SKKN kinh nghiệm giải toán mạch điện vật lí 9

Mà môn vật lý hầu như không có tiếtbài tập hoặc rất ít nên thực tế nhiều học sinh lúng túng không biết giải quyết cácbài tập cho về nhà như thế nào, đặc biệt là những bài tập về mạch điệ

PHẦN I: PHẦN LÍ LỊCH

Họ và tên: Phạm Tiến Mạnh

Chức vụ, chức danh: Giáo viên

Đơn vị công tác: Trường THCS Đình Cao

Tên sáng kiến kinh nghiệm:

Kinh nghiệm giải toán mạch điện vật lí 9

PHẦN II NỘI DUNG A-MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

a, Thực trạng của vấn đề

Chúng ta đã biết rằng môn vật lí bao gồm một hệ thống lí thuyết và bài tập đadạng và phong phú Bài tập giúp cho học sinh hiểu, khắc sâu phần lí thuyết Mặtkhác bài tập là một hoạt động tự lực của học sinh, phần nhiều bài tập làm ở nhàkhông có sự giúp đỡ, chỉ đạo của giáo viên Mà môn vật lý hầu như không có tiếtbài tập hoặc rất ít nên thực tế nhiều học sinh lúng túng không biết giải quyết cácbài tập cho về nhà như thế nào, đặc biệt là những bài tập về mạch điện, một số bàiđòi hỏi học sinh phải vẽ lại mạch điện, kết hợp với mạch đề bài ra để giải

Với thực trạng trên, đề tài nhằm đưa ra phương pháp hướng dẫn học sinh suynghĩ tìm lời giải cho bài tập về mạch điện một cách khoa học nhất

b, Ý nghĩa và tác dụng của giải pháp mới

Qua những năm giảng dạy vật lý 9 và thực tế qua một năm dạy bồi dưỡng HSGlớp 9 bản thân tôi nhận thấy: Các bài tập về mạch điện rất phong phú từ mạch điệnđơn giản, đến mạch điện phức tạp; mạch có vôn kế, ampe kế lí tưởng, đến mạch cóvôn kế, ampe kế có điện trở hữu hạn; mạch cầu, mạch đối xứng, mạch tuần hoàn

… Mỗi dạng lại có phương pháp giải khác nhau và đây là loại toán các em cho làkhó và rất lúng túng khi giải

Từ những lý do trên, nhằm giúp cho học sinh lớp 9, HSG có một định hướng về

phương pháp giải toán mạch điện lớp 9, nên tôi đã chọn đề tài “Kinh nghiệm giải

toán mạch điện vật lí 9” để viết sáng kiến kinh nghiệm.

c, Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nội dung của các bài dạy về chương I điện học vật lí 9

- Các phương pháp, các kĩ thuật dạy học tích cực

- Quan điểm đổi mới về phương pháp dạy học vật lí và quan điểm chỉ đạo củangành giáo dục

- Hệ thống SGK, SGV, các sách hướng dẫn, sách tham khảo về bộ môn vật lí

- Dạng bài tập về mạch điện vật lí 9.

2 Phương pháp tiến hành

a) Cơ sở lý luận và thực tiễn

Ngay từ đầu năm học tôi đã được giao nhiệm vụ giảng dạy bộ môn vật lý ở lớp

9A, bồi dưỡng HSG Tôi đã thăm dò, trao đổi với học sinh, tôi được biết:

Một số học sinh tỏ ra yêu thích môn vật lý, tuy vậy phần lớn học sinh ngần ngại

và cho rằng đây là môn học khó hơn so với các môn tự nhiên còn lại Nguyên nhânchủ yếu là do các em chưa có một phương pháp thực sự để học, để giải các bài tậpđòi hỏi tư duy Đặc biệt sang chương trình vật lý 9, có rất nhiều bài tập về phầnđiện đòi hỏi các em phải phân tích được mạch điện Việc tóm tắt, phân tích bàitoán để tìm hướng đi đúng cho bài giải đòi hỏi ở học sinh phải có kĩ năng, có nhiềukinh nghiệm Do đó từ đầu năm tôi đã hướng và phát triển dần cho học sinh những

kĩ năng cần thiết này, giúp các em có một kỹ năng nhất định trong việc giải các bàitập về vật lý nói chung, bài tập mạch điện nói riêng

b) Các biện pháp tiến hành, thời gian tạo ra giải pháp

- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là: Phương pháp điều tra giáo dục, phươngpháp quan sát sư phạm, phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh

- Kế hoạch nghiên cứu

1 9/2014 - Đăng kí đề tài sáng kiến

- Nghiên cứu các phương pháp giải bài tập về mạch điện

- Vận dụng vào trong các tình huống dạy- học điển hình theo hướng tích cực

- Giúp cho học sinh phát triển tư duy, phát huy tính sáng tạo trong quá trình giảicác bài tập về mạch điện

2 Giải pháp của đề tài

2.1 Lí thuyết

2.1.1 Định luật Ôm – Điện trở của dây dẫn

2.1.1.1 Định luật Ôm: Cường độ dòng điện qua dây dẫn tỷ lệ thuận với hiệu điện

thế đặt vào hai đầu dây và tỷ lệ nghịch với điện trở của dây

- Công thức: I U

R

 Trong đó: I:Cường độ dòng điện (A),

U: Hiệu điện thế (V) R: Điện trở ()

- Điện trở của dây dẫn chỉ phụ thuộc vào bản thân dây dẫn

2.1.2 Định luật Ôm cho đoạn mạch có các điện trở mắc nối tiếp

2.1.2 1 Cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong đoạn mạch mắc nối tiếp

- Cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm:

I = I1 = I2 =… = In

- Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch bằng tổng hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở thành phần:

U=U1+U2+…+Un

2.1.2 2 Điện trở tương đương của đoạn mạch nối tiếp

các điện trở trong mạch, sao cho giá trị của hiệu điện thế và cường độ dòng điệntrong mạch không thay đổi

b- Điện trở tương đương của đoạn mạch nối tiếp bằng tổng các điện trở hợp thành:

Rtđ = R1 + R2 +…+ Rn

2.1.2.3 Hệ quả: Trong đoạn mạch mắc nối tiếp (cùng I) hiệu điện thế giữa hai đầu

mỗi điện trở tỷ lệ thuận với điện trở điện trở đó

U1 R1

U2R2

2.1.3 Định luật Ôm cho đoạn mạch có các điện trở mắc song song

2.1.3.1 Cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong đoạn mạch mắc song song

- Cường độ dòng điện trong mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện trong cácmạch rẽ:

I = I1 + I2 +…+ In

- Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch song song bằng hiệu điện thế hai đầu mỗi đoạnmạch rẽ

U = U1 = U2 =…= Un

2.1.3.2 Điện trở tương đương của đoạn mạch song song

- Nghịch đảo điện trở tương đương của đoạn mạch song song bằng tổng cácnghịch đảo điện trở các đoạn mạch rẽ:

RtdR1R2 Rn

2.1.3.3 Hệ quả

- Mạch điện gồm hai điện trở mắc song thì: Rtd R RR R1 2

2.1.4 Điện trở dây dẫn phụ thuộc vào các yếu tố của dây

Điện trở dây dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài của dây, tỉ lệ nghịch với tiết diện của

dây và phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn

Công thức tính điện trở của dây dẫn (điện trở thuần):

l

RS



Trong đó: l chiều dài dây (m)

S tiết diện của dây (m2)

 điện trở suất (m)

R điện trở ()

* Ýnghĩa của điện trở suất

- Điện trở suất của một vật liệu (hay một chất liệu) có trị số bằng điện trở của mộtđoạn dây dẫn hình trụ được làm bằng vật liệu đó có chiều dài là 1m và tiết diện

- Được dùng để thay đổi cường độ dòng điện trong mạch.

- Các loại biến trở được sử dụng là: biến trở con chạy, biến trở tay quay, biến trởthan (chiết áp) Biến trở là điện trở có thể thay đổi trị số và dùng để điều chỉnhcường độ dòng điện trong mạch

- Kí hiệu trong mạch vẽ: hoặc hoặc hoặc

2.1.5.2 Điện trở dùng trong kỹ thuật

- Điện trở dùng trong kỹ thuật thường có trị số rất lớn

- Được chế tạo bằng lớp than hoặc lớp kim loại mỏng phủ ngoài một lớp cách điện

- Có hai cách ghi trị số điện trở dùng trong kỹ thuật là:

+ Trị số được ghi trên điện trở

+ Trị số được thể hiện bằng các vòng màu sơn trên điện trở (4 vòng màu)

2.1.6 Công suất điện

2.1.6.1 Công suất điện

Công suất điện trong một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn

mạch với cường độ dòng điện qua nó

- Trong đoạn mạch mắc nối tiếp (cùng I) thì: PP1 RR1

2 2 (công suất tỉ lệ thuận với điệntrở)

- Trong đoạn mạch mắc song song (cùng U) thì PP1 RR2

2 1 (công suất tỉ lệ nghịch vớiđiện trở)

- Dù mạch mắc song song hay nối tiếp thì Pm = P1+ P2+…+Pn

2.1.7 Điện năng – Công của dòng

2.1.7.1 Điện năng

* Điện năng là gì?

- Dòng điện có mang năng lượng vì nó có thể thực hiện công, cũng như có thể làmthay đổi nhiệt năng của một vật Năng lượng dòng điện được gọi là điện năng

* Sự chuyển hóa điện năng thành các dạng năng lượng khác

- Điện năng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác: Cơ năng, quangnăng, nhiệt năng, năng lượng từ, hóa năng…

Ví dụ:

- Bóng đèn dây tóc: điện năng biến đổi thành nhiệt năng và quang năng

- Đèn LED: điện năng biến đổi thành quang năng và nhiệt năng

- Nồi cơn điện, bàn là: điện năng biến đổi thành nhiệt năng và quang năng

- Quạt điện, máy bơn nước: điện năng biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng

* Hiệu suất sử dụng điện

- Tỷ số giữa phần năng lượng có ích được chuyển hóa từ điện năng và toàn bộđiện năng tiêu thụ được gọi là hiệu suất sử dụng điện năng.

Công thức: H A1.100%

A

Trong đó: A1: năng lượng có ích được chuyển hóa từ điện năng

A: điện năng tiêu thụ

2.1.7.2 Công của dòng điện (điện năng tiêu thụ)

* Công của dòng điện

- Công của dòng điện sinh ra trong một đoạn mạch là số đo lượng điện năngchuyển hóa thành các dạng năng lượng khác tại đoạn mạch đó

- Công thức: A = P.t = U.I.t

Trong đó: A: công của dòng điện (J)

P: công suất điện (W)

t: thời gian (s)

U: hiệu điện thế (V)

I: cường độ dòng điện (A)

- Ngoài ra còn được tính bởi công thức: A=I2Rt hoặc A U2t

R



* Đo điện năng tiêu thụ

- Lượng điện năng được sử dụng được đo bằng công tơ điện Mỗi số đếm trêncông tơ điện cho biết lượng điện năng sử dụng là 1 kilôoat giờ (kW.h) 1kW.h = 3 600kJ =3 600 000J

* Đối với mạch điện gồm các điện trở mắc nối tiếp:

- Công thức tính điện trở tương đương của mạch điện

Rtđ = R1 + R2 +…+ Rn

- Cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm:

I = I1 = I2 =… = In

- Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch bằng tổng hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở thành phần:

U=U1+U2+…+Un

* Đối với mạch điện gồm các điện trở mắc song song:

- Cường độ dòng điện trong mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện trong cácmạch rẽ:

điện trở của một dây đồng dài 100m và có tiết

diện 0,2mm2 Am pe kế có điện trở không

đáng kể

a Biết điện trở suất của đồng là =1,7 10-8  m tính R1

b Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AB và số chỉ của Am pe kế

c Tính nhiệt lượng toả ra trên R1 trong 3 giờ

a) Giá trị của điện trở R1 là:

8

100 1,7.10 8,5( )

0, 2.10

l R

3,5 0,17( ) 21

điện thế giữa A và B là UAB = 27 V Bỏ qua sự

thay đổi điện trở do nhiệt độ

a, Với R4 = 75  Hãy tính điện năng tiêu thụ

trên từng điện trở trong 5 phút

b, Tính trị số của R4 để công suất tiêu thụ trên đoạn mạch là 16,2 W

5

2 5

R2

R3

A +

B -

R3

R5R

- Tính được 0 , 2 A

R

U I

3

2 3

Tính được 0 , 08 A

R

U I

U P

2 2

 Qua quá trình học sinh giải bài tập tôi nhận thấy học sinh nhận biết được

mạch nối tiếp, mạch song song Biết được hướng giải bài toán, tuy nhiên một sốhọc sinh trong quá trình tính toán còn một vài chỗ chưa chính xác, như tìm điệntrở tương đương của đoạn mạch song song

2.2.1.3.2 Biện pháp

Củng cố lại lí thuyết, phương pháp và thường xuyên cho học sinh giải các bài tập

để học sinh ghi nhớ, và vận dụng một cách thuần thục

2.2.2 Dạng 2: Đoạn mạch có cấu tạo phức tạp

2.2.2.1 Phương pháp giải:

* Nếu đề bài không kí hiệu các điểm nút của mạch (là điểm giao nhau của ít nhất

ba dây dẫn) thì đánh số các điểm nút đó bằng kí hiệu Nếu dây nối có điện trở không đáng kể thì hai đầu đây nối chỉ ghi bằng một kí hiệu chung

* Để đưa mạch về dạng đơn giản có các quy tắc sau:

- Qui tắc 1: Chập các điểm có cùng điện thế.

- Quy tắc 2: Bỏ điện trở

Ta có thể bỏ các điện trở (khác không) nếu hai đầu điện trở đó có điện thế bằngnhau

* Chú ý: Khi đọc bài toán trong mạch có vôn kế, am kế cần xác định xem vôn kế,

am kế có lí tưởng hay không

VD 2 : Cho mạch điện như hình vẽ Hiệu điện thế

giữa hai điểm A và B là 20V luôn không đổi Biết R1

R1

R4

R2

R3C

= 3, R2 = R4 = R5 = 2, R3 = 1 Điện trở của ampe kế và dây nối không đáng

Điện trở tương đương cả mạch: RAB = R5 + R1234 = 2 + 2= 4

b) Cường độ dòng điện qua đoạn mạch AB:

 Còn chưa xác định được ampe kế, vôn kế có điện trở hữu hạn.

 Chưa kết hợp được mạch đề bài cho và mạch vẽ lại để giải bài toán

2.2.2.3.2 Biện pháp

Củng cố lại lí thuyết, phương pháp và thường xuyên cho học sinh giải các bài tập

để học sinh ghi nhớ, và vận dụng một cách thuần thục

2.2.3.1.2 Phân loại mạch cầu

Mạch cầu có thể phân thành hai loại:

+ Mạch cầu cân bằng

+ Mạch cầu không cân bằng:

* Nhận biết mạch cầu cân bằng, mạch cầu không cân bằng

Khi đặt vào A và B một hiệu điện thế U  0, nếu:

+ I5 = 0 thì được mạch cầu cân bằng

+ I5  0 thì được mạch cầu không cân bằng

ngược lại từ mạch tam giác thành mạch sao) Công thức chuyển mạch:

Cho hai sơ đồ mạch điện, mỗi mạch điện được tạo thành từ ba điện trở

(H2.1a mạch tam giác ()

H2.1b - Mạch sao (Y)

- Với các giá trị thích hợp của điện trở có thể thay thế mạch này bằng mạch kia, khi

đó hai mạch tương đương nhau Công thức tính điện trở của mạch này theo mạchkia khi chúng tương đương nhau như sau:

(Ở đây R’1, R’2, R’3 lần lượt ở vị trí đối diện với R1,R2, R3 )

* Chẳng hạn chuyển mạch tam giác R1 , R3 ,

R5 thành mạch sao R’1 , R’3 , R’5 tađượcsơ

đồ mạch điện tương đương H2 Các điện trở

R’1 , R’3 , R’5 được tính theo công thức : (1);

(2) và (3)

* Chuyển mạch sao R1, R2 , R5 thành mạch tam giác R’1, R’2 , R’5 (H2.2b ) Trong

đó các điện trở R’1, R’2, R’3 được xác định theo

* Các bước tiến hành giải như sau:

Bước 1: Vẽ sơ đồ mạch điện mới.

Bước 2: Tính các giá trị điện trở mới (sao R’1 , R’3 , R’5)

Bước 3: Tính điện trở tương đương của mạch

điện trở R4 khỏi mạch điện để tính điện

trở tương đương của đoạn mạch Khi đó

các điện trở trong mạch được mắc như

trở Tính cường độ dòng điện và hiệu điện trở

tương đương của mạch khi R5 = 30

Cách 1: Chuyển mạch tam giác R1; R3 ; R5 thành mạch sao R’1 ; R’3 ; R’5

 Qua quá trình học sinh giải bài tập tôi nhận thấy học sinh giải được các bài

tập về mạch cầu cân bằng, còn đối với mạch cầu tổng quát học sinh thường lúng túng, không nhớ công thức chuyển mạch

Củng cố lại lí thuyết, phương pháp và thường xuyên cho học sinh giải các bài tập

để học sinh ghi nhớ, và vận dụng một cách thuần thục Hướng dẫn học sinh giải bàitập về mạch cầu tổng quát theo cách khác (sử dụng 5 phương trình, kết hợp định luật ôm)

2.2.4 Dạng 4: Mạch tuần hoàn

2.2.4.1 Phương pháp giải:

Nếu một mạch điện có các mắt xích giống hệt nhau lặp đi lặp lại một cách tuầnhoàn thì điện trở tương đương sẽ không thay đổi nếu ta thêm vào (hoặc bớt đi) mộtmắt xích

2.2.4.2 Vận dụng:

Cho mạch điện như hình vẽ, các ô điện trở kéo dài đến vô cùng Tính điện trởtương đương toàn mạch Ứng dụng cho R1 = 0.4; R2 = 8

GIẢI

Gọi Rx là điện trở tương đương của đoạn mạch Do số cặp R1, R2 là vô cùng nên

ta có thể mắc thêm một cặp R1, R2 vào đầu đoạn mạch mà điện trở tương đươngvẫn không thay đổi

Qua quá trình học sinh giải bài tập tôi nhận thấy học sinh nắm được phương

pháp giải bài toán, nhưng còn gặp khó khăn trong tính toán

2.2.4.3.2 Biện pháp

Củng cố lại lí thuyết, phương pháp và thường xuyên cho học sinh giải các bài tập

để học sinh ghi nhớ, và vận dụng một cách thuần thục

VD 1 : Cho mạch điện như hình bên Điện trở mỗi

đoạn là r Tìm điện trở toàn mạch?

Bài giải

Do tính chất đối xứng ta nhận thấy cường độ dòng qua CG bằng cường độ dòngqua GD Cường độ dòng qua EG bằng cường độ dòng qua GF Nên ta tách điểm Gthành hai điểm G và G'

a

C E

D A

- Từ hình a mạch điện được vẽ lại như hình b.

Cho một hình lập phương (như hình vẽ)

được tạo thành từ 12 điện trở R như nhau

Tìm điện trở tương đương của mạch

GIẢI

- Ta thấy điểm 3 và 6 đối xứng nhau nên có cùng điện thế nên ta có thể chập làmmột.Tương tự các điểm 4 và 5

- Mạch điện được vẽ lại như hình b

-Từ hình b mạch điện được vẽ lại như hình c

8 4,5

2 1

1

8 5

Củng cố lại lí thuyết, phương pháp và thường xuyên cho học sinh giải các bài tập

để học sinh ghi nhớ, và vận dụng một cách thuần thục

2.3 Kết quả, bài học kinh nghiệm

2.3.1 Kết quả

* Trước khi thực hiện sáng kiến kinh nghiệm

Điểm giỏi Điểm khá Điểm TB Điểm yếu

* Sau khi thực hiện sáng kiến kinh nghiệm

Điểm giỏi Điểm khá Điểm TB Điểm yếu

* Về bồi dưỡng HSG: 3 học sinh giỏi huyện (4 học sinh dự thi)

Nhận xét: Khi áp dụng thử nghiệm đề tài này thì số học sinh khá giỏi tăng, số

học sinh yếu giảm so với trước

2.3.2 Bài học kinh nghiệm

2.3.2.1 Đối với giáo viên

Kết quả

Lớp

Lớp

Kết quả