Đây là đề tài sáng kiến về một số kỹ năng nhận dạng và phương pháp giải nhanh bài toán truyền tải điện năng, giúp học sinh làm tốt bài toán truyền tải điện năng trong bài thi THPT Quốc Gia. Hy vọng sẽ giúp được các bạn có nhu cầu.
SÁNG KIẾN: “Giúp học sinh nhận dạng giải nhanh số toán thay đổi hiệu suất truyền tải điện thi Vật lý kì thi THPT Quốc Gia” Người thực hiện: ĐỖ THỊ MỸ NHI I NỘI DUNG SÁNG KIẾN II Truyền tải điện ln tốn khó đề thi THPT QG mơn Vật Lý với nhiều dạng tốn phức tạp Trong đó, kể đến tốn thay đổi hiệu suất truyền tải thường gặp đề thi THPT QG năm gần Thực tế cho thấy, với học sinh có học lực giỏi ngại học phần Đa số em thường khơng làm khơng tìm phương pháp giải tối ưu nên nhiều thời gian, ảnh hưởng đến kết thi môn Vật Lý Mặt khác, thi THPT Quốc Gia mơn Vật Lý có hình thức trắc nghiệm nên thời gian làm tương đối ngắn (trung bình phút/câu); nhiều học sinh muốn đạt điểm cao thiết phải giải câu vận dụng cao nên nhiệm vụ người giáo viên phải cung cấp đủ cho em kiến thức kĩ làm Phương pháp giải toán truyền tải điện nhiều tác giả đề cập đến học sinh gặp nhiều khó khăn vận dụng Có thể kể đến vài nguyên nhân sau Một là, lượng công thức cần nhớ nhiều, mối liên hệ đại lượng phức tạp, khó ghi nhớ khơng hiểu sâu vấn đề Hai là, học sinh đọc đề xong không hiểu đề chưa biết cách nhận dạng, phân loại tốn dẫn đến khơng tìm phương pháp giải phù hợp Từ yêu cầu trên, thân tơi xin đóng góp chút ý tưởng nhỏ mong giải phần tồn nêu với đề tài: “Giúp học sinh nhận dạng giải nhanh số toán thay đổi hiệu suất truyền tải điện thi Vật lý kì thi THPT Quốc Gia” Để tài giải hai vấn đề: - Một là: Giúp học sinh nhận dạng toán Hai là: Dùng phương pháp lập tỉ số phần trăm hao phí để giải nhanh số tốn thay đổi hiệu suất truyền tải hệ số công suất tồn hệ thống ( đổi ) khơng Lý thuyết truyền tải điện Sơ đồ truyền tải điện thực tế: Sơ đồ truyền tải điện đơn giản: Với R điện trở đường dây; U điện áp hai đầu nguồn phát; U tt điện áp hai đầu tải tiêu thụ Sơ đồ đơn giản hóa sau: Các biểu thức suy ra: Biểu thức điện áp hai đầu đoạn mạch AB Giản đồ vector Công suất nơi phát Công suất nơi tiêu thụ Công suất hao phí (do tỏa nhiệt) đường dây Độ giảm điện áp đường dây Điện hao phí đường dây Hiệu suất truyền tải Phần trăm hao phí Kĩ nhận dạng toán thay đổi hiệu suất truyền tải điện phương pháp giải Việc rèn luyên kĩ phân tích đề nhận dạng tốn quan trọng giúp học sinh có nhìn tổng quan tốn truyền tải điện năng, từ chọn phương pháp giải phù hợp nhanh Ngồi ra, phân tích ngun nhân dẫn đến thay đổi hiệu suất truyền tải giúp em hiểu ý nghĩa thực tiễn trình truyền tải điện đời sống Hao phí trong q trình truyền tải điện xa làm thiệt hại đáng kể cho nhà máy điện Từ lý thuyết truyền tải, để giảm hao phí, ta thay đổi đại lượng sau: Thay đổi công suất nguồn cung cấp P Thay đổi hiệu suất truyền tải H ↔ thay đổi phần trăm hao phí Thay đổi điện áp nơi phát U Ta thấy Thay đổi điện trở dây dẫn R Thay đổi hệ số cơng suất tồn mạch Chú thích : Cách thay đổi h 2.1 Thay đổi hệ số cơng suất tồn mạch (ít gặp) Trường hợp tăng để giảm hao phí khơng dễ phụ tải đối tượng tiêu thụ điện đa dạng nên cách làm không thực tế Trong giới hạn đề tài này, phần phương pháp giải áp dụng cho trường hợp thay đổi đại lượng P, U R mà không làm thay đổi hệ số công suất tồn mạch Thay đổi cơng suất nguồn cung cấp Công suất nhà máy thường phụ thuộc vào số tổ máy Ví dụ: Nhà máy thủy điện 2.2 Cần Đơn – Bù Đốp – Bình Phước thường vận hành với tổ máy phát, công suất nhà máy cung cấp 38,8 MW Gọi: : công suất tổ máy (không đổi); n: số tổ máy Mặt khác, cơng suất tồn phần nhà máy: (khơng đổi) gồm Trong đó: P cơng suất phát; Q công suất phản kháng Khi nhu cầu sử dụng điện thay đổi, nhà máy thường điều chỉnh Q để thay đổi P nhằm đáp ứng đủ nhu cầu điện cho người tiêu dùng → Ta thấy P, n, Ptt thay đổi dẫn đến hiệu suất truyền tải H thay đổi hay phần trăm hao phí h thay đổi Phương pháp giải: Bước 1: Nhận dạng tốn phân tích kiện thay đổi đề thơng qua dấu hiệu nhận biết sau: • Cơng suất nơi phát P thay đổi • Số tổ máy phát n thay đổi • Cần thay đổi cơng suất nơi phát P công suất nơi tiêu thụ Ptt thay đổi Bước 2: Từ công thức: Lập tỉ số phần trăm hao phí: Lưu ý: Ptt thay đổi trường hợp gắn liền với thay đổi P Tùy vào kiện đề cho đại lượng thay đổi (P, n, P tt) mà ta chọn tỉ số tương ứng để giải toán Thay đổi điện áp nơi phát Ở nhà máy phát, người ta thường dùng máy biến áp (máy tăng áp) để tăng điện áp 2.3 trước truyền tải điện xa Việc làm nhằm giảm hao phí đường dây, từ làm tăng cơng suất điện nơi tiêu thụ Các máy biến áp thực tế có hiệu suất làm việc đạt từ (có thể xem lí tưởng) nên khơng làm thay đổi công suất nơi phát Chứng minh: Công suất hao phí: Ta thấy U tăng (P, khơng đổi) → giảm → tăng hay số hộ cung cấp đủ điện tăng lên Gọi: : tỉ số máy biến áp nơi phát; Điện áp nơi phát: Khi chưa sử dụng máy biến áp trường hợp tương đương với n: số hộ dân tiêu thụ điện; công suất tiêu thụ hộ (không đổi) Đặt: → Ta thấy U thay đổi dẫn đến hiệu suất truyền tải H thay đổi hay phần trăm hao phí h thay đổi Phương pháp giải: Bước 1: Nhận dạng tốn phân tích kiện thay đổi đề thông qua dấu hiệu nhận biết sau: • • • Điện áp nơi phát U thay đổi Thay đổi điện áp nơi phát U cách thay đổi hệ số máy biến áp k Thay đổi điện áp nơi phát U làm thay đổi công suất nơi tiêu thụ P tt (hay số hộ tiêu thụ điện thay đổi) Bước 2: Từ cơng thức: Lập tỉ số phần trăm hao phí: Lưu ý: Ptt thay đổi trường hợp gắn liền với thay đổi U Tùy vào kiện đề cho đại lượng thay đổi (U, k, Ptt) mà ta chọn tỉ số tương ứng để giải tốn Thay đổi điện trở dây dẫn (ít gặp) Một biện pháp làm giảm hao phí truyền tải điện xa 2.4 tăng đường kính dây dẫn để giảm điện trở Điện trở dây dẫn tính sau: Tuy nhiên, thực tế phương pháp thường không sử dụng kéo theo nhiều hệ giá thành dây dẫn tăng, kích thước trụ đỡ phải lớn nên hiệu kinh tế không cao Dù vậy, lý thuyết ta nghiên cứu dạng toán Phương pháp giải: Bước 1: Nhận dạng toán phân tích kiện thay đổi đề thơng qua dấu hiệu nhận biết sau: • Thay đổi đường kính dây dẫn • Thay đổi vật liệu dây dẫn Bước 2: Từ công thức: Lập tỉ số phần trăm hao phí: Các ví dụ Tất kí hiệu định nghĩa mục lý thuyết phương pháp giải nên trình hướng dẫn giải không định nghĩa lại Dạng 1: Thay đổi công suất nơi nguồn phát Ví dụ Một nhà máy phát điện gồm nhiều tổ máy có cơng suất hoạt động đồng thời, điện sản xuất đưa lên đường dây truyền đến nơi tiêu thụ Coi điện áp nơi truyền không đổi Khi cho tất tổ máy hoạt động đồng thời hiệu suất truyền tải 80%, cịn giảm bớt tổ máy hiệu suất truyền tải 85% Để hiệu suất truyền tải đạt 95% phải giảm tiếp tổ máy nữa? A B C 12 D Giải phương pháp lập bảng cột: ∆P Ta có: ; Mặt khác: Vậy, để hiệu suất đạt 95%, cần phải giảm tiếp tổ máy Giải phương pháp lập tỉ số phần trăm hao phí : Bước Nhận dạng tốn phân tích kiện thay đổi đề • • Khi Khi Khi Dấu hiệu nhận biết: Thay đổi công suất nơi phát cách thay đổi số tổ máy Phân tích đề: tổ máy hoạt động → tổ máy hoạt động → tổ máy hoạt động → Bước Lập tỉ số phần trăm hao phí theo n ; Chọn A Bình luận: Việc nhận dạng, phân tích tốn giúp học sinh nhận biết mối liên hệ đại lượng: số tổ máy (n) thay đổi → công suất nơi phát (P) thay đổi → thay đổi hiệu suất truyền tải (H) ↔ thay đổi phần trăm hao phí (h) Học sinh lựa chọn nhiều phương pháp giải khác nhiên phương pháp lập tỉ số phần trăm hao phí giúp em tính tốn nhanh mà không cần phải thuộc nhiều công thức Học sinh cần nhớ từ lập tỉ số cho trường hợp thay đổi Ví dụ 2: [THPTQG 2018] Điện truyền từ nhà máy phát điện gồm tổ máy đến nơi tiêu thụ đường dây tải điện pha Giờ cao điểm cần tổ máy hoạt động, hiệu suất truyền tải đạt 75% Coi điện áp hiệu dụng nhà máy không đổi, hệ số công suất mạch điện 1, công suất phát điện tổ máy hoạt động không đổi Khi công suất tiêu thụ điện nơi tiêu thụ giảm 81,25% so với cao điểm cần tổ máy hoạt động? A B C D Bước Nhận dạng toán phân tích kiện thay đổi đề Dấu hiệu nhận biết: - Thay đổi số tổ máy - Thay đổi công suất tiêu thụ nên cần thay đổi công suất phát • Phân tích đề: • Khi tổ máy hoạt động → Khi tổ máy hoạt động → hiệu suất truyền tải Biết Bước Lập tỉ số phần trăm hao phí theo Ptt theo n Chọn A Dạng 2: Thay đổi điện áp nơi truyền Ví dụ 3: [Đề ơn THPT QG số Sở Bình Phước 2019] Điện trạm phát điện truyền điện áp (ở đầu đường dây tải) 20(kV), hiệu suất trình truyền tải điện 80% Công suất điện truyền không đổi Nếu tăng điện áp đầu đường dây tải điện lên 50(kV) hiệu suất trình truyền tải lúc A 92,4% B 96,8% C 94,6% Bước Nhận dạng toán phân tích kiện thay đổi đề • • Dấu hiệu nhận biết: Thay đổi điện áp nơi truyền Phân tích đề: Khi điện áp nơi phát Khi điện áp nơi phát 10 D 98,6% Bước Lập tỉ số phần trăm hao phí theo U Chọn B Ví dụ 4: [ĐH – 2012] Điện từ trạm phát điện đưa đến khu tái định cư đường dây truyền tải pha Cho biết, điện áp đầu truyền tăng từ U lên 2U số hộ dân trạm cung cấp đủ điện tăng từ 120 lên 144 Cho tính đến hao phí đường dây, công suất tiêu thụ điện hộ dân nhau, công suất trạm phát không đổi hệ số công suất trường hợp Nếu điện áp truyền 4U trạm phát cung cấp đủ điện cho A 168 hộ dân B 150 hộ dân C 504 hộ dân Bước Nhận dạng toán phân tích kiện thay đổi đề Dấu hiệu nhận biết: - Thay đổi điện áp nơi truyền - Số hộ tiêu thụ điện thay đổi U thay đổi • Phân tích đề: • Khi điện áp nơi phát số hộ tiêu thụ điện Khi điện áp nơi phát số hộ tiêu thụ điện Khi điện áp nơi phát số hộ tiêu thụ điện Bước Lập tỉ số phần trăm hao phí theo U n 11 D 192 hộ dân Chọn B Ví dụ 5: [Đề minh họa THPT QG 2019] Điện truyền từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ đường dây tải điện pha Để giảm hao phí đường dây người ta tăng điện áp nơi truyền máy tăng áp lí tưởng có tỉ số số vịng dây cuộn thứ cấp số vòng dây cuộn sơ cấp k Biết công suất nhà máy điện không đổi, điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn sơ cấp không đổi, hệ số công suất mạch điện Khi k = 10 cơng suất hao phí đường dây 10% công suất nơi tiêu thụ Để cơng suất hao phí đường dây 5% cơng suất nơi tiêu thụ k phải có giá trị A 19,1 B 13,8 C 15,0 D 5,0 Bước Nhận dạng toán phân tích kiện thay đổi đề • Dấu hiệu nhận biết: Thay đổi điện áp nơi phát cách thay đổi hệ số máy biến áp • Phân tích đề: Khi Khi Bước Lập tỉ số phần trăm hao phí theo k Lưu ý: cho cơng suất hao phí theo cơng suất tiêu thụ nên ta cần tính lại phần trăm hao phí 12 Chọn B Dạng 3: Thay đổi điện trở đường dây tải điện Ví dụ 6: Khi thay dây truyền tải điện dây khác chất liệu có đường kính tăng gấp đơi hiệu suất tải điện 91% Hỏi thay dây truyền tải loại dây chất liệu có đường kính tăng gấp lần hiệu suất truyền tải điện Biết cơng suất điện áp nơi phát không đổi A 94 % B 96% C 92% D 95% Bước Nhận dạng toán phân tích kiện thay đổi đề • • Dấu hiệu nhận biết: Thay đổi điện trở dây dẫn cách tăng đường kính dây Phân tích đề: Khi đường kính dây hiệu suất truyền tải Khi đường kính dây hiệu suất truyền tải Khi đường kính dây hiệu suất truyền tải Bước Lập tỉ số phần trăm hao phí theo d Chọn B Bài tập vận dụng 13 Câu [CĐ 2011] Khi truyền điện có cơng suất P từ nơi phát điện xoay chiều đến nơi tiêu thụ cơng suất hao phí đường dây ∆P Để cơng suất hao phí đường dây ∆P cịn n (với n > 1), nơi phát điện người ta sử dụng máy biến áp (lí tưởng) có tỉ số số vịng dây cuộn sơ cấp số vòng dây cuộn thứ cấp 1 A n B n C n D n Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi điện áp nơi phát cách thay đổi tỉ số máy biến áp Lưu ý: chưa sử dụng máy biến áp trường hợp tương đương với Câu [CĐ 2013] Điện truyền từ nơi phát đến khu dân cư đường dây pha với hiệu suất truyền tải H Coi hao phí điện tỏa nhiệt đường dây Nếu công suất truyền tải giảm k lần so với ban đầu giữ nguyên điện áp nơi phát hiệu suất truyền tải điện đường dây 1− H 1− H 1− 1− k k A – (1 – H)k2 B – (1 – H)k C D Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi công suất nơi phát Câu [ĐH 2013] truyền từ nơi phát đến khu dân cư đường dây pha với hiệu suất truyền tải 90% Coi hao phí điện tỏa nhiệt đường dây không vượt 20% Nếu công suất sử dụng điện khu dân cư tăng 20% giữ nguyên điện áp nơi phát hiệu suất truyền tải điện đường dây là: A 87,7% B 89,2% C 92,8% D 85,8% Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi công suất nơi phát thay đổi công suất tiêu thụ Câu [TT1- Chuyên Lê Thánh Tông – Quảng Nam – 2019] Điện chạm điện có cơng suất P khơng đổi, truyền điện áp 20kV hiệu suất trình truyền tải Nếu tăng điện áp đầu đường dây truyền tải lên thêm 10kV hiệu suất trình truyền tải điện đạt giá trị A 90% B 94% C 88% D 92% Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi điện áp nơi phát Câu [Đề ơn số Sở Bình Phước 2019] Một nhà máy phát điện gồm tổ máy có cơng suất P hoạt động đồng thời Điện sản xuất đưa lên đường dây truyền đến nơi tiêu thụ với hiệu suất truyền tải 80% Hỏi tổ máy ngừng hoạt động , tổ máy cịn lại hoạt động bình thường hiệu suất truyền tải bao nhiêu? A 85% B 75% C 90% D 87% Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi công suất nơi phát cách thay đổi số tổ máy 14 Câu [TT – Sở Hà Tĩnh – 2019] Điện truyền từ trạm phát đến nơi tiêu thụ đường dây tải điện pha Ban đầu, công suất nơi tiêu thụ P, hiệu suất truyền tải 90% Biết điện áp nơi trạm phát không đổi hệ số công suất Để tăng cơng suất tiêu thụ lên 1,2P cần tăng cơng suất truyền lên A 1,32 lần B 1,2 lần C 1,23 lần D 1,3 lần Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi công suất tiêu thụ nên cần thay đổi công suất phát Câu [THPTQG – 2017] Điện truyền từ trạm phát điện đến nơi tiêu thụ đường dây tải điện pha Biết công suất truyền không đổi coi hệ số công suất mạch điện Để cơng suất hao phí đường dây truyền tải giảm n lần (n > 1) phải điều chinh điện áp hiệu dụng trạm phát điện A tăng lên n2 lần B giảm n2 lần C giảm lần D tăng lên lần Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi điện áp nơi phát Câu Một nhà máy điện phát công suất P không đổi, công suất truyền đến nơi tiêu thụ dây nhôm với hiệu suất truyền tải 90% Nếu tăng đường kính dây nhơm lên gấp đơi hiệu suất truyền tải điện A 95% B 96% C 97,5% D 92,5% Dấu hiệu nhận dạng: Thay đổi điện trở dây dẫn cách thay đổi đường kính dây 15 KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CỦA SÁNG KIẾN III Sáng kiến áp dụng thử trường THPT Thanh Hòa năm học 2019 – 2020 mang lại hiệu thiết thực Sáng kiến áp dụng giảng dạy rộng rãi cho học sinh lớp 12 thông qua tiết học khóa, dạy thêm học thêm trái buổi nhà trường tổ chức hướng dẫn tự học nhà, giúp em làm tốt toán truyền tải điện thi Vật Lý kì thi THPT quốc Gia Ngồi ra, sáng kiến cịn dùng để bồi dưỡng học sinh giỏi tham gia kì thi chọn học sinh giỏi lớp 12 cấp Tỉnh IV HIỆU QUẢ THU ĐƯỢC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN Để đánh giá hiệu việc áp dụng sáng kiến, tơi chọn hai nhóm học sinh khối 12 trường THPT Thanh Hịa tham gia khảo sát (mỗi nhóm có khoảng 20 học sinh, có học lực tương đương) • Nhóm tiến hành thực nghiệm: hướng dẫn chi tiết cách nhận dạng toán phương pháp lập tỉ số phần trăm hao phí để giải số tốn truyền tải điện • Nhóm đối chứng: học kiến thức sách giáo khoa Kết khảo sát sau: Nhóm Điểm → 10 5→7 3→4 0→2 Tổng số HS Nhóm đối chứng Số HS Tỉ lệ (%) 0 9,5 42,9 10 47,6 21 100 16 Nhóm tiến hành thực nghiệm Số HS Tỉ lệ (%) 27,3 12 54,5 13,6 4,6 22 100 ... hiệu suất truyền tải hệ số công suất tồn hệ thống ( đổi ) khơng Lý thuyết truyền tải đi? ??n Sơ đồ truyền tải đi? ??n thực tế: Sơ đồ truyền tải đi? ??n đơn giản: Với R đi? ??n trở đường dây; U đi? ??n áp hai... (ở đầu đường dây tải) 20(kV), hiệu suất trình truyền tải đi? ??n 80% Công suất đi? ??n truyền không đổi Nếu tăng đi? ??n áp đầu đường dây tải đi? ??n lên 50(kV) hiệu suất trình truyền tải lúc A 92,4% B... biết: - Thay đổi đi? ??n áp nơi truyền - Số hộ tiêu thụ đi? ??n thay đổi U thay đổi • Phân tích đề: • Khi đi? ??n áp nơi phát số hộ tiêu thụ đi? ??n Khi đi? ??n áp nơi phát số hộ tiêu thụ đi? ??n Khi đi? ??n áp nơi phát