Skkn giúp học sinh phân loại và giải một số bài tập khó thường gặp phần dòng điện không đổi vật lí lớp 11

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT YÊN ĐỊNH SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM GIÚP HỌC SINH PHÂN LOẠI VÀ GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP KHÓ THƯỜNG GẶP PHẦN DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI VẬT LÍ LỚP 11 Người thực hiện: Phạm Văn Dũng Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực (mơn): Vật lý THANH HỐ NĂM 2022 skkn MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 PHẦN NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lí luận 2.2 Thực trạng vấn đề 2 2.3 Những giải pháp sáng kiến 2.3.1 Bài tốn định luật Ơm cho tồn mạch 2.3.2 Bài tốn cực trị cơng suất điện chiều 2.3.3 Bài toán sử dụng phương pháp nguồn tương đương 2.4 Hiệu sáng kiến 10 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận 16 16 3.2 Kiến nghị 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 skkn PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Vật lý môn khoa học thực nghiệm, định luật, công thức vật lý xây dựng biểu thức toán học phù hợp với kết thực nghiệm Để xác định đại lượng vật lý, giải thích thay đổi đại lượng vật lý, giải thích tượng vật lý thiết phải dùng cơng thức tốn học hàm số sơ cấp, phép tính đạo hàm… Việc sử dụng phân loại phương pháp có ý nghĩa hiệu vào tốn vật lý chuyện khó học sinh phổ thông giáo viên trường Làm để học sinh hiểu phương pháp sử dụng để giải vấn đề quen thuộc, tiết kiệm thời gian vận dung linh hoạt vào tốn khó Trong năm qua việc thi Trung học phổ thông Quốc Gia môn Vật lý mơn thi trắc nghiệm học sinh chọn phương pháp cách giải nhanh điều hoàn toàn quan trọng định kết học sinh Ngồi trường phổ thơng, việc việc phát bồi dưỡng nhân tài cho đất nước nhiệm vụ khơng thể thiếu công tác bồi dưỡng học sinh giỏi trường THPT quan trọng Bồi dưỡng học sinh giỏi nhiệm vụ then chốt nhà trường, thành để tạo lòng tin với phụ huynh sở tốt để xã hội hoá giáo dục.  Từ năm học 2021-2022 thi học sinh giỏi cấp tỉnh tỉnh Thanh Hóa thi theo hình thức trắc nghiệm để thực mục tiêu kép vừa lựa chọn học sinh giỏi vừa tạo điều kiện cho em tiếp xúc với cách làm thi kỳ thi Tốt nghiệp THPT Trong chương trình lớp 11 phần dòng điện chiều lại quan trọng khó Do để giúp học sinh làm tốt định dạng toán điện chiều chọn đề tài “ Giúp học sinh phân loại giải số tập khó thường gặp phần dịng điện khơng đổi Vật lí lớp 11” để bồi dưỡng học sinh khá, giỏi Vật lí 11 Giúp học sinh nâng cao kiến thức, kỹ năng, tìm phương hướng học tập để học sinh yêu thích học môn Vật lý Mặt khác giúp cho thân tác đồng nghiệp bổ sung vào phương pháp dạy học mơn số học thực tiễn 1.2 Mục đích nghiên cứu Cung cấp cách tiếp cận việc giải số tốn khó thơng qua cách tiếp cận ví dụ minh họa Đưa phương pháp giải đơn giản, dễ hiểu, dễ làm nhằm nâng cao kĩ nắm bắt, vận dụng, tạo ứng thú đam mê cho học sinh với môn học Vật lý 1.3 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống kiến thức, kĩ giải tập phần dịng điện khơng đổi chương trình Vật lí lớp 11 Bài tập phần nâng cao bất đẳng thức số phương pháp giải nâng cao sách giáo khoa lớp 11 skkn Khảo sát học sinh việc áp dụng phương pháp kết đạt phương pháp Đề tài áp dụng cho lớp 11A2 11A3 lớp có chất lượng tương đương Lớp đối chứng 11A2 có 42 học sinh; lớp thực nghiệm 11A3 có 41 học sinh 1.4 Phương pháp nghiên cứu Sáng kiến kinh nghiệm trình bày tơi dựa theo luận khoa học hướng đối tượng, vận dụng linh hoạt phương pháp: quan sát, thuyết trình, vấn đáp, điều tra bản, kiểm thử, phân tích kết thực nghiệm sư phạm, phù hợp với học môn học thuộc lĩnh vực điện chiều lớp 11 PHẦN NỘI DUNG SÁNG KIẾN 2.1 Cơ sở lí luận Dựa vào chương trình vật lý THPT, chuẩn kiến thức kỹ giải tập định lượng Bộ GD &ĐT Cấu trúc đề thi học sinh giỏi Vât lý cấp tỉnh Sở GD &ĐT Thanh Hóa từ năm học 2021-202 Căn vào kết luận, đánh giá việc dạy, học bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý nhà trường Sự quan tâm đạo sâu sát kịp thời BGH nhà trường, giáo viên dạy xây dựng kế hoạch cụ thể lâu dài cho công tác bồi dưỡng HSG tổ BGH duyệt Nhằm đáp ứng nhu cầu học môn vật lý, đồng thời giúp em tự tin tham gia kỳ thi học sinh giỏi, tốt nghiệp THPT quốc gia Nâng cao hiệu dạy học môn Vật lý nói riêng mơn khoa học tự nhiên khác nói chung * Cơ sở tốn học - Tam thức bậc y = f(x) = ax2 + bx + c + a > ymin đỉnh Parabol + a < ymax đỉnh Parabol ( = b2 - 4ac) + Toạ độ đỉnh: x = - + Nếu  = phương trình y = ax2= bx + c = có nghiệm kép + Nếu  > phương trình có nghiệm phân biệt - Bất đẳng thức Cơsi: a+b2 (a, b dương) a+b+c3 (a, b, c dương) + Dấu xảy số + Khi Tích số khơng đổi tổng nhỏ số + Khi Tổng số không đổi, tích số lớn số 2.2 Thực trạng vấn đề skkn Các tốn Vật Lí có nhiều học sinh kể học sinh giỏi thường hay nhầm làm hiểu không sâu sắc vấn đề Các em học sinh khá, giỏi thích tìm tịi, khám phá Đặc biệt, tốn khó thường hấp dẫn với em Các em dễ nhàm chán khơng hứng thú với tốn dễ đơn giản, với sáng kiến giúp em học tốt Phần điện chiều phần hay khó đề thi thi học sinh giỏi thường hay khoét sâu vào toán vận dụng bất đẳng thức toán học để biện luận toán 2.3 Những giải pháp sáng kiến Với nội dung sáng kiến chọn số kết toán cụ thể để học sinh làm đơn giản rễ hiểu là: 2.3.1 Bài tốn định luật Ơm cho tồn mạch - Định luật ơm cho mạch kín: I = { Ei ) - Ej )} /{ + } Trong đó: Ei nguồn phát (dịng điện vào cực âm), E j nguồn thu (dòng điện vào cực dương) Ví dụ Cho mạch hình vẽ: nguồn có suất điện động E = 30V, điện trở r = ; R1 = 12 ; R2 = 36 ; R3 = 18 ; Điện trở Ampe kế dây nối khơng đáng kể a/ Tìm số Ampe kế chiều dịng điện qua b/ Thay Ampe kế biến trở R có giá trị biến đổi từ đến Tìm R4 để dịng điện qua R4 đạt giá trị cực đại Giải : a Vẽ lại mạch ta có: Mạch ngoài: (R2//R3) nt R1 A A R1 B R2 F R3 D B G R1 R2 D E, r E, r R23 = = 12 ; => Rn = R1 + R23 = 24 - Áp dụng định luật Ơm tồn mạch => dịng điện mạch chính: Ic = = = A => I1 = Ic = I23 => U23 = I23.R23 = => I2 = = Vậy Ampekế A; I3 = Ic – I2 = 12 = V = U = U3 A = IA A = 0,74A dịng điện có chiều từ D sang G skkn F R3 G b Khi thay Ampe kế biến trở R4: Ta có: Mạch ngồi: [(R3 nt R4) // R2] nt R1 R34 = R3 + R4 = 18 + R4 R234 = R4 R1 B R2 F R3 D = G E, r => Rn = R1 + R234 = 12 + = => Dòng điện mạch chính: Ic = = = = => HĐT U234 = Ic.R234 = I34 = U34/R34 = = = = U34 = U2 => = I3 = I4 Vậy: Để dịng điện qua R4 đạt cực đại (486 + 17R4) phải đạt cực tiểu => R4 = Nhận xét: Đây tốn định luật Ơm cho toàn mạch xem tất điện trở mạch ngồi Rn Khi ta áp dụng định luật ơm cho tồn mạch Ic = tốn trở nên đơn giản Ví dụ Cho mạch điện hình vẽ Nguồn điện có suất điện động E = 12V điện E,r trở r = 1Ω Các điện trở R1 = 3Ω, R2 = 6Ω, R3 = 9Ω a Tính cường độ dịng điện chạy tồn mạch chạy qua điện trở? b Tính cơng suất nguồn cơng suất toả nhiệt R1 điện trở ngồi? B R3 A C R2 Giải : Các điện trở mắc: ( R // R2 ) nt R3 R12 = = 2Ω Suy ra: RN = R12 + R3 = 11Ω Áp dụng định luật Ơm cho tồn mạch, ta có: = 1A Suy ra: I3 = I = 1A U12 = IR12 = 2V skkn Suy ra: = 2/3 A; I2 = I – I1 = 1/3 A b Công suất nguồn: Png = EI = 12W Cơng suất toả nhiệt điện trở ngồi: P1 = I12R1 = 4/3 W; P2 = I22R2 = 2/3W; P3 = I2R3 = 9W Nhận xét: Đây tốn định luật Ơm cho tồn mạch xem tất điện trở mạch R n Khi ta áp dụng định luật ôm cho toàn mạch là: Ic = ta cần nhớ thêm công suất nguồn Png = EI, cịn cơng suất tỏa nhiệt P = I2.R Ví dụ Cho mạch điện hình vẽ : E = 6V; r1=1Ω; r2=3Ω; R1=R2=R3=6Ω 1.Vơn kế V (điện trở lớn) 3V Tính suất điện động E2 2.Nếu đổi chỗ hai cực nguồn E2 vơn kế V bao nhiêu? E1,r1 R1 A V R3 B R2 E1,r1 + Điện trở toàn mạch I + I đến A rẽ thành hai nhánh: A I R1 I2 + UCD = UCA + UAD = -R1I1+ E1 – r1I1 = -3I ; -3I = E2,r2 C Giải : Tính suất điện động E2 + D D E2,r2 V C R3 B R2 => I = 1A, I = 3A Với I= 1A: E1 + E2 = ( R + r1 +r2 )I = => E2 = 2V Với I = 3A: E1 + E2 =8 *3 = 24 => E2 = 18V Đổi chỗ hai cực nguồn E2 vơn kế + Khi đổi chỗ hai cực hai nguồn mắc xung đối - Với E2 = 2V< E1 : E1 phát , E2 thu, dòng điện từ cực dương E1 ; UCD = UCA + UAD =6 -3I = 4,5V - Với E2 = 18V > E1: E2 nguồn, , E1 máy thu ; UCD = UCA + UAD = R1I1 + E1 +r1I = +3I = 10,5V Nhận xét: Ở tốn vơn kế có điện trở lớn nên khơng có dịng qua vôn kế nên ta áp dụng định luật ôm cho toàn mạch dạng tổng quát: skkn Với dấu (+) nguồn phát, dấu (-) ứng nguồn thu ta giải ý đề BÀI TẬP RÈN LUYỆN Bài 1: Cho mạch điện hình vẽ E = 12V, r = , R3 = R4 = Điện trở ampe kế nhỏ a K1 mở, K2 đóng, ampe kế A 3A Tính R2 b K1 đóng, K2 mở, ampe kế A1 2A Tính R1 c K1, K2 đóng Tìm số ampe kế Đáp số: a/ b/ c/ 4A, 2A Bài 2: Cho mạch điện hình vẽ RA = = 0, RV lớn, RMN = 12 R1 = Khi C M, ampe kế A 2,5A Khi C N vôn kế 24V a Tìm E, r số ampe kế A1 C M, N b Khi C di chuyển từ M đến N số máy đo thay đổi Đáp số: a/ 36V, 2,4 , 0, 3A K2 B A R3 E,r D R4 A1 R2 R1 K1 A C E, r M R1 V R C A N A1 2.3.2 Bài toán cực trị cơng suất điện chiều - Tính cơng, cơng suất: Áp dụng cơng thức tính cơng công suất - Biện luận: + Lập biểu thức đaị lượng cần tìm lớn nhất, nhỏ theo biến + Sử dụng lập luận sử dụng bất đẳng thức để giải là: - Bất đẳng thức Côsi: a+b2 (a, b dương) a+b+c3 (a, b, c dương) + Dấu xảy số + Khi Tích số khơng đổi tổng nhỏ số Khi Tổng số không đổi, tích số lớn số Ví dụ Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ E, r a Tìm R để cơng suất R lớn Tính cơng suất b Tính R để công suất tỏa nhiệt R P < P max HƯỚNG DẪN skkn A E, r R B a Tìm R để cơng suất mạch ngồi lớn tính cơng lớn (R = ? để PNmax ; PNmax = ?) Ta có : Cơng suất mạch ngồi PN = RI2 = PN = với Theo bất đẳng thức Cơ-si (Cauchy), ta có:  PNmax tức RN = r Dễ dàng tính PNmax = = Tóm lại : Khi RN = r PNmax = b Tìm giá trị R ứng với giá trị cơng suất tiêu thụ mạch ngồi xác định P (với P < Pmax = ) Từ P = RI2 =  Phương trình bậc ẩn R: PR2 – (E – 2Pr)R + Pr2 = Ta tìm hai giá trị R1 R2 thỏa mãn Chú ý : Ta có : R1.R2 = Nhận xét: Đây dạng tốn tổng qt R thay đổi khơng dịng điện khơng đổi mà điện xoay chiều thi THPTQG hay - PNmax = R = r - Tồn giá trị R R1 R2 để P theo viet ta có E, r Ví dụ Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ E = 12V, r = 5, R3 R1 R1 = 3, R2 = 6, R2 R3 biến trở Hình 2.a a Tính R3 để cơng suất tỏa nhiệt mạch ngồi lớn nhất? Tìm cơng suất b Tìn R3 để công suất tỏa nhiệt R3 lớn skkn HƯỚNG DẪN a Khi RN = r  R23 + R1 = r  R23 =2Ω  R3 = 3Ω PNmax = b Mạch hình 2.a tương đương với mạch hình 2.b A Với r’ = B E, r’ R3 + R2 = 7,875 Ω Vậy R3 = r’ = 7,875 Ω Hình 2.b PR3max = Ví dụ E, Cho mạch điện hình vẽ A E = 6V, r = r R1 = R3 = R4 = R5 = R1 R2 = 0,8 Rx có giá trị thay đổi R2 a Cho Rx = Tính số vơn kế trường hợp K đóng K mở b Tìm Rx để công suất tiêu thụ Rx nhận giá trị cực đại Giải : a Khi K mở Áp dụng định luật ôm: R1 R2 = 1,5A R5 R4 D = = 1,8V = 0,6A Uv = UAD = U12 + U34 = I.(R1 + R2) + I34(R3 + R4) = 3,9V = R3 B R3 b.Ta có D R4 Rx = I34 = I345 = Rx A UV = UAB = E – Ir = 4,75V Khi K mở U345 = I R5 E,r = 1,25 A = V B = skkn = )2Rx = Rx = ( = Áp dụng bất đẳng thức Cơ-si ta có: =2 Vậy Pmax Nhận xét: Ở toán tốn điển hình cơng suất mạch ngồi, tức ta đưa biểu thức công suất hàm có chứa R sau áp dụng bất đẳng thức Cơ-si: a+b2 (a, b dương) Trong đó: tích a.b khơng cịn chứa biến Nhận xét: Đây dạng tốn tổng quát R thay đổi dịng điện khơng đổi mà điện xoay chiều thi THPTQG hay - PNmax = A E, r B R R = r - Tồn giá trị R R1 R2 để P theo viet ta có BÀI TẬP RÈN LUYỆN E, r Bài Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ E = 12V, r = 5, R R1 = 3, R2 = 6, R1 R3 biến trở a Cho R3 = 12 Tính cơng suất tỏa nhiệt R3 R2 b Tìm R3 để cơng suất tiêu tỏa nhiệt nguồn lớn nhất? c Tính R3 để cơng suất tỏa nhiệt mạch ngồi lớn nhất? Tìm cơng suất d Tìn R3 để công suất tỏa nhiệt R3 lớn Bài Cho mạch hình vẽ E=12V,E ,r=2Ω, R1=4Ω, R2=2Ω r Tìm R3 để: a Cơng suất mạch ngồi lớn nhất, tính giá trị Đ1 b Cơng suất tiêu thụ R3=4,5W R1 B A c Công suất tiêu thụ R3 làAlớn Tính cơng suất R1 Đ R2 R2 R3 Bài Cho mạch hình vẽ E=12V, r=2Ω, R1=4Ω, R2=2Ω Tìm R3 để: skkn B Hình a Cơng suất mạch ngồi lớn nhất, tính giá trị b Cơng suất tiêu thụ R3=4,5W c Công suất tiêu thụ R3 lớn Tính cơng suất Bài Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ E = 12V, r = 2 a Cho R = 10 Tính cơng suất tỏa nhiệt R, nguồn, công suất nguồn, hiệu suất nguồn A B E, r R b Tìm R để cơng suất R lớn nhất? Tính cơng suất đó? c Tính R để cơng suất tỏa nhiệt R 36W Bài Một mạch điện kín gồm nguồn điện suất điện động ξ = 3V, điện trở r = 1Ω nối với mạch ngồi biến trở R, điều chỉnh R để cơng suất tiêu thụ R đạt giá trị cực đại Khi R có giá trị là: A 1Ω B 2Ω C 3Ω D 4Ω Bài Một mạch điện kín gồm nguồn điện suất điện động = 6V, điện trở r = 1Ω nối với mạch biến trở R, điều chỉnh R để công suất tiêu thụ R đạt giá trị cực đại Công suất A.36W B.9W C.18W D.24W 2.3.3 BÀI TỐN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGUỒN TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỂ GIẢI TOÁN ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.3.3.1 LÝ THUYẾT a TH1: Có n nguồn giống mắc song song: b.TH2: Nguồn điện tương đương nguồn e2;r2 e1;r1 nối tiếp: en;rn B A + Nếu có điện trở R ghép nối tiếp với nguồn (e;r) nguồn là: 2.3.3.2 BÀI TỐN TỔNG QT Cho mạch điện hình vẽ, nguồn có suất điện động I1 A I2 e1;r1 e2;r2 điện trở tương ứng (e1;r1); (e2;r2); (en;rn) In skkn en;rn B Để đơn giản, ta giả sử nguồn có cực dương nối với A trừ nguồn (e2;r2) Tìm suất điện động điện trở nguồn coi A B hai cực nguồn điện tương đương Giải - Giả sử nguồn điện tương đương có cực dương A, cực âm B Khi ta có: - Điện trở nguồn tương đương: - Để tính eb, ta tính UAB Giả sử chiều dịng điện qua nhánh hình vẽ (giả sử nguồn nguồn phát) - Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch: - Tại nút A: I2 = I1 + I3 + + In Thay biểu thức dịng điện tính vào ta phương trình xác định UAB: - Biến đổi thu được: Vậy (1) * Quy ước dấu cho cơng thức (1): Tính theo chiều hiệu điện thế: - Nếu gặp cực dương nguồn trước lấy dấu dương - Nếu gặp cực âm nguồn trước lấy dấu âm - Nếu tính eb < cực nguồn tương đương ngược với điều giả sử - Nếu tính I