Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động LC

Nếu ta hiểu theo nghĩa rộng thì mỗi đại lượng vật lí xuất hiện do nghiên cứu thực nghiệm, tài liệu giáo khoa và các bài toán vận dụng thì phương pháp liên hệ với những kiến thức đã biết

Trang MỤC LỤC ……… ………1

1 PHẦN MỘT : ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Lí do chọn SKKN……… ……… … 2

1.2 Mục đích của SKKN……….……… ……… 2

2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan thông tin về những vấn đề cần nghiên cứu 2

2.2 Phạm vi và đối tượng của SKKN 2

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

4 PHẦN NỘI DUNG 3

4.1 Cơ sở lý luận của vấn đề 3

4.2 Cơ sở thực tiễn và thực trạng 3

4.2.1 Thực trạng tình hình của vấn đề 4

4.2.2 Các biện pháp đã tiến hành để giải quyết 5

4.2.3 Hiệu quả của SKKN 12

5 KÊT LUẬN 13

6 KIẾN NGHỊ 13

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

1 Đặt vấn đề.

1.1 Lí do chọn sáng kiến kinh nghiệm:

Trong thực tế dạy và học môn vật lí, thì bài tập vật lí được hiểu là một vấn đề được đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ những suy luận lôgíc, thí nghiệm, dựa trên cơ sở lý thuyết và kết hợp phương pháp vật lí để giải quyết Nếu ta hiểu theo nghĩa rộng thì mỗi đại lượng vật lí xuất hiện do nghiên cứu thực nghiệm, tài liệu giáo khoa và các

bài toán vận dụng thì phương pháp liên hệ với những kiến thức đã biết với những kiến

thức mới là hết sức cần thiết đối với học sinh, nhằm mục đích thúc đẩy tư duy lôgíc để vận dụng kiến thức giải một số bài toán vật lí

Trong quá trình học môn vật lí, các bài tập vật lí có tầm quan trọng đặc biệt Hiện

nay để thực hiện tốt chương trình dạy và học sách giáo khoa “theo chương trình chuẩn” mới theo phương pháp đổi mới có hiệu quả, thì vệc hướng dẫn học sinh, sự tương quan, liên hệ, phân loại và làm tốt các bài tập trong chương trình “chuẩn” sách

giáo khoa đã góp phần không nhỏ trong việc thực hiện thành công công tác dạy học theo phương pháp đổi mới

Ở chương IV “ Dao động và sóng điện từ” vật lí 12, thì lại xuất hiện một dạng dao

động điện trong mạch dao động LC, lúc này học sinh lại liên tưởng với phần dao động

cơ Vì vậy, để học sinh có thể liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện và giải quyết

một số bài toán vậy lí ở phần này, tôi đã chọn đề tài “ Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động LC”.

1.2.Mục đích của sáng kiến kinh nghiệm:

Sáng kiến kinh nghiệm nêu và giải quyết một số vấn đề sau:

1.2.1 Cơ sở lí luận liên quan đến đề tài:

1.2.2 Cơ sở thực tế và hiện trạng của việc giảng dạy và hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí ở trường THPT Đông Sơn 2

1.2.3 Phương pháp liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để làm bài tập trong phần mạch dao động

1.2.4 Kết quả đạt được

2 Tổng quan

2.1 Tổng quan thông tin về những vấn đề cần nghiên cứu

Để thực hiện tốt chương trình sách giáo khoa mới môn vật lí 12 và dạy - học theo phương pháp đổi mới đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi giáo viên phải nghiên cứu, tìm tòi để đưa ra được những phương pháp giảng dạy có hiệu quả nhằm hướng dẫn học sinh biết liên hệ lôgíc làm tốt các dạng bài tập trong chương trình sách giáo khoa đồng thời phát triển thêm tư duy lôgíc để làm một số bài tập nâng cao nhăm đáp ứng yêu cầu xu thế của các đề thi Đại Học hiện hành Như vậy, Phương pháp liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện không chỉ áp dụng cho học sinh trường nhà mà còn áp dụng cho tất cả học sinh khối 12 trong năm học

2.2 Phạm vi và đối tượng của sáng kiến kinh nghiệm:

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu:

Liên hệ giữa ‘ dao động cơ ’ và ‘ dao động điện ’ để làm bài tập mạch dao động LC 2 2.2 Phạm vi nghiên cứu:

Học sinh lớp 12A1 và 12A5 Trường THPT Đông Sơn 2 năm học 2017 - 2018

3 Phương pháp nghiên cứu :

a Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận.

- Phương pháp thu thập thông tin từ giáo viên

- Phương pháp thu thập thông tin từ học sinh

- Phương pháp thu thập thông tin từ đồng nghiệp

b Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

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

- Phương pháp tổng kết kinh nghiệm GD

- Phương pháp nghiên cứu các sản phẩm hoạt động

- Phương pháp lấy ý kiến các chuyên gia

- Phương pháp khảo nghiệm, thực nghiệm

c Phương pháp thông kê, tổng hợp, so sánh về mặt toán học.

4 Phần nội dung

4.1 Cơ sở lý luận của vấn đề:

Phương pháp dạy - học là một bộ phận hợp thành của quá trình sư phạm nhằm đào tạo thế hệ trẻ có tri thức khoa học, về thế giới quan và nhân sinh quan, thói quen và kỷ năng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tế, đẩy mạnh sự phát triển khoa học công nghệ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng khoa học kĩ thuật và đời sống cho xã hội Phương pháp dạy học có mối liên hệ biện chứng với các nhân tố khác của quá trình học Những phương pháp dạy học phải thống nhất biện chứng giữa việc giảng dạy cuả giáo viên với việc học tập của học sinh Đồng thời góp phần có hiệu quả vào việc thực hiện tốt các khâu của quá trình dạy - học Xác định kế hoạch giáo dục, giáo dưỡng, phát triễn bộ môn một cách nhịp nhàng và khoa học, cụ thể hóa nhiệm vụ dạy học dưa trên cơ sở đặc điểm của học sinh, điều chỉnh kế hoạch dạy học cho sát với diễn biến thực tế, tổ chức và hướng dẫn học sinh học tập ở trên lớp cũng như ở nhà phù hợp với phương pháp sư phạm theo dự định

Đối với bộ 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 hết sức khó khăn, ở đó bộc lộ rõ nhất trình độ của người giáo viên vật lí trong việc hướng dẫn hoạt động trí tuệ và tư duy lôgíc của học sinh, vì thế đòi hỏi người thầy và học trò cần phải học tập, tìm tòi và lao động không ngừng Bài tập sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn những quy luật và hiện tượng vật lí Thông qua các bài tập

ở các dạng khác nhau thì sẽ giúp học sinh phân biệt được các đặc tính vật lí trong mỗi trạng thái ở các thời điểm, 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, thì những kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và trở thành vốn riêng, tạo tiền đề cho tư duy độc lập giúp phát triễn sự sáng tạo của mỗi học sinh trong việc làm một số bài tập và giải thích các hiện tượng vật lí

4.2 Cơ sở thực tiễn và thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí ở trường THPT Đông Sơn 2:

4.2.1 Thực trạng tình hình về vấn đề:

* Đặc điểm tình hình:

- Học sinh Trường THPT Đông Sơn đa phần là các em ngoan, chịu khó trong học

tập, nhưng đa số các em có cha hoặc mẹ làm nghề nông nên điều kiện kinh tế không cho phép các em được học bồi dưỡng thêm nhiều kiến thức ở ngoài nhà trường, do đó không có nhiều cơ hội rèn luyện nhiều các phương pháp giải các

bài tập khác nhau

*Thực trạng của việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lí tại

trường THPT Đông Sơn 2

cầu học sinh về kiến thức là:

Nắm vững:

* Tần số góc, tần số và chu kì dao động riêng của mạch LC:

LC 2 T

; LC 2

1 f

;

LC

1













* Điện tích tức thời của tụ điện: q Cu Q  0 cost với q0 CU0

* Cường độ dòng điện trong mạch

dt

dq

i     0   0 cos( )

2

i I t với I 0 = ωQQ 0

* Năng lượng điện trường tức thời tích luỹ trong tụ:

2 2

c

q

C

2

L

W  Li

C

Q 2

1 CU 2

1 LI 2

1 C

q 2

1 Li 2

1 Cu 2

1 Li 2

0 2

0

2 0

2 2 2

2













W W W W W

đ t

đ t đ

2 1















* Năng lượng điện trường và từ trường cũng biến thiên tuần hoàn tương đương như

thế năng và động năng trong dao động cơ với tần số góc ωQ' = 2ωQ => f' = 2f và T' = T/

2

* Cách tính thời gian để i biến thiên từ i = 0 đến i = I0 họăc q = Q0 đến q = 0 là T/4 và cách tính ở các thời điểm khác nhau(cách tính giống như dao động cơ)

Trong quá trình giảng dạy giáo viên thường sử dụng phương pháp chia nhóm để học sinh thảo luận và tìm ra kết quả cho câu hỏi và giáo viên thường kết luận đúng, sai và thường là không giải thích gì thêm, việc giảng dạy vật lí nhất là bài tập vật lí như thế không đạt được kết quả cao, vì trong lớp có các đối tượng học sinh giỏi, khá, trung bình, yếu và kém nên khã năng tư duy của các em là rất khác nhau, đối với học sinh yếu kém hay trung bình không thể tư duy kịp và nhanh như những học sinh khá giỏi nên khi thảo luận một số em không thể kịp hiểu ra vấn đề và nhất là khi thảo luận nhóm, giáo viên lại hạn chế thời gian hoặc thi xem nhóm nào đã ra kết quả nhanh nhất thì thường các kết quả này là tư duy của các học sinh khá, giỏi trong nhóm Vì thế giáo viến không chú trọng đến việc hướng dẫn học sinh phương pháp tư duy lôgíc để giải

bài tập vật lí thì học sinh sẽ tiên đoán mò không nắm vững và biết các liên hệ giữa

giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động” trong mạch

dao động LC.

Trước khi đưa vào vận dụng phương pháp liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động LC thì tôi đã vận dụng kết quả của năm hoc 2016-2017 chưa áp dụng đối với lớp 12A3 để tiến hành

E,r C

L

k (2) (1)

Bảng số liệu chưa áp dụng khảo sát năm 2017

- Đối với nhóm HS Trung bình và yếu thi tôi sử dụng phương pháp thảo luân nhóm và yêu cầu học sinh xác định pha ban đầu và pha dao động theo thời gian dao động trong mạch dao động, đồng thời xác định được các giá trị của i và q theo các thời điểm

- Đối với HS khá, giỏi thì tôi đã hướng dẫn phương pháp liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha và thời gian dao động trong mạch dao động

4.2.2 Các biện pháp đã tiến hành để giải quyết vấn đề:

*Giải pháp: Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện để xác định pha, biên

độ và thời gian dao động trong mạch dao động LC:

A- Sơ đồ tương tác :

B- Sự tương quan giữa dao động điện và dao động cơ

Đại lượng

cơ

Đại lượng

x q x” +  2x = 0 q” +  2q = 0

m

LC



 

0 ( )i



đ + Wt W=Wđ + Wt

đ =12mv2 Wt = 12Li2

t = 1

2

q C

*Tổ chức thực hiện:

A- Phương pháp liện hệ và vận dụng:

1 Liên hệ giữa dao động cơ và dao động điện:

Dao động cơ: cos( )





và 

Chú ý 1: Khi vật qua VTCB x = 0 thì vận tốc đạt cực đại vmax, ngược lại khi ở biên,

0







(2)

Chú ý 2: khi q = 0 thì i = I0 và khi i = 0 thì q = Q0

Đặc biệt nên vận dụng sự tương quan giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều để giải quyết các bài toán liên quan đến thời gian chuyển động

B- Bài tập vận dụng:

1B- Dạng bài tập xác đinh pha và phưong trình dao động:

phương pháp giải: 0

0







(2)

Tương tự ta chọn thời điểm thích hợp t 0 0 và thay vào hệ phương trình (2) để tìm q

Chú ý : khi q = 0 thì i = I0 và khi i = 0 thì q = Q0

1B.1- Bài tập tự luận:

Thí dụ 1: Mạch dao động lí tưởng gồm cuộn dây có độ tự cảm L = 0,2H và tụ điện có

Chọn thời điểm ban đầu (t = 0) là lúc tụ điện bắt đầu phóng điện

a Viết biểu thức tức thời của điện tích q trên bản tụ điện mà ở thời điểm ban đầu nó tích điện dương

Hướng dẫn:

a Biểu thức điện tích

Điện tích tức thời q  Q0cos(  t   )

10 20 2 , 0

1 LC

1







0

Khi t = 0 =>q  Q0cos    Q0  cos   1 hay   0

Vậy phương trình cần tìm: q=8.10 cos500t -5 (C)

b Năng lượng điện trường tại thời điểm t  T 8 : Ta có:

C

q 2

1 W

2

Vào thời điểm t  T 8 , điện tích của tụ điện bằng:

2

Q 8

T T

2 cos Q



thay vào ta tính được năng lượng điện trường ta được

J 80.10 20.10

2

8.10

2

1

6

2 5

đ





















Thí dụ 2: Trong một mạch dao động, điện tích của tụ điện biến thiên theo quy luật:

q = 2,5.10-6cos(2.103t)(C)

a Viết biểu thức cường độ dòng điện tức thời trong mạch

b Tính năng lượng điện từ và tần số dao động của mạch Tính độ tự cảm của cuộn dây, biết điện dung của tụ điện là 0,25F

Hướng dẫn:

a Biểu thức cường độ dòng điện trong mạch

) A ( t 10 2 sin(

10 5 , 2 10

.

2

dt

dq

(A) ) 2 t cos(2.10

5.10

 





hay J 10 5 , 12 10

25 , 0

10 5 , 2 2

1 C

Q 2

1

6

2 6 2

0

+ Độ tự cảm của cuộn dây

) (2.10 0,25.10

1 Cω

1

L 2  6 3 2 

cảm có độ tự cảm L = 0,02H Tụ điện được tích điện đến điện áp 10V Tại thời điểm

t = 0, tụ điện được nối với cuộn cảm:

a Tìm chu kì và tần số góc của mạch dao động.

b Viết biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch và điện tích của tụ

c Viết biểu thức của năng lượng điện trường và năng lượng từ trường, tính năng lượng toàn phần của mạch

Hướng dẫn:

a Tính T,:

Ta có : T 2  LC 2 10   4 6, 28.10  4s.

10 rad s/

T



b Biểu thức của q, i: Ta có :

6

0 0

5.10 cos( ) sin( )



0

q Q t







 Vậy : * Biểu thức điện tích của tụ điện trong mạch dao động

0 cos 5.10 cos10 ( )

* Biểu thức cường độ dòng điện trong mạch dao động

0sin 5.10 sin10 ( )

c Biểu thức của WC, WL, W

Tương tự ta lại có :

2

1

25.10 cos 10 2

C

q

C



1

25.10sin 10 2

L

6

25.10

Thí dụ 4: Mạch dao động kín, lí tưởng có L = 1 mH, C = 10 F Khi dao động cường

độ dòng điện hiệu dụng I = 1 mA Chọn gốc thời gian lúc năng lượng điện trường bằng 3 lần năng lượng từ trường và tụ điện đang phóng điện Viết biểu thức điện tích trên tụ điện, điện áp giữa hai bản tụ và cường độ dòng điện trên mạch dao động

Hướng dẫn :

LC

1

= 104 rad/s

I0 = I 2= 2.10-3 A

q0 =



0

I

= 2.10-7 C Khi t = 0 thì WC = 3Wt  W =

3

4

2

3 q0  cos

0

q

q

= cos(±

6



)

Vì tụ đang phóng điện nên  =

6



Vậy: q = 2.10-7cos(104t +

6



)(C)

u =

C

q

= 2.10-2cos(104t +

6



)(V)

i = 2.10-3cos(104t +

2

3

)(A)

1B.2- Bài tập học sinh tự làm:

Bài 1: Dao động điện từ trong một mạch

dao động có đường biểu diễn sự phụ

thuộc cường độ dòng điện qua cuộn dây

theo thời gian như hình vẽ Hãy viết biểu

thức điện tích tức thời trên tụ điện

6 t 10 3

25 cos

120



















Bài tập 2: Cho mạch dao động lí tưởng

với C = 1 nF, L = 1 mH, điện áp hiệu

điện Viết biểu thức điện áp trên tụ điện

và cường độ dòng điện chạy trong mạch

dao động

ĐS: u = 4 2cos(106t -

3



) (V)

1B.3 - Bài tập Trắc nghiệm:

0 6 10 

là:

A q 6 10  6 cos 6 , 6 10 7t(C)

2 10 1 , 1 cos(

6 ,

B q 6 10  6 cos 6 , 6 10 7t(C)

2 10 6 , 6 cos(

6 ,

C 6 10 6 cos 6 , 6 10 6 ( )

C t

2

D 6 10 6 cos 6 , 6 10 6 ( )

C t

2 10 6 , 6 cos(

6 ,

6

10 6



6

10 6





2B Dạng bài toán xác định thời gian dao động:

Phương pháp giải:

Khoảng thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có q1

đến q2

Trang 9

i (mA)

t (s)

10

5



q

-qo q2 q1 qo

 O 1

2

M1

2 1





với

1 1

0 2 2

0

s

s

q co

Q q co

Q

















và (0    1 , 2   )

Phân tích: t2 – t1 = nT + t (n N; 0 ≤ t < T)

2B.1- Bài tâp tự luận:

Thí dụ 1: Mạch dao động LC lí tưởng thực hiện

dao động điện từ Hãy xác định khoảng thời gian,

giữa hai lần liên tiếp, năng lượng điện trường

trên tụ điện bằng năng lượng từ trường trong

cuộn dây

Hướng dẫn Khi năng lượng điện trường trên tụ bằng năng

lượng từ trường trong cuộn dây,

2

1 W

C

Q 2

1 2

1 C

q

2

1

0

2 0 2





















Với hai vị trí điện tích

2

2 Q

Thí dụ 2: Biểu thức điện tích của tụ trong một mạch dao động có dạng

Hướng dẫn

Có thể viết lại biểu thức điện tích dưới dạng hàm số cosin đối với thời gian, quen

2 t 10 2 cos(

Q

0







C )

và coi q như li độ của một vật dao

động điều hòa.Ban đầu, pha dao động

chiều dương

q

2

2

Q0 2

2

Q0



4

 4

3

4

3





q

2

2

4



Wđ = Wt lần đầu tiên khi

2

2 Q

đã quét được một góc 4 28 tương ứng với thời gian T8





  => t = T8 = 5 10 s

10 2 8

6















Thí dụ 3: Một mạch dao động điện từ LC lí tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm 5

H và tụ điện có điện dung 5 F Trong mạch có dao động điện từ tự do Tính khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên một bản tụ điện có độ lớn cực đại và khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường

Hướng dẫn

điện tích trên bản tụ đạt giá trị cực đại nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên bản tụ đạt cực đại là:





  => t =

2

T

= 5.10-6 = 15,7.10-6s

Trong một chu kì có 4 lần năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là : t’ =

4

T

= 2,5.10-6 = 7,85.10-6 s

Thí dụ 4 : Một mạch dao dộng LC lí tưởng có chu kì dao động là T Tại một thời điểm

Hướng dẫn

4

3

ta có:

1 + 2 = 2 => sin2 = cos1 (1) Từ công thức:

2

2

2

2



i

q

o q

i



2 2

o

o q

q q

. 

10 6

10 2 , 1

7 3 1



q

i

rad/s Vậy : T = 10-3s

2B.2 - Bài tập Trắc nghiệm tự giải:

Câu 1: Một mạch dao đông lí tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm L và tụ điện có điện dung C đang thực hiện dao động điện từ tự do với chu kì T Chọn thời điểm ban đầu khi điện tích trên tụ điện bằng không Thời gian ngắn nhất để điện tích trên tụ đạt được một nửa giá trị cực đại bằng

A T6 B T8 C T4 D 12T

Câu 2: Mạch dao động lí tưởng gồm tụ điện có điện dung C = 1 F và cuộn dây có độ

tự cảm L = 10 mH Khi t = 0, cường độ dòng điện qua cuộn dây có giá trị cực đại là 0,05 A Điện áp giữa hai bản tụ điện đạt cực đại là

q

-qo q2 q1 qo

 O

M2

1

2

M1