SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT QUẢNG XƯƠNG II ------SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM NÂNG CAO KỸ NĂNG GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN XOAY CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ FRE-NEN Người thực hiệ
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA
TRƯỜNG THPT QUẢNG XƯƠNG II
- -SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
NÂNG CAO KỸ NĂNG GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN XOAY
CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ FRE-NEN
Người thực hiện: Lê Mạnh Tuấn Chức vụ: Giáo viên
SKKN thuộc môn: Vật lí
Trang 2THANH HÓA NĂM 2017
M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC
I M Đ U Ở ĐẦU ẦU 1
1.1 Lí do ch n đ tài 1
1.2 M c đích nghiên c u 1
1.3 Đ i tư ng nghiên c u 1
1.4 Phư ng pháp nghiên c u 2
II N I DUNG C A SÁNG KI N KINH NGHI M ỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ẾN KINH NGHIỆM ỆM 2
2.1 C s lí lu n 2
2.1.1 Mục đích, ý nghĩa của việc giải bài tập 2
2.1.2 Tác dụng của bài tập Vật lí trong dạy học Vật lí 2
2.1.3 Phương pháp giải bài tập 2
2.2 Th c tr ng v n đ trực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh ạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh ấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh ước khi áp dụng sáng kiến kinhc khi áp d ng sáng ki n kinhến kinh nghi m ệm 3
2.2.1 Đặc điểm tình hình của nhà trường 3
2.2.2 Thực tr ng v n đ trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh ấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh ước khi áp dụng sáng kiến kinhc khi áp d ng sáng ki n kinhến kinh nghi m ệm 3
2.3 Các gi i pháp s d ng đ gi i quy t v n đ ể giải quyết vấn đề ến kinh ấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh 4 2.3.1 Cơ sở của phương pháp dùng giản đồ Fre-nen để giải bài toán điện xoay chiều 4
2.3.2 Cách vẽ giản đồ vectơ 4
2.3.2.1 Giản đồ vectơ buộc (Quy tắc hình bình hành) 5
2.3.2.2 Giản đồ vectơ trượt (Quy tắc đa giác) 8
2.4 Một số bài toán chứng minh tính hiệu quả của phương pháp sử dụng giản đồ Fre-nen so với phương pháp đại số 1
1 2.5 Các dạng bài toán giải theo phương pháp giản đồ Fre-nen 1
6 2.5.1 Phương pháp sử dụng vectơ buộc 1
6 2.5.1 Phương pháp sử dụng vectơ trượt 1
6 2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 1
9
Trang 393.1 Kết luận 1
93.2 Kiến nghị 2
Trang 4I MỞ ĐẦU
1.1 Lí do chọn đề tài
Bài tập Vật lí là một trong những công cụ hữu ích, nó có ý nghĩa hết sứcquan trọng trong việc học Vật lí ở trường phổ thông Thông qua việc giải tốt cácbài tập Vật lí các em sẽ có những kỹ năng so sánh, phân tích, tổng hợp…do đó
sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển tư duy của học sinh Đặc biệt bài tập Vật
lí giúp học sinh củng cố kiến thức có hệ thống cũng như vận dụng những kiếnthức đã học vào việc giải quyết những tình huống cụ thể, làm cho bộ môn lôicuốn, hấp dẫn các em hơn
Tuy vậy, Vật lí là một môn học khó vì 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 lạihơi ít so với nhu cầu cần củng cố kiến thức cho học sinh Chính vì thế, ngườigiáo 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 họcsinh trong thời gian ngắn đã nắm được các dạng bài tập, nắm được phương phápgiải và từ đó có thể phát triển hướng tìm tòi lời giải mới cho các dạng bài tươngtự
Chúng ta đã biết rằng trong chương trình Vật lí lớp 12, bài tập về điệnxoay chiều là phức tạp và khó Việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức đểgiải các bài tập định lượng của chương này đối với học sinh thật không dễ dàng
Qua những năm đứng lớp tôi nhận thấy học sinh thường rất lúng túngtrong việc tìm cách giải các dạng bài tập toán này
Với mong muốn tìm được các phương pháp giải các bài toán trắc nghiệmmột cách nhanh chóng, đồng thời có khả năng trực quan hóa tư duy của học sinh
và lôi cuốn được nhiều học sinh tham gia vào quá trình giải bài tập, cũng nhưgiúp một số học sinh không yêu thích hoặc không giỏi môn Vật lí cảm thấy đơn
giản hơn trong việc giải các bài tập trắc nghiệm Vật lí, tôi chọn đề tài “Nâng
cao kỹ năng giải bài tập điện xoay chiều bằng phương pháp giản đồ Fre-nen”
1.2 Mục đích nghiên cứu
Chuyên đề này nhằm giúp học sinh khắc sâu những kiến thức lí thuyết,
có một hệ thống bài tập và phương pháp giải chúng, giúp các em có thể nắmđược cách giải và từ đó chủ động vận dụng các phương pháp này trong khi làmbài tập Từ đó hoc sinh có thêm kỹ năng về cách giải các bài tập Vật lí, cũng nhưgiúp các em học sinh có thể nhanh chóng giải các bài toán trắc nghiệm về bàitập điện xoay chiều phong phú và đa dạng
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Phương pháp giải bài tập Vật lí nói chung và phương pháp dùng giản đồFre-nen để giải một số bài tập điện xoay chiều, trong chương trình Vật lí 12 cơbản; Áp dụng với học sinh các lớp học 12C1; 12C2; 12C3 năm học 2016-2017
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Trang 5Nghiên cứu lí luận về phương pháp giải bài tập vật lí Áp dụng đối vớigiải bài tập điện xoay chiều, dưa ra phương pháp giải bài tập điện xoay chiềubằng cách vận dụng giản đồ vectơ
Lựa chọn các bài tập minh họa trong chương trình, phù hợp và phát huyđược ưu điểm của phương pháp
Thực nghiệm sư phạm đối với các lớp học phù hợp
II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
2.1 Cơ sở lí luận
2.1.1 Mục đích, ý nghĩa của việc giải bài tập [6]
Quá trình giải một bài tập Vật lí nói chung và bài tập điện xoay chiều nóiriêng là quá trình tìm hiểu điều kiện của bài toán, xem xét hiện tượng Vật lí đềcập, dựa vào kiến thức Vật lí để tìm ra những cái chưa biết trên cơ sở những cái
đã biết Thông qua hoạt động giải bài tập, học sinh không những củng cố lýthuyết và tìm ra lời giải một cách chính xác, mà còn hướng cho học sinh cáchsuy nghĩ, lập luận để hiểu rõ bản chất của vấn đề, và có cái nhìn đúng đắn khoahọc Vì thế, mục đích cơ bản đặt ra khi giải bài tập điện xoay chiều là làm chohọc sinh hiểu sâu sắc hơn những quy luật Vật lí, biết phân tích và ứng dụngchúng vào những vấn đề thực tiễn, vào tính toán kĩ thuật và cuối cùng là pháttriển được năng lực tư duy, năng lực tư giải quyết vấn đề
Muốn giải được bài tập điện xoay chiều, học sinh phải biết vận dụng cácthao tác tư duy, so sánh, phân tích, tổng hợp, khái quát hóa…để xác định đượcbản chất vấn đề cần giải quyết Vì vậy, việc giải thành thạo bài tập điện xoaychiều là phương tiện kiểm tra kiến thức, kĩ năng của học sinh
2.1.2 Tác dụng của bài tập Vật lí trong dạy học Vật lí [6]
Trong giai đoạn xây dựng kiến thức, học sinh đã nắm được cái chung, cáikhái quát của các khái niệm, định luật và cũng là cái trừu tượng Trong bài tậpđiện xoay chiều, học sinh phải vận dụng những kiến thức khái quát, trừu tượng
đó vào những trường hợp cụ thể rất đa dạng, nhờ thế mà học sinh nắm đượcnhững biểu hiện cụ thể của chúng trong thực tế
Bài tập Vật lí là một phương tiện củng cố, ôn tập kiến thức sinh động Khigiải bài tập, học sinh phải nhớ lại các kiến thức đã học, có khi phải sử dụng tổnghợp các kiến thức thuộc nhiều chương, nhiều phần của chương trình
2.1.3 Phương pháp giải bài tập [8]
Đối với học sinh phổ thông, vấn đề giải bài tập gặp không ít khó khăn vì
học sinh thường không nắm vững lý thuyết và kĩ năng vận dụng kiến thức Vật lí
Vì vậy các em giải một cách mò mẫm, không có định hướng rõ ràng, áp dụngcông thức máy móc và nhiều khi không giải được Có nhiều nguyên nhân:
- Học sinh chưa có phương pháp khoa học để giải bài tập Vật lí
- Chưa xác định được mục đích của việc giải bài tập là xem xét, phân tíchcác hiện tượng Vật lí để đi đến bản chất Vật lí
Việc rèn luyện cho học sinh biết cách giải bài tập một cách khoa học, đảmbảo đi đến kết quả một cách chính xác là một việc rất cần thiết Nó không những
Trang 6giúp học sinh nắm vững kiến thức mà còn rèn luyện kĩ năng suy luận logic, làmviệc một cách khoa học, có kế hoạch.
Bài tập điện xoay chiều rất đa dạng và phức tạp, cho nên phương phápgiải cũng rất phong phú Vì vậy không thể chỉ ra được một phương pháp nào cụthể mà có thể áp dụng để giải được tất cả bài tập Từ sự phân tích như đã nêu ởtrên, có thể vạch ra một dàn bài chung gồm các bước chính như sau:
* Tìm hiểu đầu bài, tóm tắt các dữ kiện
- Đọc kĩ đề bài, tìm hiểu ý nghĩa của những thuật ngữ quan trọng, xácđịnh đâu là ẩn số, đâu là dữ kiện
- Dùng kí hiệu tóm tắt đề bài cho gì? Hỏi gì? Dùng hình vẽ mô tả lại tìnhhuống, minh họa nếu cần
* Phân tích hiện tượng
- Nhận biết các dữ liệu đã cho trong đề bài có liên quan đến những kiếnthức nào, khái niệm nào, hiện tượng nào, quy tắc nào trong Vật lí
- Xác định các giai đoạn diễn biến của hiện tượng nêu trong đề bài, mỗigiai đoạn bị chi phối bởi những đặc tính nào, định luật nào Có như vậy học sinhmới hiểu rõ được bản chất của hiện tượng, tránh sự áp dụng máy móc công thức
* Xây dựng lập luận
Thực chất của bước này là tìm quan hệ giữa ẩn số phải tìm với các dữkiện đã cho Đối chiếu các dữ kiện đã cho và cái phải tìm liên hệ với nhau nhưthế nào, qua công thức, định luật nào để xác lập mối liên hệ Thành lập cácphương trình nếu cần với chú ý có bao nhiêu ẩn số thì có bấy nhiêu phươngtrình
* Lựa chọn cách giải cho phù hợp
Xuất phát từ dữ kiện đã cho của đầu bài chúng ta lựa chọn cách sử dụnggiản đồ vectơ buộc hay vectơ trượt cho bài toán
* Kiểm tra, xác nhận kết quả và biện luận
- Từ mối liên hệ cơ bản, lập luận giải để tìm ra kết quả
- Phân tích kết quả cuối cùng để loại bỏ những kết quả không phù hợp vớiđiều kiện đầu bài tập Việc biện luận này cũng là một cách để kiểm tra sự đúngđắn của quá trình lập luận
2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
2.2.1 Đặc điểm tình hình của nhà trường
Trường THPT Quảng Xương II được thành lập từ tháng 3 năm 1967, đếnnay nhà trường đã trải qua 50 năm rèn luyện và trưởng thành Nhà trường đóngtrên địa bàn xã Quảng Ngọc, Quảng Xương, Thanh Hóa Vùng tuyển sinh củanhà trường là vùng đồng bằng, với học sinh chủ yếu là con em thuần nông.Trường có đội ngũ giáo viên vững vàng tay nghề, nhiệt tình, tâm huyết với côngtác giáo dục và giảng dạy, các em học sinh đa phần là ngoan, chịu khó, với khảnăng tư duy ở mức khá
2.2.2 Thực tr ng v n đ tr ạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm ấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm ề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm ước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm c khi áp d ng sáng ki n kinh nghi m ụng sáng kiến kinh nghiệm ến kinh nghiệm ệm
Trang 7Trong việc giải các bài tập về dòng điện xoay chiều, đa số học sinhthường dùng phương pháp đại số còn phương pháp giản đồ vectơ thì học sinhthường ít dùng vì ngại vẽ hình, ngại tư duy Khi đọc đề bài xong, các em thườngmuốn có ngay công thức đại số cho dạng bài đó để mà thế số rồi bấm máy Điềunày là thiếu sót lớn đối với người dạy và người học Vật lí Điều đó là rất đángtiếc vì phương pháp giản đồ vectơ dùng giải các bài toán điện xoay chiều rấthay và ngắn gọn đặc biệt là các bài toán liên quan đến độ lệch pha Có nhiều bàitoán khi giải bằng phương pháp đại số rất dài dòng và phức tạp còn khi giảibằng phương pháp giản đồ vectơ thì tỏ ra rất hiệu quả ở sự ngắn gọn, trực quan.Việc khai thác hiệu quả phương pháp sẽ góp phần nâng cao hiệu quả trong việcnắm kiến thức cũng như khả năng vận dụng để đạt kết quả cao trong kỳ thi
2.3 Các sáng giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề
2.3.1 Cơ sở của phương pháp dùng giản đồ Fre-nen để giải bài toán điện xoay chiều [2]
+ Mỗi đại lượng xoay chiều được đặt bằng một vectơ có độ dài tỉ lệ vớigiá trị hiệu dụng của đại lượng đó;
+ Vectơ được vẽ trong mặt phẳng pha, có gốc và chiều dương của pha đểtính góc pha;
+ Góc giữa hai vectơ bằng độ lệch pha giữa hai đại lượng đó;
+ Phép cộng đại số giữa các đại lượng xoay chiều thay thế bằng phép tổnghợp các vectơ tương ứng;
+ Chọn gốc pha là vectơ cường độ dòng điện I cho mạch mắc nối tiếp;+ Các thông tin về các đại lượng xoay chiều được hoàn toàn xác định từkết quả tính toán trên giản đồ vectơ
Trang 8Do đó điện áp hai đầu A,B: u = u + u + u AB AM MN NB
Các đại lượng biến thiên điều hòa cùng tần số nên chúng có thể biểu diễnbằng các vectơ Frexnel: uR U R
(Trong đó độ lớn các vectơ biểu thị điện áp hiệu dụng của nó)
- Việc so sánh pha dao động giữa điện áp hai đầu mỗi phần tử với dòngđiện chạy qua nó cũng chính là so sánh pha dao động của chúng với dòng điệnchạy trong mạch chính Do đó trục pha trong giản đồ Fre-nen ta chọn là trụcdòng điện thường nằm ngang Các vectơ biểu diễn các điện áp hai đầu mỗi phần
tử và hai đầu mạch điện biểu diễn trên trục pha thông qua quan hệ pha của nóvới cường độ dòng điện
2.3.2.1 Giản đồ vectơ buộc (Quy tắc hình bình hành)
+ uL nhanh pha 2
so với i U L
vuônggóc với trục I và hướng lên
+ uC chậm pha 2
so với i U C
vuônggóc với trục I và hướng xuống
Cộng hai vectơ cùng phương ngược chiều U L
và U C
trước, sau đó cộng tiếp với U R
theo quy tắc hình bình hành+ Chú ý đến một số hệ thức trong tam giác vuông
Trang 9
L U
Các bước giải toán
+ Chọn trục gốc là trục dòng điện, sử dụng các điều kiện về
pha của i và u trên từng đoạn mạch Dựa vào giản đồ vectơ xác định được:
b Một số trường hợp thường gặp [1]
Đầu tiên vẽ vectơ U R
Trang 10( hay i sớm pha hơn u )
+ Trường hợp riêng
Trang 11+ Trường hợp đặc biệt - Cuộn cảm có điện trở thuần r
Vẽ theo đúng quy tắc và lần lượt từ U R
, đến U r
, đến U L
, đến U C
2.3.2.2 Giản đồ vectơ trượt (Quy tắc đa giác)
- Chọn ngang là trục dòng điện
- Chọn điểm đầu mạch (A) làm gốc
- Vẽ lần lượt các vectơ biểu diễn các điện áp U ,U ,U AM MN NC
lần lượt từ A sang B nối đuôi nhau theo nguyên tắc: R – ngang; L - lên.; C –xuống Độ dài các vectơ tỉ lệ với các giá trị hiệu dụng tương ứng
- Nối các điểm trên giản đồ có liên quan đến dữ kiện của bài toán: Nối A
biểu diễn điện áp uNB
-Biểu diễn các số liệu lên giản đồ
-Dựa vào các hệ thức lượng trong
tam giác để tìm các điện áp hoặc góc chưa biết
Trang 12+ Các điện áp trên các phần tử được
biểu diễn bởi các vectơ mà độ lớn của các vectơ
tỷ lệ với điện áp hiệu dụng của nó
+ Độ lệch pha giữa các điện áp là góc hợp bởi giữa các vectơ tương ứng
biểu diễn chúng
+ Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện là góc hợp bởi vectơ
biểu diễn nó với trục i
+ Việc giải bài toán là nhằm xác định độ lớn các cạnh và góc của tam giácdựa vào các định lý hàm số sin, hàm số cosin và các công thức toán học
+ Nếu cuộn dây không thuần cảm (trên đoạn
MN có cả L và r) thì U = U + U + U + U AB r L R C
ta vẽ
L trước như sau: L- đi lên, r- đi ngang, R- đi ngang
và C đi xuống hoặc vẽ r trước nha sau: r- đi ngang,
L- đi lên, R- đi ngang và C đi xuống
+ Trong toán học một tam giác sẽ giải được nếu
biết trước 3 yếu tố ( 2 cạnh 1 góc; 2 góc 1 cạnh; ba
cạnh) trong 6 yếu tố ( ba góc và ba cạnh) Để làm được điều đó ta sử dụng cácđịnh lý sin và hàm số cosin
Từ điểm ngọn của vectơ U L
ta vẽ nối tiếp vectơ U R(gốc của U R
trùng với ngọn của U L
) Từ ngọn củavectơ U R vẽ nối tiếp vectơ U C
Trang 13Chú ý: Khi giải toán ta phải dựa vào điều kiện của bài toán để xác định
sử dụng phương pháp nào để giải quyết bài toán là nhanh nhất Thông thường nên sử dụng phương pháp vectơ trượt vì phương pháp này đơn giản và hiệu quả
giải nhanh và không tốn thời gian
b Một số trường hợp thường gặp [1]
Đầu tiên vẽ vectơ U , R
tiếp đến là U L
cuối cùng là U C
Nối gốc của U R
vớingọn của UC ta được vectơ U
như hình sau:
( hay i sớm pha hơn u )
Đầu tiên vẽ vectơ U R