(Sáng kiến kinh nghiệm) rèn luyện cho học sinh kỹ năng phân tích để tìm ra hướng giải cho các bài toán vật lý

MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận 2.2 Thực trạng của vấn đề nghiên cứu 2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 2.4 Hiệu quả của sáng kiến đối với hoạt động giáo dục KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận 3.2 Kiến nghị Tài liệu tham khảo 2 2 3 13 17 17 18 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài: Qua các năm giảng dạy Vật lý tại trường THPT Như Xuân bản thân nhận thấy đứng trước một bài toán Vật lý, học sinh ở rất lúng túng không biết phải giải thế nào, tìm đại lượng nào trước, đại lượng nào sau, áp dụng công thức nào? Đây là thực trạng chung của rất nhiều học sinh của các trường Mợt ngun nhân quan trọng là học sinh thiếu kỹ phân tích bài toán để tìm hướng giải Dù là bài tập định tính hay định lượng đều phải sự phân tích định tính trước đưa các công thức phù hợp Thực tế hiện là rất nhiều học sinh học tập thụ đợng, máy móc cịn giáo viên quan tâm đến kết quả nên học sinh thuộc công thức vật lý áp dụng để tính toán mợt cách máy móc khơng hiểu rõ hiện tượng vật lý, ý nghĩa của các công thức Bởi vậy, để giúp học sinh thực sự vận dụng kiến thức vật lý cho việc giải bài tập điều quan trọng là phải hình thành cho học sinh kỹ phân tích để tìm hướng giải cho các bài toán vật lý Vì lẽ nên đã chọn vấn đề “Rèn luyện cho học sinh kỹ phân tích để tìm hướng giải cho toán vật lý” để làm đề tài cho sáng kiến kinh nghiệm của Tuy nhiên, phạm vi chương trình vật lý phổ thơng, bài tập vật lý rất nhiều, tơi khơng thể trình bày hết được nên tơi chọn phần dịng điện xoay chiều lớp 12 để trình bày 1.2 Mục đích nghiên cứu: Rèn luyện cho học sinh kỹ phân tích để tìm hướng giải cho các bài toán vật lý phần dòng điện xoay chiều lớp 12 1.3 Đối tượng nghiên cứu: - Hoạt đợng dạy và học chương dịng điện xoay chiều vật lý 12 - Kỹ phân tích để tìm hướng giải cho các bài toán vật lý 1.4 Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu sở lý thuyết - Khảo sát thực tế 2 NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm Như đã biết, vật lý là mơn học có rất nhiều các bài tập định tính, định lượng Trong khuôn khổ một tiết bài tập giáo viên không đủ thời gian để hướng dẫn học sinh giải quyết tất cả các bài tập đó, giáo viên có thể hướng dẫn mợt sớ bài điển hình, sớ cịn lại là học sinh tự làm Tuy nhiên thực tế cho thấy rất nhiều học sinh gặp khó khăn, lúng túng khơng biết phải làm thế nào? Hoặc nếu có làm là áp dụng máy móc Bởi để giúp học sinh có thể giải được các bài tập vật lý điều quan trọng trước tiên là phải hướng dẫn cho học sinh biết cách phân tích bài toán để lựa chọn hướng giải quyết phù hợp Hoạt động này lặp lại nhiều lần trở thành kỹ phân tích để tìm hướng giải cho các bài toán vật lý 2.2 Thực trạng của vấn đề Đối với học sinh: Trong thực tế nhiều học sinh thuộc định nghĩa, định lý, quy tắc không giải được bài tập Nguyên nhân là học sinh không biết lập luận để vận dụng chúng Khi giáo viên yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức vật lý để giải bài tập nghĩa là yêu cầu các em thiết lập mối quan hệ các kiến thức mà các em đã học vào một trường hợp cụ thể [1] Để tìm kết quả của bài toán phải trải qua rất nhiều các phép tính trung gian Nếu không phân tích được các bước trung gian này việc tìm đến kết quả ći rất khó khăn Đối với giáo viên: Trong các tiết bài tập thường quan tâm đến kết quả bài toán mà chưa ý đến các suy luận và phân tích của học sinh để có được kết quả Rèn luyện kỹ phân tích để tìm hướng giải cho các bài toán vật lý là một bước rất quan trọng mà nhiều giáo viên thường bỏ qua Vấn đề này có nhiều ngun nhân: - Mợt lí là sự bó hẹp của thời gian tiết dạy - Do hình thức thi chủ yếu là trắc nghiệm nên yêu cầu làm thời gian ngắn nhất học sinh đưa được kết quả cịn khơng quan tâm đến các bước phân tích, lập luận Vì việc rèn luyện cho học sinh biết phân tích, suy luận là rất quan trọng và cần thiết cần phải làm mợt cách kiên trì, có kế hoạch, tạo thói quen, thành nếp nghĩ của học sinh, khơng để các em mị mẫn tìm lời giải * Hậu quả của thực trạng - Nhiều học sinh khơng tìm được hướng giải qút các bài toán mà mới áp dụng các kiến thức một cách máy móc - Sớ học sinh u thích mơn Vật lý chưa nhiều - Kết quả học tập của học sinh qua các bài kiểm tra, bài thi thấp so với các môn khác 2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 2.3.1 Các bước để giải bài toán vật lý Để có thể giải được tớt mợt bài tập định lượng giáo viên phải hướng dẫn học sinh theo các bước sau: Bước 1: Tìm hiểu đề a Đọc kỹ đề bài toán b Tìm hiểu ý nghĩa vật lý của các từ ngữ đề bài và diễn dạt ngôn ngữ vật lý c Biểu diễn các đại lượng vật lý các ký hiệu và chữ cái quen dùng quy ước sách giáo khoa d Vẽ hình (nếu cần) e Xác định điều “cho biết” hay đã cho và điều “phải tìm” hay ẩn sớ [1] Bước 2: Phân tích tượng vật lý mà đề đề cập a Căn cứ vào điều đã cho biết, xác định xem hiện tượng đã nêu bài tḥc phần nào của kiến thức vật lý, có liên quan đến khái niệm nào, định luật nào, quy tắc nào? b Đối với hiện tượng vật lý phức tạp phải phân tích thành hiện tượng đơn giản, chi phối bởi một nguyên nhân, một quy tắc hay một định luật vật lý nhất định c Tìm hiểu xem hiện tượng vật lý diễn biến qua giai đoạn nào, giai đoạn tuân theo định luật nào? [1] Bước 3: Xây dựng lập luận cho việc giải tập a Trình bày có hệ thớng, chặt chẽ, logic để tìm mối liên hệ nhũng điều đcho biết và điều phải tìm b Nếu cần phải tính toán định lượng lập cơng thức có liên quan đến các đại lượng cho biết, đại lượng cần tìm Thực hiện phép biến đổi toán học để ci tìm được mợt cơng thức toán học, ẩn sớ là đại lượng vật lý cần tìm, liên hệ với các đại lượng khác đã cho đề bài c Đổi các đơn vị đo đề bài thành đơn vị của một hệ đơn vị và thực hiện các phép tính toán [1] Bước 4: Bắt tay vào giải toán Dựa vào bước phân tích ta tìm các đại lượng trung gian E, F, G, H, I, K… Từ các đại lượng trung gian này ta tìm các đại lượng trung gian A, B, C Ći ta được đại lượng cần tìm Bước 5: Thử lại biện luận kết thu Thử lại để chắn kết quả là chính xác Khi giải bài tập vật lý không phải lúc nào phù hợp với thực tế Vì sau có kết quả phải biện luận để chọn kết quả phù hợp nhất với thực tế [1] Có thể mơ tả phép phân tích bài toán theo sơ đồ sau: Hướng phân tích bài Đại lượng trung gian A Đại lượn g cần tìm Đại lượng trung gian B Đại lượng trung gian C Đại lượng trung gian E …… Đại lượng trung gian F Đại lượng trung gian G …… Đại lượng trung gian H Đại lượng trung gian I …… Đại lượng trung gian K Hướng giải quyết bài toán 2.3.2 Một số ví dụ minh họa Ví dụ 1: Mạch điện không phân nhánh gồm phần tử: R = 100 Ω , C=10-4/2 π (F) và cuộn dây cảm có L = 1/ π (H) mắc nới tiếp Điện áp xoay chiều mạch có biểu thức u = 200√ 2cos(100 π t - π /6) (V) Viết biểu thức cường đợ dịng điện áp tức thời chạy đoạn mạch [2] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là biểu thức cường đợ dịng điện tức thời i = I0cos(ωt + φ) Ta có sơ đồ phân tích I 0= U0 Z tanφ= Z L−Z c R ZL=ωL ZC = ωC Z=√ R 2+( Z L −Z C )2 Dựa theo sơ đồ này đại lượng tìm là ZL và ZC Sau là Z I0 và φ Cuối thay I0 và φ vào biểu thức tổng quát của i ta được kết quả bài toán Lời giải: Phương trình dịng điện chạy mạch có dạng i = I0cos(ωt + φ) Cảm kháng của cuộn dây: ZL = ω.L = 100 (Ω) Dung kháng của tụ điện: ZC = ωC =200(Ω) Tổng trở của mạch: Z=√ R 2+( Z L −Z C )2 = 100 √ (Ω) Cường đợ dịng điện cực đại: I 0= Đợ lệch pha u và i: tanφ= U0 = (A) Z Z L−Z c −π =−1→ φ= R Biểu thức cường đợ dịng điện mạch là: i = 2cos(100 π t – π/6 + π/4) =2cos(100 π t + π/12) (A) Ví dụ 2: Đặt vào hai đầu mạch điện xoay chiều R, L, C không phân nhánh điện áp hai đầu đoạn mạch điện xoay chiều u = 200 √ cos(100 πt - π /6) (V) Biết R=100 Ω , C=10-4/ π (F); L = 2/ π (H) Xác định công suất tiêu thụ của đoạn mạch [3] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là cơng śt tiêu thụ của mạch điện P = U.I.cosφ Ta có sơ đồ phân tích U= U0 √2 I= I0 √2 cosφ= R Z Z=√ R 2+( Z L −Z C )2 ZL=ωL ZC = ωC Dựa theo sơ đồ này đại lượng tìm là ZL và ZC Sau là Z I, U và cosφ Ći thay U, I và cosφ vào biểu thức tính công suất ta được kết quả bài toán Lời giải: Công suất tiêu thụ của mạch: P = U.I.cosφ Cảm kháng của cuộn dây: ZL = ω.L = 200 (Ω) Dung kháng của tụ điện: ZC = ωC =100 (Ω) Tổng trở của mạch: Z=√ R 2+( Z L −Z C )2 = 100 √ (Ω) Điện áp hiệu dụng hai đầu mạch: U ¿ U0 = 200 (V) √2 U Cường đợ dịng điện hiệu dụng chạy mạch: I = Z = √ (A) R Hệ số công suất: cosφ= = √ Z Công suất tiêu thụ của mạch: P = U.I.cosφ = 200.√ √ = 200 (W) 2 Ví dụ 3: Cho mạch điện RC nối tiếp R biến đổi từ đến 600 Ω Điện áp hai đầu đoạn mạch là u = U √ 2cos ωt (V) Điều chỉnh R = 400 Ω cơng suất toả nhiệt biến trở cực đại và 100W Khi công suất toả nhiệt biến trở là 80W biến trở có giá trị bao nhiêu? [3] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là giá trị của biến trở R Để tìm R ta sử dụng công thức U2 R P = U.I.cosφ = R + Z C2 Ta có sơ đồ phân tích Tìm ZC U Để Pmax MSmin Áp dụng BĐT cơsi ta tìm được ZC và U P= U ZC R+ R Dựa theo sơ đồ này đại lượng tìm là ZC và U Sau thay vào cơng thức tính công suất ta được kết quả bài toán Cuối là biện luận giá trị của R Lời giải: U2 R = Công suất tiêu thụ của mạch: P = U.I.cosφ = R 2+ Z C2 U2 Z C2 R+ R Để Pmax MSmin Áp dụng BĐT cơsi cho hai số dương R và √ MS ≥ R ZC R Z C2 =2 ZC R Z C2 Dấu “=” xảy R= → Z C =R=400 Ω R U Khi Pmax = → U =√2 R P max=200 √2(Ω) 2R Giá trị của biến trở công suất biến trở là 80W P= U R R + ZC ↔ P R2−U R+ P Z C 2=0 Giải phương trình bậc này ta được nghiệm của R là R1 = 200 (Ω) và R2 = 800 (Ω) Biện luận: Theo đề bài R có giá trị từ đến 600 Ω nên có nghiệm R=200Ω là thỏa mãn Ví dụ 4: R=40 √ Ω, L= Cho mạch điện xoay chiều R, L, C với −3 1,2 ( ) 10 ( ) H ; C= F Đặt vào hai đầu mạch điện áp xoay chiều π 16 π uAB=U0cos100πt (V) Xác định độ lệch pha của uAB với điện áp hai đầu cuộn dây [3] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là đợ lệch pha Δφ uAB và uL Để tìm Δφ ta sử dụng công thức Δφ = φ – φuL Ta có sơ đồ phân tích φu = Tìm φ tanφ= L π Z L−Z C R ZC = ZL=ωL ωC Dựa theo sơ đồ này đại lượng tìm là ZL và ZC Sau tìm đợ lệch pha u và i (là φ); độ lệch pha uL và i (là φuL) Cuối thay vào công thức tính độ lệch pha Δφ uAB và uL Phương trình dịng điện chạy mạch có dạng i = I0cos(ωt + φ) Lời giải: Cảm kháng của cuộn dây: ZL = ω.L = 120 (Ω) Dung kháng của tụ điện: ZC = ωC =160 (Ω) Độ lệch pha uAB và i tanφ= Z L−Z C 120−160 −1 −π = = → φ= R 40 √ 3 √ π Vì điện áp hai đầu c̣n cảm nhanh pha dịng điện i góc nên đợ lệch π pha uL và i là φ u = L Độ lệch pha uAB và uL là: −π π −2 π Δφ = φ – φuL = −¿ = 2π Kết luận: uAB chậm pha uL góc Ví dụ 5: Cho đoạn mạch xoay chiều A, B gồm c̣n dây cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở R = 20 √ Ω và tụ điện có điện dung C = 159μF Đặt vào hai đầu đoạn mạch A, B điện áp uAB =80 √ 2cos100πt (V) cường đợ dịng điện hiệu dụng qua điện trở 2A Tính độ tự cảm L (biết L≠0) [3] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là đợ tự cảm L của c̣n dây Ta có sơ đồ phân tích L= ZL ω Z=√ R 2+( Z L −Z C )2 Z= U I ZC = ωC Dựa theo sơ đồ này đại lượng tìm là Z và ZC Sau tính được ZL Từ ta tính được L Cuối biện luận để lấy kết quả phù hợp Lời giải: Dung kháng của tụ điện: ZC = ωC =20(Ω) U Tổng trở của mạch: Z= I =40( Ω) mà √ Z= R 2+ ( Z L−Z C ) 2 ↔Z2 = R + ( Z L −Z C ) ↔402 = (20 √ 3) + ( Z L −20 ) 2 Giải phương trình này ta được ZL = 40Ω và ZL = Biện luận: Theo đề L≠0 nên loại nghiệm ZL = 0, lấy nghiệm ZL = 40Ω → L= Z L 0,4 = (H ) ω π Ví dụ 6: Mợt điện trở R = 30Ω và một cuộn dây được mắc nối tiếp với thành một đoạn mạch Khi đặt điện áp không đổi 24V vào hai đầu mạch dịng điện qua mạch có cường độ 0,6A Khi đặt điện áp xoay chiều có tần sớ 50Hz vào hai đầu mạch dịng điện qua mạch lệch pha π/4 so với điện áp này a Tính độ tự cảm L của cuộn dây b Tính đợ lệch pha dịng điện xoay chiều qua cuộn dây và điện áp hai đầu cuộn dây [4] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là đợ tự cảm L của c̣n dây, đợ lệch pha dịng điện xoay chiều qua c̣n dây và điện áp hai đầu c̣n dây Ta có sơ đồ phân tích và φd Với dịng điện khơng đổi R + r = Lời giải: a Đối với dịng điện khơng đổi, c̣n cảm có tác dụng với điện trở r R+r= U =40 Ω →r = 10Ω I 10 Đới với dịng điện xoay chiều, c̣n cảm có thêm tác dụng cảm kháng: tanφ= ZL = 1→ZL = 40Ω r+R → L= 0,4 (H) π b Đợ lệch pha dịng điện xoay chiều qua cuộn dây và điện áp hai đầu cuộn dây tan φd = ZL =4 → φ d=1,326 rad r Ví dụ 7: Cho một đoạn mạch điện xoay chiều RLC nới tiếp Điện áp hai đầu đoạn mạch có biểu thức u=150 √ cos 100 πt (V ) Biết R = 100Ω; L=0,318H; C =15,7 µF a Tính công suất tiêu thụ của mạch b Muốn công suất tiêu thụ điện của mạch đạt cực đại, người ta mắc thêm tụ C’ với C vào mạch Hỏi phải ghép tụ C’ thế nào, giá trị bao nhiêu? [4] Hướng dẫn cách phân tích bài toán: Đại lượng cần tìm là cơng śt tiêu thụ của mạch và công suất tiêu thụ điện của mạch đạt cực đại, người ta mắc thêm tụ C’ với C vào mạch thế nào, giá trị bao nhiêu? Cách ghép tụ C’ và giá trị của C’ và Ta có sơ đồ phân tích Tính So sánh ZCb và ZC Khi Pmax Lời giải: a Cảm kháng của c̣n dây: ZL = ω.L = 100 (Ω) Dung kháng của tụ điện: ZC = ωC =200(Ω) Công suất tiêu thụ của mạch: P= U2 R = 112,5 (W) R2 +(Z L−Z C )2 11 U R b Ta có: P= R +( Z L−Z C )2 Để Pmax Z L ¿ ZCb =100 Ω Ta thấy ZCb