Dùng mối liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều giải một số bài tập liên quan đến đại cương về dòng diện xoay chiều

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁTRƯỜNG THPT NGUYỄN THỊ LỢI SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM DÙNG MỐI LIÊN HỆ GIỮA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA VÀ CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN ĐẠI CƯ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT NGUYỄN THỊ LỢI

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

DÙNG MỐI LIÊN HỆ GIỮA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA VÀ CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN ĐẠI CƯƠNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Người thực hiện: Đỗ Trọng Trang Chức vụ: Giáo viên

Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Thị Lợi SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lý

THANH HOÁ NĂM 2021

MỤC LỤC

PHẦN I MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục đích nghiên cứu

3 Đối tượng nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

PHẦN II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 1 Cơ sở lý luận

2 Thực trạng và giải quyết vấn đề

3 Hiệu quả ………

………

PHẦN III KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ……….………

1 1 2 2 2 3 3 6 15 15

1 PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Theo thời gian, sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng đạt được những thành tựu to lớn, những kiến thức khoa học ngày càng sâu và rộng lớn Khoa học

kỹ thuật đã có những tác động quan trọng góp phần làm thay đổi bộ mặt của xã hội loài người, nhất là những ngành khoa học kỹ thuật cao Cũng như các môn khoa học khác, Vật lý học là bộ môn khoa học cơ bản, làm cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng mới ngày nay Sự phát triển của vật lý học dẫn tới sự xuất hiện nhiều ngành kỹ thuật mới: kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, tự động hóa và điều khiển học,công nghệ thông tin Do có tính thực tiễn, nên bộ môn Vật lý ở các trường phổ thông là môn học mang tính hấp dẫn Tuy vậy, vật lý là một môn khoa học khó vì cơ sở của nó là toán học Bài tập vật lý rất đa dạng và phong phú Trong phân phối chương trình số tiết bài tập lại hơi ít so với nhu cầu cần củng cố kiến thức cho học sinh Chính vì thế, người giáo viên phải lam 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 trong 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 học sinh nắm được dạng bài và phương pháp sẽ giúp cho học sinh nhanh chóng giải được bài Chúng ta

đã biết rằng trong chương trình vật lý lớp 12, bài tập về điện xoay chiều là rất phức tạp và khó Qua quá trình dạy học, tôi nhận thấy học sinh thường rất lúng túng trong việc tìm cách giải các dạng bài tập này

Dòng điện xoay chiều là một dao động điện từ cưỡng bức, đổi chiều liên tục hàng trăm lần trong một giây, làm từ trường do nó sinh ra cũng thay đổi theo Chính điều dó đã làm cho dòng điện xoay chiều có mốt số tác dụng to lớn mà dòng điện một chiều không có Dó đó mà dòng điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong thực tế cuộc sống

Chương “ Dòng điện xoay chiều” là một trong những chương quan trọng của chương trình vật lý 12 Việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức để giải các

bài tập định tính, bài tập định lượng của chương này đối với học sinh thật không dễ dàng Chính vì vậy, đề tài sẽ giúp học sinh có một hệ thống bài tập, có phương pháp giải cụ thể của từng dạng với hướng dẫn giải chi tiết từng bài, từ đó học sinh

có thể hiểu rõ hơn về chương “ Dòng điện xoay chiều “ Đồng thời thông qua việc giải bài tập, học sinh có thể được rèn luyện về kỹ năng giải bài tập, phát triển tư duy sáng tạo và năng lực làm việc của bản thân

Xuất phát từ thực trạng trên, qua kinh nghiệm dạy học, tôi chọn đề tài

“Dùng mối liên hệ giữa Dao động điều hòa và chuyển động tròn đều giải một số bài tập liên quan đến đại cương về dòng diện xoay chiều” Đề tài này giúp cho

sinh khắc sâu những kiến thức lý thuyết, có một hệ thống bài tập và phương pháp giải chung, giúp các em có thể nắm được cách giải, từ đó chủ động vận dụng các phương pháp này trong khi làm bài tập Từ đó học sinh có thêm kỹ năng về cách giải các bài tập vật lý, cũng như giúp các em học sinh có thể nhanh chóng giải các bài toán trắc nghiệm về bài tập điện xoay chiều phong phú và đa dạng

1 2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng hệ thống bài tập, hướng dẫn phương pháp giải các dạng bài tập của chương “Dòng Điện Xoay Chiều” Từ đó vạch ra tiến trình hướng dẫn hoạt động dạy học ( gồm hoạt động của giáo viên và hoạt động của học sinh) nhằm giúp học sinh nắm vững kiến thức về chương này, trên cơ sở đó học sinh có thể tự lực vận dụng kiến thức để giải các bài tập cùng dạng theo phương pháp đã đưa ra

1 3 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu chương trình vật lý trung học phổ thông, một số sách tham khảo vật lý 12 về phần “Dòng điện xoay chiều”

- Học sinh khối 12 trường THPT Nguyễn Thị Lợi

1 4 Phương pháp nghiên cứu

- Lựa chọn các dạng bài tập trong sách giáo khoa, sách bài tập, sách tham khảo phù hợp với nội dung kiến thức của chương

- Nghiên cứu lý luận dạy học về bài tập vật lý để vận dụng vào hoạt động

2 NỘI DUNG

2.1 Cơ sở lý luận của Sáng kiến kinh nghiệm

2.1.1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều là dòng có cường độ là hàm số sin hay côsin của thời gian: i I c 0 os( t+ ) i

Trong đó: I0 >0 được gọi là giá trị cực đại của dòng điện tức thời;

  được gọi là tần số góc;0

t2 /  được gọi là chu kì của i;

f 1/T gọi là tần số của i

ti

gọi là pha của i Điện áp xoay chiều là điện áp biến thiên theo hàm số sin hay côsin của thời gian: u U c 0 os( t+ u)

Độ lêch pha giữa điện áp so với dòng điện qua mạch:   u  i Độ lệch pha này phụ thuộc vào tính chất của mạch điện

Biểu thức điện áp tức thời: Nếu nối hai đầu khung dây với mạch ngoài thành mạch kín thì biểu thức điện áp tức thời mạch ngoài là: u=e-ir

Tổng quát : ( u là pha ban đầu của điện áp )

2.1.2 Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi

từ thông qua mạch gọi là dòng điện cảm ứng

Giả sử có một mặt phẳng diện tích S được đăt trong từ trường đều B Vẽ vectơ pháp tuyến n của S Chiều của n có thể chọn tùy ý Góc hợp bởi B và n



kí hiệu là  Ta đặt  BSc os

Đại lượng  được gọi là cảm ứng từ thông qua diện tích S, gọi tắt là từ thông qua điện tích S

Trong mạch điện kín có dòng điện thì trong mạch sẽ tồn tại suất điện động

Ta gọi suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín là suất điện

) cos( 0

0   



e E t u

) cos(

0 t u

U

u    

động cảm ứng Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ

Cho một cuộn dây dẫn dẹt kín hình tròn, quay đều với tốc độ góc  quanh một trục định đồng phẳng với cuộn dây đặt trong một từ trường đều B có phương vuông góc với trục quay Khi đó cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện xoay chiều Gỉa sử tại thời điểm ban đầu, pháp tuyến của mặt khung và từ trường hợp với nhau một góc  , đến thời điểm t, góc hợp bởi giữa chúng là (t), từ thông qua mạch là:  NBScos ( t + ) 

Theo định luật Faraday ta có:

d

 Nếu vòng dây kín va có điện trở R thì dòng điện cưỡng bức trong mạch:

N BS

R



N BS I

R





ta được i I 0sin ( t+ )  Trong một chu kỳ T dòng điện xoay chiều đôi chiều 2 lần, trong mỗi giây dòng điện xoay chiều đổi chiều 2f lần

2.1.3 Cách tạo ra suất điện động xoay chiều:

Cho khung dây dẫn phẳng có N vòng , diện tích S quay đều với vận tốc , xung quanh trục vuông góc với với các đường sức từ của một từ trường đều có cảm ứng từ Theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo định luật dạng cosin với thời gian gọi tắt là suất điện động xoay chiều:

2.1.4 Từ thông gởi qua khung dây :

B 

)

e

-Từ thông gửi qua khung dây dẫn gồm N vòng dây có diện tích S quay trong

từ trường đều Giả sử tại t=0 thì : -Biểu thức từ thông của khung:

.cos o.cos

(Với = L I và Hệ số tự cảm L = 4.10-7 N2.S/l )

- Từ thông qua khung dây cực đại ; là tần số góc bằng tốc độ quay của khung (rad/s)

Đơn vị : + : Vêbe(Wb);

+ S: Là diện tích một vòng dây (S: );

+ N: Số vòng dây của khung

+B

: Véc tơ cảm ứng từ của từ trường đều B:Tesla(T) (B vuông góc với trục quay )

+: Vận tốc góc không đổi của khung dây

( Chọn gốc thời gian t=0 lúc ( n B , )



 

00) -Chu kì và tần số của khung :

;

T





2.1.5 Suất điện động xoay chiều:

- Biểu thức của suất điện động cảm ứng tức thời: e =

0

2

t



 



e=E 0 cos(t+ 0 ) Đặt E 0 = NBS :Suất điện động cực đại ;

Đơn vị :e,E0 (V)

2.1.6 Độ lệch pha giữa điện áp u và cường độ dòng điện i:

Đại lượng : gọi là độ lệch pha của u so với i

Nếu >0 thì u sớm pha (nhanh pha) so với i

Nếu <0 thì u trễ pha (chậm pha) so với i

Nếu =0 thì u đồng pha (cùng pha) so với i

2.1.7 Giá trị hiệu dụng:

0 NBS

  



2

m

2

0





  

i

u 



  







Dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng toả nhiệt như dòng điện một chiều.Xét về mặt toả nhiệt trong một thời gian dài thì dòng điện xoay chiều

tương đương với dòng điện một chiều có cường độ không đổi có

cường độ bằng

"Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện không đổi,nếu cho hai dòng điện đó lần lượt đi qua cùng một điện trở trong những khoảng thời gian bằng nhau đủ dài thì nhiệt lượng toả ra bằng nhau.

Nó có giá trị bằng cường độ dòng điện cực đại chia cho ".

Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều:

- Giá trị hiệu dụng : + Cường độ dòng điện hiệu dụng:I =

0

2

I

+ Hiệu điện thế hiệu dụng: U =

0

2

U

+ Suất điện động hiệu dụng: E =

0

2

E

*Lý do sử dụng các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều:

- Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta không cần quan tâm đến các giá trị tức thời của i và u vì chúng

biến thiên rất nhanh, ta cần quan tâm tới tác dụng của nó trong một thời gian dài

- Tác dụng nhiệt của dòng điện tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện nên không phụ thuộc vào

chiều dòng điện

- Ampe kế đo cường độ dòng điện xoay chiều và vôn kế đo điện áp xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt

của dòng điện nên gọi là ampe kế nhiệt và vôn kế nhiệt, số chỉ của chúng là cường

độ hiệu dụng và điện

áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều

) cos(

0 t i

I

i   

2

0

I

2

2.1.8 Nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong thời gian t nếu có dòng điện xoay chiều i(t) = I 0 cos(t +  i ) chạy qua là:

Q = RI2 t

2.1.9 Công suất toả nhiệt trên R khi có DĐXC chạy qua :

2.2 Thực trạng và giải quyết vấn đề

2.2.1.Dùng mối liên hệ giữa dao động điều hoà và chuyển động tròn đều.

bán kính U0 , quay ngược chiều kim đồng hồ với tốc độ góc ,

- Có 2 điểm M ,N chuyển động tròn đều có hình chiếu lên Ou là u, thì:

+ N có hình chiếu lên Ou lúc u đang tăng (thì chọn góc âm phía dưới) ,

+ M có hình chiếu lên Ou lúc u đang giảm (thì chọn góc dương phía trên)

=> vào thời điểm t ta xét điện áp u có giá trị u và đang biến đổi :

- Nếu u theo chiều âm (đang giảm) ta chọn M rồi tính góc

- Nếu u theo chiều dương (đang tăng) ta chọn N và tính góc:

2.2.1.1 Dòng điện xoay chiều i = I 0 cos(2ft +  i )

* Mỗi giây đổi chiều 2f lần

* Nếu cho dòng điện qua bộ phận làm rung dây trong hiện tượng sóng

dừng thì dây rung với tần số 2f

U

u

O

M'2

M2

M'1

M1

-U1 Sáng Sáng

Tắt

Tắt

-U0 O u U0 u

N M

0

u = U cos(ωt+φ)t + φ)



0

ˆ

NOU

 

2.2.1.2 Công thức tính thời gian đèn huỳnh quang sáng trong một chu kỳ

Khi đặt điện áp u = U0cos(t + u) vào hai đầu bóng đèn, biết đèn chỉ sáng

lên khi ≥ U1 Gọi là khoảng thời gian đèn sáng trong một chu kỳ

- Thời gian đèn tắt trong một chu kì:

*) Trong khoảng thời gian t=nT:

- Thời gian đèn sáng: ;

- Thời gian đèn tắt:

2.2.2 Vận dụng mối liên hệ giữa Dao động điều hòa và chuyển động tròn đều giải một số bài tập liên quan đến đại cương về dòng diện xoay chiều

tính bằng V, t tính bằng s) có giá trị và

giá trị là

A 100V B

Hướng dẫn:

Dùng mối liên quan giữa dddh và CDTD , khi t=0 , u ứng với CDTD ở C Vào thời điểm t , u= và đang giảm nên ứng với CDTD tại M với Ta có :

C’ M

0,5I0 I0 cos

O B

C M’

4





 

1 ˆ 0

   M OU

1 0

cos U

U



 

s

t T t

t   



s

s n t

t  

s t

t n t t t

t    

200 2 cos(100 )

2

100 2V

1

300s

100 3 V

100 2 V



Suy ra t=600.0,02/3600=1/300s Vì vậy thêm u ứng với CDTD ở B với =600 Suy ra u=

Đáp án: C

1) và i2 = Iocos(t + 2) đều cùng có giá trị tức thời là 0,5Io, nhưng một dòng điện đang giảm, còn một dòng điện đang tăng Hai dòng điện này lệch pha nhau một góc bằng

A B

C D

Hướng dẫn: Dùng mối liên quan giữa dddh và chuyển

động tròn đều :Đối với dòng i1 khi có giá trị tức thời

0,5I0 và đăng tăng ứng với chuyển động tròn đều ở M’ , còn đối với dòng i2 khi có giá trị tức thời 0,5I0 và đăng giảm ứng với chuyển động tròn đều ở M Bằng công thức lượng giác ở chương dao động cơ , ta có :

suy ra 2 cường độ dòng điện tức thời i1 và i2 lệch pha nhau

Đáp án: B

điểm t2 = t1 + t thì i = i2 = ? (Hoặc Ở thời điểm t1 cho u = u1, hỏi ở thời điểm t2 = t1

+ t thì u = u2 = ?)

2.2.2.1 Phương pháp giải nhanh: Về cơ bản giống cách giải nhanh của dao động điều hòa.

 Tính độ lệch pha giữa i1 và i2 :  = .t

B C’ M

Δ U0 cos

O B

C

100 2

200 2

u

U











1

300s

ˆ

BOM  100 2 V

6

5 

3

2 

6



3

4 

3



'

3



2 3



Hoặc tính độ lệch pha giữa u1 và u2 :  = .t

 Xét độ lệch pha:

+ Nếu (đặc biệt)

i2 và i1 cùng pha  i2 = i1

i2 và i1 ngược pha  i2 = - i1

i2 và i1 vuông pha 

+ Nếu  bất kỳ: dùng máy tính :

 Quy ước dấu trước shift:

dấu (+) nếu i1

dấu (-) nếu i1

Nếu đề không nói đang tăng hay đang giảm, ta lấy dấu +

cường độ i = i1 = -2A và đang giảm, hỏi ở thời điểm t2 = t1 + 0,025s thì i = i2 = ?

Vì i1 đang giảm nên chọn i2 = -2 (A)

Ví dụ 5: (ĐH- 2010) Tại thời điểm t, điện áp điện áp

có giá trị (V) và đang giảm Sau thời điểm đó , điện áp này có giá trị là bao nhiêu?

2 2 2

1 2 0

i  i  I

1

2 0

0

i

i I cos shift cos

I

    

 

i 4cos 20 t (A)  

2



2 2 2 2 2

i i 4 2 i 16 i 2 3(A)

       

3

4

SHIFT MODE

2

4 cos shift cos 2 3

4 2

     

 

 

 

   i 2  2 3(A)

u 200 2 cos 100 t (V)

2



    

100 2

1

300s

Vẽ vòng tròn lượng giác sẽ thấy: Với u1 = V thì u2 = - V

Bấm nhập máy tính:

Ví dụ 6: (CĐ 2013): Điện áp ở hai đầu một đoạn mạch là u=160cos100 t(V) (t

tính bằng giây) Tại thời điểm t1, điện áp ở hai đầu đoạn mạch có giá trị là 80V và đang giảm đến thời điểm t2=t1+0,015s, điện áp ở hai đầu đoạn mạch có giá trị bằng

t2 = t1+ 0,015 s = s;  u2 = 160cos100πtt2 =160cos πt = =

(V).Chọn B.

Nhìn hình vẽ thời gian quay 3T/4 (ứng góc quay 3 /2)

M2 chiếu xuống trục u

=> u= V

u(V)

-160

M2

O

+

ᴫ/3

80 160

M1

3ᴫ/2

t1

Hình vẽ

100 2 100 2

4

SHIFT MODE

100 2

200 2 cos shift cos 141(V) 100 2(V)

3

200 2

   

  

   



1 0

u U

1



3

300 5,5

300

5,5 3

3 160

2 80 3

80 3