Đang tải... (xem toàn văn)
- biến thiên theo thời gian t nên trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng: d e NBS sin t dt - Nếu cuộn dây kín có điện trở R thì cường độ dòng điện cảm ứng cho bởi: NBS[r]
(1)Ngày soạn: 15/10/2012 Tiết số: 21 Tuần: 12 Chương III DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Bài 12: ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU (VẬT LÍ 12) I MỤC TIÊU Kiến thức: - Phát biểu định nghĩa dòng điện xoay chiều - Viết biểu thức tức thời dòng điện xoay chiều - Nêu ví dụ đồ thị cường độ dòng điện tức thời, trên đồ thị các đại lượng cường độ dòng điện cực đại, chu kì - Giải thích tóm tắt nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều - Viết biểu thức công suất tức thời dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở - Phát biểu định nghĩa và viết biểu thức I, U Kĩ năng: Thái độ: Vui thích môn học, tập trung học tập,… II CHUẨN BỊ Giáo viên: - Mô hình đơn giản máy phát điện xoay chiều - Sử dụng dao động kí điện tử để biểu diễn trên màn hình đồ thị theo thời gian cường độ dòng điện xoay chiều (nếu có thể) Học sinh: Ôn lại: - Các khái niệm dòng điện chiều, dòng điện biến thiên và định luật Jun - Các tính chất hàm điều hoà (hàm sin hay cosin) III HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Ổn định tổ chức: Kiểm tra bài cũ: Bài Giới thiệu nội dung chính chương III - Các nội dung chính chương: + Các tính chất dòng điện xoay chiều + Các mạch điện xoay chiều bản; mạch R, L, C nối tiếp; phương pháp giản đồ Fre-nen + Công suất dòng điện xoay chiều + Truyền tải điện năng; biến áp + Các máy phát điện xoay chiều; hệ ba pha + Các động điện xoay chiều Hoạt động ( phút): Tìm hiểu các khái niệm dòng điện xoay chiều Hoạt động GV Hoạt động HS Kiến thức - Dòng điện chiều không đổi là gì? - Dòng điện chạy theo chiều với I Khái niệm dòng điện xoay cường độ không đổi chiều Dòng điện xoay chiều hình sin - HS ghi nhận định nghĩa dòng điện - Là dòng điện có cường độ biến xoay chiều và biểu thức thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay cosin, - Cường độ dòng điện thời điểm t với dạng tổng quát: - Dựa vào biểu thức i cho ta biết điều C2 i = I mcos(t + ) gì? a 5A; 100 rad/s; 1/50s; 50Hz; /4 * i: giá trị cường độ dòng điện - Y/c HS hoàn thành C2 rad thời điểm t, gọi là giá trị + Hướng dẫn HS dựa vào phương tức thời i (cường độ tức thời) b 2 A; 100 rad/s; 1/50s; 50Hz; trình tổng quát: i = Imcos(t + ) * Im > 0: giá trị cực đại i -/3 rad (cường độ cực đại) 2 2 f c i = cos(100t ) A * > 0: tần số góc T Từ A; 100 rad/s; 1/50s; 50Hz; (2) 2 f , 2 - Y/c HS hoàn thành C3 i = Imcos(t + ) 2 T I m I m cos( ) T T cos( ) 1 cos rad rad 4 chọn rad C3 T T T 3T T k k 8 T thì i = Im Khi i I m cos( t ) Vậy: t Im t=0 Hoạt động ( phút): Tìm hiểu nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều Hoạt động GV Hoạt động HS - Xét cuộn dây dẫn dẹt hình tròn, - HS theo dẫn dắt GV để tìm khép kín, quay quanh trục cố định hiểu nguyên tắc tạo dòng điện đồng phẳng với cuộn dây đặt từ xoay chiều trường B có phương với trục quay 2 T f: tần số i T: chu kì i * (t + ): pha i * : pha ban đầu i I m cos - Biểu thức từ thông qua diện tích S đặt từ trường đều? ( B , n) = NBScos với biến thiên theo thời gian t - Ta có nhận xét gì suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây? - Ta có nhận xét gì về cường độ dòng điện xuất cuộn dây? - Suất điện động cảm ứng biến theo theo thời gian - Cường độ dòng điện biến thiên điều hoà cuộn dây xuất dòng điện xoay chiều Nguyên tắc tạo dòng điện xoay - Dùng máy phát điện xoay chiều, chiều? dựa vào tượng cảm ứng điện từ - Thực tế các máy phát điện người ta để cuộn dây đứng yên và cho nam châm (nam châm điện) quay trước cuộn dây đó Ở nước ta f = 50Hz Hoạt động 3( phút): Tìm hiểu giá trị dụng Hoạt động GV Hoạt động HS - Dòng điện xoay chiều có tác - HS ghi nhận giá trị hiệu dụng dụng nhiệt dòng điện chiều dòng điện xoay chiều - Ta có nhận xét gì công suất p? 2 f - p biến thiên tuần hoàn theo thời Kiến thức II Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều - Xét cuộn dây dẫn dẹt hình tròn, khép kín, quay quanh trục cố định đồng phẳng với cuộn dây đặt từ trường B có phương với trục quay - Giả sử lúc t = 0, = - Lúc t > = t, từ thông qua cuộn dây: = NBScos = NBScost với N là số vòng dây, S là diện tích vòng - biến thiên theo thời gian t nên cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng: d e NBS sin t dt - Nếu cuộn dây kín có điện trở R thì cường độ dòng điện cảm ứng cho bởi: NBS i sin t R Vậy, cuộn dây xuất dòng điện xoay chiều với tần số góc và cường độ cực đại: NBS Im R Nguyên tắc: dựa vào tượng cảm ứng điện từ Kiến thức III Giá trị hiệu dụng - Cho dòng điện xoay chiều i = Imcos(t + ) chạy qua R, công suất tức thời tiêu thụ R p = Ri2 = RI2mcos2(t + ) (3) đó có tên công suất tức thời - Cường độ hiệu dụng là gì? - Do vậy, biểu thức hiệu điện hiệu dung, suất điện động hiệu dụng cho công thức nào? - Lưu ý: Sử dụng các giá trị hiệu dụng đa số các công thức AC có dùng dạng các công thức tương ứng DC + Các số liệu ghi trên các thiết bị điện là các giá trị hiệu dụng + Các thiết bị đo mạch điện xoay chiều chủ yếu là đo giá trị hiệu dụng gian - HS nêu định nghĩa U E U m E m 2, - Giá trị trung bình p chu kì: p RI m2 cos 2t - Kết tính toán, giá trị trung bình công suất chu kì (công suất trung bình): P p RI m2 - Đưa dạng giống công thức Jun cho dòng điện không đổi: P = RI2 I2 I2 m Nếu ta đặt: I I m Thì I: giá trị hiệu dụng cường độ dòng điện xoay chiều (cường độ hiệu dụng) * Định nghĩa: (Sgk) Ngoài ra, dòng điện xoay chiều, các đại lượng hiệu điện thế, suất điện động, cường độ điện trường, … là hàm số sin hay cosin thời gian, với các đại lượng này IV.CỦNG CỐ: Qua bài này chúng ta cần nắm - Định nghĩa dòng điện xoay chiều - Viết biểu thức tức thời dòng điện xoay chiều - Giải thích tóm tắt nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều - Viết biểu thức công suất tức thời dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở - Phát biểu định nghĩa và viết biểu thức I, U V.DẶN DÒ: - Về nhà học bài và xem trứơc bài - Về nhà làm các bài tập Sgk.và sách bài tập IV RÚT KINH NGHIỆM (4) Ngày soạn: 15/10/2012 Tiết số: 22 -23 Tuần:12 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 và cảm kháng Kĩ năng: Thái độ: Vui thích môn học, tập trung 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: di di i e L dt và suất điện động tự cảm dt - Ôn lại các kiến thức tụ điện: q = Cu và III HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Ổn định tổ chức: Kiểm tra bài cũ: - Định nghĩa dòng điện xoay chiều - Viết biểu thức tức thời dòng điện xoay chiều - Giải thích tóm tắt nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều - Viết biểu thức công suất tức thời dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở Bài Hoạt động ( phút): Tìm hiểu mối quan hệ i và u mạch điện xoay chiều Hoạt động GV Hoạt động HS Kiến thức - Biểu thức dòng điện xoay chiều - Có dạng: i = Imcos(t + ) - Nếu cường độ dòng điện xoay có dạng? chiều mạch: - Chọn điều kiện ban đầu thích hợp để i = I cost = I cost = i = Imcost = I cost - Ta tìm biểu thức u hai đầu đoạn mạch - Trình bày kết thực nghiệm và lí thuyết để đưa biểu thức điện áp hai đầu mạch - Lưu ý: Để tránh nhầm lẫn, phương trình điện áp có thể viết: u = Umcos(t+ u/i) m - HS ghi nhận các kết chứng minh thực nghiệm và lí thuyết = U cos(t+ u/i) Hoạt động ( phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều có điện trở Hoạt động GV Hoạt động HS - Xét mạch điện xoay chiều có R - Biến thiên theo thời gian t (dòng - Trong mạch lúc này có i dòng điện xoay chiều) điện này nào? - Tuy là dòng điện xoay chiều, - Theo định luật Ohm thời điểm, dòng điện i chạy điện áp xoay chiều hai đầu mạch điện: u = Umcos(t+ ) = U cos(t+ ) Với là độ lệch pha u và i + Nếu > 0: u sớm pha so với i + Nếu < 0: u trễ pha || so với i + Nếu = 0: u cùng pha với i Kiến thức I Mạch điện xoay chiều có điện trở (5) theo chiều xác định Vì đây là dòng điện kim loại nên theo định luật Ohm, i và u tỉ lệ với nào? - Trong biểu thức điện áp u, Um và U là gì? - Dựa vào biểu thức u và i, ta có nhận xét gì? - GV chính xác hoá các kết luận HS - Y/c HS phát biểu định luật Ohm dòng điện chiều kim loại i u R - Điện áp tức thời, điện áp cực đại và điện áp hiệu dụng - HS nêu nhận xét: + Quan hệ I và U + u và i cùng pha - HS phát biểu Hoạt động 3( phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều có tụ điện Hoạt động GV Hoạt động HS - GV làm thí nghiệm sơ đồ hình - HS quan sát mạch điện và ghi 13.3 Sgk nhận các kết thí nghiệm + Tụ điện không cho dòng điện - Ta có nhận xét gì kết thu chiều qua được? + Tụ điện cho dòng điện xoay chiều “đi qua” - 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 - Nối hai đầu R vào điện áp xoay chiều: u = Umcost = U cost - Theo định luật Ohm u U i 2cos t R R U I R Nếu ta đặt: i I 2cost thì: - Kết luận: Định luật Ohm mạch điện xoay chiều: Sgk u và i cùng pha Kiến thức II Mạch điện xoay chiều có tụ điện Thí nghiệm - Kết quả: + Tụ điện không cho dòng điện chiều qua + Dòng điện xoay chiều có thể tồn mạch điện có chứa tụ điện Khảo sát mạch điện xoay chiều có tụ điện - Tụ điện tích điện - Có tượng xảy các tụ điện? - Giả sử nửa chu kì đầu, A là cực dương bên trái tụ tích điện gì? - Ta có nhận xét gì điện tích trên tụ điện? Độ biến thiên điện tích q cho phép ta tính i mạch - Cường độ dòng điện thời điểm t xác định công thức nào? q - Khi t và q vô cùng nhỏ t trở thành gì? - Bản bên trái tích điện dương - Biến thiên theo thời gian t - HS ghi nhận cách xác định i mạch i q t - Đạo hàm bậc q theo thời gian - HS tìm q’ a - Đặt điện áp u hai tụ điện: u = Umcost = U cost - Điện tích bên trái tụ điện: q = Cu = CU cost - Giả sử thời điểm t, dòng điện có chiều hình, điện tích tụ điện tăng lên - Sau khoảng thời gian t, điện tích trên tăng q - Cường độ dòng điện thời điểm t: q i t - Khi t và q vô cùng nhỏ dq i CU sin t dt (6) - Ta nên đưa dạng tổng quát i = Imcos(t + ) để tiện so sánh, –sin cos sin cos( ) i CU 2cos(t ) hay: b Đặt: I = UC i I 2cos( t ) thì và u = U cost - Nếu lấy pha ban đầu i - Nếu lấy pha ban đầu i biểu thức i và u viết lại nào? - ZC đóng vai trò gì công thức? ZC có đơn vị là gì? ZC C - Dựa vào biểu thức u và i, ta có nhận xét gì? - Nói cách khác: Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện là phần tử có tác dụng làm cho cường độ dòng điện tức thời sớm pha /2 so với điện áp tức thời - Dựa vào biểu thức định luật Ohm, ZC có vai trò là điện trở mạch chứa tụ điện hay nói cách khác nó là đại lượng biểu điều gì? - Khi nào thì dòng điện qua tụ dễ dàng hơn? - Tại tụ điện lại không cho dòng điện không đổi qua? - HS viết lại biểu thức i và u (i nhanh pha u góc /2 u chậm pha i góc /2) - So sánh với định luật Ohm, có vai trò tương tự điện trở R mạch chứa điện trở - Là đơn vị điện trở () 1 C A..s ( F ) 1.s s V C - Trong mạch chứa tụ điện, cường độ dòng điện qua tụ điện sớm pha /2 so với điện áp hai đầu tụ điện (hoặc điện áp hai đầu tụ điện trễ pha /2 so với cường độ dòng điện) - Biểu cản trở dòng điện xoay chiều C ta thấy: Khi nhỏ - Từ (f nhỏ) ZC lớn và ngược lại - Vì dòng điện không đổi (f = 0) ZC = I = ZC Hoạt động ( phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều có cuộn cảm Hoạt động GV Hoạt động HS - Cuộn cảm là gì? - HS nghiên cứu Sgk để trả lời (Cuộn cảm là cuộn cảm có điện trở không đáng kể, có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm xảy tượng tự cảm.) - Khi có dòng điện cường độ i chạy - Dòng điện qua cuộn dây tăng lên qua cuộn cảm (cuộn dây dẫn nhiều cuộn dây xảy vòng, ống dây hình trụ thẳng dài, tượng tự cảm, từ thông qua cuộn hình xuyến…) có tượng dây: thì i I 2cos t u U 2cos(t ) và - Ta có thể viết: U I 1 ZC C C và đặt I U ZC thì: đó ZC gọi là dung kháng mạch - Định luật Ohm: (Sgk) c So sánh pha dao động u và i + i sớm pha /2 so với u (hay u trễ pha /2 so với i) Ý nghĩa dung kháng + ZC là đại lượng biểu cản trở dòng điện xoay chiều tụ điện + Dòng 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 /2 so với u Kiến thức III Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm - Cuộn cảm là cuộn cảm có điện trở không đáng kể Hiện tượng tự cảm mạch điện xoay chiều - Khi có dòng điện i chạy qua cuộn cảm, từ thông tự cảm có biểu thức: (7) gì xảy ống dây? - Trường hợp i là dòng điện xoay chiều thì cuộn dây? - Xét t vô cùng nhỏ (t 0) suất điện động tự cảm cuộn cảm trở thành gì? - Y/c HS hoàn thành C5 = Li - Từ thông biến thiên tuần hoàn theo t - Trở thành đạo hàm i theo t - Khi i tăng etc < 0, tương đương với tồn nguồn điện di di e L L dt dt di dt - HS ghi nhận và theo hướng dẫn GV để khảo sát mạch điện này 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 , giá trị hiệu dụng U mạch có dòng điện xoay chiều - Đối chiếu với phương trình tổng quát u điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn cảm? - ZL đóng vai trò gì công thức? ZL có đơn vị là gì? Khảo sát mạch điện xoay chiều có cuộn cảm - Đặt vào hai đầu L điện áp xoay chiều Giả sử i mạch là: u L - Điện áp hai đầu cảm có biểu thức nào? - Hướng dẫn HS đưa phương trình u dạng cos = Li với L là độ tự cảm cuộn cảm - Trường hợp i là dòng điện xoay chiều, suất điện động tự cảm: i e L t - Khi t 0: di e L dt di LI 2sint dt u LI 2cos(t ) Hay sin cos( ) Vì u U 2cos(t ) U = LI - So sánh với định luật Ohm, có vai trò tương tự điện trở R mạch chứa điện trở - Là đơn vị điện trở () 1 V V s A A s - Trong đoạn mạch có cuộn cảm thuần: i trễ pha /2 so với u, u sớm pha /2 so với i e Z L L di dt - Dựa vào phương trình i và u có nhận xét gì pha chúng? u U 2cos(t ) i = I cost Hoặc - Biểu cản trở dòng điện xoay chiều i I 2cos(t ) u = U cost - Vì ZL = L nên f lớn ZL i = I cost - Điện áp tức thời hai đầu cuộn cảm thuần: di u L LI 2sint dt u LI 2cos( t ) Hay a Điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn cảm: U = LI U I L Suy ra: Đặt ZL = L I U ZL Ta có: Trong đó ZL gọi là cảm kháng mạch - Định luật Ohm: (Sgk) b Trong đoạn mạch có cuộn cảm thuần: i trễ pha /2 so với u, u sớm pha /2 so với i Ý nghĩa cảm kháng + ZL là đại lượng biểu cản trở dòng điện xoay chiều cuộn cảm + Cuộn cảm có L lớn cản trở nhiều dòng điện xoay chiều, (8) - Tương tự, ZL là đại lượng biểu lớn cản trở nhiều điều gì? - Với L không đổi, dòng 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 và L khác hẳn Trong R làm yếu dòng điện hiệu ứng Jun thì cuộn cảm làm yếu dòng điện định luật Len-xơ cảm ứng từ là dòng điện xoay chiều cao tần + ZL có tác dụng làm cho i trễ pha /2 so với u IV.CỦNG CỐ: Qua bài này chúng ta cần nắm - Định luật Ôm đoạn mạch điện xoay chiều điện trở - Định luật Ôm đoạn mạch điện xoay chiều chứa tụ điện - Tác dụng tụ điện mạch điện xoay chiều - Định luật Ôm đoạn mạch điện xoay chiều chứa cuộn cảm V.DẶN DÒ: - Về nhà học bài và xem trứơc bài - Về nhà làm các bài tập Sgk.và sách bài tập IV RÚT KINH NGHIỆM Tổ trưởng kí duyệt 15/10/2012 HOANG ĐỨC DƯỠNG (9)