8. Những chữ viết tắt trong đề tài
3.2.2. Bài 27 Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện, cuộn cảm
1. MỤC TIÊU BÀI HỌC
a. Mục tiêu kiến thức:
+ Hiểu các tác dụng của tụ điện, cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều.
+ Nêu đƣợc khái niệm dung kháng,viết đƣợc công thức dung kháng, biểu diễn đƣợc u và i bằng vectơ quay cho đoạn mạch chỉ có tụ điện.
+ Nêu đƣợc khái niệm cảm kháng,viết đƣợc công thức tính cảm kháng, biểu diễn đƣợc u và i bằng vectơ quay cho đoạn mạch chỉ có cuộn cảm.
+ Hiểu ý nghĩa và tính toán đƣợc giá trị của dung kháng, cảm kháng.
b. Mục tiêu kỹ năng
+ Tính đƣợc dung kháng, cảm kháng trong mạch xoay chiều. + Rèn luyện kỹ năng quan sát TN và rút ra kết luận.
+ Rèn luyện kỹ năng vẽ giản đồ Fre-nen cho đoạn mạch chỉ có tụ điện và đoạn mạch chỉ có cuộn cảm.
+ Giải bài tập có tụ điện, cuộn cảm trong mạch xoay chiều.
2. CHUẨN BỊ a. Giáo viên:
Chuẩn bị thí nghiệm hình 27.1, hình 27.5 và dao động kí hoặc vẽ trƣớc đồ thị biểu diễn điện áp và cƣờng độ dòng điện qua mỗi đoạn mạch theo thời gian trên khổ giấy lớn (hình 27.2 và hình 27.7).
Chuẩn bị phiếu học tập
b. Học sinh
+ Bài này có liên quan nhiều đến kiến thức lớp 11, vì vậy nên yêu cầu HS ôn lại các nội dung: cấu tạo của tụ điện, định luật cảm ứng điện từ, hiện tƣợng tự cảm, biểu thức suất điện động cảm ứng, chất sắt từ, mạch từ.
+ Cần đọc trƣớc bài và chuẩn bị các kiến thức toán liên quan.
c. Tiến trình xây dựng kiến thức
d. Cơ hội tổ chức cho HS hoạt động để tự lực chiếm lĩnh kiến thức
Cơ hội 1: Tìm hiểu và hai thiết bị khác ngoài điện trở.
- Chia lớp thành nhiều nhóm (mỗi nhóm 4-6 HS), các thành viên trong nhóm trao đổi với nhau về vấn đề GV đặt ra, sau đó cử đại diện mỗi nhóm trả lời hoặc trao đổi cùng GV hoặc tranh luận góp ý với các bạn trong lớp.
- GV là ngƣời nêu vấn đề. Nếu HS chƣa trả lời đƣợc GV sẽ lần lƣợt đƣa ra những câu hỏi gợi mở dần cho HS tiếp tục thảo luận và trả lời đến khi các em có thể hệ thống lại kiến thức và giải quyết đƣợc vấn đề GV đặt ra.
Câu hỏi gợi ý:
- Dựa vào các hình 27.1; 27.2; 27.3… kết hợp đọc SGK và thí nghiệm đƣợc tiến hành. 1. Nhận xét về sơ đồ các mạch.
2. Dự đoán kết quả thí nghiệm và quan sát thí nghiệm thực tế sau đó so sánh. 3. Các hiện tƣợng liên quan khi mạch điện có mặt của các thiết bị.
Đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm Thí nghiệm
+ Tác dụng của cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều + Độ lệch pha giữa điện áp và cƣờng độ dòng điện
Giá trị tức thời của cƣờng độ dòng điện và điện áp (mô phỏng đồ thị 27.7) Biểu diễn bằng vectơ quay
Định luật Ôm đối với đoạn mạch có cuộn cảm.Cảm kháng Câu hỏi: 1,2
Bài tập: 1,2,3,4,5,6
Trong mạch điện xoay chiều, ngoài điện trở thuần, ta còn gặp hai loại phần tử khác là tụ điện và cuộn cảm. Chúng có tác dụng gì đối với mạch điện này?
Đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện Thí nghiệm :
+ Tác dụng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều + Độ lệch pha giữa điện áp và cƣờng độ dòng điện
Giá trị tức thời của cƣờng độ dòng điện và điện áp (mô phỏng đồ thị 27.3) Biểu diễn bằng vectơ quay
Cơ hội 2: Mạch xoay chiều khi mạch xoay chiều có tụ điện.
- Đặt câu hỏi cho HS1 (Chƣa trả lời đƣợc hoặc chỉ đúng một phần nhỏ). - Gọi tiếp HS2 với câu hỏi gợi ý đầu tiên.
- Tiếp tục gọi HS khác trả lời tiếp những câu gợi ý tiếp theo cho đến khi HS1 hệ thống lại tất cả các câu gợi ý để trả lời đƣợc câu hỏi của mình.
Câu hỏi gợi ý:
1. Xây dựng dƣợc biểu thức khi mạch chỉ chứa tụ điện.
2. So sánh và nhận xét về sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp. 3. Các vấn đề khi mạch kết hợp 2 thiết bị (điện trở và tụ điện).
Cơ hội 3: Mạch xoay chiều khi mạch xoay chiều có cuộn cảm.
Câu hỏi gợi ý:
1. Xây dựng dƣợc biểu thức khi mạch chỉ chứa cuộn cảm.
2. So sánh và nhận xét về sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp. 3. Các vấn đề khi mạch kết hợp 2 thiết bị (điện trở và cuộn cảm).
4. Các vấn đề khi mạch kết hợp 3 thiết bị (điện trở, tụ điện và cuộn cảm). 5. Các vấn đề vận dụng mạch điện xoay chiều thực tế.
3. HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC
Hoạt động 1: Ổn định lớp và kiểm tra bài cũ (5 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Cán bộ lớp báo cáo sĩ số của lớp. Yêu cầu cán bộ lớp cho biết tình hình của lớp.
- Lắng nghe câu hỏi của GV. - Nêu câu hỏi:
+ Câu 1: Định nghĩa dòng điện xoay chiều ? Biểu diễn các giá trị U , I qua các đại lƣợng U0 , I0 lên giản đồ Fre-nen. + Câu 2: Nêu mối quan hệ u và i trong mạch chỉ có R.
Dòng điện xoay chiều (dòng điện xoay chiều hình sin hoặc cosin) là dòng điện có cƣờng độ biến thiên tuần hoàn theo thời gian theo quy luật hàm số sin hoặc cosin, với dạng tổng quát: i = Iocos(wt + )
Trong đoạn mạch chỉ có R I và u cùng pha với nhau.
Nhận xét đánh giá và cho điểm.
Hoạt động 2: Tiếp nhận nhiệm vụ học tập (3 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
- Quan sát theo dõi GV đặt vấn đề. Nhớ lại kiến thức cũ về dòng điện xoay chiều biểu thức về mạch điện chỉ có điện trở.
Các bài trƣớc, các em đã tìm hiểu về dòng điện xoay chiều và đã xét một đoạn mạch chỉ có điện trở. Khi ta thay điện trở
! ! !
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
bằng một phần tử khác (tụ điện hoặc cuộn cảm) thì biểu thức cƣờng độ dòng điện và hiệu điện thế qua mạch có dạng nhƣ thế nào? Độ lệch pha giữa chúng đƣợc xác định nhƣ thế nào? Có gì khác so với mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở?
Tƣ duy suy nghĩ về vấn đề đƣa ra về biểu thức mạch điện có tụ điện và cuộn cảm, độ lệch pha giữa chúng.
Hoạt động 3: Tìm hiểu tác dụng của tụ điện (17 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Tụ điện gồm hai vật dẫn (gọi là hai bản
tụ điện) đặt gần nhau, cách điện với nhau. của tụ điện trong mạch điện có dòng điện Nêu cấu tạo của tụ điện và tác dụng không đổi.
Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. Vì giữa hai bản tụ là môi trƣờng chất cách điện.
Hãy giải thích tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua.
Tƣ duy suy nghĩ vấn đề đặt ra. Đƣa ra vấn đề cần nghiên cứu và tổ chức đàm thoại:
Đối với dòng điện xoay chiều thì tụ điện có cho dòng điện đi qua không? Nó có tác dụng gì trong mạch điện xoay chiều? Mắc mạch điện, tiến hành thí nghiệm và
nhận xét.
Hướng dẫn HS sử dụng CP605 mắc sơ đồ như hình 27.1
Đèn sáng. Sau khi đóng khóa K ta thấy đèn nhƣ thế nào?
Dòng điện Hiện tƣợng này chứng tỏ trong mạch
xuất hiện cái gì ? Nhận xét: Khi k đóng đèn Đ sáng Tụ
điện cho dòng điện xoay chiều "đi qua".
Em có nhận xét gì?
Sáng hơn. Nếu thay tụ điện bằng dây dẫn thì độ
sáng của đèn nhƣ thế nào? Tụ điện có tác dụng cản trở đối với
dòng điện xoay chiều. Hiện tƣợng này chứng tỏ điều gì? ? ? ? ? ! !
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Dao động kí điện tử Trong thí nghiệm, ta thƣờng dùng dụng cụ nào để quan sát độ biến thiên của hai chùm tia dòng điện xoay chiều và điện áp theo thời gian?
- Theo dõi và đƣa ra nhận xét về quan hệ pha và tần số của u(t) và i(t).
- Cho HS xem hiển thị đƣờng biểu diễn u(t), i(t) trên màn hình dao động kí.
u và i biến thiên điều hòa cùng tần số và lệch pha /2.
Hãy xác định độ lệch pha giữa dòng điện xoay chiều và điện áp?
i sớm pha hơn u một góc /2. Giữa u và i đại lƣợng nào sớm pha hơn? Tác dụng của tụ điện trong mạch điện
xoay chiều:
+ Cản trở dòng điện xoay chiều
+ Làm cho cƣờng độ dòng điện sớm pha /2 so với điện áp.
Hãy cho biết tụ điện có tác dụng gì trong mạch điện xoay chiều?
Nêu cấu tạo tụ điện và giải thích Hãy giải thích tại sao tụ điện cho dòng điện xoay chiều đi qua mà không cho dòng điện một chiều đi qua.
- Dựa vào đồ thị lí giải (H27.2) Dựa vào đồ thị hãy lí giải quá trình tích và phóng điện của tụ điện.
Hãy chứng minh độ lệch pha giữa u và i của mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện bằng /2.
u = U0sint Viết biểu thức hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện?
q = Cu = CU0sint. Viết biểu thức điện tích tức thời trên bản của tụ điện nối vào điểm M?
- Với quy ƣớc: u > 0 nếu điện thế của điểm M lớn hơn điện thế của điểm N, i > 0 nếu dòng điện chạy từ M đến N.
CU t C U t
dt d
i 0sin 0cos Hãy tìm biểu thức của cƣờng độ dòng điện trong mạch?
u = U0sint = U0cos(t - 2
) Hƣớng dẫn học sinh biến đổi biểu thức hiệu điện thế giữa 2 bản của tụ điện? i sớm pha hơn u một góc
2
. Em có nhận xét gì giữa u và i?
- Học sinh tự vẽ giãn đồ vectơ. ! Hãy biễu diễn uc và ic lên giản đồ ? ! ! ! ! ! ! ? ? ? ?
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
vectơ quay. Cách vẽ tƣơng tự nhƣ mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện.
Hoạt động 4: Tìm hiểu các giá trị tức thời của cƣờng độ dòng điện và điện áp. Độ lệch pha giữa chúng. Giản đồ Fre-nen (10 phút)
Hoạt động 5: Tìm hiểu định luật Ohm đối với mạch có tụ điện. Dung kháng (10 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
- Từ I0 = CU0 I = UC = C U 1 - Theo dõi Định luật ôm I = C Z U với ZC = C 1 .
Tƣơng tự nhau. Em hãy so sánh biểu thức định luật Ôm cho đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện với đoạn mạch một chiều chỉ có điện trở R?
Giống R. Vai trò của ZC giống đại lƣợng nào?
Cản trở dòng điện xoay chiều. Nêu ý nghĩa của Z C?
Hoạt động 6: Tìm hiểu về tác dụng của cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều (15 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Cuộn dây có độ tự cảm L và điện trở
thuần không đáng kể gọi là cuộn cảm. nghĩa cuộn cảm. Cho học sinh đọc sách và nêu định - Suy nghĩ Cuộn cảm thuần không ảnh hƣởng tới dòng điện không đổi nhƣng có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đối với dòng điện xoay chiều? Ráp mạch và tiến hành thí nghiệm.
Nếu mắc A, B với nguồn điện một chiều thì sau khi đóng hay mở khóa K ta thấy độ sáng của đèn nhƣ thế nào?
Không đổi. Nếu mắc A, B với nguồn điện xoay
chiều thì sau khi đóng hay mở khóa K ta thấy độ sáng của đèn nhƣ thế nào? Đèn sáng hơn rõ rệt so với khi mở ? Khi K mở, nếu ta thay đổi hệ số tự
? ? ! ! ! ? !
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
khóa K. cảm thì độ sáng của đèn thế nào? Cuộn cảm có tác dụng cản trở dòng
điện.
Tác dụng cản trở dòng điện của cuộn
cảm phụ thuộc vào hệ số tự cảm. cảm phụ thuộc vào yếu tố nào? Tác dụng cản trở dòng điện của cuộn L=4107n2V Độ tự cảm của một cuộn dây phụ
thuộc vào các yếu tố nào? Độ tự cảm của một cuộn dây phụ thuộc
vào hình dạng, kích thƣớc, số vòng của cuộn dây và độ từ thẩm của lõi thép.
Hoạt động 7: Tìm hiểu về giá trị tức thời của cƣờng độ dòng điện và điện áp. Biểu diễn lên vectơ quay (15 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
- Hƣớng dẫn HS thành lập biểu thức cƣờng độ dòng điện và điện áp của đoạn mạch chỉ có cuộn cảm.
- Quan sát dao động kí - Cho HS quan sát dao động kí điện tử. i = Iocost Viết biểu thức dòng điện xoay chiều
chạy qua cuộn dây thuần cảm? e = L
dt di
= LI0sint Viết biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn cảm?
- Với quy ƣớc : chiều dƣơng của dòng điện của dòng điện là chiều chạy từ A đến B. u = iRAB – e Hãy tìm biểu thức của hiệu điện thế
giữa hai đầu cuộn dây? u = U0cos(t +
2
) - Hƣớng dẫn học sinh biến đổi biểu thức hiệu điện thế giữa 2 bản của cuộn dây. u nhanh pha hơn i một góc bằng
2
. So sánh pha của u và i. Khi dòng điện qua cuộn dây biến thiên,
trong cuộn dây có một suất điện động tự cảm. Theo định luật Len-Xơ, suất điện động tự cảm sinh ra dòng điện tự cảm có tác dụng chống lại sự biến thiên của dòng điện qua cuộn dây, làm dòng điện này biến thiên chậm pha hơn điện áp.
Nguyên nhân nào làm cho cƣờng độ dòng điện qua cuộn cảm biến thiên trễ pha đối với điện áp?
- Học sinh tự vẽ giản đồ vectơ. ! Tƣơng tự nhƣ mạch chỉ có tụ điện, hãy ? ! ! ? ? ? ?
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
biểu diễn các đại lƣợng u và i lên giản đồ vectơ.
Hoạt động 8: Tìm hiểu định luật Ôm đối với đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần. Cảm kháng. (10 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
- Từ I0 = LU0 I = UL = L U - Theo dõi - Định luật ôm : I = L Z U với ZL =L
Giống nhau. Giống R. Cản trở dòng điện. Em hãy so sánh biểu thức định luật Ôm cho đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm với đoạn mạch một chiều chỉ có điện trở R? Vai trò của ZC giống đại lƣợng nào? Nêu ý nghĩa của ZC?
Hoạt động 9: Củng cố và dặn dò (5 phút)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
- GV nhắc lại các kiến thức trọng tâm. - Ghi nhận bài tập - Dặn dò bài tập. Trả lời câu hỏi 1, 2 và
làm bài tập 1, 2,3,4,5,6 trong sgk. - Trả lời các câu hỏi - Chuẩn bị bài tiếp theo.
Rút kinh nghiệm: ……… ……… ……… ……… !