SKKN hệ thống kiến thức và đổi mới việc dạy học phần điện xoay chiều trong chương trình vật lý phổ thông

SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH NINH BÌNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TỤY SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN SÁNG KIẾN: HỆ THỐNG KIẾN THỨC VÀ ĐỔI MỚI VIỆC DẠY HỌC PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THƠNG (DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ LUYỆN THI ĐẠI HỌC) Tác giả sáng kiến : Đơn vị cơng tác : ĐỒN XN HUỲNH TỔ VẬT LÝ Ninh Bình, Tháng 05 năm 2014 SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc ĐƠN U CẦU CƠNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi: Hội đồng sáng kiến tỉnh Ninh Bình Tơi (chúng tơi) ghi tên đây: Số TT Là tác giả đề nghị xét công nhận sáng kiến: "Hệ thống kiến thức đổi việc dạy học phần điện xoay chiều chương trình vật lý trung học phổ thơng” - Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: phần học điện xoay chiều chương trình Vật lý trung học phổ thơng - Mô tả chất sáng kiến:  Hiện trạng trước áp dụng giải pháp mới: Một là, kiến thức phần điện xoay chiều chương trình vật lý phổ thơng chưa hệ thống hóa cách đầy đủ Các em học sinh thường gặp khó khăn việc phân tích, tổng hợp kiến thức tập vật lý phần học quan trọng SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy Hai là, việc giải toán điện xoay chiều thường gặp nhiều khó khăn việc xây dựng hệ thức từ để tính tốn Thơng thường viết hệ thức liên hệ vẽ giản đồ véctơ theo cách truyền thống, điều dẫn tới việc không xây dựng hệ thức đúng, khó khăn biến đổi, xử lý khơng nhanh gọn để tìm đáp án cuối cho tốn Ba là, với yêu cầu giải nhanh hiệu toán điện xoay chiều đề thi tốt nghiệp, đại học giải pháp cũ nặng việc biến đổi mà không vận dụng công cụ mạnh tốn học phù hợp  Mục đích giải pháp: đưa nhìn tổng thể đầy đủ dạng toán cách thức hiệu để giải toán điện xoay chiều cách hiệu đơn giản Nâng cao chất lượng dạy học  Nội dung giải pháp: Thứ nhất, nội dung sáng kiến kinh nghiệm, tác giả trình bày việc đổi việc hệ thống kiến thức phân loại dạng toán thường gặp điện xoay chiều phương pháp giải tập dạng tốn Đồng thời cho ví dụ điển hình để em học sinh áp dụng để khắc sâu kiến thức Thứ hai, khn khổ sáng kiến tác giả trình bày việc đổi việc tiếp cận để toán điện xoay chiều cách đơn giản có hiệu giúp em phát triển nhanh tư duy, kiến thức, vững kĩ qua đạt hiệu cao dạy học Thứ ba, vận dụng sáng tạo kiến thức toán học việc giải toán điện xoay chiều việc sử dụng kiến thức toán véctơ số phức Trong nội dung sáng kiến, tác giả hệ thống hóa kiến thức phần điện xoay chiều thành 10 dạng kiến thức giúp em học sinh dễ nắm bắt, thuận lợi việc ghi nhớ Bên cạnh tác giả đưa ví dụ tập cho dạng với 15 ví dụ tập điển hình giúp em học sinh tự rèn luyện để khắc sâu kiến thức SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy Dạng 1: Đại cương dòng điện xoay chiều Dạng 2: Viết biểu thức điện áp tức thời dòng Dạng 3: Xác định đại lượng liên quan đến Dạng 4: Ghép tụ điện HỆ THỐNG Dạng 5: Đại lượng liên quan đến điện áp hiệu dụng số vơn kế KIẾN THỨC Dạng 6: Bài tốn biến thiên (cực trị) PHẦN ĐIỆN Dạng 7: Thời gian đèn sáng hay tắt chu kì: XOAY CHIỀU Dạng 8: Bài tốn hộp kín Dạng 9: Máy phát điện xoaychiều Dạng 10: Máy biến áp truyền tải điện SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy Trong nội dung sáng kiến, tác giả đưa vấn đề đổi việc dạy học phần điện xoay chiều với sơ đồ sau: ĐỔI MỚI VIỆC DẠY HỌC PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU Đổi cách giải toán điện xoay chiều phương pháp sè phøc Đổi cách giải toán điện xoay chiều phương pháp giản đồ véc tơ Cách vẽ giản đồ véctơ Kh¸i Một số Trường hợp thường gặp: niƯm vỊ sè phøc C¸c phÐp tÝnh với số phức Phơng pháp dùng số phức để giải toán mạch điện xoay chiều - i tng ỏp dụng sáng kiến: Sáng kiến áp dụng cho tất đối tượng học sinh lớp 12 ôn thi tốt nghiệp THPT, ôn thi cao đẳng, đại học, đồng thời áp dụng cho em học sinh giỏi lớp 11, 12 tham gia dự thi học sinh giỏi cấp tỉnh học sinh giỏi quốc gia Sáng kiến dùng tài liệu dành cho giáo viên THPT việc bồi dưỡng kiến thức cho học sinh phần điện xoay chiều - Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: Dễ áp dụng thực tiễn Các thầy cô giáo em học sinh cần sử dụng tài liệu sáng kiến mà tác giả trình bày để tự hệ thống lại kiến thức SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy nắm bắt dạng Đồng thời sử dụng kết hợp với sách giáo khoa sách tham khảo khác - Đánh giá lợi ích thu áp dụng sáng kiến:  Hiệu xã hội: Dựa kết học tập học sinh phần học điện xoay chiều, sau năm thực sáng kiến này, tác giả đánh giá số liệu thu kết (làm tròn tỉ lệ) sau: Trước áp dụng sáng kiến: Tỉ lệ học sinh lớp đại trà hiểu giải vấn đề: Tỉ lệ học sinh lớp chuyên hiểu giải vấn đề: Sau áp dụng sáng kiến này: - Tỉ lệ học sinh lớp đại trà hiểu giải vấn đề: - Tỉ lệ học sinh lớp chuyên hiểu giải vấn đề: Phần học điện xoay chiều chiếm tỉ lệ đáng kể đề thi học sinh giỏi Kết em học sinh tham dự kì thi học sinh giỏi từ đội HSG trường, HSG tỉnh tới đội tuyển HSG Quốc gia có thành tích đáng khích lệ: SKKN năm 2014 THs Đồn Xn Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy Kết thi HSG Thi HSG lớp 12 cấp tỉnh - Nhiều năm tham gia dạy đội tuyển HSG tỉnh lớp 12 em thi đạt kết tốt, đóng góp chung vào thành tích giáo dục nhà trường Thi HSG Casio THPT cấp tỉnh Nhiều năm liền đội tuyển Casio trường, mà tác giả trực tiếp hướng dẫn, dẫn đầu thành tích tồn tỉnh Các em học sinh tham dự đạt giải với thành tích cao: - Năm học 2011 -2012: 15 học sinh dự thi 15 em đạt giải: nhất, nhì, ba, kk - Năm học 2012 -2013: 15 học sinh dự thi 15 em đạt giải: nhất, nhì, ba - Năm học 2013 -2014: 10 học sinh dự thi 10 em đạt giải: nhất, nhì, ba, 1kk Thi HSG quốc gia: Tác giả có tham gia trực tiếp giảng dạy em học sinh đội tuyển quốc gia Số lượng giải ba năm thực nghiệm sáng kiến - Năm học 2010 – 2011: 4/6 em đạt giải - Năm học 2011 – 2012: 5/6 em đạt giải - Năm học 2012 – 2013: / em đạt giải - Năm học 2013 - 2014: 4/6 em có giải: Nhì, Ba, KK (1 em dự thi khen kì thi Olimpic Châu á) Thi HSG Casio cấp khu vực: - Năm học 2011 – 2012: 3/3 em đạt giải (1 Nhất, Ba, KK) - Năm học 2012 – 2013: 4/4 em đạt giải (1 Nhất, Ba) - Năm học 2013 - 2014: (4/4) em có giải: (1 Nhì, Ba, KK) Kết thi tốt nghiệp, đại học - cao đẳng: Trong đề thi tôt nghiệp THPT, thi đại học cao đẳng, câu hỏi điện xoay chiều chiếm tỉ lệ lớn có nhiều câu phân loại điểm giỏi (đề thi đại học có khoảng 11 đến 15 câu hỏi tổng số 50 câu hỏi đề thi chiếm tỉ lệ đến gần 30% dung lượng đề thi) Sau năm áp dụng sáng kiến việc hướng dẫn, cung cấp tài liệu với nội dung mà sáng kiến trình bày cho học sinh số đồng nghiệp áp dụng Kết hầu hết em làm tốt câu hỏi phần học điện xoay chiều, nhiều em dành điểm tuyệt đối cho phần thi Tỉ lệ đỗ đại học 100% (75% đỗ nguyện vọng 25% đỗ nguyện vọng 2) SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy  Hiệu kinh tế: Việc tính tốn để đưa số cụ thể lợi ích kinh tế mà sáng kiến bên ngành giáo dục nói chung sáng kiến mà tác giả trình bày nói riêng thực khó khăn Tuy nhiên với lợi ích mà sáng kiến mang lại như: - Tiết kiệm nhiều thời gian công sức tìm tịi tài liệu giáo viên học sinh giảng dạy học tập mơn Vật lí nói chung phần học điện xoay chiều nói riêng - Tiết kiệm nhiều chi phí mua tài liệu, sưu tầm tài liệu - Tiết kiệm tiền mà học sinh phải học thêm - Tiết kiệm tiền mời thầy tập huấn cho đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia Như vậy, hiệu kinh tế xác nhận dù số cụ thể Ninh Bình, ngày 16 tháng năm 2014 Người nộp đơn Đoàn Xuân Huỳnh SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy PHỤ LỤC I Hệ thống kiến thức chương điện xoay chiều I.1 Dạng 1: Đại cương dòng điện xoay chiều Khái niệm dòng điện xoay chiều: Dòng điện có cường độ biến thiên tuần hồn theo thời gian theo quy luật hàm sin hay cosin i I0 cos( t ) Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều: dựa tượng cảm ứng điện từ Chu kì tần số khung: T ;f T * Mỗi giây đổi chiều 2f lần * Nếu i = Các biểu thức: (Chọn gốc thời gian t = lúc ( n , B) ) Hình a Biểu thức từ thơng khung: Với N B.S cos t o cos t NBS + S: Là diện tích vịng dây + N: Số vòng dây khung + B : Véc tơ cảm ứng từ B vng góc với trục quay + : Vận tốc góc khơng đổi khung dây b Biểu thức suất điện động cảm ứng tức thời: e =' NBSs in t E0 cos( t ) t2 c Biểu thức điện áp tức thời: u U c os( t u ) d Biểu thức cường độ dòng điện tức thời mạch: Biểu thức cờng độ dòng điện : 76 SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyờn Lng Vn Ty Bài a) Khi mắc ampe kế vào đầu E, D ta có sơ đồ mạch điện nh hình 5, nghĩa xem nh mạch gồm R, L mắc nối tiếp với ampe kế Suy : ZL cos Khi mắc vôn kế vào E, D vôn kế UC Vì uC trƠ pha gãc so víi A, B nªn uAB trễ pha (1) (2) dòng điện i mạch Ta có (chú ý đến (1)) : Z L tan ZCZLR Theo đề UC = 20V, suy ra, (theo (3)) : IZC 4IZLUC 4UL Ta l¹i cã : cos Suy : U 10 Tõ ®ã, theo (2) tìm đợc : R b) tần số f0 điện áp vôn kế vuông pha với uAB nghĩa uC vuông pha với uAB, điều xảy có công hởng điện : 77 SKKN nm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy L U f0 (R r) 2 R (Z L Z C) (1) Bài Công suất tiêu thụ biến trở R : P RI UZC U P (Z R Z L )2 C r2 (R r) (Z L Z C) 2r R (2) Điện áp hiệu dụng đoạn mạch NB lµ : UNB U UNB (R r) Z L Theo đề bài, R = 75 ZL , P UNB đạt trị số cực trị Muốn từ (1) (2) suy phải có : R (Z L Z C ) r vµ 75 < 6k2 < 150 3,53 < k < k=4 Z L Z C (R r) ZL Tõ (3) suy : r < R = 75 vµ (Z L Z C ) R 2 r Từ tổng trở mạch có biểu thøc : Z AB (R r) (Z L Z C ) Z AB 150(75 r) 6(75 2R(R r) r) Để r ZAB số nguyên (theo đề bài) phải có : 75 + r = 6k2 Với k số nguyên Bởi < r < 75 nên từ (6) ta phải có : (3) (5) (4) (6) 78 SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy Tõ ®ã theo (6) : r = 21 , vµ theo (5) : ZAB = 120 Ngoµi tõ (4) ta cã : Z L (Z C Z L ) (R r) ZC ZL V× vËy tõ (3) ta cã : Z C Z L R r 72 (8) Từ (5) (6) ta tìm đợc : Z L 128 Z C 200 Bài a) Xét đoạn m¹ch MB Ta cã : Z C ZR U I MB i1 sím pha so víi uMB mét gãc mà Hình 50 Ta lại có : Z L UMB I2 Z2 L ;Z 40 UMB R 2 Z L I1 ZL4 50 i2 trÔ pha so víi uMB mét gãc 21 R 3 mà : tan Vẽ giản đồ Fre-nen cho đoạn mạch MB : Chọn điện áp UMB làm trục gốc ; vẽ I1và I2 (Hình 3.6G) Vì I1 I2 nên vectơ cờng độ dòng điện I I1 I2 n»m däc theo trôc UMB , nghÜa cờng độ dòng điện i pha với uMB Mặt khác điện áp uAM pha với i (vì đoạn mạch AM chứa điện trở R1) Do vectơ UAM có hớng trùng với UMB có độ lớn UAM = R1I = 50I Vectơ điện áp toàn mạch AB 79 SKKN nm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy U AB U AM UMB cã cïng híng víi UMB I, có độ lớn : UAB UAM UMB 50I (1) UMB Từ giản đồ Fre-nen hình 3.6G ta cã : U MB R 3UMB I 2I1 cos 50 Z1125 suy : UMB Từ (1) (2) ta có : UAB Theo đề bµi : UAB = 330V, suy : Sè chØ ampe kế 3,6A, số vôn kế 150V Biểu thức cờng dộ dòng điện chÝnh (cïng pha víi uAB ) : i 3,6 cos(100 t) (A) Biểu thức điện áp uMB (cùng pha víi uAB ) : u MB 150 cos(100 t) (V) b) Công suất tiêu thụ mạch điện : P R1I Ta cã : I1 I 2 R I1 UMB 3A R3I P = 1188W 50 (Cã thĨ tÝnh P theo c«ng thøc : P = UIcos UAB Tổng trở toàn mạch AB : Z AB =UI) 91, I Bµi Vì cos2 t cos2 t nên viÕt l¹i uAB díi d¹ng : u AB U0 (víi U0 400V ; 100 rad/s) U0 cos t 80 SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyờn Lng Vn Ty Nh điện áp đặt vào mạch gồm thành phần : thành phần không đổi U0 thành phần xoay chiều Vì dòng điện không đổi không chạy qua tụ điện nên dòng điện chạy qua nhánh R dòng điện không đổi chạy qua R1 , R2 L2 , dòng có cờng độ : Xét thành phần xoay chiều u u với U Xét đoạn mạch MB nhánh C 1L1, ta có : Tổng trở hai nhánh này: Z Vì theo đề : L C Xét nhánh L Vì Z1= Z nên dòng điện xoay chiều thành phần u1 tạo không chạy qua nhánh L R2 mà chạy qua nhánh C 1L1 , nghĩa dòng điện xoay chiều chạy qua R1L1C1 Nhng phần mạch R1L1C1 , cờng độ cực đại : I 01 U1 R1 5A biểu thức cờng độ dòng điện i1 (cïng pha víi uAB) lµ : i1 5cos t (A) Nh vËy ta cã : BiĨu thøc cđa cờng độ dòng điện mạch : i I R1 i1 cos(200 t) (A) 81 SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyên Lương Văn Tụy Biểu thức cờng độ dòng điện qua nhánh L1C1 : i1 5cos(200 t) (A) Biểu thức dòng điện qua nh¸nh L R2 : i I R1 2A Bài Có thể giải toán phơng pháp giản đồ Fre-nen cách áp dụng định luật Ôm Ta dùng phơng pháp tính toán theo định luật ¤m XÐt nh¸nh AMB : I1 Suy : UR XÐt nh¸nh ANB : I suy : UR2 Tõ ®ã : u MN u R U MN Thay giá trị vào (1) ta đợc : U2 MN (1) (2) Theo đề UV1 UV2 UMN , từ (2) rút hệ thức cần tìm : L R1R C , hệ thức không phụ thuộc vào tần số góc điện áp (!) Bài 10 Dùng phơng pháp giản đồ Fre-nen 82 SKKN nm 2014 a) Xét đoạn mạch AM MB ta có giản đồ tơng ứng (Hình a b), sau ghép hai giản đồ dùng vectơ I UMB cho vectơ U AB U AM UMB I phơng với I Từ giản ®å ®ã suy : I1 I cos ;I I cos víi tan IC t a n R1 C I L R I L U AM R1I cos U MB R I cos vµ, ngoµi : U MB sin U AM sin Tõ ®ã rót hƯ thøc : 2 2 R1 C R1 R 2L R b) Muèn cho U AM R1 cos (1) C 2 L UMB th× theo (1), ta cã : (2) R cos (3) víi cos (4) (5) Tõ (3), (4) vµ (5) suy : R1 R2 200 ; L L C U1 U1max 4tan = cot tan U1max U0 83 H SKKN năm 2014 THs Đoàn Xuân Huỳnh - THPT Chuyờn Lng Vn Ty b) Khi R2 có ®é gi¶m hiƯu ®iƯn thÕ : U 2RIR R 2IR cos 2U1max tan 2RI 10 R1 U 0, 45U0 84 tan2 ... kiến: "Hệ thống kiến thức đổi việc dạy học phần điện xoay chiều chương trình vật lý trung học phổ thơng” - Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: phần học điện xoay chiều chương trình Vật lý trung học phổ. .. dạy học phần điện xoay chiều với sơ đồ sau: ĐỔI MỚI VIỆC DẠY HỌC PHẦN ĐIỆN XOAY CHIỀU Đổi cách giải toán điện xoay chiều phương pháp sè phøc Đổi cách giải toán điện xoay chiều phương pháp giản... chiều việc sử dụng kiến thức toán véctơ số phức Trong nội dung sáng kiến, tác giả hệ thống hóa kiến thức phần điện xoay chiều thành 10 dạng kiến thức giúp em học sinh dễ nắm bắt, thuận lợi việc