Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều vật lí 12

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT HOẰNG HOÁ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HỆ THỐNG KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CHƯƠNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU - VẬT LÍ 12 Người thực hiện: Nguyễn Văn Trào Chức vụ: Tổ trưởng chun mơn SKKN thuộc mơn: Vật lí THANH HÓANĂM 2021MỤC LỤC Trang A MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Vật lí mơn học khó, học sinh muốn học tốt mơn vật lí cần phải hiểu chất tượng vật lí, hệ thống kiến thức trọng tâm vận dụng để giải tập Mặt khác tập vật lí đa dạng phong phú Trong phân phối chương trình số tiết tập ôn tập không nhiều so với nhu cầu ôn tập học sinh Chính thế, giáo viên giảng dạy cần phải định hướng cho học sinh hệ thống lại kiến thức trọng tâm chương học cách tốt nhằm giúp em có kiến thức tổng hợp, phân loại giải dạng tập chủ đề vật lí học, tạo cho học sinh niềm say mê, hứng thú u thích mơn học Trong đề thi học sinh giỏi, thi tốt nghiệp năm gần câu hỏi chủ đề “Dòng điện xoay chiều” đa dạng phong phú Khi gặp câu hỏi liên quan đến chủ đề học sinh thường lúng túng việc vận dụng kiến thức, phân loại tìm cho phương pháp giải nhanh hiệu Do thời gian làm ảnh hưởng đến thời gian làm câu hỏi khác kết thi chưa cao Vì việc hệ thống kiến thức trọng tâm áp dụng kiến thức để đưa phương pháp giải tập cho học sinh sau học xong chương cần thiết Hiện có nhiều tài liệu viết “Dòng điện xoay chiều” sơ sài, chưa sâu hệ thống kiến thức trọng tâm dòng điện xoay chiều, đáp ứng yêu cầu hệ thống kiến thức phân loại dạng tập cho học sinh Qua thực tế 20 năm giảng dạy trường trung học phổ thông hệ thống kiến thức trọng tâm chương “Dòng điện xoay chiều” từ phân loại dạng tập đưa phương pháp giải phù hợp dạng tập chủ đề Với lí nêu tơi chọn đề tài sáng kiến kinh nghiệm để nghiên cứu là: “Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều - Vật lí 12” Mục đích nghiên cứu Mục đích đề tài giúp em học sinh hệ thống lại kiến thức trọng tâm chương dịng điện xoay chiều chương trình vật lí 12 từ em phân loại đưa phương pháp giải tập bảnchươngdịng điện xoay chiều cách nhanh nhất, xác đạt hiệu cao Đối tượng nghiêncứu Đề tài “Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều- vật lí 12” tập trung nghiên cứu hệ thống kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều gồm kiến thức như: Đại cương dòng điện xoay chiều, loại mạch điện xoay chiều, tượng cộng hưởng điện, cơng suất dịng điện xoay chiều, máy biến áp, truyền tải điện năng, máy phát điện xoay chiều, động không đồng pha toán mạch điện xoay chiều chương trình vật lý lớp 12 THPT Phương pháp nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lí luận - Nghiên cứu sở lí luận để làm sáng tỏ vai trò việc hệ thống kiến thức trọng tâm dạy học vật lí, áp dụng để giải dạng tập chương dịng điện xoay chiều nói riêng tập vật lí nói chung 4.2 Nghiên cứu thực tiễn - Nghiên cứu nội dung sách giáo khoa tìm hiểu chương trình vật lí lớp 12 THPT, nghiên cứu tài liệu tham khảo có liên quan để xác định dạng tập dịng điện xoay chiều Từ xác định kiến thức có liên quan để vận dụng vào việc giải tập dịng điện xoay chiều chương trình vật lý 12 đề thi cách nhanh nhất, xác hiệu 4.3 Thực nghiệm sư phạm - Tiến hành giảng dạy song song với việc tìm hiểu học sinh lớp 12 trường THPT Hoằng Hoá - Hoằng Hoá - Thanh Hoá Trên sở phân tích định tính định lượng kết thu trình thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi hiệu phương pháp đề tài sáng kiến đưa - Thời gian tiến hành thực nghiệm sư phạm: Từ tháng 08 năm 2019 đến tháng 05 năm 2021 - Địa điểm: Trường THPT Hoằng Hoá - Hoằng Hoá - Thanh Hoá Những điểm sáng kiến kinh nghiệm - Đề tài“Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dịng điện xoay chiều Vật lí 12”đã hệ thống đầy đủ kiến thức trọng tâm, dòng điện xoay chiều bao gồm kiến thức lý thuyết công thức bản, quan trọng - Từ kiến thức trọng tâm giúp em học sinh phân loại đưa phương pháp giải phù hợp để giải số dạng tập thường gặp dòng điện xoay chiều như: Đại cương dòng điện xoay chiều, tập mạch điện xoay chiều, tập cộng hưởng điện, tốn cơng suất mạch điện xoay chiều, máy biến áp truyền tải điện chương trình vật lí lớp 12 THPT Từ giúp học sinh có kiến thức tổng hợp dòng điện xoay chiều để vận dụng vào giải câu hỏi tập dòng điện xoay chiều đề thi B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Việc dạy học vật lí nhà trường phổ thông không giúp học sinh hiểu sâu sắc đầy đủ kiến thức vật lí phổ thơng mà cịn giúp em vận dụng kiến thức giải nhiệm vụ tập vật lí vấn đề xãy sống Để đạt điều đó, học sinh phải có kiến thức vật lý định phải thường xuyên rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo sống ngày Kỹ vận dụng kiến thức vật lí vào việc giải tập giải thích tượng xãy thực tế đời sống ngày thước đo độ sâu sắc vững vàng kiến thức vật lí mà học sinh học Vật lí mơn khoa học giúp học sinh nắm qui luật vận động giới vật chất tập vật lí giúp học sinh hiểu rõ qui luật vận động ấy, biết phân tích vận dụng quy luật vào thực tiễn Mặc dù giáo viên trình bày tài liệu cách rõ ràng, mạch lạc, hợp lơgíc, phát biểu định luật,làm thí nghiệm theo u cầu có kết xác điều kiện cần chưa đủ để học sinh nắm vững sâu sắc kiến thức vật lí Vì việc hệ thống kiến thức trọng tâm cho cho học sinh sau học chủ đề vật lí việc làm cần thiết quan trọng Từ kiến thức trọng tâm chủ đề vật lí hệ thống, học sinh vận dụng để phân loại đưa phương pháp giải tập vật lí, giải tình cụ thể nảy sinh đời sống ngày 2.Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Qua thực tế khảo sát học sinh lớp trực tiếp giảng dạy học sinh khối lớp trường nhận thấy việc hệ thống kiến thức trọng tâm sau học xong chủ đề vật lí học sinh trung học phổ thơng cịn hạn chế Khi gặp dạng tập vật lí học sinh thường lúng túng q trình phân tích, phân loại dạng tập sử dụng kiến thức vật lí để giải tốn Các tài liệu tham khảo có thường giải số tập cụ thể, học sinh khơng áp dụng cho dạng tập dạng tương tự Các năm gần đây, đề thi học sinh giỏi thi tốt nghiệp thường xuyên xuất số câu hỏi bản, vận dụng vận cao có nhiều câu hỏi dịng điện xoay chiều chương trình vật lí 12 Khi gặp dạng tập đòi hỏi học sinh phải sử dụng kiến thức toán học kết hợp với kiến thức vật lí cách linh hoạt đưa cách giải nhanh xác Xuất phát từ thực trạng tơi viếtđề tài “Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều vật lí 12”nhằm hệ thống kiến thức chương dịng điện xoay chiều, từ giúp em có kiến thức tổng hợp, phân loại đưa phương pháp giải phù hợp với dạng tập, giúp học sinh khắc sâu kiến thức vận dụng để giải tượng vật lí nảy sinh thực tế đời sống Các giải pháp thực 3.1 Đại cương dòng điện xoay chiều 3.1.1 Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều [1;2] Dựa tượng cảm ứng điện từ, cụ thể: cho khung dây quay từ trường khung dây xuất dịng điện xoay chiều Φ = NBScos α = NBScos ω t Giả sử vào thời điểm t, từ thông qua cuộn dây là: Φ Với N số vòng dây S diện tích vịng.Vì từ thơng qua cuộn dây biến thiên theo t nên cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng tính theo dΦ e=− = NBSω sin ω t dt định luật Fa-ra-đây: Nếu khung dây khép kín có điện trở R cường độ dòng điện cảm ứng là: NBSω i= sin ω t = I sin ω t R Đây dòng điện xoay chiều với tần số góc ω I0 = biên độ NBSω R 3.1.2 Khái niệm dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều hình sin, gọi tắt dịng điện xoay chiều, dịng điện có cường độ biến thiên tuần hồn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay hàm cosin, với dạng tổng quát: i = I0cos ( ωt + ϕ ) i = I0 sin ( ωt + ϕ ) Trong đó: i cường độ dòng điện tức thời thời điểm t, gọi giá trị tức thời i I0 > + gọi giá trị cực đại i (cường độ dòng điện cực đại ) 2π ω T= f= ω 2π ω>0 + gọi tần số góc, chu kỳ tần số dịng điện xoay chiều i α = ωt + ϕ ϕ + pha dòng điện i thời điểm t pha ban đầu ban đầu dòng điện + Thực nghiệm lí thuyết chứng tỏ cường độ dòng điện xoay chiều i = I0cosωt = I 2cosωt đoạn mạch có dạng điện áp xoay chiều hai đầu ω mạch điện có tần số , nghĩa viết dạng: u = U 0cos ( ωt + ϕ ) = U 2cos ( ωt + ϕ ) [1;2] 3.1.3 Các giá trị hiệu dụng I I= + gọi giá trị hiệu dụng cường độ dòng điện xoay chiều (cường độ dòng điện hiệu dụng) U U= + gọi giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều (điện áp hiệu dụng) 3.2 Các mạch điện xoay chiều 3.2.1 Mạch điện xoay chiều có điện trở u = U0 cos(ωt + ϕ) Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch có R u U i= = cos(ωt + ϕ) R R Theo định luật Ôm ta có: I= Đặt U R suy i = I cos ( ωt + ϕ ) = I cos ( ωt + ϕ ) +) Trong mạch điện xoay chiều có điện trở ta có: u i pha (ϕu = ϕi ) i= u U U ⇒ I = ⇔ I0 = R R R +) Định luật ôm: 3.2.2 Mạch điện xoay chiều có tụ điện u = U cos ( ωt + ϕ ) Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch có tụ điện C q = Cu = CU cos ( ωt + ϕ ) Điện tích tụ điện: dq i= = q ' ( t ) = −ωCU sin ( ωt + ϕ ) dt Lại có: π π   i = ωCU cos  ωt + ϕ + ÷ = I cos  ωt + ϕ + ÷ 2 2   I = ωCU Hay Đặt π +) Trong mạch điện xoay chiều có tụ điện thì: u chậm pha i góc U U U I = UωC ⇔ = = ZC ⇒ I = ⇒ I0 = I Cω ZC ZC +) Định luật Ơm Ta có: 1 T ZC = = = ( Ω) ωC 2πfC 2πC gọi dung kháng tụ điện, đơn vị tính: Ơm 3.2.3 Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm u = U cos ( ωt + ϕ ) Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch có cuộn cảm L +) Trong mạch điện xoay chiều có cuộn cảm π π ϕu = ϕi + 2 thì: u nhanh pha I góc hay U U I= ⇔ I = (Z = ω.L = 2π.f.L = 2πL ) ZL ZL L T +) Định luật Ơm Ta có: ( Ω) ZL gọi cảm kháng cuộn dây, đơn vị là: Ôm uC ⊥ i uL ⊥ i Chú ý: Do nên mạch xoay chiều có tụ C có 2 2  u   i   u  i  ÷ +  ÷ =1⇒  ÷ +  ÷ = U  U I    I0  cuộn cảm L ta có: Tại hai thời điểm t1 t2 ta có: u12 i12 u 2 i 2 U0 u12 − u 2 + = + ⇒ = =Z U I0 U I I0 i 2 − i12 3.2.4 Mạch có R, L,C mắc nối tiếp Xét đoạn mạch xoay chiều gồm điện trở R, cuộn dây cảm có độ tự cảm L, tụ điện có điện dụng C mắc nối tiếp Giả sử dịng diện mạch có biểu thức  u = U cos ωt (U = I R ) 0R 0R  R  π  i = I cos ωt ⇒ u L = u0 L cos  ωt + ÷(U L = I Z L ) ⇒ u = u R + uL + uC 2    π  uC = u0C cos  ωt − ÷(U 0C = I ZC ) 2   + Giản đồ véc tơ[3,4] TH 1: Z L > ZC TH 2: Z L < ZC U = U R2 + U LC = U R2 + ( U L - U C ) ⇒ U = U R2 + ( U L - U C ) +) Điện áp hiệu dụng: +) Tổng trở: U Z= = I I= +) Định luật Ôm: U 2R +(U L - U C )2 = R + ( ZL - ZC ) I U U U U U U U = R = C = L = RL = RC = LC Z R ZC ZL ZRL ZRC ZLC tanφ = U 0LC U -U U U -U Z -Z = 0L 0C = LC = L C = L C U 0R U 0R UR UR R +) Độ lệch pha: Z L > ZC Nếu : Mạch có tính cảm kháng (khi u sớm pha i) Z L < ZC Nếu : Mạch có tính dung kháng (khi u chậm pha i) Chú ý: Để viết biểu thức điện áp thành phần ta phải so sánh độ lệch với phacủa dịng điện 3.2.5 Cộng hưởng điện Z L = ZC tanφ = ⇒ φ = + Nếu Dịng điện pha với điện áp Zmin = R ⇒ I max = Lúc U R Đó tượng cộng hưởng điện ZL = ZC ⇒ Lω = ⇒ ω 2LC = Cω + Điều kiện để có cộng hưởng điện 3.3 Cơng suất tiêu thụ mạch điện xoay chiều Hệ số công suất 3.3.1 Công suất mạch điện xoay chiều [1;2; 3;4] u = U cos ωt Xét mạch điện xoay chiều hình sin Điện áp tức thời hai đầu mạch i = I cos(ωt + ϕ) Cường độ dịng điện tức thời mạch: Cơng suất tiêu thụ mạch thời điểm t là: p = ui Đại lượng p gọi công suất tức thời mạch điện xoay chiều: p = ui = 2UIcos ωt.cos(ωt + ϕ) = UI.[ cos ϕ + cos(2ωt + ϕ) ] , Khi cơng suất điện tiêu thụ chu kì T là: P = p = UI cos ϕ + cos(2ωt + ϕ)  cos(2ωt + ϕ) Do giá trị trung bình khoảng thời gian Tbằng không Ta giá trị trung bình cơng suất điện tiêu thụ chu kì P = UIcos ϕ T(t ? T) Nếu thời gian dùng điện t lớn so với P cơng suất điện tiêu thụ trung bình mạch điện thời gian (nếu U I không thay đổi) + Điện tiêu thụ mạch điện: Điện tiêu thụ mạch điện thời gian t là: W= P.t 3.3.2 Hệ số cơng suất Trong cơng thức tính cơng suất tiêu thụ trung bình mạch điện xoay chiều π ϕ < ⇒ ≤ cos ϕ ≤ P = UIcos ϕ cosϕ gọi hệ số cơng suất Vì R cos ϕ = = ⇒ ϕ = Z +) Mạch có điện trở: +) Mạch có tụ điện có cuộn dây cảm π ϕ = ± ⇒ cos ϕ = ⇒ P = (Mạch không tiêu thụ công suất) +) Mạchgồm điện trở Rvà cuộn cảm L mắc nối tiếp: R R cos ϕ = = 2 2 R + ZL R + (L ω) cos ϕ = R R +Z 2 C +) Mạch gồm điện trở R tụ điện C: +) Với mạch tổng quát R,L,C nối tiếp ta có: U R R cos ϕ = R = = 2 U Z R + (Z L − Z C ) = R R2 + 2 Cω + Công suất trung bình tiêu thụ mạch điện xoay chiều tính bởi: U R U P = UIcos ϕ = U = R  ÷ = RI Z Z Z = RI.I = U R I = U 2R U cos ϕ = R R Vậy, Công suất tiêu thụ mạch điện có R,L,C mắc nối tiếp cơng suất tỏa nhiệt R 3.4 Truyền tải điện Máy biến áp 3.4.1 Truyền tải điện xa Giả sử ta cần truyền công suất điện P từ nhà máy đến nơi tiêu thụ P = UIcos ϕ cos ϕ Ta có: ( hệ số cơng suất tồn mạch) Trong đó: U hiệu điện nhà máy.(nơi truyền đi) I cường độ dòng điện chạy dây dẫn P I= U cos ϕ Khi đó: Dây dẫn có điện trở tổng cộng R, cơng suất hao phí tỏa nhiệt ∆P = I R = P2 ( U cos ϕ) R P′ = P − ∆P ⇒ P′ = P − Khi cơng suất có ích nơi tiêu thụ là: Hiệu suất trình truyền tải điện năng: P′ P − ∆P ∆P R.P H= = =1− = 1− P P P ( U cos ϕ ) [5] Độ giảm điện áp (Độ giảm đường dây): R.P ( U cos ϕ) ∆U = I.R 10 + Dễ dàng thay đổi chiều quay động cách đổi vị trí mắc cuộn dây cho + Vận tốc quay ω’ động biến đổi phạm vi rộng tốc độ quay ω từ trường khơng đổi Vì tải ngồi thay đổi hoạt động bình thường.[5] 3.6.Các dạng tập dòng điện xoay chiều 3.6.1 Bài tập đại cương dòng điện xoay chiều Phương pháp giải - Liên quan đến giá trị hiu dng: giá trịcực ại Giá trịhiệu dụng = ω= 2π = 2πf T -Liên quan đến chu kì, tần số: - Liên quan đến nhiệt lượng tỏa ra: Nhiệt lượng tỏa điện trở R thời i = I 0cos( ωt + ϕ ) gian t(s) có dịng điện xoay chiều chạy qua I Q = RI 2t = R t - Liên quan đến độ lệch pha u i: Gọi ϕ độ lệch pha u i Khi u i vuông pha ta có:  u   i   ÷ +  ÷ =  U0   I  t1,t2 Tại hai thời điểm có yếu tố vng pha u, i ta có hệ phương trình:  u 2  i   ÷ +  ÷ =  U   I  u12 − u22 i 22 − i12 U0 u12 − u22 ⇒ = ⇒ =  2 U I I i 22 − i12 0  u2   i  ÷ + ÷ =1  U    I  [5] i = 2cos( 100πt) A Ví dụ : Dịng điện chạy qua đoạn mạch xoay chiều có dạng , π điện áp hai đầu đoạn mạch có giá trị hiệu dụng 12V, sớm pha so với dịng điện a) Tính chu kỳ, tần số dịng điện b) Tính giá trị hiệu dụng dòng điện mạch t = 0,5( s) c) Tính giá trị tức thời dòng điện thời điểm d) Trong giây dòng điện đổi chiều lần 14 e) Viết biểu thức điện áp hai đầu đoạn mạch Lời giải i = 200cos( 100πt) A ω = 100π ( rad/ s) a) Từ biểu thức dòng điện ; ta có 2π   T = ω = 50( s)  f = ω = 50( Hz)  2π Từ ta có chu kỳ tần số dòng điện là: I I = = 2A b)Giá trị hiệu dụng dòng điện trpng mạch t = 0,5( s) 2cos( 100π.0,5) = 2A c)Tại thời điểm f = 50Hz d)Từ câu b ta có , tức giây dịng điện thực 50 dao động Do dao động dòng điện đổi chiều hai lần nên giây dòng điện đổi chiều 100 lần π π π ϕu/i = ϕu − ϕi = ⇒ ϕ u = 3 e)Do điện áp sớm pha so với dịng điện.nên có U = U = 12 2V ϕi = (do ) Điện áp cực đại π  u = 12 2cos 100πt + ÷V 3  Biểu thức điện áp hai đầu mạch điện 3.6.2 Bài tập mạch điện xoay chiều gồm phần tử Phương pháp giải ( ϕu = ϕi ) - Mạch điện xoay chiều có điện trở R : u i pha u U i= = cos(ωt + ϕ) = I cos ( ωt + ϕ ) = I cos ( ωt + ϕ ) R R i= - Định luật ôm: U U u I = ⇔ I0 = R R R ; π - Mạch điện xoay chiều có tụ điện: u chậm pha i góc π π   u = U cos ( ωt + ϕ ) → i = ωCU cos  ωt + ϕ + ÷ = I cos  ωt + ϕ + ÷ 2 2   I = UωC ⇔ Định luật Ôm U U U = = ZC ⇒ I = ⇒ I0 = I Cω ZC ZC 15 ZC = 1 T = = ( Ω) ωC 2πfC 2πC - Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm π π ϕu = ϕi + 2 - u nhanh pha i góc hay π π   u = U cos ( ωt + ϕ ) → i = ωCU cos  ωt + ϕ + ÷ = I cos  ωt + ϕ + ÷ 2 2   I= U U ⇔ I = (Z = ω.L = 2π.f L = 2πL ) ( Ω ) ZL ZL L T - Định luật Ơm Ta có: uC ⊥ i uL ⊥ i Chú ý:Do nên mạch xoay chiều có tụ C có 2 2  u   i   u  i  ÷ +  ÷ =1⇒  ÷ +  ÷ =  U I  U   I0  cuộn cảm L ta có: [5] Tại hai thời điểm t1 t2 ta có: Ví dụ: Mắc điện trở π  u = 110cos 100πt + ÷( V ) 2  u12 i12 u 2 i 2 U0 u12 − u 2 + = + ⇒ = =Z U I0 U I I0 i 2 − i12 R = 55Ω vào mạch điện xoay chiều có điện áp a Viết biểu thức cường độ dòng điện qua mạch b Tính nhiệt lượng tỏa điện trở 20 phút Lời giải: U U = 100V, R = 55Ω ⇒ I = = 2A R a có Do mạch có R nên u i pha Khi π π  ϕu = ϕi = ⇒ i = 2cos  100πt + ÷( A ) 2  b Nhiệt lượng tỏa điện trở R 10 phút là:  I  Q = I Rt =  ÷ Rt = 2.55.20.60 = 132000J = 132 kJ  2 3.6.3 Bài tập mạch điện xoay chiều gồm hai phần tử 3.6.3.1 Mạch gồm điện trở R nối tiếp với cuộn dây cảm L 16 Phương pháp giải: Giả sử biểu thức cường độ dòng điện chạy đoạn mạch là: u R = U 0R cosωt+φ ( ) iV  i = I cosωt+φ ( π i) ⇒   u = U cosωt+φ + V 0L i  ÷  L 2   +) Điện áp: U = U 2R + U 2L ⇒ U = U 2R + U 2L ; U = U 20R + U 0L Z = ZRL U 2R + U 2L U = = = R +Z2L I I +) Tổng trở mạch: U U U U U U U U I = = RL = R = L ⇔ I0 = = 0RL = 0R = 0L Z ZRL R ZL Z Z RL R ZL +) Định luật Ôm: +) Quan hệ pha: Điện áp tức thời sớm pha dòng điện mạch góc thỏa mãn: U U Z π tanφ = L = 0L = L ( φ = φ u −φ i ) ;(0 < ϕ < ) U R U 0R R 2 φ  uL   uR   ÷ + ÷ =1 U U 0L 0R     uL ⊥ uR +) Do nên [5] Ví dụ: Cho mạch điện xoay chiều gồm hai phần tử R, L với R = 50 Ω, L= H 2π Đặt vào hai đầu đoạn mạch điện áp xoay chiều có u =120cos ( 100πt+ π 4) V biểu thức a) Tính tổng trở mạch b) Viết biểu thức cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch c) Viết biểu thức điện áp hai đầu cuộn cảm thuần, hai đầu điện trở Lời giải: ZL =50 Ω ⇒ ZRL = R +ZL2 = ( 50 ) +502 =100 Ω a) Từ giả thiết ta tính U 120 I0 = = = 1,2A φ Z 100 b) Ta có Độ lệch pha điện áp dịng điện thỏa Z 1π tanφ = L = ⇒ φ= (rad) R mãn 17 φi = π π π − = 12 Mà điện áp hai đầu đoạn mạch nhanh pha dòng điện nên π  i=1,2cos 100πt+ ÷A 12   Vậy biểu thức cường độ dòng điện qua mạch  U 0L =I0 Z L =60V   U 0R =I0 R=60 3V uL uR c) Viết biểu thức Ta có uL π Do nhanh pha i góc nên π 7π 7π   φ u L =φi + = ⇒ u L = 60cos 100πt+ ÷( V ) 12 12   φ u R =φ i = π π  ⇒ u R = 60 3cos 100πt+ ÷( V ) 12 12   uR Do pha với i nên 3.6.3.2 Mạch điện trở R nối tiếp với tụ điện C Phương pháp giải: Giả sử biểu thức cường độ dòng điện chạy đoạn mạch là: u R = U 0R cosωt+φ ( ) iV  i = I0 cosωt+φ ( π i) ⇒   V i −  ÷ u C = U 0C cosωt+φ    u = U 0R cosωt+φ ( i ) +U Do +) Điện áp: π  cos ωt+φ i − ÷ =U 0cos ωt+φ ( u ) 2  0C 2 U = U R2 + U C2 ⇒ U = U R2 + U C2 ; U = U 0R + U 0C Z = ZRC U 2R + U C2 U U0 = = = = R +ZC2 I I0 I +) Tổng trở mạch: U U U U U U U U I = = RC = R = C ⇔ I0 = = 0RC = 0R = C Z ZRC R ZC Z ZRC R ZC +) Định luật Ôm: φ +) Quan hệ pha: Điện áp tức thời chậm pha dòng điện mạch góc thỏa mãn: − U C − ZC π tanφ = = ( φ = φ u −φ i ).( − < ϕ < 0) UR R 18 +) Do u R ⊥ uC nên  uC   uR   ÷ + ÷ =  U 0C   U 0R  10-4 C= ( F) π Ví dụ : Một đoạn mạch điện gồm tụ điện có điện dung điện trở R=100Ω Đặt vào hai đầu mạch điện áp có biểu thức π  u=200 2cos 100πt − ÷V 4  biểu thức cường độ dòng điện mạch là: π  i= 2cos  100πt − ÷( A ) i= 2cos100πt ( A ) 3  A B π  i=2cos 100πt − ÷( A ) i=2cos100πt ( A ) 2  C D − ZC ZC = =100Ω tanφ = = −1 ⇒ φ = −45 ° = φ u − φ i Cω R Lời giải: Ta có: ; U Z= R +ZC2 = 100 ⇒ I = =2A ⇒ φi = φ u + 45° = Z Mặt khác i=2cos100πt ( A ) Do Chọn C 3.6.3.3 Mạch gồm cuộn cảm Lnối tiếp với tụ điện C Phương pháp giải Giả sử biểu thức cường độ dòng điện chạy đoạn mạch là: i = I0 cosωt  π  u = U cosωt + V L 0L  ÷  2   ⇒ π π   u = U cosωt − V = − U cos ωt+ V 0C 0C  ÷  ÷  C 2 2   Ta có: u = u L + u C  UL ZL  u L − U 0L = = − = − u U U Z 0C C C  C +) Điện áp: +) Tổng trở: U = U 0L − U 0C ; U = U L − U C Z = Z L − ZC 19 I= +) Định luật Ôm: +) Quan hệ pha: U UL UC U U U = = ⇔ I0 = = 0L = 0C Z Z L ZC Z ZL ZC ZL >Zφ C ⇒ φu − i + Khi kháng ZL ZC Z L < ZC U U R U C U L U RL U RC U LC = = = = = = Z R ZC Z L Z RL Z RC Z LC +) Định luật Ôm: ϕ = ϕ u − ϕi +) Độ lệch pha: ta có: U U − U C U LC U L − U C Z L − Z C tan ϕ = LC = L = = = UR UR U0R U 0R R : Mạch có tính cảm kháng (khi u sớm pha i) : Mạch có tính dung kháng (khi u chậm pha i) R = 40Ω Ví dụ:[5]Mạch điện xoay chiều gồm điện trở , cuộn 0,8 2.10−4 L= C= ( F) (H) π π cảm có hệ số tự cảm tụ điện có điện dung mắc i = 3cos100π t ( A ) nối tiếp Dòng điện qua mạch có dạng a) Tính cảm kháng cuộn cảm, dung kháng tụ điện tổng trở toàn mạch b) Viết biểu thức điện áp tức thời hai đầu điện trở, hai đầu cuộn cảm, hai đầu tụ điện, hai đầu mạch điện 20 Lời giải:a) Cảm kháng: Z L = Lω = 80Ω ZC = Dung kháng: = 50Ω Cω Z = R + ( Z L − Z C ) = 40 + ( 80 − 50 ) = 50Ω 2 Tổng trở: u R = U R cos100π t U R = I R = 3.40 = 120V u R b): với Vì pha với i nên uR = 120cos100π t ( V ) Vậy π  π u L = U L cos  100π t + ÷ uL 2  + Vì nhanh pha i góc nên: π  u L = 240cos  100π t + ÷( V ) U L = I Z L = 3.80 = 240V 2  với Vậy π  −π uC = U 0C cos  100π t − ÷ uC 2  + Vì chậm pha i góc nên: π  uC = 150cos 100π t − ÷( V ) U 0C = I Z C = 3.50 = 150V 2  Vậy Z L > ZC ϕ + Do nên u nhanh pha i góc với Z − ZC tan ϕ = L = ⇒ ϕ ≈ 0,2π ( rad ) U = I Z = 150V R Với u = 150cos ( 100π t + 0, 2π ) ( V ) biểu thức điện áp tức thời hai đầu mạch điện: 3.6.5 Bài tập công suất dịng điện xoay chiều Phương pháp:+ Cơng suất tiêu thụ mạch điện xoay chiều công suất tỏa nhiệt R 2 2 U R U P = UIcos ϕ = U = R  ÷ = RI = RI.I = U R I = U R = U cos ϕ Z Z Z R R cos ϕ = + Hệ số công suất: UR R R = = U Z R + (ZL − ZC ) L = / π(H) Ví dụ 1:[5]Cho mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp có Biểu thức u = 120 cos(100 πt + π / 6)V  i = 2 cos(100πt + π / 3) A điện áp dịng điện mạch a) Tính giá trị điện trở R 21 b) Tính cơng suất tiêu thụ mạch điện c) Tính điện mà mạch tiêu thụ Lời giải: a) Tổng trở độ lệch pha u, i mạch R + (ZL − ZC )2 = 602  Z = 60Ω    π π π ⇒   π  ZL − ZC ϕ = − = − tan − = = −  ÷  6    R R = 30 3Ω Giải hệ ta  π P = UI.cos ϕ = 120.2.cos  − ÷ = 120  6 b) Công suất tiêu thụ đoạn mạch W W = P.t = 120 3.3600 = 432 c) Điện tiêu thụ kJ Ví dụ 2: Đặt điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng 200V vào hai đầu đoạn mạch gồm cuộn cảm mắc nối tiếp với điện trở Biết điện áp hiệu dụng hai đầu điện trở 100V Hệ số công suất đoạn mạch A 0,8 B 0,7 C D 0,5 U 100 cos ϕ = R = = 0,5 U 200 Lời giảiHệ số công suất đoạn mạch Chọn D 3.6.6 Bài tập máy biến áp truyền tải điện Phương pháp: N1 U1 = (1) N2 U2 Bỏ qua điện trở cuộn dây ta có: Trong trường hợpmáy biến áp lý tưởng (H = 100%) ta có: U2 I N = = (2) U1 I N1 + Cơng suất hao phí đường dây tải điện ∆P = I R = I∆U = P R ( U cos ϕ) Ví dụ 1:[6]Một máy biến áp có số vịng cuộn sơ cấp 5000 thứ cấp 1000 Bỏ qua hao phí máy biến áp Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp hiệu điện xoay chiều có giá trị hiệu dụng 100 V Hiệu điện hiệu dụng hai đầu cuộn thứ cấp để hở có giá trị A 20 V B 40 V C 10 V D 500 V U1 N1 5000 100 = ⇒ = ⇒ U = 20V U N2 1000 U Lời giải: Ta có Chọn A 22 Ví dụ 2: Ở đầu đường dây tải điện người ta truyền công suất điện 36MW với 20Ω điện áp 220kV Điện trở tổng cộng đường dây tải điện Coi cường độ dòng điện điện áp biến đổi pha Công suất hao phí đường dây tải điện có giá trị xấp xỉ bằng: A 1,07MW B 1,61MW C 0,54MW D 3,22MW ( 36.10 ) 20 = 0,54MW P R ∆P = I r = I.∆U = = ( U cosϕ) ( 220.10 ) 2 2 Lời giải: 3.6.7 Bài tập máy phát điện xoay chiều Phương pháp: + Từ thông qua cuộn dây là: Chọn C Φ = NBScos α = NBScos ω t e=− + Suất điện động cảm ứng tính theo cơng thức: dΦ = NBSω sin ω t dt + Tần số dòng điện máy phát điện xoay chiều pha phát ra: f =p.n Ví dụ1:[6]Một khung dây dẫn có diện tích S có N vịng dây urCho khung quay ω B với vận tốc góc từ trường có cảm ứng từ vng góc với trục quay khung Tại thời điểm ban đầu, pháp tuyến khung hợp với cảm ur ứng từ t là: A C B góc π /6 Khi đó, suất điện động tức thời khung thời điểm π  e = NBSω cos  ω t + ÷ 6  e = NBSω sin ω t B D π  e = NBSω cos  ω t − ÷ 3  e = − NBSω cos ω t π  Φ = NBScos  ω t + ÷ 6  Lời giải: Ta có −d Φ π π   e= = NBSω sin  ω t + ÷ = NBSω cos  ω t − ÷ dt 6 3   Khi Chọn B Ví dụ2:[6] Một máy phát điện xoay chiều pha có phần cảm roto gồm 10 cặp cực ( 10 cực nam 10 cực bắc) Roto quay với tốc độ 300 vòng/phút Suất điện động máy sinh có tần số A 3000Hz B 50Hz C.5Hz.D 30Hz f = np =5.10 =50 Hz Lời giải: 300 vòng/phút = vòng/s Do Chọn B 23 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm Khi áp dụng đề tài q trình giảng dạy vật lí trường trung học phổ thơng Hoằng Hố 4, tơi thấy học sinh nắm bắt vận dụng nhanh kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều vào việc giải dạng tập vật lí vềdịng điện xoay chiều chương trình vật lí 12 Kết năm trực tiếp giảng dạy chương trình vật lí 12 cụ thể sau: 24 4.1 Trước thực sáng kiến kinh nghiệm * Kết xếp loại môn vật lí trong năm học 2019-2020 sau: Kết học tập môn Vật lý Lớp Sĩ số Giỏi Khá Trung bình Yếu 97,78 10A1 45 44 2,22% 0 0 % 11A1 51 51 100% 0 0 0 12A1 47 47 100% 0 0 0 - Kết thi học sinh giỏi cấp trường mơn vật lí: Có 11 học sinh giỏi cấp trường gồm giải nhất, giải nhì, giải ba giải khuyến khích - Có học sinh đạt 27 điểm trở lên nhiều học sinh đạt điểm cao mơn vật lí kỳ thi trung học phổ thông quốc gia năm 2019 - Kết thi học sinh giỏi cấp Tỉnh môn vật lí: Do dịch Covid 19 kéo dài nên khơng tổ chức thi học sinh giỏi cấp tỉnh 4.2 Sau thực sáng kiến kinh nghiệm - Kết thi học sinh giỏi cấp trường mơn vật lí: Có 15 học sinh giỏi cấp trường gồm giải nhất, giải nhì, giải ba giải khuyến khích - Có học sinh đạt 27 điểm trở lên nhiều học sinh đạt điểm cao môn vật lí kỳ thi trung học phổ thơng quốc gia năm 2020 - Kết thi học sinh giỏi cấp tỉnh mơn vật lí năm học 2020-2021: giải ba giải khuyến khích Xếp hạng 11 đồng đội cấp tỉnh * Kết đánh giá xếp loại môn vật lí năm học 2020 -2021 sau Kết học tập môn Vật lý Lớp Sĩ số Giỏi Khá Trung bình Yếu 11A1 44 44 100% 0 0 0 12A1 51 51 100% 0 0 0 25 C KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Trong đề tài với khả hạn chế thời gian không cho phép, giới hạn đề tài khơng q 20 trang, tơi hệ thống kiến thức trọng tâm chương dịng điện xoay chiều chương trình vật lí 12 Qua thực tế giảng dạy, thấy giới thiệu đề tài cho học sinh em tự tin việc lựa chọn kiến thức phù hợp với dạng tập đưa cách giải nhanh cho kết xác Tuy nhiên với giới hạn số trang nên phần tập ví dụ tơi đưa số ví dụ áp dụng kiến thức nội dung kiến thức Vì đề tài cịn phát triển, bổ sung mở rộng hệ thống kiến thức đưa dạng tập cụ thể tương ứng với phần kiến thức chương để giải nhiều dạng tập chương dịng điện xoay chiều nói riêng chủ đề vật lí khác chương trình vật lí phổ thơng năm Tuy có nhiều cố gắng kinh nghiệm giảng dạy hạn chế nên tin đề tài cịn có thiếu sót Tơi mong nhận xét góp ý chân thành hội đồng khoa học ngành, bạn đồng nghiệp em học sinh để đề tài hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn ! Thanh Hóa, ngày 10 tháng 05 năm 2021 XÁC NHẬN CỦA HIỆU TRƯỞNG Tôi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Nguyễn Văn Trào 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] Vật lí 12 Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên), Vũ Quang(Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam(2011) Sách giáo viên vật lí 12 Lương Duyên Bình(Tổng chủ biên), Vũ Quang (Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2011) .Vật lí 12 nâng cao Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết(Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2012) .Sách giáo viên vật lí 12 nâng cao Nguyễn Thế Khơi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2012) Bí ơn luyện thi đại học mơn vật lí ( Chu Văn Biên) Nxb Đại Học Quốc Gia Hà Nội( 2016) Đề thi THPT Quốc gia đề thi tốt nghiệp THPTcác năm gần 27 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Đà ĐƯỢC HỘI ĐỒNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM NGÀNH XẾP LOẠI TỪ C TRỞ LÊN Họ tên tác giả: Nguyễn Văn Trào Chức vụ đơn vị công tác: Tổ trưởng chuyên môn - Trường THPT Hoằng Hóa TT Năm học Tên sáng kiến kinh nghiệm 2002 – 2003 Các phương pháp giải toán cực trị mạch điện xoay chiều 2008 – 2009 Đổi phương pháp dạy “ Các tật mắt cách khắc phục” 2010 –2011 Tổng hợp dao động điều hoà phương pháp hình chiếu 2012-2013 Các phương pháp giải toán cực trị mạch điện xoay chiều 2014-2015 Các phương pháp giải nhanh toán cực trị mạch điện xoay chiều R,L,C mắc nối tiếp 2015-2016 Các phương pháp giải nhanh toán cực trị mạch điện xoay chiều R,L,C mắc nối tiếp 2015-2016 Tổng hợp vận dụng kiến thức toán học để giải số dạng tập vật lý lớp 12 2016-2017 Hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng 2017-2018 10 2018-2019 11 2019-2020 Ứng dụng phương pháp chuẩn hoá số liệu toán cực trị mạch điện xoay chiều R,L,C mắc nối tiếp Hệ thống kiến thức trọng tâm chương “ Hạt nhân nguyên tử” vật lí lớp 12 Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dao động - vật lí 12 Xếp loại Số định Xếp loại : B Số 138/ QĐKH- GDCN ngày 29/6/2004 Xếp loại : C Số12/ QĐ- SGD&ĐT ngày 05/01/2010 Xếp loại : C Số 539/ QĐ- SGD&ĐT ngày18/10/2011 Xếp loại : C Số 743/ QĐ-SGD&ĐT ngày 04/11/2013 Xếp loại : B 988/ QĐ- SGD&ĐT ngày03/11/2015 Xếp loại : B Cấp Tỉnh Số QĐ: 3134/QĐ – HĐKHSK ngày 18/8/2106 Xếp loại : B Số 972/QĐ –SGD&ĐT Ngày 24/11/2016 Xếp loại : B Số 1112/QĐ –SGD&ĐT Ngày 05/11/2017 Xếp loại : B Số 1455/QĐ–SGD&ĐT Ngày 26/11/2018 Xếp loại : B Số 2007/QĐ–SGD&ĐT Ngày 08/11/2019 Xếp loại : B Số 2088/QĐ–SGD&ĐT Ngày 17/12/2020 28 ... tài? ?Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dịng điện xoay chiều Vật lí 12? ??đã hệ thống đầy đủ kiến thức trọng tâm, dòng điện xoay chiều bao gồm kiến thức lý thuyết công thức bản, quan trọng - Từ kiến. .. thực trạng tơi viếtđề tài ? ?Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dòng điện xoay chiều vật lí 12? ??nhằm hệ thống kiến thức chương dịng điện xoay chiều, từ giúp em có kiến thức tổng hợp, phân loại đưa... toán cực trị mạch điện xoay chiều R,L,C mắc nối tiếp Hệ thống kiến thức trọng tâm chương “ Hạt nhân nguyên tử” vật lí lớp 12 Hệ thống kiến thức trọng tâm chương dao động - vật lí 12 Xếp loại Số