SKKN phân loại bài tập dòng điện xoay chiều -mạch RLC không phân nhánh - theo phương pháp giản đồ vectơ

A . ĐẶT VẤN ĐỀ I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Bài tập vật lý với tư cách là một phương pháp dạy học, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học vật lý ở nhà trường phổ thông. Thông qua việc giải tốt các bài tập vật lý các học sinh sẽ có được những kỹ năng so sánh, phân tích, tổng hợp…Do đó sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển tư duy của học sinh. Đặc biệt bài tập vật lý giúp học sinh củng cố kiến thức có hệ thống cũng như vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết những tình huống cụ thể, làm cho bộ môn trở nên lôi cuốn, hấp dẫn các em hơn. Với việc chuyển đổi từ hình thức thi tự luận sang thi trắc nghiệm trong các kì thi yêu cầu học sinh không những nắm chắc kiến thức cơ bản mà cần có óc suy luận tốt, đủ thời gian giải bài tập cho kết quả chính xác. Vì vậy, việc sử dụng phương pháp nào sao cho nhanh nhất để có kết quả chính xác cao là điều mà giáo viên và các em học sinh rất chú trọng. Với lí do đó tôi chọn đề tài phân loại bài tập dòng điện xoay chiều -mạch RLC không phân nhánh - theo phương pháp giản đồ vectơ . II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. - Trình bày tổng quát về cơ sở lý thuyết. - Phân loại và đưa ra phương pháp giải. III. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU. - Bài tập vận dụng phương pháp giản đồ vectơ (cộng vectơ) trong nghiên cứu và khảo sát các dạng bài tập về dòng điện xoay chiều - mạch RLC không phân nhánh - trong chương trình vật lý phổ thông. 1 - Học sinh THPT IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. - Phương pháp thực nghiệm, phương pháp thống kê - Tham khảo các tài liệu liên quan đến đề tài. - Đề xuất phương pháp giải tổng quát. B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. Cơ sở lý luận Để thực hiện đề tài này tôi đã dựa theo các kiến thức liên quan đến dòng điện xoay chiều trong sách giáo khoa Vật lý 12 chương trình chuẩn và chương trình nâng cao ( các bài : Đại cương về dòng điện xoay chiều, Các mạch điện xoay chiều, Mạch có R,L,C nối tiếp, Công suất điện tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất) ; sách Bài tập Vật lý 12 (chương trình chuẩn và nâng cao) và ở một số sách tham khảo. Các bài toán đặc thù về dòng điện xoay chiều có thể giải bằng 3 phương pháp: đại số, phương pháp giản đồ vectơ , phương pháp đồ thị. Tuy nhiên mỗi bài ưu tiên một phương pháp nào đó hơn tùy thuộc vào dữ kiện của bài toán và sở trường tư duy của từng người. Phương pháp sử dụng giản đồ vectơ để giải các bài tập về dòng điện xoay chiều là phương pháp mang tính tổng quát cao, dễ vận dụng, cho kết quả nhanh và chính xác, tránh được các phép tính dài dòng phức tạp. Phương pháp giản đồ véc tơ có hai cách vẽ: vẽ các véc tơ chung gốc ( véc tơ buộc) hoặc các véc tơ nối đuôi nhau (véc tơ trượt). Để học sinh không còn lúng túng khi áp dụng phương pháp giản đồ véc tơ thì tôi đã phân loại các dạng bài tập dòng điện xoay chiều mạch RLC nối tiếp sao cho dễ hiểu nhất. Từ đó tôi 2 củng cố thêm nghiệp vụ giảng dạy của mình và rèn luyện kỹ năng giải bài tập của học sinh. II. Thực trạng của vấn đề Là một giáo viên dạy học bộ môn vật lý đã nhiều năm qua quá trình thực tế dạy học, qua trao đổi với các bạn đồng nghiệp và qua tìm hiểu học sinh. Tôi thấy trong quá trình giải bài tập vật lý nói chung và giải bài tập dòng điện xoay chiều nói riêng, đối với tất cả học sinh kể cả học sinh khá giỏi thì quá trình giải bài tập vật lý còn gặp nhiều khó khăn. Bởi lẽ số tiết để các em củng cố lại kiến thức chưa nhiều, mối liên quan giữa toán học và vật lý rất chặt chẽ. kỹ năng vận dụng toán học vào giải bài tập còn lúng túng. Vì vậy kết quả đạt được của các em trong các kỳ thi chưa cao. Khi giải các bài toán điện xoay chiều đa số học sinh thường dùng phương pháp đại số còn phương pháp giản đồ véc tơ thì học sinh rất ngại dùng. Các em cho rằng phương pháp giản đồ véc tơ khó hiểu, phải vận dụng kiến thức hình học, véc tơ. Điều đó là rất đáng tiếc vì phương pháp giản đồ véc tơ dùng giải các bài toán rất hay và ngắn gọn .Có nhiều bài toán khi giải bằng phương pháp đại số rất dài dòng và phức tạp mất nhiều thời gian còn khi giải bằng phương pháp giản đồ véc tơ thì nhanh hơn và chính xác hơn. III. Các biện pháp tổ chức thực hiện 1. Cơ sở lý thuyết 1.1 Điện áp dao động điều hòa và dòng điện xoay chiều. 1.1.1. Điện áp dao động điều hòa. Cho 1 khung dây dẫn ( N vòng, diện tích S ) quay đều trong một từ trường đều B r với vận tốc góc ω. - Tại thời điểm t bất kỳ, từ thông biến thiên qua khung dây: φ = N.B.S.cos(ωt + φ) = φ 0 .cos(ωt + φ) 3 ∆ ω α φ 0 = N.B.S giá trị cực đại của từ thông φ : Giá trị tức thời của từ thông - Từ thông biến thiên trong khung dây dẫn xuất hiện suất điện động cảm ứng biến thiên điều hòa trong khung dây với cùng tần số. e = t φ ∆ − ∆ = φ’= ω.N.B.S.sin(ωt + φ) =E o .cos(ωt + φ - 2 π ) - Điện áp gây ra ở 2 đầu khung cũng biến thiên điều hòa với cùng tần số ω ( với các điều kiện thích hợp) : u = U 0 cos(ωt + φ u ). 1.1.2. Dòng điện xoay chiều. Khi nối 2 đầu Điện áp u vào mạch kín, tạo ra trong mạch một dòng điện dao động cưỡng bức ( dòng điện xoay chiều ) có tần số góc bằng ω có dạng: i = I 0 cos( ωt + φ i ) (φ = φ u – φ i : độ lệch pha của u và i phụ thuộc vào tính chất của mạch điện) • Chú ý: Có thể chọn pha của i hoặc u làm gốc ta có: - Nếu i = I 0 .cos(ωt) thì u = U 0 .cos( ωt + ϕ ) - Hoặc nếu u = U 0 .cos( ωt) thì i = I 0 .cos(ωt - ϕ ) ⋅ i và u giá trị tức thời của cường độ dòng điện và điện áp . ⋅ I 0 và U 0 giá trị cực đại của cường độ dòng điện và điện áp . - Giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp : I = 0 2 I , U = 0 2 U , E = 0 2 E 1.2 Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch R – L – C không phân nhánh. 1.2.1. Các dạng mạch đơn giản. Mạch chỉ có Điện trở (Ω) Góc lệch pha Giản đồ vectơ Định luật Ôm Điện trở hoạt động R 0 0 - Giá trị tức thời 4 O i I r R U r i = u R - Giá trị hiệu dụng I = U R - Giá trị cực đại I 0 = 0 U R Cuộn dây thuần cảm kháng Z L = L.ω 2 π - Giá trị hiệu dụng I = L L U Z - Giá trị cực đại I 0 = 0L L U Z Tụ điện thuần dung kháng Z C = 1 .C ω 2 π − - Giá trị hiệu dụng I = C C U Z - Giá trị cực đại I 0 = 0C C U Z 1.2.2. Mạch R,L,C nối tiếp. 5 O i I r L U r + + C U r I r i O +) Nếu i = I 0 .cosω.t thì u = U 0 .cos(ω.t + ϕ ) với U 0 = I 0 .Z - Tổng trở: Z = ( ) 2 2 L C R Z Z+ − - Góc lệch pha giữa u và i: tanϕ = L C Z Z R − +) Giản đồ vectơ. 1.2.3. Công suất tiêu thụ của đoạn mạch. - Công suất: P = U.I.cosϕ với cosϕ là hệ số công suất của đoạn mạch ( 0 ≤ cosϕ ≤ 1). Với cosϕ = R Z - Nếu mạch chỉ có tụ điện; cuộn dây thuần cảm ; hoặc cả hai yếu tố ghép nối tiếp thì mạch không tiêu thụ công suất: ϕ = ± 2 π ( cosϕ = 0) ( Lưu ý: Từ tanϕ = L C Z Z R − và cosϕ = R Z -> sinϕ = L C Z Z Z − ) - Trường hợp: Z L = Z C trong mạch có cộng hưởng điện: I MAX = U R 1.2.4. Các chú ý khác. 6 i O ϕ L U r C U r L C U U+ r r U r R U r i R U r C U r O U r L U r ϕ Vẽ theo quy tắc hình bình hành Vẽ theo quy tắc đa giác - Mạch R, L,C nối tiếp nếu thiếu một yếu tố nào thì cho điện trở tương ứng bằng không và vẫn dùng công thức tổng quát cho R, L, C. - Trong trường hợp tính pha hoặc dựng giản đồ vectơ thì quy ước lấy i làm gốc và so sánh pha của điện áp với pha của i để viết các biểu thức tức thời. 2. VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ VECTƠ GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN VỀ MẠCH RLC KHÔNG PHÂN NHÁNH. 2.1.Chủ đề 1: Xác định các đại lượng của mạch RLC nối tiếp thoả mãn các điều kiện đã cho. 2.1.1. Phướng pháp giải . - Nếu cho góc lệch pha của u và i toàn mạch ( hoặc ở 1 đoạn mạch nhỏ nào đấy) thì ta dùng: - Công thức: tanϕ = L C Z Z R − và cosϕ = R Z - Dựng giản đồ vectơ và tính toán các đại lượng liên quan. - Nếu cho P và Q ta dùng: P = U.I.cosϕ = R.I 2 và Q = R.I 2 .t Sau đó áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch. - Nếu cho số chỉ vôn kế , ampekế thì dựa vào các giá trị đó vẽ giản đồ sau đó áp dụng giải bài toán liên quan. 7 i O ϕ L U r C U r L C U U+ r r U r R U r i R U r C U r O U r L U r ϕ 2.1.2 . Ví dụ minh họa. • Bài toán 1: Xác định R,L,C theo giữ kiện bài toán Cho mạch điện như hình vẽ: U AB có f = 100Hz và U không đổi. a. Mắc Ampe kế (R a = 0) vào M, N thì Ampekế chỉ I = 0.3A, dòng điện trong mạch lệch pha 60 0 so với u AB , công suất tỏa nhiệt trong mạch là P = 18W. Tìm R 1, L, U 0 . Cuộn dây thuần cảm. b. Mắc Vônkế ( R v = ∞ ) vào M, N thay cho Ampe kế thì vôn kế chỉ 60V, điện áp trên vôn kế trễ pha 60 0 so với u AB . Tìm R 2 và C ? Bài giải a. Mắc Ampekế vào M, N - Vì I = 0.3A, R a = 0 nên V M = V N -> M ≡ N, dòng điện Không qua R 2 và C. Mạch điện chỉ còn R 1 nối tiếp với L - Từ giản đồ: ϕ 1 = + 3 π P = R 1 .I 2 -> R 1 = 2 200 P I = Ω; tanϕ 1 = 1 1 L Z R -> Z L1 = R 1 . 3 = 200 3 Ω; L = 1L Z ω = 0.551H - điện áp 2 đầu mạch điện: U = I.Z AM = 120V b. Mạch điện gồm: R 1 nối tiếp L nối tiếp với R 2 nối tiếp với C. * Dựng giản đồ vectơ: 8 • • LR 1 R 2 C B A • • M N O U r L U r 1R U r i ϕ 1 1L R U U⊥ r r ( với tanϕ AM = 0 1 3 60 L AM Z R ϕ = → = ) - Ta có: AB AM MB U U U= + r r r Vì U MB = 60V; U AB = 120V; ∧ DOP =60 0 → U MB = 1 2 U AB ∆ODP vuông tại P; ∧ ODP =30 0 Vậy: AM MB U U⊥ r r * Từ giản đồ vectơ ta suy ra được: ϕ = 30 0 ; ∧ POF =30 0 * u AB sớm pha hơn i một góc 6 π nên: tanϕ = 1 2 1 2 1 3 3 L C L C Z Z R R Z Z R R − + = → − = + (1) * u MB muộn pha hơn i một góc 6 π nên: tanϕ MB = tan( 6 π − ) = 2 2 1 3 3 C C Z R Z R − = − → = (2) * Từ (1) và (2) ta có: R 2 = 1 3 200 2 L Z R− = Ω ; 4 200 1 3 .10 4 3 C C Z C F Z ω π − = Ω → = = • Bài toán 2: Xác định R,L,C sau đó viết biểu thức i, u Ví dụ 1: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ 9 O MB U r ϕ i C U r AB U r AM U r L U r 1R U r 2R U r P Q D C EF A V1 V2 C R L, r E F • N • M Các Vônkế nhiệt có R V = ∞ , Ampekế có R a = 0. Giữa M, N đặt một điện áp xoay chiều xác định bởi biểu thức: U MN = U 0 .cos(100πt) V a. Vôn kế V 1 chỉ 80 3 V, vônkế V 2 chỉ 120V. Điện áp giữa 2 đầu vôn kế V 1 nhanh pha hơn điện áp giữa 2 đầu tụ điện một lượng 6 π và điện áp giữa 2 đầu các vôn kế lệch pha nhau 2 π . Ampekế chỉ 3 A. Tính R, L, C ? b. Giữ R, cuộn dây và U MN không đổi. Thay đổi C bằng C’ thì công suất toàn mạch là P = 240W. Viết biểu thức của i ? Bài giải - Vẽ lại mạch điện như hình vẽ: a. Theo bài ta có: U ME = I. ( ) 2 2 120 L R r Z V+ + = U FN = I. 2 2 80 3 C R Z V+ = với I = 3 A → R 2 + 2 C Z = 80 2 10 F E R C N M L,r • • V2 V1 A A V1 V2 C R L, r E F • N • M FN U r C U r L U r ME U r r U r R U r 0 6 π 6 π i [...]... TO - Nh xut bn GIO DC Nm 2008 - Phng phỏp ging dy vt lý trng ph thụng tp 1-Nguyn Vn ng-NXB Giỏo dc , 1979 -Vt lý 1 2- Lng Duyờn Bỡnh- NXB Giỏo dc, 2008 - Phõn loi v phng phỏp gii cỏc dng bi tp vt lý 1 2- Ngụ Vn Thin- NXB i hc quc gia TP H Chớ Minh, 2010 - Cõu hi trc nghim v bi tp t lun vt lý 12 - Nguyn Thanh Hi NXB giỏo dc,2008 28 S GIO DC V O TO THANH HểA TRNG THPT NGUYN TRI o0o - Sở... Nguyễn trãi o0o - SNG KIN KINH NGHIM PHN LOI BI TP DềNG IN XOAY CHIU -MCH RLC NI TIP - THEO PHNG PHP GIN VẫC T Ngi thc hin: H Th Thanh Chc v : Giỏo viờn SKKN thuc lnh vc : Vt lý Sáng kiến kinh nghiệm PHN LOI BI TP DềNG IN XOAY CHIU - MCH RLC NI TIP - THEO PHNG PHP GIN VẫC T 29 THANH HểA NM 2013 Ngời thực hiện: Hà Thị Thanh Tổ: Vật Lý Cụng ngh Năm học 2012 - 2013 30 ... l SKKN ca mỡnh vit, khụng sao chộp ni dung ca ngi khỏc H Th Thanh TI LIU THAM KHO 27 - Sỏch giỏo khoa vt lý 12 (Chng trỡnh nõng cao) - B GIO DC V O TO - Nh xut bn GIO DC Nm 2008 - Sỏch giỏo khoa vt lý 12 (Chng trỡnh chun) - B GIO DC V O TO - Nh xut bn GIO DC Nm 2008 - Sỏch bi tp vt lý 12 (Chng trỡnh chun) - B GIO DC V O TO - Nh xut bn GIO DC Nm 2008 - Sỏch bi tp vt lý 12 (Chng trỡnh nõng cao) -. .. trong mch in xoay chiu ) 2.2.1 Phng phỏp gii Tỡm mt i lng vt lý tha món iu kin s ch Ampek, Vụnk cc i, cụng sut tiờu th cc i S ch Ampek cc i: - Tớnh Z = R 2 + ( Z L ZC ) , I = 2 U Z - U = const, IMax Zmin = R v ZL = ZC ( cng hng) S ch Vụnk cc i: - Dựng nh lut ụm cho U on mch do Vụnk ch - Nu Vụnk c mc vo 2 u on mch cú in tr bin i ( nh C, L) thỡ dựng gin vect bin lun r Gin vect Bin lun theo giỏ tr... xỏc nh cỏc i lng cha rừ trong mt mch in xoay chiu) 2.3.1 Phng phỏp gii 20 - Da vo cỏc d kin u bi, vn dng cỏc quy lut ca dũng in xoay chiu, s dng phng phỏp loi tr rỳt ra yu t cn xỏc nh - Dng gin phõn tớch: lch pha, gúc pha t ú rỳt ra s liờn h gia u v i Sau ú kt lun i lng cn xỏc nh trong hp en 2.3.2 Vớ d minh ha Bi toỏn 1: Mch ch cha mt hp en Vớ d : A Cho mch in xoay chiu nh hỡnh v: R bin tr, t C =... gii a Vụnk V3 ch UNB = U3 = 85V - Gi s: r = 0 thỡ UL = U3 = 85V - Vụnk V1 ch U1 = UR = 35V; Vụnk V2 ch U2 = UC = 35V - Mch gm R, L, C ni tip nờn: 2 UAB = U R + (U L U C )2 61 V - Gi thit li cho UAB = 85V UAB r UL Pr Vy cun dõy cú in tr thun r b Dng gin nh hỡnh v U 2 AB = (U R + U r ) + (U L U C ) = 85 2 2 2 O 2 U 32 = U L + U r2 = 85 2 => UL = 115 V ; Ur =80 V - T gin ta cú: U Z U rRL r U... % SL SL SL SL SL 0 0 10 22,22 15 33,33 20 44,45 0 0 + Nm hc 201 0-2 011 tụi dy lp 12A5 ,cỏc em lm bi tp theo phng phỏp gin vộc t nhng cha phõn loi dng bi tp kt qu t c nh sau : Lp 12A1 ( Tng s hc sinh : 46) Gii Khỏ Tb Yu Kộm % % % % % SL SL SL SL SL 03 6,52 13 22,26 20 49,48 10 21,74 0 0 + Nm hc 201 1-2 012 tụi dy lp 12A7 ,cỏc em lm bi tp theo phng phỏp gin vộc t v phõn loi dng bi tp thỡ kt qu t c cao... = (0.8)2.200 = 128 W 13 * Theo bi khi thay bng thỡ cụng sut ca mch khụng thay i ta cú P = P U 2R U 2R = 2 ' ' R 2 + (Z L Z C ) 2 R + (Z L Z C ) 2 => - Nu L - Nu L L (vi L,C=const) 1 1 = ( ' L ' ) C C 1 1 = 'L ' C C LC = 1 ' ( loi vỡ L, C, u dng ) 1 1 = ( ' L ' ) = Z L Z C = 150 C C 1 10 4 H;C = F Vi L = => ' = 50 rad/s Bi toỏn luyn tp: A Bi 1:Cho mch in xoay chiu hỡnh v L, r = 0... hc bi dng thng xuyờn nhiu hn v chuyờn mụn nghip v 25 - Cng c cht ch cho hc sinh kin thc c bn v dao ng in, quy tc cng vect v nh lý trong tam giỏc c bit s dng thnh tho gin vect trong khi ỏp dng gii bi tp tng quỏt - Tham kho thờm ý kin ca hc sinh v dng bi tp a ra thay i hoc cng c lý thuyt, phng phỏp gii cho phự hp vi cỏc i tng hc sinh khỏc nhau - Nh trng to iu kin cho giỏo viờn c ỏp dng rng rói cho... vic nghiờn cu v trc tip ging dy tụi thy vic phõn loi cỏc dng bi toỏn theo tng ch to ra c cho hc sinh mt cỏch nhỡn tng quỏt v cỏch s dng gin vect trong vic vn dng vo gii cỏc dng bi tp in xoay chiu khi 12 Vic vn dng ca hc sinh vo gii bi tp bc u thy c cỏc em ó bit cỏch phõn loi v vn dng ỳng phng phỏp gii Mt s dng bi tp khú xỏc nh theo dng i s thụng thng, a s hc sinh thớch cỏch ỏp dng gin vect v ó bit . đề tài phân loại bài tập dòng điện xoay chiều -mạch RLC không phân nhánh - theo phương pháp giản đồ vectơ . II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. - Trình bày tổng quát về cơ sở lý thuyết. - Phân loại và. ra phương pháp giải. III. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU. - Bài tập vận dụng phương pháp giản đồ vectơ (cộng vectơ) trong nghiên cứu và khảo sát các dạng bài tập về dòng điện xoay chiều - mạch RLC không. khảo. Các bài toán đặc thù về dòng điện xoay chiều có thể giải bằng 3 phương pháp: đại số, phương pháp giản đồ vectơ , phương pháp đồ thị. Tuy nhiên mỗi bài ưu tiên một phương pháp nào đó hơn