Hướng dẫn học sinh khá, giỏi phương pháp giải các bài toán nâng cao về truyền tải điện năng đi xa

Nhóm các bài toán về truyền tải điện năng đi xa là một trong những nhóm bài tập phức tạp và khó nhất trong chương bởi lẽ nhiều bài tập không theo một quy luật chung nào cả, học sinh thườ

I MỞ ĐẦU:

1.1 Lý do chọn đề tài:

Vật lí là một môn học khó và trừu tượng, cơ sở của nó là toán học Bài tập vật

lí rất đa dạng và phong phú Trong phân phối chương trình số tiết bài tâp lại hơi ít

so với nhu cầu cần củng cố và nâng cao kiến thức cho học sinh Chính vì thế, người giáo viên phải làm thế nào để tìm ra phương pháp tốt nhất nhằm tạo cho học sinh niềm say mê yêu thích môn học này Giúp học sinh việc phân loại các dạng bài tập

và hướng dẫn cách giải là rất cần thiết Việc làm này rất có lợi cho học sinh trong thời gian ngắn đã nắm được các dạng bài tập, nắm được phương pháp giải và từ đó

có thể phát triển hướng tìm tòi lời giải mới cho các dạng bài tương tự

Trong yêu cầu về đổi mới giáo dục về việc đánh giá học sinh bằng phương pháp trắc nghiệm khách quan thì khi nắm được dạng bài và phương pháp giải sẽ giúp cho học sinh nhanh chóng trả được bài

Trong chương trình Vật lí lớp 12, chương “Dòng điện xoay chiều” có nhiều dạng bài tập phức tạp và khó Nhóm các bài toán về truyền tải điện năng đi xa là một trong những nhóm bài tập phức tạp và khó nhất trong chương (bởi lẽ nhiều bài tập không theo một quy luật chung nào cả), học sinh thường rất lúng túng khi gặp câu trắc nghiệm phần này, phần lớn là các em bỏ qua câu này hoặc chọn bừa đáp

án Có nhiều em thường rất sợ khi đề thi có câu trắc nghiệm của phần này

Qua quá trình nghiên cứu rất nhiều tài liệu từ nhiều tác giả, qua rất nhiều kênh thông tin (như: sách tham khảo, Internet ), tôi thấy rằng các tác giả chưa thực sự đi sâu vào tính tổng quát của loại bài toán này Cho đến nay chưa có một tác giả nào phân ra từng dạng và tìm ra quy luật giải cho mỗi dạng toán của phần này, thường đưa ra cách giải phức tạp và không có tính tổng quát gây hoang mang cho học sinh

Xuất phát từ thực trạng trên tôi mạnh dạn đề xuất đề tài “Hướng dẫn học sinh khá, giỏi phương pháp giải các bài toán nâng cao về truyền tải điện năng

đi xa” nhằm góp ích vào nâng cao hiệu quả giảng dạy cho môn học.

1.2 Mục đích nghiên cứu:

1.2.1 Đối với giáo viên.

Nhằm xây dựng một chuyên đề sâu, chi tiết có thể làm tài liệu tham khảo cho các đồng nghiệp ôn thi THPT Quốc Gia

1.2.2 Đối với học sinh.

Đề tài nhằm giúp học sinh khá, giỏi khắc sâu những kiến thức lí thuyết, có một hệ thống bài tập và phương pháp giải chúng, giúp các em có thể nắm được cách giải và từ đó chủ động vận dụng các phương pháp này trong khi làm bài tập có liên quan Từ đó học sinh có thêm kỹ năng về cách giải các bài tập Vật lí, có thể

nhanh chóng giải các bài toán trắc nghiệm về dòng điện xoay chiều phong phú và

đa dạng

1.3 Đối tượng nghiên cứu:

Tôi đã thực hiện dạy đề tài này trên lớp 12A3 trong năm học 2017 – 2018, so sánh với lớp 12A4 cùng đối tượng

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp sau :

- Nghiên cứu lí thuyết về dòng điện xoay chiều nói chung và đi sâu vào phần truyền tải điện năng nói riêng của chương trình vật lí lớp 12 từ đó xây dựng cơ sở lí thuyết cho loại bài tập này

- Phân tích và giải các bài tập phần truyền tải điện năng đi xa

- Sử dụng phương pháp hoạt động nhóm và động não khi dạy bài tập phần này cho học sinh

- Phương pháp khảo sát thực tế và thu thập thông tin

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM:

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm.

Đối với môn vật lí ở trường phổ thông, bài tập vật lí đóng một vai trò hết sức quan trọng, việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí là một hoạt động dạy học, một công việc khó khăn, ở đó bộc lộ rõ nhất trình độ của người giáo viên vật lí trong việc hướng dẫn hoạt động trí tuệ của học sinh, vì thế đòi hỏi người giáo viên

và cả học sinh phải học tập và lao động không ngừng Bài tập vật lí sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn những qui luật vật lí, những hiện tượng vật lí Thông qua các bài tập ở các dạng khác nhau tạo điều kiện cho học sinh vận dụng linh hoạt những kiến thức để tự lực giải quyết thành công những tình huống cụ thể khác nhau thì những kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn riêng của học sinh Trong quá trình giải quyết các vấn đề, tình huống cụ thể do bài tập đề ra học sinh phải vận dụng các thao tác tư duy như so sánh, phân tích, tổng hợp khái quát hoá để giải quyết vấn đề, từ đó sẽ giúp phát triển tư duy và sáng tạo, óc tưởng tượng, tính độc lập trong suy nghĩ, suy luận Nên bài tập Vật lí gây hứng thú học tập cho học sinh

Đối với phần kiến thức về “truyền tải điện năng đi xa” tôi thấy việc phân dạng, chỉ rõ điểm mấu chốt của vấn đề sẽ giúp học sinh, đặc biệt là học sinh giỏi không chỉ nắm vững kiến thức phần đã học mà còn có thể vận dụng sáng tạo vào giải quyết tốt các bài toán tương tự

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

2.2.1 Thuận lợi

Trong quá trình giảng dạy, khi tìm hiểu tâm tư nguyện vọng của một số học

sinh lớp 12 tôi được biết có rất nhiều học sinh thích học môn vật lí, nhiều học sinh

có nguyện vọng thi vào đại học khối A và khối A1

2.2.2 Khó khăn:

Là một giáo viên khi dạy bài tập phần truyền tải điện năng đi xa, tôi thấy sách giáo khoa chỉ đề cập đến những vấn đề hết sức cơ bản về truyền tải điện năng đi xa (Như: Tìm công suất hao phí trên đường dây truyền tải, hiệu suất truyền tải điện năng đi xa) với số lượng bài tập không nhiều và còn đơn giản trong khi đó các bài tập phần này rất đa dạng và thường xuất hiện nhiều trong các đề thi THPT Quốc Gia, đề thi thử THPT Quốc Gia của các trường trên cả nước Khi gặp các bài toán thuộc dạng nâng cao về truyền tải điện năng đi xa thì học sinh thường lúng túng không biết cách giải hoặc phải mất rất nhiều thời gian cho một bài, trong khi thời gian dành cho mỗi câu trong các đề thi trắc nghiệm lại rất ngắn Thực tế phần bài tập truyền tải điện năng đi xa dành cho đối tượng học sinh giỏi thì có rất ít các tài liệu hướng dẫn một cách hệ thống, do vậy trong qúa trình giảng dạy việc tổng hợp kiến thức, phân chia dạng toán, hướng dẫn cụ thể là việc làm vô cùng quan trọng của mỗi người giáo viên; bởi có làm như vậy mới giúp học sinh hiểu rõ bản chất của vấn đề và vận dụng làm bài tập một cách có hiệu quả

Qua thực tế giảng dạy tôi nhận thấy rằng đa số học sinh khi học đến phần truyền tải điện năng đi xa thì tỏ ra không mấy hứng thú, nhiều em thì thiếu tự tin vào bản thân mình khi tham gia phát biểu ý kiến xây dựng bài Khi làm các đề kiểm tra chất lượng ôn thi cho kì thi Quốc Gia thì các em thường bỏ qua các câu hỏi của phần này, hoặc là đánh bừa đáp án Từ đó dẫn đến kết quả của việc dạy và học của phần này là không cao Bằng một khảo sát nhỏ tôi đã thu thập được ý kiến đánh giá của các em về phần này như sau:

Ý kiến

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.

Từ thực tế như trên tôi đã đề ra một số biện pháp khắc phục như sau:

2.3.1 Các yêu cầu chung:

Trước khi giảng dạy phần bài tập nâng cao về truyền tải điện năng đi xa, tôi

đã yêu cầu học sinh phải nắm chắc các kiến thức của các dạng bài tập cơ bản về dòng điện xoay chiều, máy biến áp và truyền tải điện năng, bao gồm:

- Xác định hệ số của máy biến áp, số vòng dây của các cuộn dây của máy biến áp, điện áp hiệu dụng ở hai đầu của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

- Xác định công suất hao phí trên đường dây truyền tải

- Xác định độ sụt áp trên đường dây truyền tải

- Xác định độ chênh lệch về số chỉ của công tơ điện ở trạm phát điện và nơi tiêu thụ

- Các bài tập đơn giản về hiệu suất truyền tải điện năng đi xa.

Mặt khác tôi đã tiến hành nghiên cứu, phân loại các dạng bài tập về truyền tải điện năng đi xa, thiết lập một số công thức tổng quát; đồng thời cũng yêu cầu học sinh thiết lập các công thức hệ quả cho từng loại bài toán qua đó học sinh sẽ nắm vững bản chất của từng loại bài toán

2.3.2 Biện pháp phân loại bài tập và thiết lập công thức tổng quát theo từng dạng.

Để học sinh nắm vững được phần kiến thức cần tiếp nhận tôi đã thực hiện

theo quy trình như sau:

Bước 1: Hệ thống lại các kiến thức cơ bản của phần dòng điện xoay chiều,

máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Bước 2: Ôn lại một số kiến thức liên quan mà các em đã được học trong

chương trình vật lí lớp 11

Bước 3: Phân loại các dạng bài tập về truyền tải điện năng đi xa (nêu rõ kiến

thức trọng tâm của mỗi dạng toán) Đối với bài truyền tải điện năng đi xa, tôi phân

ra làm hai mảng bài tập (mảng bài tập cơ bản và mảng bài tập nâng cao), với mỗi mảng bài tập đó tôi lại phân ra theo dạng bài tập

Bước 4: Hướng dẫn học sinh làm một số bài tập ví dụ cụ thể về mỗi dạng

toán

Bước 5: Sau mỗi dạng toán rút ra những lưu ý cho học sinh cần ghi nhớ

những chỗ mà học sinh thường hay mắc phải nhầm lẫn

Bước 6: Đưa ra các bài toán để học sinh tự rèn luyện thêm nhằm nâng cao kĩ

năng giải toán

a Kiến thức cơ bản về dòng điện xoay chiều

a.1 Công suất, hệ số công suất  4 .

- Công suất : P UIc  os

- Hệ số công suất: cos R

Z

 

a.2 Máy biến áp  4 .

- Công dụng, cấu tạo và kí hiệu của máy biến áp.

+ Công dụng của máy biến áp: làm biến đổi điện áp xoay chiều.

+ Cấu tạo của máy biến áp (như hình vẽ 1): Gồm hai bộ phận chính là lõi biến áp và hai cuộn dây dẫn có điện trở nhỏ và độ tự cảm lớn Cuộn sơ cấp có N1

vòng được nối vào nguồn phát điện, cuộn thứ cấp có N2 vòng được nối với tải tiêu thụ điện năng

U

1

U2

N2

N1

Hình 1 Lõi biến áp

+ Kí hiệu của máy biến áp trên các sơ đồ mạch điện

(Như hình vẽ 2)

- Công thức của máy biến áp: 2 2

N U

Trong đó:

1

N và N2 lần lượt là số vòng dây của cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp

1

U và U2 lần lượt là điện áp hiệu dụng ở hai đầu của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

a.3 Truyền tải điện năng  4 .

- Cơ chế truyền tải điện năng đi xa

Gọi U là điện áp ở hai đầu nguồn; P là điện áp cần truyền tải; R là điện trở của dây

tải điện thì cường độ hiệu dụng của dòng điện trong dây tải điện là

os

P

I

Uc 



Công suất hao phí trên đường dây tải điện là

2 2

P

U c 

S



 

Từ các công thức trên ta thấy:

Để giảm hao phí trên đường dây tải điện ta có thể:

không có lợi vì phải tăng đồng thời kích thước của dây dẫn và của trụ điện

điện người ta dùng máy hạ áp để đưa điện áp về mức thường dùng (thường là

220 V ở Việt Nam)

- Các công thức về truyền tải điện năng đi xa:

+ Công suất truyền tải: P P tt  P

2

tt

P

U c 

 

+ Công suất hao phí trên đường dây truyền tải: 2 2

P

U c 

t





+ Công thức về độ sụt áp (Độ giảm điện áp giữa nơi tiêu thụ và trạm phát điện):

Nhà máy điện

Nơi tiêu thụ

2

R

2

R

Hình 2

Hình 3

' P

I



os

tt

  

+ Độ chênh lệch về số chỉ của công tơ điện ở trạm phát điện so với nơi tiêu thụ:  A P t.

Trong đó: P U, lần lượt là công suất truyền tải và điện áp truyền tải

P tt là công suất nơi tiêu thụ điện năng

P là công suất hao phí trên đường dây truyền tải

R là điện trở của dây truyền tải điện

cos  là hệ số công suất của mạch truyền tải điện năng

I là cường độ dòng điện chạy trong mạch truyền tải điện năng

U là độ sụt áp giữa trạm phát và nơi tiêu thụ

A là độ chênh lệch số chỉ công tơ ở trạm phát điện và nơi tiêu thụ

U' là điện áp ở đầu tiêu thụ

H là hiệu suất truyền tải điện năng

t là thời gian

 là chiều dài của dây truyền tải điện

S là tiết diện của dây truyền tải điện

 là điện trở suất của vật liệu làm dây truyền tải điện

b Ôn lại các kiến thức có liên quan mà các em đã được học trong chương trình vật lí của lớp 11  4 .

Công thức về liên hệ giữa điện trở và điện trở suất

R

S



 

c Các dạng toán.

Trong quá trình giảng dạy phần này, trước khi đi cụ thể đối với từng loại bài tập tôi đã định hướng học sinh một cách tổng quát nhất, đó là kĩ năng phân tích đề bài Đối với mỗi bài toán phần này cần chia làm các phần (phần bản chất Vật lý, phần kĩ năng biến đổi toán học và những lưu ý về các cách hiểu khác khi làm bài)

Về phần bản chất vật lý : Cần phải giúp học sinh nhận diện được loại bài

toán về truyền tải điện năng đi xa bằng cách phân loại bài tập phần này và chỉ ra được những dấu hiệu cụ thể mà đề bài thường đề cập tới

Sau đây tôi xin đưa ra cách giải một số loại bài tập nâng cao của phần này như sau:

Dạng 1: Thay đổi điện áp truyền tải, giữ cố định công suất truyền tải.

Trước khi đưa ra phương pháp giải đối với dạng bài tập này giáo viên cần lưu

ý học sinh một số dấu hiệu để nhận diện dạng bài tập này như sau :

- Thứ nhất: Đối với loại bài tập dạng này đề bài nói rất rõ công suất truyền tải

là không đổi, thay đổi điện áp truyền tải

- Thứ hai: Điều kiện bài toán bao giờ cũng cho là “công suất tiêu thụ của các máy móc hoặc các hộ dân ở nơi tiêu thụ là giống hệt nhau”

- Thứ ba: Đề bài thường yêu cầu tìm số máy móc (số hộ dân) tiêu thụ điện ở nơi tiêu thụ, hoặc đi tìm số lần điện áp truyền tải tăng lên hay giảm đi

Các bước thông thường để giải bài tập dạng này như sau:

- Bước 1: Tìm công thức chủ đạo cho dạng bài toán này

P P P tt (1)

- Bước 2: Áp dụng công thức (1) cho các lần thay đổi điện áp truyền tải:

Chú ý rằng do 2 2 2

os

P

P R

U c 

  , nên khi P không đổi thì U tăng lên n lần thì P sẽ giảm n2 lần

Lần đầu: 1 1 1 1 2 1

1

P

n



Lần 2: 2 2 2 2 2 2

2

P

n



Lần 3: 3 3 3 3 2 3

3

P

n



Trong đó p tt là công suất tiêu thụ của mỗi một máy móc hoặc mỗi một hộ dân, m

là số máy móc (hoặc số hộ dân) tiêu thụ điện năng

Ta có thể viết gọn lại như sau:

2 1

1

tt

P

n



 

2 2

2

tt

P

n



 

2 3

3

tt

P

n



 

- Bước 3: Sử dụng kĩ năng toán học để giải (đề bài sẽ cho các giá trị của n và hai trong ba giá trị của m, ta đi tìm m còn lại Hoặc ngược lại đề bài sẽ cho các giá trị của m và hai trong ba giá trị của n, ta đi tìm giá trị n còn lại)

Dạng 2 : Thay đổi công suất truyền tải, giữ cố định điện áp truyền tải Trước khi đưa ra phương pháp giải dạng bài toán này giáo viên cần lưu ý học

sinh về các dấu hiệu để nhận biết dạng bài toán này như sau :

- Thứ nhất: Đối với loại bài tập dạng này có trường hợp đề bài sẽ nói rõ là điện áp truyền tải không đổi, thay đổi công suất truyền tải điện; có trường hợp đề bài chỉ nói ở trạm phát điện có các tổ máy hoạt động (khi đó số tổ máy thay đổi thì công suất truyền tải rõ ràng phải thay đổi)

- Thứ hai: Đề bài sẽ đề cập đến hiệu suất truyền tải điện năng tương ứng của các lần thay đổi công suất truyền tải

- Thứ ba: Nếu đề bài cho công suất truyền tải tăng hoặc giảm một số lần nào

đó thì bài toán thường yêu cầu tìm số lần tăng hoặc giảm đó, hoặc đi tìm hiệu suất chưa biết

Nếu công suất truyền tải thay đổi do số tổ máy thay đổi thì thông thường đề bài sẽ yêu cầu xác định số tổ máy tăng thêm hoặc giảm đi, hoặc đi tìm hiệu suất chưa biết

Phương pháp thông thường để làm dạng toán này như sau :

- Bước 1 : Tìm ra công thức chủ đạo có liên quan trực tiếp đến các đại lượng

mà bài toán đề cập tới

Từ công thức hiệu suất truyền tải điện năng ta có:

1 2 2

os

P

U c 

 

 2 2 1

os

P

U c    (2)

- Bước 2 : Áp dụng công thức chủ đạo trên cho các lần thay đổi công suất truyền tải P

Lần đầu: 1

1

os

P

1

1

os

n p

U c   

Lần 2: 2

2

os

P

2

2

os

n p

U c   

Lần 3: 3

3

os

P

3

3

os

n p

U c   

Trong đó: n n n1 , , 2 3 là số lần tăng lên hoặc giảm xuống (hoặc là số tổ máy tương ứng của các lần thay đổi); plà công suất của một tổ máy

- Bước 3 : Làm gọn công thức

Đặt 2 os 2

p

U c   ta có

an1   1 H1

an2   1 H2

an3   1 H3

- Bước 4 : Sử dụng kĩ năng toán học để giải (với bài toán dạng này đề bài sẽ cho các giá trị của hiệu suất truyền tải và cho liên hệ giữa các giá trị n, giải ra ta sẽ tìm được các giá trị của n ; hoặc ngược lại cho các giá trị n và ta sẽ đi tìm giá trị hiệu suất chưa biết)

Dạng 3 : Thay đổi công suất truyền tải, giữ cố định công suất nơi tiêu thụ.

Trước khi đưa ra phương pháp giải dạng bài toán này giáo viên cần lưu ý học sinh về các dấu hiệu để nhận biết dạng bài toán này như sau :

- Thứ nhất: Đối với loại bài tập này bao giờ đề bài cũng nói rất rõ “công suất tiêu thụ không đổi”

- Thứ hai: Đề bài thường cho tăng giảm hiệu suất (hoặc có thể cho tăng giảm công suất hao phí)

- Thứ ba: Đề bài thường yêu cầu tính điện áp đưa lên hai đầu đường dây tải điện lúc ban đầu hoặc lúc sau

Cụ thể phương pháp chung để làm dạng toán này như sau :

- Bước 1 : Áp dụng công thức chủ đạo

P P P tt

- Bước 2 : Là bước suy luận logic

Do P tt không đổi nên ta sẽ viết tất cả các đại lượng P và P theo P tt cho các

lần thay đổi

Lần đầu: 1 tt

P P a

 (3)

1 tt

P P b

  (4) Lần 2: 2 tt

P P c

 (5)

2 tt

P P d

  (6)

Lưu ý : a, b, c, d là các hằng số sẽ được tìm ra từ bước suy luận

- Bước 3: Lập tỉ lệ giữa (4) và (6) để tìm tỉ lệ các I





 1

2

I  b (7)

- Bước 4 : Lập tỉ lệ giữa (3) và (5) để tìm tỉ lệ các U

1 1 1 1 1

os os





   (8)

- Bước 5 : Thay (7) vào (8) ta có

1

2

U b a 

1 2

U a d

Lưu ý: Đối với dạng toán này thì cần phân tích rõ cho học sinh cách suy luận

logic (do P P P tt nên nếu P chiếm 1

n P thì P tt sẽ chiếm n 1P

n



)

d Các ví dụ cụ thể về các dạng toán đã nêu ở trên:

Sau đây tôi xin đưa ra một số bài toán ví dụ cụ thể mà tôi nghĩ nó rất cần cho

vấn đề nâng cao chất lượng ôn thi THPT Quốc Gia

Bài 1  1 : Điện năng từ một trạm phát điện được đưa đến một khu tái định cư

bằng đường dây truyền tải một pha Cho biết, nếu điện áp tại đầu truyền đi tăng từ

U lên 2U thì số hộ dân được trạm cung cấp đủ điện năng tăng từ 120 lên 144 Cho

rằng chỉ tính đến hao phí trên đường dây, công suất tiêu thụ điện của các hộ dân

đều như nhau, công suất của trạm phát không đổi và hệ số công suất trong các

F