Mời quý thầy cô và các bạn tham khảo Giáo án Vật lý 12 bài 12: Đại cương về dòng điện xoay chiều để nâng cao kĩ năng và kiến thức soạn giáo án theo chuẩn kiến thức, kỹ năng trong chương trình dạy học. Giáo án Vật lý 12 bài 12: Đại cương về dòng điện xoay chiều được soạn với hình thức 3 cột phù hợp quy định bộ GD và nội dung súc tích giúp học sinh dễ dàng hiểu bài học hơn.
BÀI 13: CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU I MỤC TIÊU Kiến thức: - Phát biểu định luật Ôm đoạn mạch điện xoay chiều điện trở - Phát biểu định luật Ôm đoạn mạch điện xoay chiều chứa tụ điện - Phát biểu tác dụng tụ điện mạch điện xoay chiều - Phát biểu định luật Ôm đoạn mạch điện xoay chiều chứa cuộn cảm - Phát biểu tác dụng cuộn cảm trogn mạch điện xoay chiều - Viết công thức tính dung kháng cảm kháng Kĩ năng: Áp dụng công thức giải số tập Thái độ: tích cực hoạt động học tập II CHUẨN BỊ Giáo viên: - Một số dụng cụ thí nghiệm dao động kí điện tử, ampe kế, vôn kế, số điện trở, tụ điện, cuộn cảm để minh hoạ Học sinh: - Ôn lại kiến thức tụ điện: q = Cu i = ± di di suất điện động tự cảm e = ± L dt dt III HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Hoạt động 1: Kiểm tra cũ Hoạt động GV Hoạt động HS Nội dung Phát biểu định nghĩa: giá trị tức thời, giá cực đại, giá trị hiệu dụng cường độ dịng điện điện áp xoay chiều hình sin Giải tập số SGK Hoạt động 2: Tìm hiểu mối quan hệ i u mạch điện xoay chiều Hoạt động GV Hoạt động HS - Biểu thức dịng điện xoay chiều có dạng? - Chọn điều kiện ban đầu thích hợp để ϕ = → i = I0cosωt = I cosωt - Có dạng: i = I0cos(ωt + ϕ) → điện áp xoay chiều hai đầu mạch điện: u = U0cos(ωt+ ϕ) - HS ghi nhận kết chứng minh thực nghiệm lí thuyết u = U0cos(ωt+ ϕu/i) =U cos(ωt+ cosωt (13.1) - Ta tìm biểu thức u hai đầu đoạn mạch - Lưu ý: Để tránh nhầm lẫn, phương trình điện áp viết: - Nếu cường độ dịng điện xoay chiều mạch: i = I0cosωt = I - Trình bày kết thực nghiệm lí thuyết để đưa biểu thức điện áp hai đầu mạch Nội dung ϕu/i) =U cos(ωt+ ϕ) (13.2) Với ϕ độ lệch pha u i + Nếu ϕ > 0: u sớm pha ϕ so với i + Nếu ϕ < 0: u trễ pha | ϕ| so với i + Nếu ϕ = 0: u pha với i Hoạt động : Tìm hiểu mạch điện xoay chiều có điện trở Hoạt động GV - Xét mạch điện xoay chiều có R - Trong mạch lúc có i → dòng điện nào? - Tuy dòng điện xoay chiều, thời điểm, dòng điện i chạy theo chiều xác định Vì dòng điện kim loại nên theo định luật Ohm, i u tỉ lệ với nào? - Trong biểu thức điện áp u, Um U gì? - Dựa vào biểu thức u i, ta có nhận xét gì? Hoạt động HS - Biến thiên theo thời gian t (dòng điện xoay chiều) Nội dung I Mạch điện xoay chiều có điện trở ~ - Theo định luật Ohm i= i u R u R - Nối hai đầu R vào điện áp xoay chiều: - Điện áp tức thời, điện áp cực đại điện áp hiệu dụng - GV xác hố kết luận HS - HS nêu nhận xét: - Y/c HS phát biểu định luật Ohm dòng điện chiều kim loại + u i pha u = U0cosωt = U cosωt - Theo định luật Ohm i= + Quan hệ I U - HS phát biểu u U = 2cosω t R R Nếu ta đặt: I = thì: U (13.3) R i = I 2cosω t - Kết luận: Định luật Ohm mạch điện xoay chiều: Sgk u i pha Hoạt động 4: Tìm hiểu mạch điện xoay chiều có tụ điện Hoạt động GV Hoạt động HS - GV làm thí nghiệm sơ đồ hình 13.3 Sgk - HS quan sát mạch điện ghi nhận kết thí Nội dung II Mạch điện xoay chiều có tụ điện - Ta có nhận xét kết thu được? nghiệm Thí nghiệm + Tụ điện khơng cho dịng điện chiều qua - Kết quả: + Tụ điện cho dòng điện xoay chiều “đi qua” + Tụ điện khơng cho dịng điện chiều qua + Dịng điện xoay chiều tồn mạch điện có chứa tụ điện - Ta nối hai đầu tụ điện vào nguồn điện xoay chiều để tạo nên điện áp u hai tụ điện - HS theo hướng dẫn GV để khảo sát mạch điện xoay chiều có tụ điện Khảo sát mạch điện xoay chiều có tụ điện A B ~ i u C - Tụ điện tích điện - Có tượng xảy tụ điện? - Giả sử nửa chu kì đầu, A cực dương → bên trái tụ tích điện gì? - Ta có nhận xét điện tích tụ điện? → Độ biến thiên điện tích q cho phép ta tính i mạch - Bản bên trái tích điện dương u = U0cosωt = U cosωt - Biến thiên theo thời gian t - Điện tích bên trái tụ điện: q = Cu = CU - HS ghi nhận cách xác định i mạch - Cường độ dòng điện thời a - Đặt điện áp u hai tụ điện: cosωt - Giả sử thời điểm t, dịng điện có chiều hình, điện tích tụ điện điểm t xác định công thức nào? - Khi ∆t ∆q vơ nhỏ ∆q ∆t trở thành gì? tăng lên i= ∆q ∆t - Đạo hàm bậc q theo thời gian - HS tìm q’ - Sau khoảng thời gian ∆t, điện tích tăng ∆q - Cường độ dòng điện thời điểm t: i= ∆q (13.6) ∆t - Khi ∆t ∆q vô nhỏ - Ta nên đưa dạng tổng quát i = Imcos(ωt + ϕ) để tiện so sánh, –sinα → cosα i= π − sinα = cos(α + ) dq = −ωCU 2sinω t dt hay: π i = ω CU 2cos(ω t + ) (13.7) b Đặt: I = UωC - Nếu lấy pha ban đầu i → biểu thức i u viết lại nào? - HS viết lại biểu thức i u (i nhanh pha u góc π/2 → u chậm pha i góc π/2) π i = I 2cos(ω t + ) (13.8) u=U cosωt (13.9) - Nếu lấy pha ban đầu i i = I 2cosω t π u = U 2cos(ω t − ) - ZC đóng vai trị cơng thức? - Ta viết: I= → ZC có đơn vị gì? ZC = ωC - So sánh với định luật Ohm, có vai trị tương tự điện trở R mạch chứa điện trở thì: - Là đơn vị điện trở (Ω) ZC gọi dung kháng mạch −1 C A.Ω.s (F ) s = ÷ s = =Ω C V −1 - Dựa vào biểu thức u i, ta có nhận xét gì? - Nói cách khác: Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện phần tử có tác dụng làm cho cường độ dịng điện tức thời sớm pha π/2 so với điện áp tức thời - Dựa vào biểu thức định luật Ohm, ZC có vai trị điện trở mạch chứa tụ điện → hay nói cách khác đại lượng biểu điều gì? - Khi dịng điện qua tụ dễ dàng hơn? - Trong mạch chứa tụ điện, cường độ dòng điện qua tụ điện sớm pha π/2 so với điện áp hai đầu tụ điện (hoặc điện áp hai đầu tụ điện trễ pha π/2 so với cường độ dòng điện) - Biểu cản trở dòng điện xoay chiều - Từ ZC = ta thấy: Khi ωC ω nhỏ (f nhỏ) → ZC lớn ngược lại - Vì dịng điện khơng đổi (f = 0) → ZC = ∞ → I = - Tại tụ điện lại không cho dịng điện khơng đổi qua? U 1 đặt ZC = ωC ωC I= U ZC - Định luật Ohm: (Sgk) c So sánh pha dao động u i + i sớm pha π/2 so với u (hay u trễ pha π/2 so với i) Ý nghĩa dung kháng + ZC đại lượng biểu cản trở dòng điện xoay chiều tụ điện + Dịng điện xoay chiều có tần số cao (cao tần) chuyển qua tụ điện dễ dàng dòng điện xoay chiều tần số thấp + ZC có tác dụng làm cho i sớm pha π/2 so với u Tiết 2: Hoạt động 5: Tìm hiểu mạch điện xoay chiều có cuộn cảm Hoạt động GV Hoạt động HS - Cuộn cảm gì? (Cuộn cảm cuộn cảm có điện trở khơng đáng kể, có dịng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm xảy tượng tự cảm.) - Khi có dịng điện cường độ i chạy qua cuộn cảm (cuộn dây dẫn nhiều vòng, ống dây hình trụ thẳng dài, hình xuyến…) → có tượng xảy ống dây? Nội dung - HS nghiên cứu Sgk để trả III Mạch điện xoay lời chiều có cuộn cảm - Cuộn cảm cuộn cảm có điện trở khơng đáng kể - Dòng điện qua cuộn dây tăng lên → cuộn dây xảy tượng tự cảm, từ thông qua cuộn dây: Φ = Li Hiện tượng tự cảm mạch điện xoay chiều - Khi có dịng điện i chạy qua cuộn cảm, từ thông tự cảm có biểu thức: Φ = Li - Trường hợp i dịng điện xoay chiều Φ cuộn - Từ thơng Φ biến thiên dây? tuần hồn theo t với L độ tự cảm cuộn cảm - Xét ∆t vô nhỏ (∆t → 0) → suất điện động tự cảm cuộn cảm trở thành gì? - Trở thành đạo hàm i theo t - Trường hợp i dòng điện xoay chiều, suất điện động tự cảm: - Khi i tăng → etc < 0, tương đương với tồn nguồn điện e = −L - Y/c HS hoàn thành C5 e A r B i e = −L di di =L dt dt ∆i ∆t - Khi ∆t → 0: e = −L di dt → uAB = ri + L - Đặt vào hai đầu cuộn cảm (có độ tự cảm L, điện trở r = 0) điện áp xoay chiều, tần số góc ω, giá trị hiệu dụng U → mạch có dịng điện xoay chiều di dt - HS ghi nhận theo Khảo sát mạch điện hướng dẫn GV để khảo xoay chiều có cuộn cảm sát mạch điện A ~ L - Đặt vào hai đầu L điện áp xoay chiều Giả sử i mạch là: di = −ω LI 2sinω t dt - Điện áp hai đầu cảm π có biểu thức nào? Hay u = ω LI 2cos(ω t + ) π Vì − sinα = cos(α + ) i=I - ZL đóng vai trị cơng thức? cosωt - Điện áp tức thời hai đầu cuộn cảm thuần: u= L - Đối chiếu với phương trình tổng quát u → điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn cảm? u i u= L - Hướng dẫn HS đưa phương trình u dạng cos B di = −ω LI 2sinωt dt u = U 2cos(ω t + ϕ ) Hay → U = ωLI π u = ω LI 2cos(ω t + ) - So sánh với định luật Ohm, có vai trị tương tự điện trở R mạch chứa điện trở - Là đơn vị điện trở (Ω) a Điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn cảm: U = ωLI Suy ra: I= U ωL 1 V ÷ V ÷= = Ω s A ÷ A ÷ s → ZL có đơn vị gì? e÷ ZL = ω L = ω ÷ di ÷ ÷ dt - Trong đoạn mạch có cuộn cảm thuần: i trễ pha π/2 so với u, u sớm pha π/2 so với i cosωt Ta có: I= U ZL Trong ZL gọi cảm kháng mạch - Định luật Ohm: (Sgk) → π u = U 2cos(ω t + ) Hoặc u=U ZL = ωL b Trong đoạn mạch có cuộn cảm thuần: i trễ pha π/2 so với u, u sớm pha π/2 so với i - Dựa vào phương trình i u có nhận xét pha chúng? i=I Đặt cosωt → π i = I 2cos(ω t − ) - Tương tự, ZL đại lượng biểu điều gì? - Với L khơng đổi, dịng điện xoay chiều có tần số lớn hay bé cản trở lớn dòng điện xoay chiều - Lưu ý: Cơ chế tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều R L khác hẳn Trong R làm yếu dòng điện hiệu ứng Jun cuộn cảm làm yếu dịng điện định luật Len-xơ - Biểu cản trở dòng điện xoay chiều - Vì ZL = ωL nên f lớn → ZL lớn → cản trở nhiều Ý nghĩa cảm kháng + ZL đại lượng biểu cản trở dòng điện xoay chiều cuộn cảm + Cuộn cảm có L lớn cản trở nhiều dòng điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều cao tần + ZL có tác dụng làm cho i trễ pha π/2 so với u về cảm ứng từ Hoạt động : Giao nhiệm vụ nhà Hoạt động GV - Nêu câu hỏi tập nhà - Yêu cầu: HS chuẩn bị sau Hoạt động HS Nội dung - Ghi câu hỏi tập nhà - Ghi chuẩn bị cho sau IV RÚT KINH NGHIỆM ... hiểu mạch điện xoay chiều có điện trở Hoạt động GV - Xét mạch điện xoay chiều có R - Trong mạch lúc có i → dòng điện nào? - Tuy dòng điện xoay chiều, thời điểm, dòng điện i chạy theo chiều xác... gian t (dòng điện xoay chiều) Nội dung I Mạch điện xoay chiều có điện trở ~ - Theo định luật Ohm i= i u R u R - Nối hai đầu R vào điện áp xoay chiều: - Điện áp tức thời, điện áp cực đại điện áp hiệu... II Mạch điện xoay chiều có tụ điện - Ta có nhận xét kết thu được? nghiệm Thí nghiệm + Tụ điện khơng cho dịng điện chiều qua - Kết quả: + Tụ điện cho dòng điện xoay chiều “đi qua” + Tụ điện khơng