SKKN 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 2021 MỤC LỤC Trang A MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu .1 Phương pháp nghiên cứu Những điểm sáng kiến kinh nghiệm B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM .2 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm 2.Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 3 Các giải pháp thực 3.1 Đại cương dòng điện xoay chiều .3 3.1.1 Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều 3.1.2 Khái niệm dòng điện xoay chiều 3.1.3 Các giá trị hiệu dụng 3.2 Các mạch điện xoay chiều 3.2.1 Mạch điện xoay chiều có điện trở .4 3.2.2 Mạch điện xoay chiều có tụ điện 3.2.3 Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm 3.2.4 Mạch có R, L,C mắc nối tiếp .5 3.2.5 Cộng hưởng điện .6 3.3 Công suất tiêu thụ mạch điện xoay chiều Hệ số công suất 3.3.1 Công suất mạch điện xoay chiều 3.3.2 Hệ số công suất 3.4 Truyền tải điện Máy biến áp .7 3.4.1 Truyền tải điện xa 3.4.2 Máy biến áp .8 3.5 Máy phát điện xoay chiều 3.5.1 Máy phát điện xoay chiều pha 3.5.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha 3.5.3 Động không đồng ba pha .10 3.6 Các dạng tập dòng điện xoay chiều .10 3.6.1 Bài tập đại cương dòng điện xoay chiều .10 3.6.2 Bài tập mạch điện xoay chiều gồm phần tử 11 3.6.3 Bài tập mạch điện xoay chiều gồm hai phần tử 13 3.6.4 Bài tập mạch điện xoay chiều gồm phần tử R,L,C mắc nối tiếp .15 3.6.5 Bài tập cơng suất dịng điện xoay chiều 16 3.6.6 Bài tập máy biến áp truyền tải điện 17 3.6.7 Bài tập máy phát điện xoay chiều 18 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm .18 4.1 Trước thực sáng kiến kinh nghiệm .19 4.2 Sau thực sáng kiến kinh nghiệm 19 C KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 20 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 ơn 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 yêu thích môn 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 “Dịng 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 dòng điện xoay chiều chương trình vật lí 12 từ em phân loại đưa phương pháp giải tập bảnchươngdòng 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 dòng 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 dòng 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 dòng 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 yêu 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 dòng điện xoay chiều Giả sử vào thời điểm t, từ thông qua cuộn dây là:   NBScos   NBScos  t Với N số vịng 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 d e=  NBS sin  t dt định luật Fa-ra-đây: Nếu khung dây khép kín có điện trở R cường độ dịng điện cảm ứng là: NBS i sin  t  I sin  t R NBS I0   R Đây dòng điện xoay chiều với tần số góc biên độ 3.1.2 Khái niệm dịng điện xoay chiều Dịng điện xoay chiều hình sin, gọi tắt dịng điện xoay chiều, dịng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay hàm cosin, với dạng tổng quát: i  I0cos  t    i  I0 sin  t    Trong đó: i cường độ dịng 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 ) T 2  f  chu kỳ 2 tần số dòng điện +   gọi tần số góc, xoay chiều i +   t   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 đoạn mạch có dạng i  I0cost  I 2cost điện áp xoay chiều hai đầu mạch điện có tần số  , nghĩa viết dạng: u  U 0cos  t     U 2cos  t    [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 Đặt điện áp xoay chiều u  U0 cos(t  ) vào hai đầu đoạn mạch có R Theo định luật Ơm ta có: Đặt I i u U  cos(t  ) R R U R suy i  I cos  t     I cos  t    +) Trong mạch điện xoay chiều có điện trở ta có: u i pha (u  i ) u U U i  � I  � I0  R R +) Định luật ôm: R 3.2.2 Mạch điện xoay chiều có tụ điện u  U cos  t    Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch có tụ điện C q  Cu  CU cos  t    Điện tích tụ điện: dq i  q '  t   CU sin  t    dt Lại có: � � � � i  CU cos � t    � I cos � t    � 2� �Đặt I  CU � � Hay  +) Trong mạch điện xoay chiều có tụ điện thì: u chậm pha i góc U U U I  UC �   ZC � I  � I0  I C ZC ZC +) Định luật Ơm Ta có: 1 T   C 2fC 2C gọi dung kháng tụ điện, đơn vị tính: Ơm    3.2.3 Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm u  U cos  t    Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch có cuộn cảm L +) Trong mạch điện xoay chiều có cuộn cảm   u  i  thì: u nhanh pha I góc hay U U I � I  (Z  .L  2.f.L  2L ) ZL ZL L T +) Định luật Ôm Ta có: ZC  ZL gọi cảm kháng cuộn dây, đơn vị là: Ôm    Chú ý: Do u C  i u L  i nên mạch xoay chiều có tụ C có 2 2 �u � �i � i �u � �� � � � � � � � �� U I I �U � �� cuộn cảm L ta có: � � �0 � u12 i12 u 2 i 2 U0 u12  u 2    �  Z U I0 U I I0 i 2  i12 Tại hai thời điểm t1 t ta có: 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 R cos t (U R  I R ) �R � � � i  I cos t � � u L  u0 L cos � t  � (U L  I Z L ) � u  u R  uL  uC � � � � � � uC  u0C cos � t  � (U 0C  I ZC ) � 2� � � + Giản đồ véc tơ[3,4] TH 1: Z L  Z C TH 2: Z L  Z C U = U R2 + U LC = U R2 +  U L - U C  � U = U R2 +  U L - U C  +) Điện áp hiệu dụng: U 2R +(U L - U C )2 U Z= = = R +  ZL - ZC  I I +) Tổng trở: U U U U U U U I= = R = C = L = RL = RC = LC Z R ZC ZL ZRL ZRC ZLC +) Định luật Ôm: 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: Nếu Z L  Z C : Mạch có tính cảm kháng (khi u sớm pha i) Nếu Z L  Z C : 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 dòng điện 3.2.5 Cộng hưởng điện + Nếu Z L  Z C tanφ = � φ  Dòng điện pha với điện áp U R Đó tượng cộng hưởng điện Lúc ZL = ZC � Lω = � ω 2LC = Cω + Điều kiện để có cộng hưởng điện 3.3 Công suất tiêu thụ mạch điện xoay chiều Hệ số công suất 3.3.1 Công suất mạch điện xoay chiều [1;2; 3;4] Xét mạch điện xoay chiều hình sin Điện áp tức thời hai đầu mạch u  U cos t Zmin = R � I max = Cường độ dòng điện tức thời mạch: i  I cos(t  ) Công 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 t.cos(t  )  UI. cos   cos(2t  )  , Khi cơng suất điện tiêu thụ chu kì T là: P  p  UI � cos   cos(2t  ) � � � Do giá trị trung bình cos(2t  ) khoảng thời gian Tbằng không Ta giá trị trung bình cơng suất điện tiêu thụ chu kì P  UIcos  Nếu thời gian dùng điện t lớn so với T(t ? T) P cơng suất điện tiêu thụ trung bình mạch điện thời gian (nếu U I khơng thay đổi) + Điện tiêu thụ mạch điện: Điện tiêu thụ mạch điện thời gian t là: W= P.t 3.3.2 Hệ số công suất Trong công thức tính cơng suất tiêu thụ trung bình mạch điện xoay chiều  � cos P  UIcos  cos gọi hệ số cơng suất Vì R cos    �   Z +) Mạch có điện trở: +) Mạch có tụ điện có cuộn dây cảm    � � cos   � P  (Mạch không tiêu thụ công suất) +) Mạchgồm điện trở Rvà cuộn cảm L mắc nối tiếp: R R cos    2 2 R  ZL R  (L ) R R cos    2 R  ZC R2  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   R   2 U Z R  (Z L  Z C ) + Công suất trung bình tiêu thụ mạch điện xoay chiều tính bởi: U R �U � P  UIcos   U  R � � RI Z Z �Z � U U cos   RI.I  U R I  R  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 Ta có: P  UIcos  ( cos  hệ số công 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  Khi đó: Dây dẫn có điện trở tổng cộng R, cơng suất hao phí tỏa nhiệt P  I R  P2  U cos  R P�  P  P � P� P R.P  U cos  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   [5] Độ giảm điện áp (Độ giảm đường dây): U  I.R l R  S  điện trở suất (đơn vị .m ) Điện trở dây dẫn: S m2  l (m) độ dài dây dẫn tiết diện dây dẫn + Cách giảm hao phí đường dây tải điện.[3,4] P2 P  I R  IU  R � Ucos    Ta có: Với mạch truyền tải P cos  xác định muốn giảm hao phí ta giảm R tăng U l R  S có hạn chế (chẳng hạn muốn giảm R phải thay + Biện pháp giảm dây đồng dây bạc, siêu dẫn… tốn kém) phải tăng tiết diện dây nghĩa tăng khối lượng dây điện nên tốn vật liệu phải tăng số lượng cột điện dây nặng + Do phương ántăng U (dùng máy tăng áp) để giảm hao phí dây phương án tốt 3.4.2 Máy biến áp + Máy biến áp thiết bị có khả biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số + Cấu tạo: - Lõi máy biến áp khung sắt non có pha silic - Gồm hai cuộn dây (số vòng dây cuộn dây khác nhau) + Cuộn sơ cấp có N1 vòng đượcnối vào nguồn phát điện xoay chiều + Cuộn thứ cấp có N vịng đượcnối sở tiêu thụ điện + Khảo sát máy biến áp Nguyên tắc hoạt động máy biến ápdựa tượng cảm ứng điện từ Cụ thể từ thơng qua vịng dây biến thiên làm xuất suất điện động cảmứng Ta có: e  � , từ thơng qua vịng dây cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Gọi từ thông Φ = Φ0cosωt Từ thông qua cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp là: Φ1 = N1Φ 0cosωt, Φ = N 2Φ 0cosωt e1 N1 E N = � 1= E2 N2 sinωt 0sinωt e = NωΦ Suy e1 = NωΦ Do đó: e N N1 U1 = (1) E = U ; E = U N U 2 2 Do Bỏ qua điện trở cuộn dây ta có: Nếu U >U1 � N > N1 : Máy tăng áp Nếu U