skkn hệ thống bài tập vuông pha trong chuyên đề dao động cơ và dòng điện xoay chiều

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN TRƯỜNG THPT DƯƠNG QUẢNG HÀM - - - - - - - - - SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HỆ THỐNG BÀI TẬP VUÔNG PHA TRONG CHUYÊN ĐỀ DAO ĐỘNG CƠ VÀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Lĩnh vực : Chuyên môn Vật lý Người thực hiện : NGUYỄN THANH TUẤN Chức vụ : Giáo viên môn Vật lý Đơn vị: Trường THPT Dương Quảng Hàm Năm học : 2013 – 2014 Trang 1 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc BẢN CAM KẾT I. TÁC GIẢ Họ và tên: NGUYỄN THANH TUẤN Ngày sinh: 26/10/1978 Giáo viên môn Vật Lý Đơn vị công tác: Trường THPT Dương Quảng Hàm II. TÊN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Tên SKKN: Hệ thống bài tập vuông pha trong chuyên đề dao động cơ và dòng điện xoay chiều III. NỘI DUNG CAM KẾT Tôi xin cam kết sáng kiến kinh nghiệm này là của bản thân tôi viết, không sao chép nội dung của người khác. Sáng kiến kinh nghiệm này đã áp dụng thành công trong giảng dạy tại trường THPT Dương Quảng Hàm. Văn Giang, ngày 2 tháng 4 năm 2014 Người cam kết (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Thanh Tuấn Trang 2 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đọc lập - Tự do - Hạnh phúc ******************** SƠ YẾU LÍ LỊCH Họ và tên : Nguyễn Thanh Tuấn Năm sinh : 26/10/1978 Năm vào ngành : 2001 Năm vào Đảng : 2004 Dân Tộc : Kinh Đơn vị công tác : Trường THPT Dương Quảng Hàm Chức vụ : Tổ phó Tổ Lý – Hoá Trình độ chuyên môn : Đại học Sư phạm Bộ môn giang dạy : Vật lý Trang 3 A MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Trong quá trình giảng dạy môn Vật lý ở trường THPT, đặc biệt là quá trình ôn luyện cho học sinh giỏi và các kì thi Đại học, chuyên đề bài tập vuông pha là một chuyên đề hay và khá quan trọng nên các bài tập vuông pha thường có mặt trong các kì thi quốc gia . Với hình thức thi trắc nghiệm hiện nay thì việc giải nhanh các bài tập Vật lý là yêu cầu hàng đầu của người học, yêu cầu tìm ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất, không những giúp người học tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn luyện được tư duy và năng lực phát hiện vấn đề của người học. Trong thực tế phần bài tập vuông pha nằm trải rộng ở ba chương là : dao động cơ,dòng điện xoay chiều, dao động và sóng điện từ, tài liệu viết riêng cho chuyên đề vuông pha còn rất ít,nguồn tư liệu để giáo viên nghiên cứu còn hạn chế do đó nội dung kiến thức và kĩ năng giải các bài tập vuông pha cung cấp cho học sinh chưa được nhiều .Vì vậy khi gặp bài toán vuông pha các em thường lúng túng, mất nhiều thời gian trong việc tìm ra phương pháp giải phù hợp. Qua quá trình tìm tòi nghiên cứu trong các năm tôi đã hệ thống hoá công thức , xây dựng phương pháp giải dạng bài tập vuông pha cho học sinh một các dễ hiểu,lô gic,tránh được lúng túng,cho kết quả nhanh và chính xác trong các kì thi. Trên cơ sở đó ,tôi mạnh dạn chọn đề tài: Hệ thống bài tập vuông pha trong chuyên đề dao động cơ và dòng điện xoay chiều Giới hạn của đề tài : Nội dung ,kiến thức trong chương trình vật lí 12 với đề tài này xét 2 chương + Dao động cơ + Dòng điện xoay chiều 2 Phương pháp tiến hành a. Cơ sở lí luận Trang 4 Bài tập vật lí có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học vậ lí ở nhà trường phổ thông .Thông qua việc giải tốt các bài tập vật lí, các học sinh sẽ có được những kĩ năng so sánh, phân tích tổng hợp ….Do đó sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển tư duy học sinh.Đặc biệt bài tập vật lí giúp học sinh củng cố kiến thức có hệ thống cũng như vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết tình huống cụ thể làm cho bộ môn trở nên hấp dẫn, lôi cuốn các em hơn. b Cơ sở thực tiễn + Hiện tại sách giáo khoa không trình bày chi tiết cụ thể về phần bài toán vuông pha nên học sinh không thể tự tổng hợp được các bài toán định lượng + Trong các đề thi quốc gia bài tập vuông pha thường hay được lựa chọn ,học sinh xử lí bài tập mất nhiều thời gian c Phương pháp tiến hành + Tìm hiểu, đọc,phân tích ,tổng hợp các tài liệu,các đề thi thử đại học các trường trong và ngoài tỉnh, đề thi đại học các năm của Bộ Giáo dục và Đào tạo + Tổng hợp kinh nghiệm giảng dạy,ôn thi đại học cao đẳng trong các năm học + Từ học hỏi kinh nghiệm của các đồng nghiệp trong các đợt tập huấn ,hội thảo sinh hoạt tổ nhóm chuyên môn + Tổng hợp kết quả bài thi đại học các năm môn Vật lí các lớp của học sinh lớp 12 trường THPT Dương Quảng Hàm. d Đối tượng và thời gian tiến hành nghiên cứu đề tài + Đối tượng : Đề tài được áp dụng với học sinh khối 12 Trường THPT Dương Quảng Hàm + Thời gian : thực hiện đề tài từ năm học 2012 – 2013 Trang 5 B NỘI DUNG I MỤC TIÊU + Nhận biết được dấu hiệu chung của bài toán vuông pha + Xây dựng công thức trọng tâm cụ thể trong các chương : dao động cơ ,dòng điện xoay chiều ,dao động điện từ + Chỉ ra mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý, vận dụng giải nhanh bài tập vật lí,đặc biệt là bài tập trắc nghiệm + Xây dựng hệ thống bài tập minh hoạ + Thông qua đề tài rèn luyện kĩ năng ,kĩ xảo thực hành giải bài tập,phát triển tư duy tính sáng tạo của học sinh II MÔ TẢ NỘI DUNG GIẢI PHÁP MỚI 1. Cơ sở lí thuyết: + Dao động điều hoà ,các đại lượng đặc trưng + Các đại lượng đặc trưng ,mối quan hệ về pha : cùng pha ,ngược pha ,vuông pha + Trong dao động điều hoà các cặp giá trị (v và x ) ,( a và v ) ,(F và v) vuông pha nhau + Trong dòng diện xoay chiều (suất điện động e và từ thông Φ ) vuông pha nhau + Trong các mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần L , tụ điện C ,mạch dao động LC thì cường độ dòng điện vuông pha so với điện áp hai đầu mạch. + Trong mạch xoay chiều có chứa RL hoặc RC thì u R vuông pha so u L hoặc u C + Trong mạch xoay chiều RLC nối tiếp ,cuộn dây thuần cảm thì u R vuông pha so u LC + Sự tương tự giữa các đại lượng trong dao động cơ , dòng điện xoay chiều ,dao động và sóng điện từ + Phương trình chính tắc của đường elip trong toán học Trang 6 Như vậy lý thuyết về vuông pha rất phức tạp ,trải dài trong cả ba chương của học kì I môn Vật lý lớp 12 . Sách giáo khoa Vật lý 12 không xây dựng công thức chi tiết ,bài tập rất nghèo nàn ,không thể hiện được mối định lượng giữa các đại lượng. Sau đây tôi xin trình bày một phương pháp mới ,xây dựng định lượng các công thức vuông pha và hệ thống các bài tập minh hoạ. 2 Mô tả nội dung giải pháp mới 2.1 Dấu hiệu chung để nhận biết vuông pha Hai thời điểm vuông pha : t 2 – t 1 = ( ) 4 12 T k + ⇒ 22 2 2 1 Axx =+ Hai đại lượng x,y vuông pha : 1 2 max 2 max =         +         y y x x 2.2. Xây dựng các các công thức 2.2.1 Chương dao động cơ a - Từ 2 2 2 A v x =       + ω với v max = ωA => 1 v v A x 2 max 2 =         +       b – Từ a = - ω 2 x và a max = ω 2 A => 1 v v a a 2 max 2 max =         +         c – Từ F = - kx và F max = kA => 1 v v F F 2 max 2 MAX =         +         d–TừW d = 2 mv 2 1 vàW dmax = 2 max mv 2 1 => 1 W w F F maxd d 2 MAX =+         e – Từ động năng w d = 2 mv 2 1 và thế năng w t = 2 kx 2 1 Và định luật bảo toàn cơ năng w d + w t = W 0 => 1 W w W w 0 d 0 t =+ f – Từ a max = ω 2 A = ωv max và (1) => 2 1 2 2 2 2 2 1 max max vv aa v a − − == ω g – Từ v max =ωA và (1) => 2 1 2 2 2 2 2 1 max xx vv A v − − ==ω Trang 7 h – Tổng hợp hai dao động x 1 = A 1 cos (ωt + ϕ 1 ) và x 2 = A 2 cos (ωt + ϕ 2 ) vuông pha với nhau => ∆ϕ = ϕ 2 - ϕ 1 = (2k +1)π/2 1 A x A x 2 2 2 2 1 1 =         +         và A 12 = 2 2 2 1 AA + k – Tổng hợp 3 dao động điều hòa x 1 = A 1 cos (ωt + ϕ 1 ) và x 2 = A 2 cos (ωt + ϕ 2 ) là hai động cùng pha hoặc ngược pha và x 1 ; x 2 cùng vuông pha với x 3 thì 1 A x A xx 2 3 3 2 12 21 =         +         + và A 123 = 2 3 2 12 AA + 2.2.2 Chương dòng điện xoay chiều a – Đoạn mạch chỉ có L ; u L vuông pha với i 1 I i U u 2 0 2 L0 L =         +         với U 0L = I 0 Z L => 2 0 2 2 L L Ii Z u =+         b – Đoạn mạch chỉ có tụ C ; u C vuông pha với i 1 I i U u 2 0 2 C0 C =         +         với U 0C = I 0 Z C => 2 0 2 2 C Ii Z u =+         => ( ) 2 0 2 2 CC IiCu C 1 Z =+=>= ω ω c- Đoạn mạch có LC ; u LC vuông pha với i 1 I i U u 2 0 2 LC0 LC =         +         d – Đoạn mạch có R và L ; u R vuông pha với u L 1 U u U u 2 R0 R 2 L0 L =         +         1 cosU u sinU u 2 0 R 2 0 L =         +         φφ e – Đoạn mạch có R và C ; u R vuông pha với u C 1 U u U u 2 R0 R 2 C0 C =         +         Trang 8 U 0LC U 0 U 0R ) ϕ 1 cosU u sinU u 2 0 R 2 0 C =         +         φφ f – Đoạn mạch có RLC ; u R vuông pha với u LC 1 U u U u 2 R0 R 2 LC0 LC =         +         1 I i U u 2 0 2 LC0 LC =         +         1 cosU u sinU u 2 0 R 2 0 LC =         +         φφ => U 0 2 = U 0R 2 + U 0LC 2 với U 0LC = U 0R tanϕ => 2 R0 2 R 2 LC Uu tan u =+         φ g – Từ điều kiện để có hiện tượng cộng hưởng ω 0 2 LC = 1 Xét với ω thay đổi + : R L R C LC L R C 1 L tan 2 0 2 0         − = − = − = ω ω ω ω ω ω ω ω φ => φ ω ω ω tanL R 2 0 − = = hằng số + : Z L = ωL và C 1 Z C ω = = > 2 0 2 2 C L LC Z Z ω ω ω == => 0C L Z Z ω ω = => đoạn mạch có tính cảm kháng Z L > Z C => ω L > ω 0 => đoạn mạch có tính dung kháng Z L < Z C => ω C < ω 0 => khi cộng hưởng Z L = Z C => ω = ω 0 +: I 1 = I 2 < I max => ω 1 ω 2 = ω 0 2 Nhân thêm hai vế LC => ω 1 ω 2 LC = ω 0 2 LC = 1  Z L1 = ω 1 L và Z C2 = 1/ ω 2 C  Z L1 = Z C2 và Z L2 = Z C1 Trang 9 U L U RLC + : Cosϕ 1 = cosϕ 2 => ω 1 ω 2 LC = 1 thêm điều kiện L = CR 2 2 1C1L 2 1 )ZZ(R R cos −+ = φ => 2 1 2 2 1 1 2 1 1 cos         −+ = ω ω ω ω φ h – Khi L thay đổi ; điện áp hai đầu cuộn cảm thuần L => U RC ⊥U RLC => từ GĐVT U Lmax <=> tanϕ RC . tanϕ RLC = – 1 => C 2 C 2 L Z ZR Z + = => Z L 2 = Z 2 + Z C Z L => 2 C 2 LMAX ZR R U U += và C 2 C 2 R LMAX U UU U + = => U 2 Lmax = U 2 + U 2 R + U 2 C => LMAXC 22 LMAX UUUU += => 1 U U U U LMAX C 2 LMAX =         +         => 1 Z Z Z Z L C 2 L =         +         k – Khi C thay đổi ; điện áp hai đầu tụ C => U RL ⊥U RLC => U Cmax <=> tanϕ RL . tanϕ RLC = – 1 => L 2 L 2 C Z ZR Z + = => Z C 2 = Z 2 + Z C Z L => 2 L 2 CMAX ZR R U U += và L 2 L 2 R CMAX U UU U + = => U 2 Cmax = U 2 + U 2 R + U 2 L => CMAXL 22 CMAX UUUU += => 1 U U U U CMAX L 2 CMAX =         +         Trang 10 O U R U C U RC )ϕ RC )ϕ RLC [...]... điện xoay chiều ,dao động và sóng điện từ Rèn luyện được khả năng tư duy cho học sinh thơng qua các bài có tính chất tương tự mà khơng cần chứng minh bằng tự luận Nhược điểm : ban đầu nhớ được các cơng thức là khó khăn, vì vậy cần thực hành làm nhiều bài tập về vấn đề này Hướng nghiên cứu tiếp của đề tài :phát triển kiến thức trên vào các chun đề khác của phần dao động cơ, điện xoay chiều : như bài. .. đại lượng ,bài tốn cực trị… Trang 26 C KẾT LUẬN 1 Như vậy qua đề tài dựa vào dấu hiệu vng pha để giải bài tập đã cung cấp cho học sinh hệ thống tổng qt các cơng thức về bài tập vng pha trong bài tốn dao động trong chương trình vật lý 12 , đồng thời cung cấp cho học sinh một số phương pháp và thủ thuật nhằm giải nhanh ,chính xác các dạng tốn trong chương trình theo u cầu của đề thi tốt nghiẹp và thi tuyển... 3.3 Bài tập dao động và sóng điện từ Bài 13:Mạch dao động LC lí tưởng, C = 2pF, đang hoạt động Tại thời điểm t1 thấy điện áp hai đầu tụ và cường độ dòng điện qua cuộn dây có giá trị lần lượt: u1 = 1mV và i1 = 1,41 µ A; Đến thời điểm t2 thì các giá trị trên lần lượt: u 2 = 1,41 mV và i2 = 1 µ A Tính tần số dao động riêng, năng lượng tồn phần của mạch Giải Tại thời điểm t ta có: điện tích trên tụ và cường... Φ 0 = 5 (Wb) Bài 8: Cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L Đặt vào hai đầu cuộn dây điện áp xoay chiều u = U 0cos100π t (v) Tại thời điểm t = t1 điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời có giá trị lần lượt u1 = 50 V; i1 = 2 A Đến thời điểm t2 thì u2 = 50 2 V; i2 = 1 A Tìm L và điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn dây? Giải: Vì dòng điện qua cuộn dây dao động điều hòa trễ pha 900 so với hiệu điện thế π Nên... đây là chứng minh để thấy rõ các ưu điểm của phương pháp,có thể áp dụng giải nhanh các dạng tốn của phần dao động cơ ,dòng điện xoay chiều 3.1 Bài tập dao động cơ Bài 1: Một vật dao động điều hòa, ở thời điểm t 1 vật có li độ x1 = 1cm, và có vận tốc v1= 20cm/s Đến thời điểm t2 vật có li độ x2 = 2cm và có vận tốc v2 = 10cm/s Hãy xác định biên độ, chu kỳ, tần số, vận tốc cực đại của vật? Giải: Tại thời... .2 C NỘI DUNG I Mục tiêu 4 II Mơ tả nội dung giải pháp mới 4 1 Cơ sở lí thuyết 4 2 Mơ tả nội dung giải pháp mới 4 3 Chứng minh tính khả thi của phương pháp mới 5 3.1 Bài tập dao động cơ 11 3.2 Bài tập dòng điện xoay chiều 14 3.3 .Bài tập dao động và sóng điên từ 17 4 Phần dành cho học sinh vận dụng,tính tốn .19 5.Kết quả... Đặt điện áp xoay chiều u = U0cosωt vào hai đầu đoạn mạch chỉ có điện trở thuần Gọi U là điện áp hiệu dụng giữa hai đầu đoạn mạch; i, I0 và I lần lượt là giá trị tức thời, giá trị cực đại và giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện trong đoạn mạch Hệ thức nào sau đây sai? A U/U0 – I/I0 = 0 B U/U0 + I/I0 = 2 C u/U0 – i/I0 = 0 2 2 D u2/ U 0 – i2/ I 0 = 1 Câu 19 Cho mạch điện xoay chiều chỉ chứa tụ điện. .. −18 (J) 2C Bài 14 (Đề thi Đại học năm 2010) Xét hai mạch dao động điện từ lí tưởng Chu kì dao động riêng của mạch thứ nhất là T1, của mạch thứ hai là T 2 = 2T1 Ban đầu điện tích trên mỗi bản tụ điện có độ lớn cực đại Q0 Sau đó mỗi tụ điện phóng điện qua cuộn cảm của mạch Khi điện tích trên mỗi bản tụ của hai mạch đều có độ lớn bằng q (0 < q < Q 0) thì Trang 20 tỉ số độ lớn cường độ dòng điện trong mạch... Trang 16 3.2 Bài tập dòng điện xoay chiều Bài 7 : Một khung dây dẫn quay đều quanh trục xx, với tốc độ 150 vòng/phút r trong một từ trường đều có cảm ứng từ B vng góc với trục quay xx, của khung Ở một thời điểm nào đó từ thơng gửi qua khung dây là 4Wb thì suất điện động cảm ứng trong khung dây là 15π (V ) Từ thơng cực đại gửi qua khung đây bằng Giải: Từ thơng Φ = Φ 0 cos(ωt + φ) Suất điện động cảm ứng... vật lý 3 Bổ trợ kiến thức Vật lý phần điện xoay chiều và phần dao động cơ Tác giả :Chu Văn Biên –NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội năm 2013 4 Những bài tập hay và điển hình Tác giả : Nguyễn Cảnh H – NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội năm 2010 5 Các đề thi học sinh giỏi Tỉnh Hưng n,các đề kiểm tra chun đề của trường và các đơn vị khác Trang 28 MỤC LỤC Trang A MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 2 2 Phương pháp tiến hành . pha trong chuyên đề dao động cơ và dòng điện xoay chiều Giới hạn của đề tài : Nội dung ,kiến thức trong chương trình vật lí 12 với đề tài này xét 2 chương + Dao động cơ + Dòng điện xoay chiều 2. DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN TRƯỜNG THPT DƯƠNG QUẢNG HÀM - - - - - - - - - SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HỆ THỐNG BÀI TẬP VUÔNG PHA TRONG CHUYÊN ĐỀ DAO ĐỘNG CƠ VÀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Lĩnh vực : Chuyên. (v và x ) ,( a và v ) ,(F và v) vuông pha nhau + Trong dòng diện xoay chiều (suất điện động e và từ thông Φ ) vuông pha nhau + Trong các mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần L , tụ điện