Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp hướng dẫn học sinh giải bài tập phần điện xoay chiều được nghiên cứu nhằm đảm bảo tốt việc thực hiện mục tiêu đào tạo môn Vật lý ở trường trung học (cung cấp cho học sinh những kiến thức phổ thông cơ bản, có hệ thống và tương đối toàn diện. Rèn luyện cho học sinh những kỹ năng cơ bản như: kỹ năng vận dụng các kiến thức Vật lý để giải những bài tập phần điện xoay chiều.
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI
Đơn vị : Trường THPT Sông Ray
Mã số: (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi)
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU
Người thực hiện: Phan Sĩ
Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN
Mô hình Đĩa CD (DVD) Phim ảnh Hiện vật khác
(các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm)
Năm học: 2014 -2015
Trang 2SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC
8 Nhiệm vụ được giao : Quản lí tổ bộ mơn , giảng dạy Vật lý khối 12 ,10
9 Đơn vị cơng tác: Trường THPT Sơng Ray
II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO
- Học vị cao nhất: Cử nhân
- Năm nhận bằng: 2005
- Chuyên ngành đào tạo: Sư phạm Vật Lý
III KINH NGHIỆM KHOA HỌC
- Lĩnh vực chuyên mơn cĩ kinh nghiệm:Vật Lý
Số năm cĩ kinh nghiệm: 10
- Các sáng kiến kinh nghiệm đã cĩ trong 5 năm gần đây:
+ Phương pháp giải nhanh bài tập chuyển hĩa năng lượng và định luật bảo tồn + Nghiên cứu thiết kế tài liệu điện tử hỗ trợ dạy học Vật lí 10 THPT
Trang 3PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN ĐIỆN
2/ Lý do chủ quan :
Trong những năm giảng dạy bộ môn Vật lý ở bậc trung học phổ thông, tôi nhận thấy: ở mỗi phần kiến thức đều có yêu cầu cao về vận dụng kiến thức đã học được vào giải bài tập Vật lý Vì vậy ở mỗi phần người giáo viên cũng cần đưa ra được những phương án hướng dẫn học sinh vận dụng kiến thức một cách tối ưu để học sinh có thể nhanh chóng tiếo thu và vận dụng dễ dàng vào giải các bài tập cụ thể:
Theo nhận thức của cá nhân tôi, trong việc hướng dẫn học sinh giải bài tập cần phải thực hiện được một số nội dung sau:
- Phân loại các bài tập của phần theo hướng ít dạng nhất
- Hình thành cách thức tiến hành tư duy, huy động kiến thức và thứ tự các thao tác cần tiến hành
- Hình thành cho học sinh cách trình bày bài giải dặc trưng của phần kiến thức đó Sau đây tôi nêu những suy nghĩ của cá nhân tôi trong việc hướng dẫn học sinh giải bài tập về phần dòng điện xoay chiều mà tôi đã áp dụng trong những năm qua để được tham khảo, rút kinh nghiệm và bổ sung
Đối tượng nghiên cứu
- Kiến thức: Phần dòng điện xoay chiều, và phương pháp vận dụng kiến thức trong việc giải các bài tập của phần này
- Đối với học sinh trung bình, yếu: Yêu cầu nắm vững kiến thức cơ bản, phương pháp giải và giải các bài tập đơn giản
- Đối với học sinh khá, giỏi: Yêu cầu áp dụng phương pháp giải vào bài tập khó, có tính chất nâng cao, vận dụng kiến thức một cách tổng hợp
Trang 4II CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN
* Trước khi thực hiện đề tài qua giảng dạy ở trường THPT Sông Ray, qua
tìm hiểu và trao đổi với đồng nghiệp tôi nhận thấy:
- Đa số học sinh ham mê học bộ môn Vật lí, nhưng khi làm các bài tập vật lí các em thường lúng túng trong việc định hướng giải, có thể nói hầu như các em chưa biết cách giải cũng như trình bày lời giải
Theo tôi, thực trạng nêu trên có thể do một số nguyên nhân sau:
+ Học sinh chưa có phương pháp tổng quan để giải một bài tập Vật lí, bài tập điện xoay chiều nói riêng
+ Học sinh chưa biết vận dụng liên kết các kiến thức
+ Nội dung cấu trúc chương trình sách giáo khoa mới hầu như không dành thời lượng cho việc hướng dẫn học sinh giải bài tập hay luyện tập, dẫn đến học sinh không có điều kiện bổ sung, mở rộng và nâng cao kiến thức cũng như rèn kỹ năng giải bài tập điện
* Cho nên từ thực tiễn tôi đưa ra giải pháp hướng dẫn học sinh giải bài tập phần điện xoay chiều nhằm mục đích sau :
1 Bài tập điện giúp cho học sinh ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức
Trong giai đoạn xây dựng kiến thức học sinh đã nắm được cái chung các khái quát của các khái niệm, định luật và cũng là các khái niệm trừu tượng Trong các bài tập 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 được những biểu hiện rất cụ thể của chúng trong thực tế và phạm vi ứng dụng của chúng Ngoài những ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật bài tập Điện giúp cho học sinh thấy được những ứng dụng muôn hình muôn vẻ trong thực tiễn của các kiến thức đã học
Bài tập vật lí là một phương tiện củng cố, ôn tập kiến thức sinh động Khi giải bài tập Điện học sinh phải nhớ lại các kiến thức đã học, có khi phải sử dụng tổng hợp các kiến thức của nhiều phần của chương trình
2 Bài tập có thể là điểm khởi đầu để dẫn đến kiến thức mới
Trang 5Nhiều khi bài tập được sử dụng khộo lộo cú thể dẫn học sinh đến những suy nghĩ về một hiện tượng mới hoặc xõy dựng một khỏi niệm mới để giải thớch hiện tượng mới do bài tập phỏt hiện ra
3.Giải bài tập điện rốn luyện kỹ năng, kỹ xảo, vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, rốn luyện thúi quen vận dụng kiến thức khỏi quỏt
Bài tập điện là một trong những phương tiện rất quý bỏu để rốn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, rốn luyện thúi quen vận dụng kiến thức khỏi quỏt đó thu nhận được để giải quyết cỏc vấn đề của thực tiễn
4 Giải bài tập điện là một trong những hỡnh thức làm việc tự lực cao của học sinh
Trong khi làm bài tập do phải tự mỡnh phõn tớch cỏc điều kiện của đầu bài,
tự xõy dựng những lập luận, kiểm tra và phờ phỏn những kết luận mà học sinh rỳt
ra được nờn tư duy của học sinh được phỏt triển năng lực làm việc tự lực nõng cao, tớnh kiờn trỡ được phỏt triển
5 Giải bài tập gúp phần làm phỏt triển tư duy sỏng tạo của học sinh
Cú nhiều bài tập điện khụng chỉ dừng lại trong phạm vi vận dụng những kiến thức đó học mà cũn giỳp bồi dưỡng cho học sinh tư duy sỏng tạo
6 Giải bài tập điện là một phương tiện để kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của học sinh
Giải phỏp tụi đưa ra hoàn toàn mới và đó ỏp dụng tại đơn vị
III/ TỔ CHỨC THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP
A/ Kiến thức cơ bản
I/ Kiến thức cơ bản:
1) Dòng điện xoay chiều, các giá trị hiệu dụng:
+ Khung dây dẫn diện tích S quay đều với vận tốc góc
trong từ tr-ờng đều cảm ứng từ B, sao cho trục khung vuông góc với cảm ứng từ B, từ thông qua khung biến thiên theo định luật cảm ứng điện từ trong khung có suất điện động cảm ứng xoay chiều: e =
Với E0 = NBS là biên độ của suất điện động
Nối hai đầu khung với mạch điện, trong mạch có hiệu
điện thế:
u = U0cos(t + u)
Trang 6Mạch kín, trong mạch có c-ờng độ dòng điện: i =
I0cos(t + i)
+ Hiệu điện thế biến đổi điều hoà theo thời gian gọi
là hiệu điện thế xoay chiều C-ờng độ dòng điện biến
đổi điều hoà theo thời gian gọi là c-ờng độ dòng điện xoay chiều
+ Chu kỳ T & tần số f của dòng điện xoay chiều:
2 0 I
T-ơng tự ta có hiệu điện thế hiệu dụng và suất điện
động hiệu dụng:
2 0 U
2 0 E
E 2) Mạch xoay chiều chỉ có điện trở thuần hoặc cuộn dây thuần cảm hoặc tụ điện:
+ Mạch xoay chiều chỉ có điện trở thuần R: c-ờng độ dòng điện và hiệu điện thế cùng pha
i = I0cos(t + 0) ) thì u = U0cos(t + 0) );
U0 = I0.R; U = I.R
+ Mạch xoay chiều chỉ có cuộn dây thuần cảm L: c-ờng
độ dòng điện trễ pha /2 so với hiệu điện thế (hay hiệu
điện thế sớm pha /2 so với c-ờng độ dòng điện
+ Mạch xoay chiều chỉ có tụ điện C: c-ờng độ dòng
điện sớm pha /2 so với hiệu điện thế (hay hiệu điện thế trễ pha /2 so với c-ờng độ dòng điện
u = U0cos(t + 0) thì i I cos( t )
2 0 0
3) Mạch xoay chiều RLC (nối tiếp):
Hiệu điện thế lệch pha so với c-ờng độ dòng điện
i = I0cos(t + 0) thì u = U0cos(t + 0+ ) Với u =
uR + uL + uC; U0 = I0.Z,
Trang 7U = I.Z; Z là tổng trở của mạch Z = 2 2
) (Z L Z C
) ( L C
R
C L
R
C L C L
U
U U U
U U R
* Đoạn mạch chỉ có R: uR & i cùng pha
* Đoạn mạch chỉ có L: uL sớm pha /2 so với i
* Đoạn mạch chỉ có C: uC trễ pha /2 so với i
* Đoạn mạch chỉ có L & C: ZL > ZC thì u sớm pha /2
so với i; ZL < ZC thì u trễ pha /2 so với i
* Đoạn mạch có ZL > ZC, ( UL > UC ) hay có tính cảm
kháng: thì > 0
* Đoạn mạch có ZL < ZC, ( UL < UC ) hay có tính dung
kháng: thì < 0
4) Giản đồ véc tơ : Chọn Ox là trục dòng điện
+ Với đoạn mạch chỉ có R hoặc L hoặc C :
x UL
L U
C
R U
L
U
C U
C
L U
U
R U U
Trang 8Ud = IZd ; với Zd = 2 2
L Z
+ Cộng h-ởng điện: Khi mạch RLC có ZL = ZC thì c-ờng
độ dòng điện trong mạch cực đại
6) Công suất của dòng điện xoay chiều :
+ Công suất tiêu thụ ở đoạn mạch: P = UIcos = I2R =
U2R/Z = UR I ;
+ Hệ số công suất :
I U
P U
U U
U Z
R cos
+ Th-ờng cos < 1 Muốn tăng hệ số công suất ng-ời
ta th-ờng mắc thêm tụ điện vào mạch
+ Điện năng tiêu thụ ở đoạn mạch : A = Pt
II/ Phương phỏp giải bài tập Vật lý: 4 bước
Bước 1: Túm tắt đầu bài, đổi đơn vị, vẽ hỡnh (nếu cú)
Bước 2: Phõn tớch đầu bài tỡm cỏch giải
Bước 3: Thực hiện giải
Bước 4: Biện luận và đỏp số
III/ Phõn dạng bài tập
Thực hiện giảng dạy bài tập về mạch điện xoay chiều mắc nối tiếp, tụi nhận thấy việc phõn dạng cỏc bài tập trong một chương, một phần kiến
thức và hướng dẫn học sinh thực hiện giải ở từng dạng Làm cho học sinh hiểu thờm về cỏch huy động kiến thức trong chương, trong phần đó học và
Trang 9làm cho học sinh biết cách vận dụng kiến thức đó trong những tình huống cụ thể của bài toán
Việc phân dạng các bài toán: Theo kinh nghiệm của cá nhân tôi, nên thực hiện phân loại theo cách giải của từng nhóm bài tập, Thực hiện phân dạng sao cho số dạng là ít nhất có thể để học sinh nắm được và dễ dàng nhận ra các dạng bài đó ở một bài tập cụ thể, hoặc ở trong một bài toán tổng hợp Việc phân dạng nên thực hiện theo hướng các dạng bài là đơn vị của bài toán tổng hợp Tôi đã thực hiện việc phân loại theo cách trên và vận dụng trong các năm qua và nhận thấy việc tiếp thu kiến thức và vận dụng kiến thức trong học tập được thuận lơi, dễ dàng hơn, giáo viên đạt hiệu quả cao trong giảng dạy
Theo suy nghĩ của tôi Các bài tập về dòng điện xoay chiều nên chia thành 4 dạng như sau:
Dạng1: Viết biểu thức của dòng điện và hiệu điện thế
Dạng 2: Vẽ giản đồ véctơ cho một đoạn mạch
Dạng 3: Tính các yếu tố của đoạn mạch
Dạng 4: Biện luận theo các yếu tố của đoạn mạch (Theo R, L, C, )
B/ Thực hiện phương pháp giải trong các bài toán cơ bản
Dạng 1: Viết biểu thức của dòng điện và hiệu điện thế
Bước 2: Xác định giá trị cực đại
Bước 3: Xác định độ lệch pha giữa u và i
Bước 4: Xác định pha của đại lượng yêu cầu và viết biểu thức
Chú ý:
+ Chọn đoạn mạch: (Là bước quan trọng nhất) Trong chương trình chỉ xét đoạn mạch mắc nối tiếp (Không phân nhánh) dòng điện trong các đoạn mạch Việc chọn đoạn mạch dựa vào hiệu điện thế đã cho hoặc cần tìm
+ Việc tính các giá trị cực đại dựa vào cách cho của đầu bài: Tính từ các giá trị hiệu dụng, tính bằng định luật Ôm, hiệu điện thế cực đại có thể tính bằng giản đồ vectơ
+ Việc tính độ lệch pha giữa hiệu điện thế và dòng điện ở một đoạn mạch có thể tính bằng công thức
Dấu của
+ Việc xác định pha của đại lượng yêu cầu có thể thực hiện nhờ biểu thức:
Trang 10Pha(u) – Pha(i) = hoặc Pha(u) – Pha(u) = Độ lệch pha giữa hai hiệu điện thế Cũng có thể sử dụng sự sớm hay trễ của u so với i để xác định
+ Để thuận lợi cho việc giải bài toán, nên tính trước ZL, ZC trước
Trường hợp 2: Biết biểu thức của hiệu điện thế ở các đoạn mạch viết biểu thức của hiệu điện thế ở đoạn mạch lớn hơn
Phương pháp giải: Vận dụng cách tổng hợp dao động điều hoà (Có thể dùng biến đổi lượng giác hoặc vẽ giản đồ vectơ)
VÝ dô 1: Cho ®o¹n m¹ch nh- h×nh vÏ
BiÕt u AB 200 2Cos100 t V
F C
H L
R
4 10
Z Z
pha
VËy biÓu thøc cña i lµ:
A t
VÝ dô 2: Cho ®o¹n m¹ch nh- h×nh vÏ:
AB ®-îc m¾c vµo 1 hiÖu ®iÖn thÕ XC th×
Trang 11337tanchoF4
10C
;H10
1L
b/ Hãy viết biểu thức của hiệu điện thế
giữa 2 đầu đoạn mạch AB?
Giải
Trong bài toán này đã biết biểu thức của hiệu điện thế ở đoạn mạch AM, để viết biểu thức của dòng điện trong mạch phải căn cứ vào đoạn mạch AM Vì đây là đoạn mạch không phân nhánh nên biểu thức dòng điện trong đoạn mạch AM cũng là biểu thức dòng điện trong đoạn mạch AB
Hướng dẫn học sinh giải bài toán tương tự ví dụ 1
Bài giải cụ thể như sau:
3t100
3 R
Z Z
3712t100u
Trang 12Ví dụ 3: Cho một đoạn mạch nối tiếp MNP được mắc vào một hiệu điện thế xoay chiều thì thấy: u MN 40 3Cos100 tV vµ u NB Cos t V
H·y t×m biÓu thøc cña hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a M vµ P?
Gi¶i Đây là bài toán về viết biểu thức của hiệu điện thế trên một đoạn mạch
trường hợp 2 Hướng dẫn học sinh chọn căn cứ để giải bài toán là:
Trong đoạn mạch nối tiếp có dòng điện xoay chiều vẫn được sử dụng:
uMP = uMN + uNP (hiÖu ®iÖn thÕ tøc thêi)
100 3
t Cos
t Cos
u MP lµ tæng hîp 2 dao động điều hoà cùng tần số Sử dụng bài toán tổng hợp dao động điều hoà ở phần dao động cơ đa học ở đây uMN vµ uNP lệch pha nhau /2 nên có thể dùng biến đổi lượng giác hoặc vẽ giản đồ vectơ để tìm biểu thức của uMP
Lời giải của bài toán như sau:
100 3
t Cos
t Cos
u MP
u MP cos100 t 40 cos100 t
6 cos
Dạng 2: Vẽ giản đồ vectơ
Bước 1: Chọn đoạn mạch
Bước 2: Vẽ các vectơ biểu diễn i, uR, uL, uC có trong đoạn mạch
Bước 3: Xác định cách cộng các vectơ liên quan
Bước 4: Từ giản đồ vectơ tính các đại lượng yêu cầu
Giản đồ vectơ của một đoạn mạch có tác dụng: Giúp tính được hiệu điện thế hiệu dụng ở một đoạn mạch, độ lệch pha giữa hiệu điện thế và dòng điện ở một đoạn mạch, độ lệch pha giữa hiệu điện thế ở các đoạn mạch (Độ lệch pha giữa 2 đại lượng dao động điều hoà được biểu diễn bằng góc hợp bởi 2 vectơ biểu diễn 2 đại lượng tương ứng)
Có 2 cách vẽ giản đồ vectơ:
Cách 1: Vẽ theo quy tắc hình bình hành: Biểu diễn các vectơ biểu diễn uR,
uL, uC có trong đoạn mạch trước rồi tìm cách cộng sau Cách này học sinh thuận lợi hơn trong việc tư duy giải bài toán bằng giản đồ vectơ vì đã có sẵn các vectơ cần cộng
Cách 2: Vẽ theo quy tắc đặt liên tiếp các vectơ: Cách này cần biết trước cách cộng các vectơ rồi vẽ các vectơ biểu diễn các hiệu điện thế uR, uL, uC theo thứ tự đã xác định được nên học sinh gặp khó khăn hơn trong tư duy, nhưng hình vẽ đơn giản hơn
Trang 13Tôi thường hướng dẫn học sinh theo cách 1 và giới thiệu cách thứ 2 để học sinh tự lựa chọn trong những trường hợp cụ thể
Chú ý:
+ Việc vẽ giản đồ vectơ (Đặc biệt là cách cộng các vectơ) cần hết sức linh hoạt trong tư duy nên cần hướng dẫn học sinh cách phân tích từ bài toán cụ thể để tìm ra yêu cầu của giản đồ vectơ rồi từ các đại lượng đã cho hoặc cần tìm để vẽ được giản đồ vectơ hợp lý và thuận lợi nhất cho việc giải ở từng bài toán cụ thể
+ Trong quá trình vẽ giản đồ vectơ cần phân tích để xác định trong bài toán là
UL lớn hơn hay nhỏ hơn UC để vẽ đúng được trường hợp giản đồ vectơ của bài Trường hợp không thể xác định được UL lớn hơn hay nhỏ hơn UC thì vẽ một trường hợp và biện luận các trường hợp có thể của giản đồ vectơ
Ví dụ 1: Cho mạch điện như hình vẽ:
C¸c v«n kÕ cã ®iÖn trë rÊt lín A vµ B
®-îc m¾c vµo hiÖu ®iÖn thÕ xoay
chiÒu cã biÓu thøc:
t V Cos
u AB 90 2 100
Thì thấy vôn kế V1 chỉ 120V, vôn kế
V2 chỉ 150V
a/ Hãy tính độ lệch pha giữa hiệu điện
thế uAB và dòng điện trong mạch
b/ Hãy tính các hiệu điện thế uR, uL, uC
Giải
Trong bài toán này ta chưa biết trở kháng của các yếu tố có trong đoạn mạch hoặc các hiệu điện thế trên các yếu tố đó, nên không thể dùng công thức để tính độ lệch pha giữa uAB và i, Cần hướng dẫn học sinh phát hiện được có thể tính được uAB
và i bằng giản đồ vectơ, và hướng dẫn học sinh tìm hiểu cách vẽ giản đồ vectơ cho đoạn mạch này trường hợp của giản đồ vectơ là UL lớn hơn hay nhỏ hơn UC và hướng dẫn học sinh từ giản đồ vectơ phát hiện được cách tính các đại lượng mà đầu bài yêu cầu
Lời giải cụ thể như sau:
3 120
90 U