Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh Mã số: Chuyên đề : SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN Người thực hiện: NGUYỄN TRƯỜNG SƠN Lĩnh vực nghiên cứu: Quản lý giáo dục: Phương pháp dạy học môn : Phương pháp giáo dục: Lĩnh vực khác: Có đính kèm: Mô hình Phần mềm Phim ảnh Hiện vật khác Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 1- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Năm học: 2008-2009 SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC I THÔNG TIN CHUNGVỀ CÁ NHÂN: Họ tên : Nguyễn Trường Sơn Ngày tháng năm sinh: 06 tháng năm 1958 Nam, nữ: Nam Địa chỉ: 22/F6 – Khu phố I - Phường Long Bình Tân – Thành phố Biên Hoà Tỉnh Đồng Nai Điện thoại: CQ: 0613.834289; (NR) 0613.834666; ĐTDĐ:0903124832 Chức vụ: Tổ trưởng tổ Vật lý Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh- Biên Hoà- Tỉnh Đồng Nai II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: - Học vị: Đại học - Chuyên ngành đào tạo: Vật lý III KINH NGHIỆM KHOA HỌC * Năm 2004: giải nhì thi đồ dùng dạy học Sở giáo dục đào tạo tổ chức, đề tài: “Thí nghiệm sóng dừng dây.” * Năm 2005: chuyên đề “ Tìm cực trị bất đẳng thức Bunhiacopxki” * Năm 2006: chuyên đề “ toán mạch cầu trở” thực với Nguyễn Thùy Dương tổ Vật lý * Năm 2007: chuyên đề “ toán mạch đèn” tổ Vật lý * Năm 2008: chuyên đề “phương pháp đồ thị giải toán vật lý” * Năm 2009 chuyên đề “cách giải dạng toán mạch điện xoay chiều, thiết bị điện , dao động sóng điện từ “ Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 2- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Chuyên đề : “CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN VỀ ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Tóm tắt : Chuyên đề đưa phân loại cách giải dạng toán mạch điện xoay chiều thiết bị điện A- PHẦN MỞ ĐẦU : I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Theo thời gian, phát triển khoa học kỹ thuật ngày đạt thành tựu to lớn; kiến thức khoa học ngày sâu rộng Khoa học kỹ thuật có tác động quan trọng góp phần làm thay đổi mặt xã hội loài người, ngành khoa học kỹ thuật cao Cũng môn khoa học khác, Vật lý học môn khoa học bản, làm sở lý thuyết cho số môn khoa học ứng dụng ngày Sự phát triển Vật lý học dẫn tới xuất nhiều ngành kỹ thuật mới: Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, tự động hoá điều khiển học, công nghệ thông tin… Do có tính thực tiễn, nên môn Vật lý trường phổ thông môn học mang tính hấp dẫn Tuy vậy, Vật lý môn học khó sở toán học Bài tập vật lý đa dạng phong phú Trong phân phối chương trình số tiết tâp lại so với nhu cầu cần củng cố kiến thức cho học sinh Chính thế, người giáo viên phải làm để tìm phương pháp tốt nhằm tạo cho học sinh niềm say mê yêu thích môn học Giúp học sinh việc phân loại dạng tập hướng dẫn cách giải cần thiết Việc làm có lợi cho học sinh thời gian ngắn nắm dạng tập, nắm phương pháp giải từ phát triển hướng tìm tòi lời giải cho dạng tương tự Trong yêu cầu đổi giáo dục việc đánh giá học sinh phương pháp trắc nghiệm khách quan học sinh nắm dạng phương pháp giải giúp cho học sinh nhanh chóng trả Chúng ta biết chương trình Vật lý lớp 12, tập điện xoay chiều phức tạp khó Qua năm đứng lớp nhận thấy học sinh thường lúng túng việc tìm cách giải dạng tập toán Xuất phát từ thực trạng trên, qua kinh nghiệm giảng dạy, chọn đề tài: “CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN “ Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 3- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Đề tài nhằm giúp học sinh khắc sâu kiến thức lí thuyết , có hệ thống tập phương pháp giải chúng, giúp em nắm cách giải từ chủ động vận dụng phương pháp làm tập Từ hoc sinh có thêm kỹ cách giải tập Vật lí, giúp em học sinh nhanh chóng giải toán trắc nghiệm tập điện xoay chiều phong phú đa dạng II THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP CỦA ĐỀ TÀI Chúng ta biết Bộ môn Vật lí bao gồm hệ thống lí thuyết tập đa dạng phong phú Theo phân phối chương trìnhVật lý lớp 12 tập điện xoay chiều phức tạp khó , số tiết tâp lại so với nhu cầu cần nắm kiến thức cho học sinh Qua năm đứng lớp nhận thấy học sinh thường lúng túng việc tìm cách giải dạng tập toán Và yêu cầu đổi đánh giá học sinh phương pháp trắc nghiệm khách quan học sinh nắm dạng phương pháp giải giúp em nhanh chóng trả Xuất phát từ thực trạng trên, số kinh nghiệm giảng dạy, chọn đề tài: “CÁC CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU,THIẾT BỊ ĐIỆN , DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ” Hiện có nhiều sách tham khảo trình bày vấn đề góc độ khác Ở chuyên đề trình bày việc phân loại dạng tập hướng dẫn cách giải có tính hệ thống với ý giúp em nắm sâu sắc vấn đề liên quan Việc làm có lợi cho học sinh thời gian ngắn nắm dạng tập nắm phương pháp giải từ phát triển hướng tìm tòi lời giải cho tương tự B –PHẠM VI ÁP DỤNG VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM: Phạm vi áp dụng: A Chương trình Vật lý lớp 12 Chương V: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU B Chương trình Công nghệ lớp 12 Giới hạn nội dung: Chuyên đề đặt yêu cầu phân loại dạng tâp, đưa lời giải cho dạng tập đưa hướng vận dụng phương pháp phát triển hướng tìm tòi khác Phân loại dang tập : Dạng I : Suất điện động xoay chiều Dạng II : Đoạn mạch RLC không phân nhánh Dạng III : Các thiết bị điện Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 4- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” C NỘI DUNG ĐỀ TÀI: Dang I: SUẤT ĐIỆN ĐỘNG XOAY CHIỀU Chủ Đề : Cách tạo dòng điện xoay chiều (khung quay từ trường ): Xác định suất điện động cảm ứng xoay chiều e(t) suy biểu thức i(t) u(t) ? Phương pháp: Cho khung dây dẫn quay từ trường B n +Tìm biểu thức từ thông t nhờ : NBS cos α đặt NBS ω với ( B; n ) t cost x S x’ d ' đưa dạng e E0 cos(t ) +Tìm biểu thức suất điện động e(t) dt với E0 NBS 0 e Hệ :-Tìm i(t) :giả sử mạch có R i it R -Tìm u(t): thông thường khung dây có r = nên : u e ri e Vậy u t et U0 = E0 U = E Dạng II : ĐOẠN MẠCH R , L, C KHÔNG PHÂN NHÁNH Chủ đề 1: Các đặc trưng mạch RLC Phương pháp: * Cảm kháng: ZL=L=2fL; dung kháng : ZC =1/C =1/(2fC); Tổng trở : Z R (Z L ZC )2 * Độ lệch pha hiệu điện đầu đoạn mạch so với dòng điện : φ u φ u φ i i tính theo tg u / i Z L ZC u / i R Z L Z C u u som pha.so.voi i i Z L Z C u i u tre pha.so.voi i Z Z u u cung pha.voi i C L i * Định luật Ôm: I A R M L,R0 C N B U U R U L U C U AM U NB U d Z R Z L Z C Z AM Z NB Z d * Hệ số công suất cos = R/Z Công suất tiêu thụ mạch : P = UIcos = I2R * Chú ý : +Các công thức áp dụng cho đoạn mạch AMNB như: AN, MB +Nếu đoạn mạch thiếu linh kiện công thức thay điện trở linh kiện không Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 5- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Trường hợp cuộn dây có điện trở thần đáng kể R0 2 * Cuộn dây lúc đoạn mạch mắc nối tiếp có tổng trở Z d R Z L ; ta có công thức: I = U d/Zd ; tg d = ZL/R0 ; cos d = R0/Zd; Pd = UdIcos d = I2R0 * Các công thức mạch lúc viết thành : Z L ZC Z ( R R0 ) (Z L Z C ) ; tg u / i ; cos = (R+R0)/Z ; P = I2(R+R0) R R0 *Chú ý: - Khi áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch xoay chiều hai đại lượng cường độ dòng điện hiệu điện phải loại: giá trị hiệu dụng giá trị cực đại - Giản đồ véc tơ đoạn mạch nối tiếp thường chọn pha dòng điện i làm gốc - Tổng trở đoạn mạch không cho phép cộng đại số (trừ trường hợp loại điện trở) -Đại lượng u hay i không cho phép cộng đại số Trừ u pha i pha -Cần phân biệt cho : giá trị cực đại có cộng huởng (I)max giá trị biên I0=I -Khi tính toán phải nhớ đổi đơn vi hệ SI C(F); L(H) R( ); Z( ) ; I(A); U(V) ; P(W); (rad) -Tu điện C’ ghép với tụ C: + Ghép nối tiếp 1 ' Cb C C địên dung tụ nhỏ Cb < C, CbC, Cb>C’ Chủ Đề 2: Đoạn mạch RLC:cho biết biểu thức cường độ dòng điện i = I0cos t , viết biểu thức hiệu điện u(t) Phương pháp: Giả sử biết i I cos t , tìm biểu thức hiệu điện thế: u U cos(t u / i ) + Tìm U I Z Z R2 (Z L Z C ) + Tìm φ u φ u φ i nhờ : tgu / i i Z L ZC u / i … ý rằng: | u / i | R Chú ý : *Nếu biết i I cos(t i ) u U cos(t u / i u ) *Khi tính độ lệch pha u so với i u/i nên dùng hàm tgu/i để suy u/i dấu độ lớn, dùng hàm cos =R/Z để lấy nghiệm phải so sánh ZC ZL lấy dấu u/i Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 6- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Chủ Đề 3: Đoạn mạch RLC: cho biểu thức hiệu điệu u(t) xác định biểu thức i(t), suy biểu thức uR(t) , uL(t), uC(t), uMN(t) Phương pháp: + Cho biểu thức hiệu điện hai đầu đoạn mạch u U cos(t ) *Bước 1: Viết biểu thức i có dạng i I cos(t u / i ) ; với I Z L ZC U0 ; Z R2 (Z L ZC ) độ lệch pha φu tính dựa tgφ u/i i Z R *Bước 2: Viết biểu thức hiệu điện chủ đề 2: uR pha với i nên : uR U R cos(t u / i ) với U0R = I0 R uL sớm pha với i : uL U L cos(t u / i ) với U0L = I0.ZL uC trễ pha với i : uC U 0C cos(t u / i ) với UC =I0.Zc MN I0 ZMN uMN lệch pha so với i u / i uMN U MN cos(t u i uMN ).voiU MN i Chú ý Nếu biết u U cos(t u ) i I cos(t u / i u ) Chủ Đề 4: Trường hợp phần tử điện(L hay C hay R) bị đoản mạch, biết U tính I (ngược lại) Phương pháp: Nếu có phần tử điện (thuộc mạch RLC) bị đoản mạch ta phải loại bỏ phần tử nghĩa công thức nói ta phải cho điện trở tương ứng Ví dụ trường hợp đoản mạch: Hình 1: R L C +Trường hợp : Hai đầu phần tử điện bị nối tắt với : Thí dụ (hình 1) : Cuộn L bị đoản mạch Z L Hình 2: K đóng R Z C2 Lúc : I U Z U R L C +Trường hợp 2: Hai đầu phần tử điện mắc song song khóa điện K (có RK=0) mà khóa điện K bị đóng lại Thí dụ (hình 2): Khi K đóng tụ C bị đoản mạch ZC = , R2 ZL2 Lúc I U / Z U Chủ Đề 5: Tính độ lệch pha hiệu điệu u1 u2 hai đoạn mạch Cách vận dụng Phương pháp đại số : Cách :+Tính độ lệch pha theo : φ u φ u2 u1 φ i u2 i Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 7- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” +Tìm độ lệch pha φ u1 / i , φ u / i nhờ : tgφu1 Z L1 ZC1 R1 i φ u1 tgφu2 i ZL2 ZC2 R2 i φu2 i Cách : Tính u / u trực tiếp công thức : tgu1 / u2 tg(u1 / i u2 / i ) tgu1 / i tgu2 / i 1 tgu1 / i tgu2 / i Phương pháp giản đồ vectơ : Độ lệch pha φ u1 U ; U I ; U I ; U φ u1 / i φ u2 / i u2 Vận dụng : Nếu biết φ u1 u2 biết thông số mạch điện ta tính thông số lại Thí dụ: biết φu1 u2 tính φu1 φu2 i áp dụng công thức tgφu2 / i i Z L2 ZC2 ZC2 C2 R2 Chú ý: Trường hợp hiệu điện u1 u2 vuông pha tgu1 / i tgu2 / i 1 Chủ đề 6: Đoạn mạch RLC: biết hiệu điện hiệu dụng UR ;UL ;UC Tìm U u/i đoạn mạch Phương pháp: Cách : Áp dụng công thức định luật Om:U=IZ U I R2 ZL ZC UR2 (UL UC )2 Và tgφu i I (Z L ZC ) U L UC φ u i IR UR O Cách 2: dùng giản đồ vectơ UC UL U UR I Hiệu điện tức thời : u uR uL uC U UR UL UC Vẽ giản đồ vectơ hiệu điện theo giá trị hiệu dụng Từ giản đồ vectơ U UR UL UC I (Z L Z C ) U L U C tg φ u φ u i i IR UR Chủ Đề 7: Cuôn dây (R,L) nối tiếp tụ C, biết Hiệu điện hiệu dụng Ud,, UC Tìm U , u/ i mạch (R,L) C Phương pháp: Dùng giản đồ vectơ : Ud UC Hiệu điện : uAB =ud + uC giản đồ véc tơ U U d U C (1) 2 Ud A y C d O U UC .H .I O Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH x -trang 8- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” Cách 1: Tính UL, UR theo UR=U dcosd ; U L=U dsind (R,L) C Từ giản đồ vectơ U U UL UC Ud UC R tgφ u i U UC L φu i UR Ud A y Cách 2: Tính theo hình học giản đồ : C Xét OAC với góc OAC = /2-d d Theo định lí hàm số cos: O U U C U2 = U d2 + UC2 –2U dUC cos(/2 - d) .H .I = Ud2 + UC2 –2U dUC sind O x với sin d = ZL/Zd = ZL/(R2 + ZL2)1/2 chiếu (1) lên trục Ox ta có : Ucos = U d cos d cos u/i = (Ud/U)cos d u/i… chiếu lên trục OyOx U sin =Ud sin d -UC sin = (U dsin d – UC)/U u/i …… Chủ Đề : Biết U,R :tìm hệ thức L,C, để Imax cộng hưởng điện Phương pháp : * Trường hợp I=max : Theo định luật Om : I U U Z R (Z L Z C ) Nhận xét: I=max Z=min ZL ZC L * Trường hợp u,i pha : độ lệch pha Z L ZC LC = Vậy : tgφ u i R * Trường hợp hệ số công suất cực đại 2 LC = C φu i UL R R (ZL ZC ) ZL = ZC LC =1 Kết luận chung Hiện tựơng cộng hưởng : Imax=U/R; u,i pha u/i =0; (cos )max = LC = 1 LC2 Hệ : Imax U U ZL ZC ωL Zmin R ωC Các dấu hiệu cộng hưởng khác : * Khi i pha với u ; hay u pha với uR * Khi L biến thiên UCmax ,hay URmax,hay Pmax * Khi (A) giá trị cực đại * Khi C biến thiên ULmax ,hay URmax ,hay Pmax * Đèn sáng L, C, f biến thiên O U UC UR I UL U O UR UC Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH I -trang 9- Chuyên đề :” CÁCH GIẢI CÁC DẠNG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN” * Khi f biến thiên U Lmac, hay UCmax , hay URmax , hay Pmax * Khi Z = R tức Zmin * Khi uC hay uL vuông pha với u hai đầu đoạn mach Chủ Đề 9: Tìm C’và cách mắc tụ vào tụ C để Imax cộng hưởng điện Phương pháp : R Gọi C0 điện dung tương đương hệ C C’ Lập luận tương tự chủ đề , đưa đến kết quả: LC0 = C0 … *So sánh C0 với C : Nếu C0 > C C’ghép song song tụ C :C0 =C + C’ C’… Nếu C0 < C C’ ghép nối tiếp tụ C :1/C0 =1/C + 1/C’ C’ … *Hoặc so sánh :ZC với ZL ZCo>ZC C0 = C’nối tiếp C ; ZCo< ZC C0 = C’// C L C ’ C Chủ Đề 10: Đoạn mạch RLC :Tính công suất tiêu thụ P mạch Phương pháp : * Tìm P(mạch): Cách 1: mạch RLC :chỉ có điện trở tiêu thụ điện (dạng nhiệt ), cuôn cảm tụ không tiêu thụ điện P RI Z L ZC I Cách 2:dùng công thức tổng quát : P UI cosφ với I ; tính từ tgφ R R hay cos φ Z Bảng biến thiên: Đồ thị quan hệ P(R) R P Rm P Pmax Pmax 0 Rm R Chủ đề 11: Biết U, R, L (hayC), .Tìm C (hay L) để Pmax Khảo sát biến thiên P theo C (hay L) Phương pháp: Trong phần tử điện R;L;C :chỉ có điện trở R tiêu thụ điện (dạng nhiệt) Ta có P=I R P RU const 2 M R (Z L Z C ) \ Tìm L hay C để P max : Nhận xét: Tử số RU2 = const nên P = max mẫu số M=min ZL-ZC = LC = Mạch cộng hưởng điện Lúc : Pmax = U2/R + Biết L suy Cm = 1/ (L 2) + Biết C suy Lm = 1/( 2C) Người thực : NGUYỄN TRƯỜNG SƠN trường THPH NGUYỄN HỮU CẢNH -trang 10-