạch điện như hình 5

Cuộn dây thuần cảm có L = 0,4πt (H) Đặt vào

hai đầu A,B một HĐT u = U0 cost

- Khi khoá K đóng thì thấy tại hai thời

điểm t1 và t2 HĐT và dòng điện tức thời có giá

trị u1 = 100 √ 3 V; i1 = 2,5A và u2 = 100V; i2 = 2,5 √ 3 A

- Khi K mở thì cường độ hiệu dụng không đổi và UAM = 100 √ 2 V

Hãy tính U0, C, R và  ?

Lời giải sai của HS:

* Khi K đóng, tại thời điểm t1 và t2 ta có phương trình HĐT và dòng điện là:

Lời giải sai của HS:

Công suất cực đại Pmax⇔ymin Theo bất đẳng thức Cauchy ta có:

y  R Z  Z

Vậy Rx=| ZL− ZC|− r=50Ω thì P trên R

x đạt cực đại Nhầm lẫn ở đây chính là nhầm lẫn giữa công suất trên Rx và trên toànmạch

Theo bất đẳng thức Cauchy thì : Pmax⇔ ymin⇔ R= √ ( ZL− ZC)2+ r2=50 √ 5Ω .

VD2 : Cho mạch điện gồm cuộn dây có điện trở thuần R = 50Ω và có độ tự cảm

L thay đổi, nối tiếp tụ điện có điện dung C =

vậy khi L = 0,318(H ) thì U Lmax=200 V

Nhầm lẫn của HS trong lời giải trên là đã nhầm HĐT giữa hai đầu cuộndây là UL (đã bỏ qua trở thuần trong cuộn cảm)

Lời giải đúng :

Dung kháng: ZC = (C )-1 = 50 Ω

yMin

y/ - 0 +y

L (H) 0 0,258

Tổng trở: Z  R2(Z L Z C)2 và

U I Z

VD3: Cho mạch điện không phân nhánh, gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm

L =2/(H) Tụ có điện dung C = 31,8F Điện trở R = 100Ω Đặt điện áp

U = 200√2V, có tần số thay đổi vào hai đầu đoạn mạch Hãy tìm giá trị tần số f

để HĐT ở hai cuộn cảm đạt giá trị cực đại và tính giá trị cực đại đó ?

Lời giải sai của HS:

2.3.1.4.Nhầm lẫnkhi xác định phần tử điện chứa trong hộp đen.

VD1: Cho mạch điện như hình 7 HĐT uMN = 200cos(100t ) (V).Cường

độ dòng điện nhanh pha hơn HĐT hai đầu đoạn mạch X là hộp kín chứa cuộnthuần cảm hoặc tụ điện R là biến trở

Điều chỉnh R thấy công của mạch cực

đại khi I =1 (A) Xác định phần tử điện

trong X và giá trị của nó ?

Lời giải sai của HS1 :

Vì trong X chỉ chứa L hoặc C mà dòng điện nhanh pha hơn HĐT nên

=U2y

Lời giải sai của HS2 :

Vì trong X chỉ chứa L hoặc C mà dòng điện nhanh pha hơn HĐT nên mạchmang tính dung kháng Vậy X là tụ điện

Nhầm lẫn của các HS trong các lời giải trên:

HS1: Nhầm ở chỗ i nhanh pha hơn u thì φui> 0, nhưng thực tế φui< 0

=U2y

C= 1

πt 10

−4F

VD2: Cho mạch điện như 8.

Cuộn dây thuần cảm có L0 = 0,955 (H)

Tụ điện có điện dung C = 6,37.10-4 (F)

X là hộp kín chứa hai trong ba phần

tử điện (R, C, Cuộn thuần cảm L)

Ampe kế có điện trở không đáng kể

Đặt điện áp xoay chiều có U = 200√2V và tần số 50Hz vào hai đầu đoạn mạch

QB Ampe kế chỉ 0.8√2A, hệ số công suất của mạch là 0,6

Hãy xác định các phần tử chứa trong X và giá trị của chúng ?

Lời giải sai của HS1:

Vậy hộp kín X chứa R = 150Ω nối tiếp cuộn thuần cảm L = 0,7H

Lời giải sai của HS2:

Vậy hộp kín X chứa R = 150Ω nối tiếp tụ điện, có điện dung C = 1,77.10-5F

Sai lầm của hai HS trên là đã suy luận không có căn cứ (dựa vào hệ sốcông suất chưa thể kết luận ZL> ZC được) dẫn đến bỏ sót nghiệm bài toán

Lời giải đúng:

Tổng trở của mạch là: : Z= U

I =250 Ω

13

Vậy hộp kín X chứa R = 150Ω nối tiếp tụ điện có điện dung C = 1,77.10-5F.

2.3.1.5.Sai lầm khi giải bài tập về máy phát điện.

Phần này học sinh giải sai khá nhiều, do phân phối tiết bài tập ít và HSchưa nắm vững kiến thức Sau đây là một số ví dụ đơn giản

VD1: Máy phát điện xoay chiều một pha có f = 50Hz, phần ứng gồm bốn cuộn

dây giống hệt nhau mắc nối tiếp Hãy tính số vòng mỗi cuộn dây, biết từ thôngcực đại qua mỗi vòng là 10-2 Wb và suất điện động hiệu dụng mà máy tạo ra là 240V

Lời giải sai của HS

Từ thông: Φ=BS cos(ωt ); Φmax=BS ;

Suất điện động trên một vòng dây: e=BS ω sin(ωt ) .

Suất điện động hiệu dụng của máy: E=NBS ω/ √ 2 .

VD2: Hai máy phát xoay chiều một pha : máy thứ nhất có 3 cặp cực, rôto quay

với vận tốc 1600 vòng / phút Máy 2 có 6 cặp cực Để tần số do hai máy phát ranhư nhau thì rôto của máy thứ 2 quay với tốc độ là

A 800 vòng/ phút B 400 vòng/ phút

C 3200 vòng/ phút D.1600 vòng/ phút

Lựa chọn sai của HS :

2.3.1.6 Sai lầm khi giải bài tập về động cơ điện.

VD1 : Một động cơ không đồng bộ ba pha có hiệu điện thế định mức mỗi pha là

220V Biết công suất của động cơ 10,56KW và hệ số công suất bằng 0,8 Cường

độ dòng điện hiệu dụng qua mỗi cuộn dây của động cơ là

A 2A B 6A C 20A D 60A

Lựa chọn sai của HS:

Chọn A: HS đã đổi sai đơn vị

2 : Động cơ điện xoay chiều một pha mắc vào mạng xoay chiều một pha có

U = 220V Động cơ tiêu thụ công suất P = 3300√2W Biết dòng điện qua động

cơ là I = 20√2A và điện trở thuần của động cơ R = √2 Ω

Hãy tính hệ số công suất và công suất có ích của động cơ ?

Lời giải sai của HS:

Công suất: P = U.I.Cos  Cos = P/( U.I ) = 0,75

Công suất toả nhiệt của động cơ là: PN = R.I2 = 800√2 W

Công suất có ích của động cơ: P0 = P + PN = 4100√2 W

Sai lầm của lời giải trên là do học sinh nhầm lẫn công suất có ích với côngsuất toàn phần Thực tế thì P0 = P – PN

Lời giải đúng:

Công suất: P = U.I.Cos => Cos =

P

UI = 0,75

Công suất toả nhiệt của động cơ là: PN = R.I2 = 800√2 W

Công suất có ích của động cơ : P0 = P - PN = 2500√2 W

2.3.1.7 Sai lầm khi giải bài tập về máy biến thế, truyền tải điện.

VD1 : Một máy biến thế một pha có số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp lần

lượt là 1000 vòng và 50 vòng HĐT và cường độ hiệu dụng ở mạch sơ cấp là120V- 0,8A Bỏ qua mất mát điện năng thì hiệu điện thế hiệu dụng và công suất

Chọn C: HS đã nhầm cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là cường độ hiệu dụng

U2 = 6V; công suất thứ cấp bằng công suất sơ cấp P = U1.I1 = 96W )

VD2: Máy phát điện xoay chiều một pha cung cấp công suất P1 = 2MW HĐTgiữa hai cực là U1 = 2000V Dòng điện đưa vào cuộn sơ cấp máy biến thế cóhiệu suất 97,5% Cuộn sơ cấp và thứ cấp có số vòng tương ứng là N1 = 240 vòng

và N2 =1800 vòng Dòng điện thứ cấp được truyền đến nơi tiêu thụ bằng dây dẫn

có điện trở 10Ω Hãy tính HĐT, công suất nơi tiêu thụ và hiệu suất truyền tảiđiện ?

Lời giải sai của HS :

Cường độ dòng điện do máy cung cấp là : I=

Độ giảm thế trên đường dây:U = I2.R = 137.10 = 1370 V

HĐT đến nơi tiêu thụ: U3 = U2 - U = 13630 V

Công suất đến nơi tiêu thụ: P3 = U3.I2 = 1867310 W

Vậy hiệu suất truyền tải điện: HTT = P3/ P1 = 0,934 = 93,4%

Sai lầm của HS trong lời giải trên là nhầm lẫn biểu thức tính hiệu suất củamáy biến thế (đáng ra thì I2 = P1.H/ U2 ) Dẫn đến tính sai dòng trong cuộn thứcấp, tính sai độ sụt thế, tính sai công suất chuyển đến nơi tiêu thụ và tính sai cảhiệu suất truyền tải

Độ giảm thế trên đường dây : U = I2.R = 130.10 = 1300 V

HĐT đến nơi tiêu thụ: U3 = U2 - U = 13700 V

Công suất đến nơi tiêu thụ: P3 = U3.I2 = 1781000 W

Hiệu suất truyền tải điện: HTT = P3/ P1 = 0,89 = 89%

Bài tập vận dụng có đáp số ( phần phụ lục)

2.3.2.Phân tích các nguyên nhân dẫn đến nhầm lẫn của học sinh khi giải bài tập chương “ Dòng điện xoay chiều ”.