SKKN hệ thống kiến thức và đổi mới việc dạy học phần điện xoay chiều trong chương trình vật lý phổ thông

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH NINH BÌNHTRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TỤY SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN SÁNG KIẾN: HỆ THỐNG KIẾN THỨC VÀ ĐỔI MỚI VIỆC DẠY HỌC PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG CHƯƠNG TR

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH NINH BÌNH

TRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TỤY

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN SÁNG KIẾN:

HỆ THỐNG KIẾN THỨC VÀ ĐỔI MỚI VIỆC DẠY HỌC PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT

LÝ PHỔ THÔNG(DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ LUYỆN THI ĐẠI HỌC)

Tác giả sáng kiến : ĐOÀN XUÂN HUỲNH Đơn vị công tác : TỔ VẬT LÝ

Ninh Bình, Tháng 05 năm 2014

1

SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN

Kính gửi: Hội đồng sáng kiến tỉnh Ninh Bình

Tôi (chúng tôi) ghi tên dưới đây:

Số Họ tên tác giả Ngày sinh Nơi công Chức Trình độ Tỉ lệ (%)

tạo ra sáng kiến

Là tác giả đề nghị xét công nhận sáng kiến: "Hệ thống kiến thức và đổi mới việc

dạy học phần điện xoay chiều trong chương trình vật lý trung học phổ thông”

- Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: phần học điện xoay chiều trong chương trình

Vật lý trung học phổ thông

- Mô tả bản chất của sáng kiến:

 Hiện trạng trước khi áp dụng giải pháp mới:

Một là, kiến thức phần điện xoay chiều trong chương trình vật lý phổ

thông chưa được hệ thống hóa một cách đầy đủ Các em học sinh thường gặp khó

khăn trong việc phân tích, tổng hợp kiến thức các bài tập vật lý phần học quan

trọng này

Hai là, việc giải các bài toán điện xoay chiều thường gặp nhiều khó khăn

trong việc xây dựng được hệ thức từ đó để tính toán Thông thường là viết các hệthức liên hệ hoặc vẽ giản đồ véctơ theo cách truyền thống, điều này đôi khi dẫntới việc không xây dựng được hệ thức đúng, khó khăn trong biến đổi, xử lýkhông nhanh gọn để đi tìm đáp án cuối cùng cho bài toán

Ba là, với yêu cầu giải nhanh và hiệu quả bài toán điện xoay chiều của đề

thi tốt nghiệp, đại học giải pháp cũ nặng về việc biến đổi mà không vận dụngđược một công cụ mạnh của toán học phù hợp

 Mục đích của giải pháp: đưa ra một cái nhìn tổng thể và đầy đủ về cácdạng toán cũng như cách thức mới hiệu quả hơn để giải bài toán điện xoay chiều mộtcách hiệu quả và đơn giản Nâng cao chất lượng dạy và học

Thứ nhất, trong nội dung của sáng kiến kinh nghiệm, tác giả trình bày việc

đổi mới trong việc hệ thống kiến thức và phân loại các dạng toán thường gặptrong điện xoay chiều cũng như phương pháp giải các bài tập của mỗi dạng toán.Đồng thời cho ví dụ điển hình để các em học sinh có thể áp dụng ngay để khắcsâu kiến thức

Thứ hai, trong khuôn khổ của sáng kiến tác giả trình bày việc đổi mới

trong việc tiếp cận để quyết bài toán điện xoay chiều một cách đơn giản và cóhiệu quả giúp các em phát triển nhanh về tư duy, chắc về kiến thức, vững về kĩnăng qua đó đạt được hiệu quả cao trong dạy và học

Thứ ba, vận dụng sáng tạo kiến thức toán học trong việc giải quyết những

bài toán điện xoay chiều bằng việc sử dụng kiến thức toán về véctơ và số phức

Trong nội dung của sáng kiến, tác giả hệ thống hóa kiến thức phần điệnxoay chiều thành 10 dạng kiến thức giúp các em học sinh dễ nắm bắt, thuận lợitrong việc ghi nhớ Bên cạnh đó tác giả đưa ra các ví dụ và bài tập cho mỗi dạngvới 15 ví dụ và bài tập điển hình giúp các em học sinh tự rèn luyện để khắc sâukiến thức

3

SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy

Dạng 1: Đại cương về dòng điện xoay chiều

Dạng 2: Viết biểu thức điện áp tức thời và dòng

Dạng 3: Xác định các đại lượng liên quan đến

Dạng 4: Ghép tụ điện

Dạng 5: Đại lượng liên quan đến điện áp hiệu dụng và số chỉ của vôn kế.

Dạng 6: Bài toán biến thiên (cực trị)

Dạng 7: Thời gian đèn sáng hay tắt trong 1 chu kì:

Dạng 8: Bài toán hộp kín

Dạng 9: Máy phát điện xoaychiều

Dạng 10: Máy biến áp và truyền tải điện năng

Trong nội dung của sỏng kiến, tỏc giả đưa ra vấn đề đổi mới việc dạy

và học phần điện xoay chiều với sơ đồ như sau:

ĐỔI MỚI VIỆC DẠY HỌC PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU

Đổi mới cỏch giải bài toỏn

điện xoay chiều bằng

phương phỏp giản đồ vộc tơ

Đổi mới cỏch giải bài toỏn điện xoay chiều bằng phương phỏp số phức

Cỏch vẽ

giản đồ

vộctơ

Một số Trường hợp thường gặp:

Kháiniệm về

số phức

để giải bài toán mạch

điện xoay chiều

- Đối tượng ỏp dụng sỏng kiến: Sỏng kiến này cú thể ỏp dụng cho tất cả cỏcđối tượng là học sinh lớp 12 ụn thi tốt nghiệp THPT, ụn thi cao đẳng, đại học, đồng thờicũng cú thể ỏp dụng cho cỏc em học sinh giỏi lớp 11, 12 tham gia dự thi học sinh giỏi cấptỉnh và học sinh giỏi quốc gia Sỏng kiến này cũng cú thể dựng như một tài liệu dành chogiỏo viờn THPT trong việc bồi dưỡng kiến thức cho học sinh về phần điện xoay chiều

- Cỏc điều kiện cần thiết để ỏp dụng của sỏng kiến:

Dễ ỏp dụng trong thực tiễn Cỏc thầy cụ giỏo và cỏc em học sinh cần sử dụng tài liệu là bản sỏng kiến mà tỏc giả trỡnh bày để tự hệ thống lại kiến thức và

5

SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy

nắm bắt các dạng bài Đồng thời có thể sử dụng kết hợp với sách giáo khoa và

các sách tham khảo khác

- Đánh giá lợi ích thu được do áp dụng sáng kiến:

Dựa trên kết quả học tập của học sinh về phần học điện xoay chiều, sau một năm

thực hiện sáng kiến này, tác giả đã đánh giá về số liệu và thu được kết quả (làm

tròn về tỉ lệ) như sau:

Trước khi áp dụng sáng kiến:

Tỉ lệ học sinh các lớp đại trà hiểu và giải quyết được vấn đề:

Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh

không thể giảiquyết các bài tập quyết các bài tập

quyết các bài tập

khó

Tỉ lệ học sinh các lớp chuyên hiểu và giải quyết được vấn đề:

Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh

không thể giảiquyết các bài tập quyết các bài tập

quyết các bài tập

khó

Sau khi áp dụng sáng kiến này:

- Tỉ lệ học sinh các lớp đại trà hiểu và giải quyết vấn đề:

Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh

không thể giảiquyết các bài tập quyết các bài tập

quyết các bài tập

khó

- Tỉ lệ học sinh các lớp chuyên hiểu và giải quyết vấn đề:

Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh giải Tỉ lệ học sinh

không thể giảiquyết các bài tập quyết các bài tập

quyết các bài tập

khó

học sinh giỏi Kết quả các em học sinh tham dự các kì thi học sinh giỏi từ độiHSG trường, HSG tỉnh tới đội tuyển HSG Quốc gia đã có những thành tíchđáng khích lệ:

6

SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy

Kết quả thi HSG Thi HSG lớp 12 cấp tỉnh

- Nhiều năm tham gia dạy đội tuyển HSG tỉnh lớp 12 các em thi đạt kết quả tốt, đóng góp chung vào thành tích giáo dục của nhà trường

Thi HSG Casio THPT cấp tỉnh

Nhiều năm liền đội tuyển Casio của trường, mà tác giả trực tiếp hướngdẫn, dẫn đầu thành tích trong toàn tỉnh Các em học sinh tham dự đạt giải vớithành tích cao:

- Năm học 2011 -2012: 15 học sinh dự thi thì cả 15 em đạt giải: 2 nhất, 5 nhì, 4 ba, 4 kk

- Năm học 2012 -2013: 15 học sinh dự thi thì cả 15 em đạt giải: 2 nhất, 6 nhì, 7 ba

- Năm học 2013 -2014: 10 học sinh dự thi thì 10 em đạt giải: 3 nhất, 4 nhì, 2

ba, 1kk

Thi HSG quốc gia:

Tác giả có tham gia và trực tiếp giảng dạy các em học sinh trong đội tuyển quốc gia Số lượng giải trong ba năm thực nghiệm sáng kiến

- Năm học 2010 – 2011: 4/6 em đạt giải

- Năm học 2011 – 2012: 5/6 em đạt giải

- Năm học 2012 – 2013: 6 / 6 em đều đạt giải

- Năm học 2013 - 2014: 4/6 em có giải: 1 Nhì, 1 Ba, 2 KK

(1 em được dự thi và được bằng khen của kì thi Olimpic Châu á)

Thi HSG Casio cấp khu vực:

- Năm học 2011 – 2012: 3/3 em đạt giải (1 Nhất, 1 Ba, 2 KK)

- Năm học 2012 – 2013: 4/4 em đều đạt giải (1 Nhất, 4 Ba)

- Năm học 2013 - 2014: (4/4) em có giải: (1 Nhì, 1 Ba, 2 KK)

Kết quả thi tốt nghiệp, đại học - cao đẳng:

Trong đề thi tôt nghiệp THPT, thi đại học và cao đẳng, các câu hỏi vềđiện xoay chiều chiếm tỉ lệ lớn và có nhiều câu phân loại điểm khá giỏi (đề thiđại học có khoảng 11 đến 15 câu hỏi trên tổng số 50 câu hỏi của cả đề thichiếm tỉ lệ đến gần 30% dung lượng của đề thi) Sau một năm áp dụng sángkiến này bằng việc hướng dẫn, cung cấp tài liệu với nội dung mà sáng kiếntrình bày cho học sinh và một số đồng nghiệp cùng áp dụng Kết quả là hầu hếtcác em làm tốt các câu hỏi của phần học điện xoay chiều, nhiều em dành điểmtuyệt đối cho phần thi này Tỉ lệ đỗ đại học là 100% (75% đỗ nguyện vọng 1 và25% đỗ nguyện vọng 2)

 Hiệu quả kinh tế: Việc tính toán để đưa ra một con số cụ thể về lợi íchkinh tế mà sáng kiến bên ngành giáo dục nói chung và sáng kiến mà tác giả trình bày nóiriêng thực sự rất khó khăn Tuy nhiên với những lợi ích mà sáng kiến mang lại như:

- Tiết kiệm được nhiều thời gian và công sức tìm tòi tài liệu của giáo viên

và học sinh trong giảng dạy và học tập môn Vật lí nói chung và phần học điện xoay chiềunói riêng

- Tiết kiệm được nhiều chi phí mua tài liệu, sưu tầm tài liệu

- Tiết kiệm tiền mà học sinh phải học thêm

- Tiết kiệm được tiền mời thầy tập huấn cho đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia

Như vậy, hiệu quả kinh tế là có thể xác nhận được dù không phải bằng một con

SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy

PHỤ LỤC

I Hệ thống kiến thức chương điện xoay chiều

I.1 Dạng 1: Đại cương về dòng điện xoay chiều

1 Khái niệm dòng điện xoay chiều: Dòng điện có cường độ biến thiên

tuần hoàn theo thời gian theo quy luật hàm sin hay cosin i I 0 cos( t )

2 Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều:

dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

3 Chu kì và tần số của khung:

T 2

; f 1

T

* Mỗi giây đổi chiều 2f lần

* Nếu i = hoặc i = thì chỉ giây đầu tiên đổi chiều 2f – 1 lần.

+ : Vận tốc góc không đổi của khung dây

b Biểu thức của suất điện động cảm ứng tức thời:

t2

c Biểu thức của điện áp tức thời: u U0 c os( t u )

d Biểu thức của cường độ dòng điện tức thời trong mạch:

10

Lưu ý: Tụ điện không cho dòng điện không đổi đi qua; dung kháng cản

1

+ Hệ số công suất cực đại cos = 1

+ Công suất cực đại P = U2

+ u L và u C đồng thời lệch pha 2 so với u ở hai đầu đoạn mạch.

6 Cơng suất của mạch điện xoay chiều:

a Cơng suất: + Cơng suất thức thời: P = ui = Ri2

11

+ Công suất trung bình: P = UIcos = RI2

b Hệ số công suất: cos = R U R

Bài 1: Mạch điện gồm điện trở R 6( ); cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm

(H ) và tụ điện có điện dung C

i 5 2 cos(100 t)(A)

a) Tính tổng trở, viết biểu thức hiệu điện thế hai đầu mạch

b) Viết biểu thức các hiệu điện thế tức trên từng phần tử u R ,u L ,u C

c) Tính công suất và hệ số công suất của mạch

u 60 2 cos(100 t )(V ) 3

u AB 100 2cos(100 t)(V ) vào hai đầu đoạn

b) Tính điện áp hiệu dụng ở hai bản tụ, ở hai đầu cuộn dây

c) Viết biểu thức hiệu điện thế ở hai đầu tụ điện, ở hai đầu cuộn dây

ĐS: Z MB 50 5( );Z 50 2( ); U C 50 2(V ) ; U MB 158,1(V)

12

i 2 cos(100 t - )( A) ; u C 100cos(100 t 3

)(V )

I.2 Dạng 2: Viết biểu thức điện áp tức thời và dòng điện tức thời

a Cho i viết u: Nếu i I0 cos( t i ) thì u U0 cos( t i )

b Cho u viết i: Nếu u U0 cos( t u ) thì i I0 cos( t u )

c Cho u viết u khác phải thông qua biểu thức i (hoặc tổng hợp giống

dđđh)

* Mạch chỉ có điện trở thuần R: u R cùng pha với i

* Mạch chỉ có cuộn thuần cảm L: u L nhanh pha hơn i là

b) Viết biểu thức hiệu điện thế tức thời u AE ,u AB

Bài 2: Mạch điện gồm điện trở R 10( ); tụ điện có điện dung C và cuộn thuần

cảm có độ tự cảm L Đặt điện áp xoay chiều: u AB 100 2 cos(100 t)(V )

thì cường độ dòng điện trong mạch trễ pha so

với u AB một góc và sớm pha so với

4

u AM một góc 4

a) Viết biểu thức cường độ dòng điện chạy trong mạch

b) Viết biểu thức điện áp u AM , u MB

Hình 6

13

ĐS: i 10cos(100 t )(A) ; u AM 100 2cos(100 t )(V )

I.3 Dạng 3: Xác định các đại lượng liên quan đến

Cộng hưởng: u và i cùng pha

ZL=ZC

( 0 ); cos 1; Imax; Pmax

U1 và u2 cùng pha ( 1 2 ) tan 1 tan 2Lệch pha bất kì tan( 1 2 )

1. Hai đoạn mạch AM gồm R1L1C1 nối tiếp và đoạn mạch MB gồm R2L2C2

nối tiếp mắc nối tiếp với nhau

Nếu có UAB = UAM + UMB u AB ; u AM và u MB cùng pha tanu AB = tanu AM =

Trường hợp đặc biệt = (vuông pha nhau) thì tan 1.tan 2 = - 1 2

Mạch điện ở hình 1 có u AB và u AM lệch pha nhau

Ở đây 2 đoạn mạch AB và AM có cùng i và u AB chậm pha hơn u AM

14

* Mạch điện ở hình 7: Khi C = C1 và C = C2 (giả sử C1 > C2) thì i1 và i2 lệch pha nhau

Ở đây hai đoạn mạch RLC1 và RLC2 có cùng u AB

Gọi1và 2 là độ lệch pha của u AB so với i 1 và i 2

thì có 1 > 2 1 - 2 =

1 tan 1 t an 2

3. Liên quan độ lệch pha:

4 Xét đoạn mạch AB như hình vẽ (7) Nếu : AM– AB =tan AM tan AB

dây thuần cảm Đặt vào hai đầu đoạn mạch Hình 8

AB hiệu điện thế:u AB 100 2 cos(100 t)(V ) Biết rằng cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch có cùng một giá trị khi K đóng và khi K mở

a) Tính L và cường độ dòng điện hiệu dụng

b) Lập biểu thức của cường độ tức thời của dòng điện khi K mở và khi K đóng

+ Phân biệt ghép thêm vào và thay tụ C1 bằng C2.

+ Thường tìm Cb trước rồi suy ra cách ghép và tìm C2 Áp dụng:

Bài 1: Cho sơ đồ mạch điện:

16

Viết biểu thức i và hiệu điện thế tức thời u AN

ĐS: U R U L 60(V );U C 140(V )

R 30( );C 4,55.10 5 (F); L 0,096(H )

i 2 2 cos(100 t 0,927)(A);u AN 120cos(100 t 1,712)(V )

I.6 Dạng 6: Bài toán biến thiên (cực trị)

1 Mạch RLC có R biến thiên: a Tìm R để P max :

Chú ý: Nếu bài toán tìm R để Pcdmax hay PRmax (Prmax) thì phân tích Pr = rI2, để

Prmax thì R = 0 Lúc đó suy ra Prmax

Cho đoạn mạch xoay chiều như hình vẽ:

u AB U 2 cos( t ) không đổi Cuộn dây Hình 12

thuần cảm, L, C cho trước Điện trở R biến thiên từ 0

a) Tìm R để công suất toàn mạch đạt cực đại

b) Tìm R để mạch đạt công suất Po cho trước

Để P đạt cực đại thì mẫu số

(Z L

Z

C

)2đạt cực tiểu

17

Theo bất đẳng thức Cô si:

U4 4.P o (Z L Z C )2

- Nếu 0 P o

P

max pt vô nghiệm

Cho đoạn mạch xoay chiều như hình vẽ:

u AB U 2 cos( t ) không đổi Cuộn dây

có điện trở thuần, r, L, C cho trước

Hình 13

Điện trở R biến thiên từ 0

a) Tìm R để công suất toàn mạch đạt cực đại

b) Tìm R để công suất trên điện trở R đạt cực đại

Giải

a) Công suất tiêu thụ toàn mạch: P I2 (R r)

U 2 (R r) (R r)2 (Z L Z C )2Chia cả hai vế cho (R + r) ta được:

U 2

P

(R r) (Z L Z

C )2

18

C

)2đạt cực tiểu Theo bất đẳng

1: Cho đoạn mạch gồm điện trở thuần R có thể thay đổi được, cuộn dây

thuần cảm L 1 (H ); tụ điện có điện dung (F ) mắc nối tiếp Đặt vào hai

đầu đoạn mạch một hiệu điện thế: u 100

a) Xác định R để công suất trên mạch đạt 40 W

b) Tìm R để công suất tiêu thụ trên mạch đạt cực đại Tính công suất cực

đại đó

c) Giả sử cuộn dây có điện trở là r 10( ) :

- Tìm R để công suất toàn mạch đạt cực đại Tính công suất cực đại đó

- Tìm R để công suất trên điện trở R đạt cực đại Tính công suất cực đại đó

và U RLmax Z L2 Z C Z L R2 0

4R2 Z C2 Z C

Để U RL không phụ thuộc vào giá trị của R thì: Z C = 2Z L

f Với hai giá trị của cuộn cảm L 1 và L 2 mạch có cùng công suất thì dung kháng thỏa mãn:

1 + ; 1 1

d Khi C = C 1 hoặc C = C 2 mà U C có cùng giá trị thì U Cmax khi

Lưu ý: Dùng khi mạch có R và C mắc liên tiếp nhau.

Để U RC không phụ thuộc vào giá trị của R thì: Z L = 2Z C

f Với hai giá trị của tụ điện C 1 và C 2 mạch có cùng công suất (hoặc

Tụ điện có điện dung biến thiên

Điều chỉnh điện dung của tụ đến

giá trị C thì hiệu điện thế hiệu dụng

Hình 15

ở hai đầu tụ đạt cực đại U C max

a) Tính C và U C max

b) Viết biểu thức i và u AN

i 1,2cos(100 t)(A); u AN 120 5 cos(100 t 0,32)(V ) 4

Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ:

b) Khi C C1 thì vôn kế V1 chỉ giá trị cực đại Tính C1

c) Khi C C2 thì vôn kế V2 chỉ giá trị cực đại Tính C2

* Với = 1 hoặc = 2 thì I hoặc P hoặc UR có cùng một giá trị thì Imax hoặc

Pmax hoặc URmax khi 1 2 tần số f f1 f2

2

LC

HỆ QUẢ:

1 Với = 1 hoặc = 2 thì I hoặc P hoặc UR có cùng một giá trị thì

Imax hoặc Pmax hoặc URmax khi = 0 = R ωR2 ω1ω2

2 = 1 hoặc = 2 U1C = U2C < UCmax

ωC2

1 2 2

Áp dụng:

Bài 1: Một đoạn mạch không phân nhánh gồm điện trở thuần R 80( ) và một cuộn

dây có điện trở thuần r 20( ) , độ tự cảm L 0,318(H )

và một tụ điện có

điện dung Hiệu điện thế xoay chiều giữa hai đầu đoạn mạch có giá

trị hiệu dụng U = 200 V, có tần số f thay đổi được và pha ban đầu bằng 0

a) Khi f = 50 Hz, hãy viết biểu thức của hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện

b) Với giá trị nào của f thì hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai cực tụ điện có giá trị

cực đại ?

ĐS: u C 400cos(100 t )(V ); 385(rad / s) f 61(Hz)

I.7 Dạng 7: Thời gian đèn sáng hay tắt trong 1 chu kì:

Đặt điện áp u = U0cos(2 ft + u) vào hai đầu bóng M2 M1đèn huỳnh quang, biết đèn chỉ sáng lên khi điện áp tức thời

2 Điện lượng qua tiết diện dây dẫn

+ Điện lượng qua tiết diện S trong thời gian t là q với: q = i.t

+ Điện lượng qua tiết diện S trong thời gian từ t1 đến t2 là Δq:q:

q t2i d t

t

1

I.8 Bài toán hộp kín

Tính độ lệch pha x của hiệu điện thế giữa hai đầu hộp kín so với i

C 15,9( F)

 Nếu hộp kín chỉ có một phần tử:

24