Để đạt được mục đích trên thì giáo viên không chỉ đơn thuần là hướng dẫn các em giảibài tập có sẵn trong sách giáo khoa, sách tham khảo mà phải biết khai thác các bài tậpnày, từ đó tạo r
Trang 1SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
ĐỀ TÀI:
"KHAI THÁC MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU CÓ RLC MẮC NÔI TIẾP VÀO MẠCH ĐIỆN XOAY
CHIỀU"
Trang 2I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Bộ môn vật lý được đưa vào giảng dạy trong nhà trường phổ thông nhằm cung cấp chohọc sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, có hệ thống toàn diện về vật lý Hệ thốngkiến thức này phải thiết thực và có tính kỹ thuật tổng hợp và đặc biệt phải phù hợp vớiquan điểm vật lý hiện đại
Hoạt động giải bài tập vật lý vừa giúp học sinh nắm vững các kiến thức vật lý vừa pháttriển tư duy vật lý và năng lực sáng tạo Bài tập vật lý là phương tiện dạy học được sửdụng ở mọi giai đoạn của quá trình dạy học
Hệ thống bài tập có sẵn trong các sách tham khảo rất nhiều, song làm thế nào để pháttriển tư duy vật lý và năng lực sáng tạo, qua đó làm cho bộ môn trở nên lôi cuốn, hấp dẫncác em hơn đó là điều băn khoăn của không ít giáo viên
Để đạt được mục đích trên thì giáo viên không chỉ đơn thuần là hướng dẫn các em giảibài tập có sẵn trong sách giáo khoa, sách tham khảo mà phải biết khai thác các bài tậpnày, từ đó tạo ra các bài tập mới, tạo ra các tình huống mới hoặc mở rộng bài tập gốc phùhợp với thực tiễn Trong quá trình dạy học giáo viên nên biết lựa chọn bài tập phù hợpvới đối tượng và biết phát triển bài toán để học sinh hiểu và nắm được kiến thức màchương trình yêu cầu
Qua quá trình dạy học vật lý ở trường phổ thông tôi nhận thấy phần mạch điện xoaychiều có R, L, C mắc nối tiếp là phần có nội dung kiến thức rộng và sâu, có nhiều ứngdụng trong thực tế, đặc biệt đây còn là phần quan trọng với số lượng câu hỏi khá nhiềutrong cấu trúc đề thi tốt nghiệp và đại học cao đẳng Song với hình thức thi trắc nghiệmnhư hiện nay thì rất nhiều học sinh không coi trọng việc rèn luyện giải các bài tập tự luận,
Trang 3các em học theo cách ghi nhớ một cách máy móc mà không hiểu bản chất, do vậy khôngđạt kết quả cao trong các kỳ thi
Với những lý do trên tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Khai thác một số bài toán về mạch
điện xoay chiều có R,L,C mắc nối tiếp vào dạy học”.
II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài nhằm nghiên cứu hai vấn đề:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phần mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếptrong sách giáo khoa Vật lý 12- Nâng cao và các đề thi Đại học, cao đẳng
- Khai thác một số bài tập phần dòng điện xoay chiều và cách sử dụng chúng trong dạyhọc
A
C
Trang 4+ Nếu ZL > ZC thì u sớm pha hơn i (mạch có tính cảm kháng).
+ Nếu ZL < ZC thì u muộn pha hơn i (mạch có tính dung kháng)
+ Nếu ZL = ZC thì u cùng pha với i
- Định luật Ôm: I = U Z
* Lưu ý học sinh: U là hiệu điện thế 2 đầu đoạn mạch nào thì Z là tổng trở của đoạn
mạch đó
- Công suất điện: P = UIcos
- Hệ số công suất: cos = Z R
- Công suất tỏa nhiệt trên R: PR = RI2
- Giản đồ véc tơ:
Trang 5+ Điều kiện có cộng hưởng điện: ZL = ZC.
+ Đặc điểm của đoạn mạch khi có cộng hưởng điện:
Pmax = UImax = U2/R (cos = 1)
B Khai thác một số bài tập về mạch điện xoay chiều có R,L,C mắc nối tiếp và vận dụng vào dạy học
Bài tập 1.1:
B
RA
C
Trang 6(Bài tập 1 trang 173 – sách Vật lý 12 -NC)
Cho đoạn mạch xoay chiều như hình vẽ:
tụ điện có điện dung C = 61,3F,
điện trở thuần R có giá trị thay đổi được Đặt vào 2 đầu đoạn mạch hiệu điện thế cóphương trình: u = 120cos100t V
1 Điều chỉnh cho biến trở có giá trị R1 = 30 Ω
a Tính tổng trở của đoạn mạch
b Viết biểu thức cường độ tức thời trong đoạn mạch
2 Cần điều chỉnh cho điện trở của biến trở đến giá trị nào để công suất trên biến trở đạtcực đại? Tính giá trị cực đại đó
* Định hướng cho học sinh:
- Áp dụng công thức nào để tính Z?(mạch điện không có L thì ZL = ?)
- Muốn viết biểu thức của i thì cần biết những đại lượng nào?
- So sánh pha của u và i ?
- Lập biểu thức tính P theo R
- Dùng toán học khảo sát P theo R
( Lời giải sách giáo khoa trình bày rõ)
* Khai thác thêm bài toán:
Bài tập 1.2: Tương tự bài 1.1 Yêu cầu tìm công suất tiêu thụ cực đại trên biến trở khi
mạch có thêm cuộn cảm thuần mắc nối tiếp có L = H
1 Khi đó R = ?
Trang 7* Định hướng cho học sinh:
- Viết biểu thức P theo R ?
- Dùng toán học khảo sát P theo R ?
Giải: Khảo sát P theo R:
2
) (Z L Z C R
R U
R
Z Z R
2
(3.2) Thay số: Pmax = 75W và R = 48 Ω
Bài tập 1.3: Tương tự bài 1.2 Yêu cầu tìm công suất tiêu thụ cực đại của đoạn mạch khi
cuộn dây có điện trở r = 5 Ω Khi đó R = ?
* Định hướng cho học sinh :
- Khi cuộn dây có r thì điện trở thuần của đoạn mạch tính như thế nào ?
) (
) (
C
L Z Z r R
r R U
Z Z r R
U
C L
Trang 8Thay số ta được : Pmax = 75W và R = 43 Ω.
Bài tập 1.4: Tương tự bài 1.2 Yêu cầu tìm công suất tiêu thụ cực đại trên bến trở khi
cuộn dây có điện trở r = 5 Ω Khi đó R = ?
* Định hướng cho học sinh :
)
R U
r R
r Z Z R
- Trong quá trình giảng dạy chúng ta không nên cho sẵn các công thức (3.1) đến (3.4) mà
nên từ bài tập này học sinh tìm ra và giáo viên nhấn mạnh thêm để cho các em phân biệt
công suất tiêu thụ của đoạn mạch, công suất tiêu thụ trên điện trở thuần R khi đoạn mạch có cuộn dây thuần cảm và cuộn dây không thuần cảm.
Trang 9* Gợi ý sử dụng: Bài này chúng ta có thể củng cố cho bài “Công suất của dòng điện
xoay chiều Hệ số công suất”, hoặc dùng trong tiết bài tập của chương V, hoặc trong giờ
tự chọn, hoặc trong các buổi học thêm,…
Bài tập 2.1 (ĐH Quốc gia Hà Nội 1998)
Cho đoạn mạch như hình vẽ:
Cuộn dây có độ tự cảm L,
điện trở thuần có giá trị R,
tụ điện có điện dung C
Đặt vào 2 đầu A, B hiệu điện thế xoay chiều có f = 50Hz Hiệu điện thế 2 đầu đoạn mạch
MN đo được là: UMN = 90V (RV ∞), khi đó uAM lệch pha 1500 và uAN lệch pha 300 sovới uMN, đồng thời UAM = UAM = UNB
1 Cuộn dây có điện trở thuần không? Vì sao?
2 Tìm hiệu điện thế hiệu dụng tại 2 đầu A, B của đoạn mạch?
(Yêu cầu giải theo phương pháp đại số).
* Định hướng cho học sinh :
B
RL
NA
CM
V
B
R
L, rA
C
Trang 101 Nếu cuộn dây không có r thì uAM ngược phauMN, trái với giả thiết
Vậy cuộn dây có r 0
Bài tập 2.2:Tương tự bài 2.1 nhưng yêu cầu giải theo giản đồ véc tơ.
* Định hướng cho học sinh:
- Từ giả thiết vẽ giản đồ véc tơ ?
- Từ giản đồ véc tơ xác định xem cuộn dây có r hay không ?(nếu cuộn dây không có r thì
1 Từ giản đồ vec tơ ta thấy cuộn dây
phải có điện trở thuần r( vì uAM sớm pha hơn uR O
DH
Trang 11- Khi giải bài này để có được AM = 3 và AN = - 3 một số em đã biết vẽ giản đồ vec
tơ cho các đoạn mạch nhỏ rồi lại áp dụng công thức, không biết vận dụng giản đồ véc tơ
để giải ra kết quả
- Thông thường học sinh có thói quen giải bài tập theo phương pháp đại số Bài tập nàyvừa rèn luyện kỹ năng giải bài tập vừa rèn luyện tư duy không máy móc Đặc biệt họcsinh nhận thấy ưu điểm của giản đồ vec tơ trong giải một số bài tập mà trước đây mình ítquan tâm
C
I
K
Trang 12* Gợi ý sử dụng: Bài này chúng ta có thể dùng để củng cố tiết 1 của bài 28 hoặc ra về
nhà sau khi học xong bài đó, hoặc dùng trong tiết bài tập của chương V, hoặc trong giờ tựchọn,…
Bài tập 3.1: Cho đoạn mạch RLC nối tiếp, R, L hằng số, tụ điện có điện dung C thay đổi
được Đặt vào 2 đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều có tần số f, giá trị hiệudụng không đổi U Tụ điện thay đổi điện dung đến giá C1 thì UC max Tìm giá trị UC max ?Giải theo phương pháp đại số
* Định hướng cho học sinh :
- Viết biểu thức tính UC theo ẩn C?
- Dùng toán học khảo sát UC theo C?
C Z Z R
Z U
2
2 2
L Z
Z Z
Z R U
= U y
Trang 13
UCmax khi ymin Khảo sát y theo
C Z
1 được ymin khi ZC =
Bài tập 3.2: Tương tự bài 3.1 nhưng giải theo giản đồ véc tơ
* Định hướng cho học sinh :
- Vẽ giản đồ véctơ
- Góc hợp bởi 2 véc tơ nào luôn không đổi? góc nào thay đổi
- Dựa vào toán học tìm UC theo U, sin , sin
- Tìm điều kiện của góc để UC max
Giải:
- Vẽ giản đồ vec tơ:
Từ giản đồ vec tơ ta có:
Trang 14- Cần lưu ý học sinh khi dùng giản đồ vec tơ:
+ Đối với loại bài toán này, ta vẽ giản đồ vec tơ rồi xác định xem góc nào không đổi,tính tan
+ Xét tam giác một cạnh biễu diễn giá trị cần tìm, trong đó có góc không đổi đối diệncạnh không đổi, rồi áp dụng định luật hàm số sin sau đó biện luận
- Sau bài này giáo viên yêu cầu học sinh :
+ Nhận xét độ lệch pha giữa uLR và u hai đầu đoạn mạch (Đây là một nội dung mà
các đề thi hay khai thác ).
+ Tương tự với đoạn mạch R, L, C nối tiếp cho L thay đổi tìm ULmax và rút ra nhậnxét về độ lệch pha giữa uRC và u hai đầu đoạn mạch
*.Hệ quả : Từ bài này suy ra Khi C thay đổi Uc max khi ZC =
* Gợi ý sử dụng: Bài này chúng ta có thể dùng để ra về nhà sau khi học xong bài 28,
hoặc dùng trong tiết bài tập của chương V, hoặc trong giờ tự chọn,…
Trang 15đặt vào 2 đầu A, B hiệu điện thế xoay
chiều có giá trị hiệu dụng U không đổi
tần số f , hiệu điện thế giữa A, N và M, B
đo được lần lượt là: 160V và 56V, uMB lệch pha so với uAB góc (với cos = -0,6), am
pe kế chỉ 0,2 A(điện trở của ampe kế rất nhỏ) Tìm U? Viết biểu thức cường độ dòng điệntrong mạch, chọn pha ban đầu của uAB bằng 0
* Giải:
( Bài này có thể giải theo phương pháp đại số
hoặc giản đồ vec tơ )
Dùng giản đồ vec tơ:
- Nếu mạch không có điện trở thuần thì
B
RL
Trang 16UC
UR
U MB
uMB ngược pha so với uAB, trái với giả thiết
Vây cuộn dây có điện trở R 0
- Từ giản đồ vec tơ ta có:
- Khi giải bài này học sinh thường mắc sai lầm là không suy luận được đoạn mạch có R
vì bài ra không nhắc tới.( thiếu dữ kiện) Khi đó giáo viên cần nhấn mạnh giả thiết cho
uMB lệch pha so với uAB góc (với cos = -0,6 ), từ đó học sinh thấy được bài ra còn ẩn
dữ kiện và phải đi tìm dữ kiện thiếu để giải bài toán
- Đây là loại bài toán cho thiếu hoặc thừa dữ kiện, tính sáng tạo ở đây là học sinh phảibiết nhận ra sự thiếu hoặc thừa hoặc tính mâu thuẫn giữa các dữ kiện trong đề ra Với họcsinh nào nhận ra sự không bình thường của bài toán là em đó đã hiểu lý thuyết
- Như vậy với loại bài tập này không những rèn luyện kỹ năng giải bài tập mà quan trọnghơn nó giúp học sinh nhớ tính chất của các loại đoạn mạch xoay chiều để vận dụng vàolàm các câu hỏi trắc nghiệm lý thuyết phần mạch điện xoay chiều
Trang 17* Gợi ý sử dụng: Bài này chúng ta có thể dùng để củng cố tiết 1 của bài 28 hoặc ra về
nhà sau khi học xong bài đó, hoặc dùng trong tiết Bài tập của chương V, hoặc trong giờ
F Đặt vào 2 đầu A, B hiệu điện thế xoay chiều: u = 120cos(100t6 ) thì vôn
kế thứ 1 chỉ 60V, vôn kế thứ 2 chỉ 80V.( coi điện trở các vôn kế rất lớn)
Viết biểu thức cường độ dòng điện trong mạch và biểu thức hiệu điện thế giữa 2 điểm A,N?
* Nhận xét:
- Bài này đa số Học sinh mắc sai lầm: các em thấy cho U1 và Z1 (hoặc U2 và Z2) nên tính
I theo một trong 2 đoạn mạch nhỏ mà không nhìn thấy sự không “bình thường ” của bàitoán
B
RL
NA
C
V2
V1
Trang 18- GV gợi ý cho Học sinh tìm thấy sự vô lý của giả thiết ( U1 không thể nhỏ hơn hoặc bằng
U2)
- Yêu cầu Học sinh sửa lại đề cho phù hợp (sẽ có rất nhiều bài toán mới được đưa ra )
* Tính sáng tạo ở đây là học sinh phải nhận ra sự không “bình thường” của bài toán và
đề xuất các cách điều chỉnh dữ kiện để được bài toán thông thường.
* Gợi ý sử dụng: Bài này chúng ta có thể dùng để củng cố bài 28 hoặc ra về nhà, hoặc
dùng trong tiết Bài tập của chương V, hoặc trong giờ tự chọn,…
* Sách giáo khoa Vật lý 12 – Nâng cao trong tiết “Bài tập về dòng điện xoay chiều” đã
đưa ra 1 bài toán hộp đen và giải theo phương pháp đại số Đây là loại bài tập đòi hỏi kiến thức tổng hợp, đa dạng trong cách giải, do vậy để khắc sâu hơn về kiến thức của mạch có R, L, C nối tiếp thì chúng ta nên đưa vào dạng bài toán này sao cho phù hợp với các đối tượng học sinh để có kết quả tốt Dạng bài toán này có thể bao hàm được tất cả các dạng bài toán của mạch có R, L, C nối tiếp Sau đây là một số ví dụ:
Bài tập 5.1
Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ:
X là một hộp đen chứa hoặc cuộn dây có điện trở, hoặc điện trở thuần hoặc tụ điện Biết
uAB = 100 2cos100 t (V); am pe kế chỉ 2(A), công suất tiêu thụ 100 (W), C =
3
10 3
(F), i trễ pha hơn uAB Xác định các phần tử của X và giá trị của chúng
X
Trang 19* Định hướng học sinh:
- Mach có điện trở thuần hay không?
- Giả thiết cho mạch có tụ điện và i muộn pha hơn u, suy ra mạch phải có linh kiện gì? Vìsao?
Giải:
- Do mạch điện tiêu thụ điện năng nên mạch điện có r
- Do i trễ pha hơn uAB, mà mạch điện đã có tụ điện nên mạch phải có L
Vậy hộp đen là một một cuộn dây có r 0
P
2 2
2 2
2
2 AB C
2
100 r
I
U Z
80
L Z
(H)
* Giáo viên phát triển thêm bài toán yêu cầu học sinh tự giải để kiểm tra:
Bài tập 5.2 Giải nhanh bài toán trên, nếu i cùng pha uAB
Bài tập 5.3 Giải nhanh bài toán trên, nếu i muộn pha hơn uAB
Bài tập 6.1:
C
Trang 20mắc nối tiếp Đặt vào hai đầu A, B một hiệu điện thế xoay chiều, có giá trị hiệu dụng U AB
không đổi, thì: uAM = 180 2sin (100 t -
2
) (V) và uMB = 60 2sin (100 t) (V)Xác định các phần tử của X và giá trị của chúng Giải theo phương pháp đại số
| 2
2 90 2 60
0
0 0
U
U I
2
0 0
2 0
R R
Z R
Bài tập 6.2: Tương tự bài 6.1 nhưng giải theo giản đồ véc tơ.
Trang 21U MB
UAM
UR
URo4
- Từ giản đồ véc tơ ta thấy:
+ X phải chứa điện trở thuần R0 và
cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L
a Hỏi hợp X chứa điện trở hay cuộn cảm Tính giá trị của nó
b Viết biểu thức của dòng điện tức thời trong mạch
ULo
U
C
Trang 22c Mắc thêm vào mạch điện AB một điện trở thuần thì thấy công suất tiêu thụ trên mạchđạt cực đại Hỏi phải mắc điện trở đó như thế nào Tính điện trở đó
Bài 2:
Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ: uAB = 100 2 cos100 ( ) t V
1 Khi K đóng: I = 2(A), uAB lệch pha so với i là
6
Xác định L, r
2 a Khi K mở: I = 1(A), uAM lệch pha so với uMB là
Trang 2385% học sinh khá và giỏi vận dụng đúng kiến thức khi khai thác các bài tập khác.
90% học sinh trung bình và trung bình khá nắm vững các kiến thức trọng tâm phần dòngđiện xoay chiều, vận dụng giải được các bài tập cơ bản phần này
Đặc biệt khi giải bài tập trắc nghiệm các em làm nhanh hơn và ít sai sót vì nhầm lẫn hoặchiểu sai đề
Để bài tập vật lý thực hiện đúng mục đích của nó thì việc đưa giáo viên tìm tòi, khaithác các bài tập trong sách giáo khoa, sách tham khảo sao cho phù hợp với đối tượng họcsinh để tạo được hứng thú cao độ, kích thích lòng ham hiểu biết, trí tò mò, phát huy tínhtích cực, độc lập cuả học sinh nhằm nâng cao hiệu quả dạy học
Trong đề tài này tôi chỉ mới chọn lọc, tìm tòi khai thác một số bài tập phần mạchđiện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp và đã áp dụng vào quá trình giảng dạy trong 2năm học: 2009 – 2010 và 2010 – 2011 Tôi đã áp dụng cho các đối tượng học sinh khácnhau và thấy rằng các em rất hứng thú trong việc giáo viên đưa ra các bài tập trên Qua
Trang 24đó các tiết bài tập có hiệu quả cao hơn, các em có kiến thức chắc chắn hơn và vận dụng
để giải các bài tập cơ bản và các bài khó hơn
KIẾN NGHỊ:
Các tiết lí thuyết vật lý thường có phương pháp chung và có hướng dẫn của sách giáoviên Riêng các tiết bài tập thì không có hướng dẫn cụ thể, do đó mỗi giáo giáo trình bàytheo một cách Do vậy trong các buổi sinh hoạt tổ nhóm hằng tuần, hoặc chuyên đề cầnthảo luận nghiêm túc về phương pháp dạy và khai thác các bài tập của các tiết bài tập cụthể để tìm ra phương pháp hiệu quả Đồng thời qua đó tạo ra cho giáo viên động tháiluôn tìm tòi, tự học và học tập lẫn nhau, đặc biệt là các giáo viên trẻ
Tuy nhiên đề tài không tránh khỏi thiếu sót cần sự trao đổi, bổ sung Mong hội đồng khoahọc, các thầy cô giáo góp ý, xây dựng để có thể hoàn thiện và có hiệu quả sử dụng caohơn