Thiết kế một số bài trong chương V Dòng điện xoay chiều, vật lý 12 nâng cao

8. Các chữ viết tắt trong luận văn

4.3. Thiết kế một số bài trong chương V Dòng điện xoay chiều, vật lý 12 nâng cao

4.3.1. Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện, cuộn cảm.

Bài 27. Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện, cuộn cảm 1. MỤC TIÊU BÀI HỌC

a) Mục tiêu kiến thức

- Nêu được các tác dụng của tụ điện và cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều

- Nêu được khái niệm dung kháng, viết được công thức dung kháng, biểu diễn được u và i bằng vectơ quay cho đoạn mạch chỉ có tụ điện.

- Nêu được khái niệm cảm kháng, viết được công thức tính cảm kháng, biểu diễn được u và i bằng vectơ quay cho đoạn mạch chỉ có cuộn cảm.

-Hiểu ý nghĩa và tính toán được giá trị của dung kháng, cảm kháng. b) Mục tiêu kỹ năng

- Sử dụng được thành thạo PP Fre-nen và định luật Ôm khi giải bài toán chỉ có tụ hoặc cuộn cảm.

- Có kĩ năng quan sát để hiểu ý nghĩa của đồ thị trên màn hình dao động kí hoặc trên tranh mô phỏng.

2. CHUẨN BỊ

a. GV

- Chuẩn bị TN như hình 27.1, hình 27.5 (Tụ điện, Cuộn dây, khóa K, bóng đèn, nguồn điện xoay chiều) và dao động kí hoặc vẽ trước đồ thị biểu diễn điện áp và cường độ dòng điện qua mỗi đoạn mạch theo thời gian trên khổ giấy lớn (hình 27.2, hình 27.7).

- Chuẩn bị các phiếu học tập

b. HS

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 tượng tự cảm. - Biểu thức suất điện động cảm ứng.

- Chất sắt từ, mạch từ.

3. TIẾN TRÌNH XÂY DỰNG KIẾN THỨC

Tụ điện, cuộn cảm có tác

dụng gì trong mạch điện xoay chiều?

Đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện  TN :

+ Tác dụng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều + Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện  Giá trị tức thời của cường độ dòng điện và điện áp  Biểu diễn bằng vectơ quay

 Định luật Ôm đối với đoạn mạch có tụ điện. Dung kháng

Đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm

 TN

+ Tác dụng của cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều + Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện  Giá trị tức thời của cường độ dòng điện và điện áp  Biểu diễn bằng vectơ quay

 Định luật Ôm đối với đoạn mạch có cuộn cảm.Cảm kháng

Câu hỏi: 1,2

4. CÁC CƠ HỘI BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO

Vấn đề 1: Hãy cho biết tác dụng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.

Cho HS lắp mạch TN như hình 27.1 và tiến hành TN Câu hỏi gợi ý:

1. Sau khi đóng khóa K ta thấy đèn như thế nào ?

2. Khi ta đóng khóa k lại ta quan sát thấy đèn sáng, hiện tượng này chứng tỏ trong mạch xuất hiện cái gì?

3. Nếu thay tụ điện bằng dây dẫn thì độ sáng của đèn so với lúc có tụ như thế nào ?

4. Nếu thay tụ điện bằng một sợi dây dẫn, ta quan sát thấy độ sáng của đèn sáng hơn khi có tụ, điều đó cho ta biết tụ điện có tác dụng gì trong mạch điện xoay chiều?

5. Trong TN ta thường dùng dụng cụ nào để quan sát độ biến thiên của hai chùm tia dòng điện xoay chiều và điện áp theo thời gian?

6. Hãy vẽ lại đồ thị và xác định độ lệch pha giữa dòng điện xoay chiều và điện áp. 7. Giữa u và i đại lượng nào sớm pha hơn?

8. Hãy cho biết tụ điện có tác dụng gì trong mạch điện xoay chiều

Vấn đề 2: Hãy giải thích tại sao tụ điện cho dòng điện xoay chiều đi qua mà không cho dòng điện một chiều đi qua.

Câu hỏi gợi ý:

1. Hãy nêu cấu tạo của tụ điện và từ đó cho biết tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua.

2. Dựa vào đồ thị hãy lí giải quá trình tích và phóng điện của tụ điện.

Vấn đề 3 : Hãy tìm độ lệch pha giữa u và i của mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện.

Câu hỏi gợi ý:

1. Viết biểu thức hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện ?

2. Viết biểu thức điện tích tức thời trên bản của tụ điện nối vào điểm M ?

3.Với quy ước : 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. Hãy tìm biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch ? 4.Hướng dẫn HS biến đổi biểu thức hiệu điện thế giữa 2 bản của tụ điện ?

5.So sánh pha của u và i.

Vấn đề 4 : Cuộn cảm thuần không ảnh hưởng tới dòng điện không đổi nhưng có ảnh hưởng như thế nào đối với dòng điện xoay chiều?

Câu hỏi gợi ý:

1. Nếu mắc A, B với nguồn điện một chiều thì sau khi đóng hay mở khóa K ta thấy độ sáng của đèn như thế nào ?

2. Nếu mắc A, B với nguồn điện xoay chiều thì sau khi đóng hay mở khóa K ta thấy độ sáng của đèn như thế nào ?

3. Hiện tượng này chứng tỏ điều gì ?

4. Khi K mở, nếu ta từ từ rút lõi sắt ra khỏi cuộn cảm thì độ sáng của đèn thế nào ? 5. Tác dụng cản trở dòng điện của cuộn cảm phụ thuộc vào yếu tố nào ?

6. Độ tự cảm của một cuộn dây phụ thuộc vào các yếu tố nào ?

Vấn đề 5 : Nguyên nhân nào làm cho cường độ dòng điện qua cuộn cảm biến thiên trễ pha đối với điện áp?

1. Khi có dòng điện trong mạch biến thiên thì trong mạch xuất hiện đại lượng gì đã làm cho đèn sáng ?

2. Nội dung định luật Len-xơ nói gì ?

3. Hãy giải thích tại sao cường độ dòng điện qua cuộn cảm biến thiên trễ pha đối với điện áp ?

5. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY VÀ 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 sỉ số của lớp. - Lắng nghe câu hỏi của GV.

HS: Suy nghĩ và trả lời.

- Yêu cầu cán bộ lớp cho biết tình hình của lớp.

Nêu câu hỏi:

Câu 1: Định nghĩa dòng điện xoay chiều? Biểu diễn các giá trị U , I qua các đại lượng U0 , I0 lên giản đồ Fre-nen.

Hoạt động 2: Tiếp nhận nhiệm vụ học tập (3 phút)

Hoạt động của HS Hoạt động của GV

- Tư duy suy nghĩ về vấn đề đưa ra

dòng điện xoay chiều và đã xét một đoạn mạch chỉ có điện trở. Khi ta thay điện trở bằng một phần tử khác (tụ điện hoặc cuộn cảm) thì biểu thức cường độ dòng điện và hiệu điện thế qua mạch có dạng như thế nào ? Độ lệch pha giữa chúng được xác định như thế nào ? Có gì khác so với mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở ?

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.

- Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. Vì giữa hai bản tụ là môi trường chất cách điện.

Mắc mạch điện, tiến hành TN và nhận xét.

- Đèn sáng.

- Dòng điện.

- Sáng hơn.

- Tụ điện có tác dụng cản trở đối với dòng

- Nêu cấu tạo của tụ điện và tác dụng của tụ điện trong mạch điện có dòng điện không đổi.

- Hãy giải thích tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua ?

Đưa 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 ? Hướng dẫn HS cách mắc sơ đồ như hình 27.1

- Sau khi đóng khóa K ta thấy đèn như thế nào ?

- Hiện tượng này chứng tỏ trong mạch xuất hiện cái gì ?

Nhận xét : Khi k đóng đèn Đ sáng Tụ điện chodòng điện xoay chiều "đi qua". - Nếu tụ điện bằng dây dẫn thì độ sáng của đèn như thế nào ?

- Hiện tượng này chứng tỏ điều gì ?

Hoạt động 4: Tìm hiểu các giá trị tức thời của cường độ dòng điện và điệp áp. Độ lệch pha giữa chúng. Giản đồ Fre-nen (10 phút)

Hoạt động của HS Hoạt động của GV

- Tiếp nhận nhiệm vụ

u = Uosint

- Hãy chứng minh độ lệch pha giữa u và i của mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện bằng /2.

Tổ chức cho HS đàm thoại

- Viết biểu thức hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện ?

- Viết biểu thức điện tích tức thời trên bản của tụ điện nối vào điểm M ?

điện xoay chiều. - Dao động ký điện tử.

Theo dõi và đưa ra nhận xét về quan hệ pha và tần số của u(t) và i(t).

- u và i biến thiên điều hòa cùng tần số và lệch pha /2.

- i sớm pha hơn u một góc /2.

- Tác dụng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều:

+ Cản trở dòng điện xoay chiều

+ Làm cho cường độ dòng điện sớm pha /2 so với điện áp.

- Nêu cấu tạo tụ điện và giải thích - Dựa vào đồ thị lí giải (H27.2)

quan sát độ biến thiên của hai chùm tia dòng điện xoay chiều và điện áp theo thời gian?

Cho HS xem hiển thị đường biểu diễn u(t), i(t) trên màn hình dao động kí.

- Hãy xác định độ lệch pha giữa dòng điện xoay chiều và điện áp.

- Giữa u và i đại lượng nào sớm pha hơn? - Hãy cho biết tụ điện có tác dụng gì trong mạch điện xoay chiều?

- 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 hãy lí giải quá trình tích và phóng điện của tụ điện.

q = Cu = CUosint. i = d (CUosin t) dt  CUocost u = Uosint = Uocos(t - 2  ) i sớm pha hơn u một góc 2  . HS tự vẽ giãn đồ vectơ. Trả lời

Với quy ước : 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.

- Hãy tìm biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch ?

Hướng dẫn HS biến đổi biểu thức hiệu điện thế giữa 2 bản của tụ điện ?

- Em có nhận xét gì giữa u và i ?

Cách vẽ tương tự như mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện.

Hãy biễu diễn uc và ic lên giản đồ vectơ quay.

Nêu câu hỏi C2 và C3

Hoạt động 5: Tìm hiểu định luật Ôm đối với mạch có tụ điện. Dung kháng(10 phút)

Hoạt động của HS Hoạt động của GV

- Theo dõi - Tương tự nhau. R - Cản trở dòng điện Từ I0 = CU0 I = UC = C 1 U  Định luật ôm I = C U Z với ZC = 1 C  .

- 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 ?

- Vai trò củaZC giống đại lượng nào ? - Nêu ý nghĩa của ZC ?

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.

- Suy nghĩ

- Ráp mạch và tiến hành TN - Quan sát TN.

- Không đổi.

- Đèn sáng hơn rõ rệt so với khi mở khóa K.

- Cuộn cảm có tác dụng cản trở dòng điện. - Độ sáng của đèn tăng lên.

- Tác dụng cản trở dòng điện của cuộn cảm phụ thuộc vào hệ số tự cảm.

L=4107n2V

- Độ tự cảm của một cuộn dây phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, số vòng của cuộn dây và độ từ thẩm của lõi thép.

Cho HS đọc sách và nêu định nghĩa cuộn cảm.

- Cuộn cảm thuần không ảnh hưởng tới dòng điện không đổi nhưng có ảnh hưởng như thế nào đối với dòng điện xoay chiều? Tổ chức đàm thoại

Hướng dẫn HS cách mắc sơ đồ như hình 27.5

- Nếu mắc A, B với nguồn điện một chiều thìsau khi đóng hay mở khóa K ta thấy độ sáng của đèn như thế nào ?

- Nếu mắc A, B với nguồn điện xoay chiều thìsau khi đóng hay mở khóa K ta thấy độ sáng của đèn như thế nào ?

- Hiện tượng này chứng tỏ điều gì ?

- Khi K mở, nếu ta từ từ rút lõi sắt ra khỏi cuộn cảm thì độ sáng của đèn thế nào? - Tác dụng cản trở dòng điện của cuộn cảm phụ thuộc vào yếu tố nào ?

- Độ tự cảm của một cuộn dây phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Hoạt động 7 : Tìm hiểu về giá trị tức thời của cường độ dòng điện và điện áp. Biểu diễn lên vectơ quay (15 phút)

Hoạt động của HS Hoạt động của GV

Quan sát dao động kí i = Iocost e =  Ldi dt= LIosint u = iRAB – e u = Uocos(t + 2  )

u nhanh pha hơn i một góc bằng

2



.

- 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.

- HS tự vẽ giản đồ vectơ.

Hướng dẫn HS thành lập biểu thức cường độ dòng điện và điện áp của đoạn mạch chỉ có cuộn cảm.

Cho HS quan sát dao động ký điện tử -Viết biểu thức dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây thuần cảm ?

- Viết biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn cảm ?

Với quy ước : chiều dương của dòng điện của dòng điện là chiều chạy từ A đến B. Hãy tìm biểu thức của hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn dây ?

Hướng dẫn HS biến đổi biểu thức hiệu điện thế giữa 2 bản của cuộn dây

So sánh pha của u và i ?

- Nguyên nhân nào làm cho cường độ dòng điện qua cuộn cảm biến thiên trễ pha đối với điện áp?

- Tương tự như mạch chỉ có tụ điện, hãy biểu diễn các đại lượng 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

- Theo dõi Từ I0 = LU0  I = UL = L  U

- Giống nhau - Giống R - Cản trở dòng điện. Định luật ôm : I = L Z U với ZL =L

- 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 củaZC giống đại lượng nào ? - Nêu ý nghĩa của ZC ?

Hoạt động 9 : Củng cố và dặn dò (5 phút)

Hoạt động của HS Hoạt động của GV

- Trả lời các câu hỏi

- Ghi nhận bài tập

- Chuẩn bị bài mới

- Yêu cầu GV nhắc lại các kiến thức trọng tâm

- Dặn dò bài tập:

Trả lời câu hỏi 1, 2 và làm bài tập 1, 2,3,4,5,6 trong sgk.

Chuẩn bị bài tiếp theo.

Rút kinh nghiệm:

4.2.2. Mạch có R, L, C mắc nối tiếp. Cộng hưởng điện 4.2.3. Máy phát điện xoay chiều 4.2.3. Máy phát điện xoay chiều