Một số giải pháp giải nhanh các dạng bài tập hay,lạ ,khó phần máy biến áp chương dòng điện xoay chiềuvật lí 12

Để giúp các em học sinh chinh phục các câu khó phần máy biến áp trong đề thi THPT Quốc gia tôi xin được trình bầy phương pháp giải nhanh một số bài toán khó phần máy biến áp cụ thể với đ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG PT NGUYỄN MỘNG TUÂN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢI NHANH CÁC DẠNG BÀI TẬP

HAY, LẠ, KHÓ PHẦN MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG

“DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU” VẬT LÍ 12

Người thực hiện: Dương Thị Hương Chức vụ : Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực môn: Vật lý

THANH HOÁ, NĂM 2020

MỤC LỤC

I MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

1.5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm 1

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 1

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm 1

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 4

2.3 Giải pháp và tổ chức thực hiện 4

2.4 Hiệu quả khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 15

III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15

DANH MỤC VIẾT TẮT

KCN Khu công nghiệp

I MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây đề thi THPT Quốc gia xuất hiện nhiều các câu hỏi vận dụng và vận dụng cao ở phần máy biến áp, Với mỗi dạng toán thường có nhiều cách giải khác nhau Đối với hình thức thi trắc nghiệm đòi hỏi phải đưa ra quyết định nhanh và chính xác vì vậy phải đưa ra cách giải nhanh và hiệu quả nhất nhiều tài liệu tham khảo thường lựa chọn cách giải tuần tự chi tiết từng bước cho bài toán Thiết nghĩ với những bài toán mở đầu của các dạng thì việc làm đó là cần thiết và nó phù hợp với cách thi tự luận hơn Các bài toán tiếp theo phải tìm ra cách giải nhanh, giúp học sinh nhớ được những dạng toán cơ bản đã học và phát triển tới các dạng lạ, khó từ những dạng quen thuộc

Để giúp các em học sinh chinh phục các câu khó phần máy biến áp trong

đề thi THPT Quốc gia tôi xin được trình bầy phương pháp giải nhanh một số bài

toán khó phần máy biến áp cụ thể với đề tài: Một số giải pháp giải nhanh các

dạng bài tập hay,lạ ,khó phần máy biến áp chương “Dòng điện xoay chiều “ vật lí 12

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Giúp học sinh nắm chắc kiến thức cơ bản tìm ra cách giải hay, kỹ năng giải nhanh các bài toán hay, lạ, khó rút ra các quy tắc, công thức để áp dụng cho các dạng bài tập này

- Rèn luyện khả năng tư duy, suy luận cho học sinh

- Rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức toán học để giải quyết các bài tập vật lý

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu về các phương pháp giải nhanh một số dạng bài toán máy biến áp - truyền tải điện năng đi xa

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đưa ra cơ sở lý thuyết, phát triển các bài toán khó từ các bài toán cơ bản.sử dụng phương pháp giải nhanh nhất để giải quyết bài toán phức tạp nhờ công cụ toán học

Sưu tầm và hệ thống các bài tập từ các đề thi thử của các trường,đề thi TH PTQG,đề minh hoạ và một số câu tự biên soạn, phân loại bài tập và hệ thống bài tập để các em học sinh tiếp thu có hệ thống nhằm giúp các em tiếp cận kiến thức dễ dàng hơn

Mỗi chủ đề bài tập đều được chia làm các phần cụ thể:

Phần 1: Các kiến thức cần nhớ

Phần 2: Bài tập ví dụ có lời giải

Phần 3: Bài tập áp dụng các em tự giải

1.5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

- Đưa ra hệ thống các bài tập hay, lạ, khó

- Sắp xếp theo mạch logich của các dạng bài từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp

- Đưa ra cách giải nhanh, có nhận xét ở một số dạng bài đặc biệt

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm

Thông qua giải BTVL các thao tác tư duy thường xuyên được rèn luyện, năng lực quan sát, trí nhớ, óc tưởng tượng, năng lực độc lập suy nghĩ…của HS không ngừng được nâng cao, biết phê phán, nhận xét đúng, tạo hứng thú, niềm say mê học tập…để cuối cùng tư duy của HS được rèn luyện và phát triển thường xuyên Trong hoạt động dạy học, HS là chủ thể hoạt động nhưng GV là người tổ chức, điều kiển để phát huy tối đa năng lực độc lập suy nghĩ của HS

2.1.1 Nội dung kiến thức về máy biến áp

a Định nghĩa

+ Máy biến áp là một thiết bị dùng để biến đổi

một dòng điện xoay chiều thành một dòng điện xoay

chiều khác cùng tần số nhưng có điện áp khác nhau

b Cấu tạo

+ Máy biến áp gồm hai cuộn dây dẫn, có số

vòng khác nhau quấn trên một lõi chung bằng thép

kỹ thuật (tôn silic) (xem hình a), các cuộn dây dẫn

thường bằng đồng bọc men cách điện, có điện trở nhỏ Lõi gồm nhiều lá thép mỏng, hình khung chữ nhật rỗng hoặc khung tròn rỗng, ghép sát và cách điện với nhau

c Nguyên tắc hoạt động

+ Hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Một

trong hai cuộn dây của máy biến áp, gọi là cuộn sơ cấp, được nối với mạch điện xoay chiều Cuộn thứ hai gọi là cuộn thứ cấp, được nối với tải tiêu thụ Dòng

điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trường biến thiên trong lõi chung Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp (cùng quấn trên lõi chung) tạo ra một suất điện động cảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp và gây ra một dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp và chạy trong tải tiêu thụ Dòng điện này có cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp

d Sự biến đổi điện áp và cường độ dòng điện qua máy biến thế.

+ Gọi N1, N2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và

cuộn thứ cấp (xem hình bên)

+ Khi nối cuộn sơ cấp với mạch điện xoay chiều

có điện áp dụng U1, dòng điện xoay chiều i1, trong cuộn

sơ cấp làm phát sinh một từ trường biến thiên điều hoà

tập trung trong lõi biến áp Tại mọi thời điểm từ thông 

qua mọi tiết diện của lõi có giá trị tức thời như nhau

Trong khoảng thời gian t rất nhỏ từ thông biến thiên gây ra ở mỗi cuộn dây sơ cấp là e N t







, còn ở cuộn thứ cấp là e ' N ' t







+ Từ đó suy ra

N

' N e

' e

 Mà e2 u2 i2r2 ,u1 e1 i1r1 nên

1

2 1 1 1

2 2 2

N

N r i u

r i u







(1)

1

2 2

+ Thông thường điện trở của cuộn sơ cấp là rất nhỏ nên điện áp u1 ở hai đầu cuộn sơ cấp có giá trị xấp xỉ bằng suất điện động e1

+ Nếu mạch thứ cấp hở thì điện áp u2 ở hai đầu cuộn thứ cấp có giá trị bằng suất điện động e2 Do đó:

N

' N e

' e u

' u



 (2) Điện áp và suất điện động ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp biến thiên điều hoà cùng pha, cùng tần số, nên ta có thể thay giá trị tức thời bằng giá trị hiệu dụng:

N

' N U

' U

+ Vậy tỉ số điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp bằng

tỉ số vòng dây của hai cuộn đó

Nếu N2 > N1 thì U2 > U1: máy biến áp là máy tăng áp

Nếu N2 < N1 thì U2 < U1: máy biến áp là máy hạ áp.

+ Khi mạch thứ cấp nối với tải tiêu thụ thành một mạch kín thì U2 < e2; tuy nhiên người ta vẫn sử dụng công thức (3) như một công thức gần đúng

+ Nếu dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng pha với điện áp thì công suất tiêu thụ ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là P1 = U1I1 và P2 = U2I2 Nếu coi những hao phí do các dòng Fucô trong lõi và do toả nhiệt trên các cuộn dây là nhỏ không đáng kể, thì điện năng qua máy biến áp được bảo toàn (có loại biến thế có hiệu suất đạt tới 99,5%), nghĩa là công suất ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp

là như nhau: P1 = P2, suy ra

N

' N U

' U ' I

I



Như vậy máy biến áp tăng hiệu điện thế lên bao nhiêu lần thì giảm cường

độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại

2.1.2 Ứng dụng của máy biến áp - Sự truyền tải điện năng

+ Máy biến áp được dùng để tăng, giảm điện áp của dòng điện xoay chiều, tạo ra những điện áp lớn nhỏ tuỳ ý từ lưới điện công nghiệp (lưới điện này chỉ cung cấp một điện áp nhất định)

+ Ứng dụng quan trọng nhất của máy biến áp là trong vấn đề truyền tải điện năng đi xa Ở nhà máy phát điện, người ta dùng máy tăng áp để đặt lên đường dây truyền tải một điện áp rất lớn (cao thế), do đó giảm được công suất hao phí trên đường dây; đến khu vực tiêu thụ người ta lại phải dùng máy hạ thế sao cho đến từng hộ sử dụng điện thì điện áp chỉ còn là điện áp thông dụng 110 (V) hay 220 (V) chẳng hạn

+ Điện năng được sử dụng ở mọi nơi, nhưng chỉ được sản xuất ở một số nhà máy phát điện lớn (thuỷ điện, nhịêt điện ) Vì vậy cần phải truyền tải điện năng đi xa, đến các nơi tiêu thụ điện Việc truyền tải điện năng bằng các dây dẫn phải thoã mãn yêu cầu: giảm hao phí điện năng ở các đường dây dẫn xuống mức thấp nhất và giảm được chi phí xây dựng ở đường dây truyền tải điện

+ Giả sử cần truyền tải một công suất điện P từ nhà máy điện bằng đường dây dẫn đến nơi tiêu thụ

+ Gọi U là điện áp hiệu dụng ở đầu đường dây truyền tải điện từ nhà máy phát điện và R là điện trở tổng cộng của các dây dẫn trên đường dây tải điện Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện là

U

P

I  Do hiệu ứng Jun-Lenxơ, công suất hao phí P trên đường dây do toả nhiệt bằng:

2 2 2

U

R P

R

I

P 

+ Trong công thức đó, công suất P có một giá trị không đổi (vì đó là công suất do nhà máy điện sinh ra mà ta cần truyền tải đi) Do đó muốn giảm công suất hao phí P phải giảm R hoặc tăng U, hoặc vừa giảm R vừa tăng U Trong thực tế không thể giảm R nhiều được, vì theo công thức

S

R  , có độ dài là l của dây (là độ dài của đường dây truyền tải điện) không thể giảm được, còn tăng tiết diện S của dây thì quá tốn kém (phải tăng khối lượng của dây dẫn và tăng chi phí xây dựng đường dây) Vậy biện pháp hầu như duy nhất đang được sử dụng rộng rãi là tăng điện áp U ở đầu đường dây tải điện Điều này thực hiện dễ dàng nhờ dùng máy biến áp (máy tăng áp) Dòng điện xoay chiều có điện áp

được tăng lên như vậy gọi là dòng điện cao thế Quãng đường phải truyền tải

điện càng dài thì điện áp càng phải cao Đến nơi tiêu thụ điện áp đó lại được giảm xuống đến mức cần thiết nhờ máy hạ áp

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

- Đối với những bài toán liên quan đến công suất hao phí khi điện năng được truyền tải từ nhà máy điện đến khu dân cư đa số học sinh rất lúng túng khi làm bài

- Đối với các bài tập phức tạp cần phải có kiến thức toán đề giải quyết như xác định điện áp ,hiệu suất ,cường độ dòng điện hầu như học sinh chưa giải quyết được

2.3 Giải pháp và tổ chức thực hiện

CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

Dạng 1: Bài toán cơ bản về máy biến áp khi bỏ qua điện trở thuần của các cuộn dây

Cơ sở lý thuyết

* Đây là bài toán thường gặp trong các đề thi đại học.

+ Công thức máy biến áp:

2

1 2

1

N

N U

U



+ Hiệu suất của máy biến áp mạch thứ cấp kín:













2 2 2 2

1 1 1 1 1

2

cos

cos





I U P

I U P P

P

Nếu xem cos   1 cos  2 thì

1 1

2 2

I U

I U

H 

+ Khi mạch thứ cấp kín và bỏ qua mọi hao phí:

2

1 1

2 2

1

% 100

N

N I

I U

U

H    

Một số ví dụ minh họa:

mạng điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng U1  220 V Cuộn thứ cấp gồm

vßng

50

2 

N Bỏ qua mọi hao phí ở máy biến áp

1) Xác định điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp

2) Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ thì dòng điện chạy qua qua cuộn thứ cấp là

 A

1 Hãy xác định dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp

Hướng dẫn giải

1) Áp dụng công thức của máy biến áp:

2

1 2

1

N

N U

U



+ Suy ra điện áp ở cuộn thứ cấp:  V

N

N U

1000

50 220

1

2 1

2) Khi mạch kín và bỏ qua mọi hao phí:

2

1 1

2 2

1

N

N I

I U

U





+ Dòng điện đi qua cuộn sơ cấp;  A

N

N I

1000

50 1

1

2 2

mạng điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng U1  240 V Cuộn thứ cấp nối với 20 bóng đèn giống nhau có kí hiệu 12 V 18 W mắc song song Biết các bóng đèn sáng bình thường và hiệu suất của máy biến áp 100 % Xác định số vòng dây của cuộn thứ cấp và cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp

Hướng dẫn giải

+ Cường độ dòng hiệu dụng điện qua mỗi bóng đèn:

 A U

P I

d

d

d 1 , 5

12

18





+ Cường độ dòng hiệu dụng điện qua cuộn thứ cấp:

 A I

I2  20 d  20 1 , 5  30

+ Vì hiệu suất 100 % nên:

2

1 1

2 2

1

N

N I

I U

U





- Số vòng dây cuộn thứ cấp 55vßng

1

2 1

U

U N N

- Dòng hiệu dụng qua cuộn sơ cấp:  A

U

U I

I 1 , 5

1

2 2

Ví dụ 3: Máy biến áp tự ngẫu dùng cho các tải có công suất nhỏ là một máy

biến áp chỉ có một cuộn dây Biến thế tự ngẫu trong hình vẽ có cuộn ab gồm

vßng

1000 Vòng dây thứ 320 kể từ a được nối với chốt c Người ta nối a, b với mạng điện xoay chiều thành phố (cuộn ab lúc này gọi là cuộn sơ cấp) và nối bc

với tải tiêu thụ thì dòng qua tải có cường độ hiệu dụng 10 A và hiệu điện thế hiệu dụng hai đầu tải là 149 , 6 V (đoạn bc lúc này gọi là cuộn thứ cấp) Tính

điện áp và dòng điện đưa vào biến áp Bỏ qua mọi hao phí trong biến áp

Hướng dẫn giải

+ Số vòng dây của cuộn sơ cấp: N1  1000vßng

+ Số vòng dây của cuộn thứ cấp:

vßng

680 320

1000

+ Vì bỏ qua mọi hoa phí nên:

2

1 1

2 2

1

N

N I

I U

U





- Hiệu điện thế hiệu dụng đưa vào máy biến áp:

 V N

N

U

680

1000 6 , 149

2

- Dòng hiệu dụng qua cuộn sơ cấp:  A

N

N I

1000

680 10

1

2 2

A’B’ gồm 1000 vòng dây để hở, được quấn cùng chiều và cùng

một phía khung sắt với cuộn sơ cấp AC Hai đầu cuộn sơ cấp mắc

vào nguồn điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng 200 V tần số

 Hz

50 bằng một sợi dây có điện trở thuần R điện áp

 V

U AC  100 , cường độ dòng hiệu dụng 0 , 1 A Biết điện trở thuần

của cuộn sơ cấp và thứ cấp không đáng kể Xem mạch từ là khép

kín và hao phí do dòng phu cô là không đáng kể (xem hình bên).

1) Xác định độ tự cảm của cuộn AC

2) Xác định điện trở R

3) Xác định điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp khi mạch hở

4) Nối B’ với điểm giữa B của cuộn sơ cấp và cắt đầu C ra khỏi mạch điện Nối đầu tự do của mạch (đầu vừa cắt khỏi C) với A’ Xác định điện áp hiệu

dụng trên R.

Hướng dẫn giải

1) Cảm kháng của cuộn AC: ( )

, I

U

L    1000 

1 0

100

,

 H ,  H

Z

100

1000















2) Mạch sơ cấp gồm R và L nên: 2 2 2 2

L

L R Z Z Z

R

Z     

1 , 0

200









I

U

Z nguån và Z L  1000  ( ), nên:

) ( )

(

3) Theo công thức của máy biến áp:

) V ( U

N

N '

U N

N U

'

U

AC S

t ' B ' A S

t AC

'

B

'

2000

1000









 Vậy điện áp hiệu dụng giữa hai điểm A’B’ là 50 V

4) Khi nối B với B’ và N với A’ thì dòng điện i’ đi trong cuộn A’B’ luôn ngược chiều và bằng về độ lớn với dòng điện i đi trong cuộn AB (xem hình vẽ)

Do đó các từ trường Bvà B' do chúng gây ra cũng ngược chiều và cùng độ lớn

B=-B ' Từ trường tổng hợp Bttrong lõi biến áp: Bt =B+B'=0

+ Vậy suất điện động cảm ứng trong cuộn dây ABB’A’:

















dt

dB NS dt

NSB d dt

d

+ Theo định luật ôm: u MN u MA u AN u R  e CU u R  0 u R nên điện áp hiệu dụng U R U MN  200 V

gồm N2  50 vòng dây Hai đầu cuộn sơ cấp mắc vào nguồn điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng 240 (V), còn hai đầu cuộn thứ cấp nối với mạch điện nối tiếp gồm tụ điện có điện dung biến thiên C và nam châm điện có điện trở

 

 131 , 2

R Biết điện trở thuần của cuộn sơ cấp và thứ cấp là không đáng kể Xem mạch từ là khép kín và hao phí do dòng phu cô là không đáng kể

1) Biết cường độ dòng hiệu dụng ở cuộn sơ cấp 0 , 275 A Xác định độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở cuộn thứ cấp và nhiệt lượng toả ra trên nam châm trong 2giê

2) Biết tần số dòng điện f  50 Hz , độ tự cảm của nam châm là

 H

L



5

1

 Xác định điện dung của tụ

3) Xác định C để điện ở cuộn sơ cấp cực đại, tính điện áp hiệu dụng ở hai bản tụ điện khi đó

Hướng dẫn giải

1) Ta có:

































) ( 66 , 0 275 , 0 50 120

) ( 100 240 120 50

1 2

1 2

1 1

2 2 1

2 1

2 1

2

A I

N

N I

V U

N

N U I

I N

N U

U

Tổng trở cuộn thứ cấp    151 , 5 

66 , 0

100 Z

2

2 2

I U

+ Độ lệch pha  giữa điện áp và dòng ở cuộn thứ cấp:

6 5

, 151

2 , 131 cos

2





Z

R

+ Nhiệt lượng toả ra trên nam châm trong 1 phút:

 J

, , Rt I

2) Cảm kháng của nam châm: ZL = L = 100   



5

1

Mà

 























































lo¹i 6

55 20 2 131 5

151

6 95 20 2 131 5

151

2 2

2 2 2

2 2

2 2 2 2

2

2

2

: , ,

, Z

R Z Z

, ,

, Z

R Z Z

Z Z

R

Z

L C

L C

C L

+ Điện dung của tụ là: ,  F

, Z

C

C

6

10 3 33 6 95 100

1









3) Khi dòng sơ cấp cực đại thì dòng thứ cấp cũng đạt cực đại, tức mạch thứ cấp cộng hưởng:

Z C Z

Z

C L

C

6

10 2 , 159 20 100

1 1

















+ điện áp hiệu dụng hai bản tụ: ,  V

, Z

R

U

2 131

100



của một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U

không đổi Biết các cuộn dây vòng thứ cấp tăng từ mức

1 đến mức 5 theo cấp số cộng Dùng vôn kế xoay chiều

lý tưởng đo điện áp hiệu dụng ở đầu ra của cuộn thứ

cấp thì thu được kết quả sau:

U U U U V U U Tính U