Giáo án 1: Dòng điện xoay chiều Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở

CHỈ CÓ ĐIỆN TRỞ THUẦN (2 tiết)

A. Mục tiêu + Kiến thức

- Hiểu được nguyên nhân phát sinh dòng điện xoay chiều.

- QNSL của HS khi cho khung dây quay trong từ trường đều thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng cần phải khắc phục.

- QNSL của HS cường độ dòng điện không đổi bằng cường độ dòng điện xoay chiều cần phải khắc phục.

Hình 2.4. Quan sát các giá trị tức thời u, uR, i, uL, uC, tại một thời điểm xác định.

- QNSL về định luật Ôm của dòng điện không đổi với định luật Ôm về dòng điện. xoay chiều là giống nhau cần phải khắc phục.

- Quan niệm sai giữa giá trị tức thời và giá trị hiệu dụng.

- Nắm được khái niệm điện áp xoay chiều và dòng điện xoay chiều.

- Biết cách xác định độ lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế xoay chiều.

- Phân biệt được giá trị tức thời và giá trị cực đại.

- Phân biệt được dòng điện không đổi và dòng điện xoay chiều.

- Nắm được các giá trị hiệu dụng và cách tính công suất toả nhiệt của dòng điện xoay chiều.

+ Kĩ năng

- Biết xác định các giá trị hiệu dụng và giá trị tức thời của điện áp và cường độ dòng điện.

+ Liên hệ thực tế

- Biết một vài thông số về điện dân dụng như: tần số dòng điện, điện áp. - Hiểu được các kí hiệu về điện ghi trên các thiết bị điện thông dụng.

- Biết nguyên nhân dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi hơn dòng điện không đổi.

+ Thái độ

- HS tích cực trong học tập, phát huy nổ lực cá nhân, đồng thời phải biết kết hợp tốt giữa hoạt động học tập cá nhân với hoạt động học tập thể.

B. Chuẩn bị

- Sách giáo khoa vật lí 12 nâng cao.

- Bộ câu hỏi xây dựng bài.

- Bộ thí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ: gồm khung dây, nam châm vĩnh cửu, bóng đèn loại 1,5V, ampe kế và vôn kế.

- Bộ thí nghiệm quan sát pha dao động của điện áp u và i: máy phát tần số để đưa điện áp

3V vào hai đầu mạch điện, điện trở, điện kế G, vôn kế V .

- GV có thể chuẩn bị một số hình ảnh về cường độ dòng điện và hiệu điện thế xoay chiều.

C. Tiến trình dạy học

Hoạt động 1 ( 15 phút) :Tìm hiểu sự xuất hiện của suất điện động xoay chiều.

Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung

Làm bộc lộ quan niệm riêng của HS

GV: Hiện tượng gì sẽ xảy ra nếu đặt một khung dây kim loại có diện tích S, gồm N vòng dây quay đều với vận tốc góc ω quanh trục đối xứng xx’ của nó trong một từ trường đều

B

ur

có phương vuông góc với trục xx’?

GV: Nếu khung dây hở thì sao hoặc khung dây kín thì sao?

Làm cho HS thấy sự vô lý của QNSL

GV: Kết luận các em vừa nêu liệu có đúng không ? Chúng ta đi tiến hành làm thí nghiệm trên, nhưng hai đầu khung dây có nối với mạch ngoài gồm: khóa K ghép nối tiếp với một bóng đèn . Quan sát thí nghiệm trong hai trường hợp.

- Trường hợp 1: khóa k đóng. - Trường hợp 2: khóa k để hở. GV: Các em có nhận xét gì về trạng thái của bóng đèn ở hai

HS: Trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. HS: Vẫn có dòng điện cảm ứng trong khung dây. HS: Cùng làm TN với GV. HS: Trường hợp 1 đèn sáng còn trường hợp 2 I. Suất điện động xoay chiều

- Một khung dây kim loại có diện tích S gồm N vòng dây quay đều với vận tốc góc ω quanh trục đối xứng xx’ của nó trong một từ trường đều Bcó vuông góc với xx’ thì trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng dao động điều hòa.

- Biểu thức: e = -Ф’ = NBSω sinωt

- Đặt E0 = NBSω là suất điện động cực đại thì e = E0 sinωt = E0 B urn^r

A

B

ω _x

'

x

ωt

trường hợp trên?

GV: Trường hợp 1 chứng tỏ có dòng điện qua bóng đèn tức là có cường độ dòng điện qua mạch kín, còn với mạch hở thì không.

GV: Như vậy khi đặt một khung dây kim loại có diện tích S, gồm N vòng dây quay đều với vận tốc góc ω quanh trục đối xứng xx’ của nó trong một từ trường đều B^ur có phương vuông góc với trục xx’ thì trong khung sẽ xuất hiện đại lượng nào ?

GV: Suất điện động này có bản chất như thế nào ?

GV: Tại sao suất điện động này là một đại lượng biến thiên điều hòa ?

GV: Chứng minh từ thông qua khung dây biến thiên điều hòa ?

đèn không sáng. HS: Lắng nghe.

HS: Suất điện động cảm ứng.

HS: Suất điện động này biến thiên điều hòa. HS: Vì từ thông qua khung biến thiên điều hòa nên trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến thiên điều hòa. HS: Giả sử lúc t = 0, pháp tuyến n^r của khung trùng với B^ur

- Tại thời điểm t, n^r quay được một góc ωt, từ thông qua khung dây là:

cos(ωt - π₂

)

GV: Viết biểu thức suất điện động xuất hiện trong khung dây ?

Ф = NBScosωt HS: e = NBSω sinωt

Hoạt động 2:Tìm hiểu về điện áp xoay chiều – Dòng điện xoay chiều

Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung

GV: Như vậy khi cho khung dây kim loại quay đều trong một từ trường đều B^ur có phương vuông góc với trục của nó thì gữa hai đầu khung dây sẽ xuất hiện một xuất điện động biến thiên điều hòa. Làm thế nào để có dòng điện xoay chiều chạy qua một đoạn mạch tiêu thụ điện ?

GV: Tại sao khi nối hai đầu khung dây với một mạch kín tiêu thụ điện ta có dòng điện xoay chiều ?

GV: Hãy phân biệt suất điện động e và điện áp u ?

HS: Nối hai đầu khung dây với một mạch kín tiêu thụ điện.

HS: Vì khi đó trong mạch có dao động điện cưỡng bức với tần số bằng tần số của suất điện động do máy phát ra. Giữa hai đầu đoạn mạch có điện áp u biến thiên điều hòa theo thời gian sinh ra dòng điện i chạy trong mạch cũng biến thiên điều hòa theo thời gian gọi là dòng điện xoay chiều.

HS: Suất điện động gây ra hiệu điện thế ở mạch ngoài có cùng tần số góc ω. Nếu

II. Điện áp xoay chiều – Dòng điện xoay chiều - Nếu nối A, B với một đoạn mạch tiêu thụ điện thì giữa hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế biến thiên điều hoà theo thời gian, gọi là hiệu điện thế xoay chiều hay điện áp xoay chiều:

u = U0cos(ωt + φu) và trong mạch có dòng điện xoay chiều biến thiên điều hoà có dạng: i = I0cos(ωt + φi) với U0 và I0 là hiệu điện thế cực đại và cường độ cực đại - Đại lượng φ= φu

GV: Nêu định nghĩa cường độ dòng điện xoay chiều ?

GV: Thế nào là giá trị tức thời ? Thế nào là giá trị cực đại? Hãy nêu định nghĩa cho trường hợp tổng quát và cho trường hợp cụ thể cho suất điện động, điện áp u và cường độ dòng điện i ?

GV: (Thảo luận nhóm) Hãy nêu những đặc điểm khác biệt giữ dòng điện xoay chiều và dòng điện không đổi ?

GV: (Thảo luận nhóm) Vì những lí do gì mà trong thực tế, dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi hơn so với dòng điện không đổi ?

chọn các điều kiện ban đầu thích hợp thì e = u.

HS: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo qui luật của hàm số cosin hay sin.

HS: Giá trị cực đại là giá trị tại thời điểm t đó là e, u, i. Giá trị cực đại là giá trị lớn nhất có thể đạt được đó là E0, U0, I0.

HS: Dòng điện không đổi có chiều và cường độ không đổi. Dòng điện xoay chiều có chiều và cường độ thay đổi tuần hoàn theo thời gian. HS: Các ứng dụng trong đời sống như thắp sáng, đun nấu,...dòng điện xoay chiều có tác dụng tốt như dòng điện không đổi, dòng điện xoay chiều dễ sản xuất, tạo ra công suất lớn. Dòng điện xoay chiều dễ dàng truyền tải đi xa, trong khi đó dòng điện không đổi khó truyền tải đi

– φi gọi là độ lệch pha giữa u so với i + Nếu φ > 0 thì u sớm pha so với i + Nếu φ < 0 thì u trễ pha so với i + Nếu φ = 0 thì u cùng pha so với i

GV: Em hiểu thế nào là độ lệch pha giữa điện áp u so với cường độ dòng điện i ?

xa.

HS: Độ lệch pha giữa điện áp u so với cường độ dòng điện i cho biết sự chênh lệch về thời gian của các đại lượng này.

Hoạt động 3: Tìm hiểu về dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R.

Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung

GV: Thông thường một mạch điện xoay chiều trong gia đình hoặc xưởng máy có cả điện trở, cuộn cảm, tụ điện. Tuy nhiên, để đơn giản chúng ta nghiên cứu những đoạn mạch chỉ có một điện trở, hoặc một cuộn cảm hoặc một tụ điện trước khi nghiên cứu các trường hợp chung ta hãy tìm hiểu mạch điện chỉ có điện trở R thuần.

Làm bộc lộ quan niệm riêng của HS

GV: Đặt giữa hai đầu của đoạn mạch chỉ có R một điện áp xoay chiều: u = U0cosωt. Hãy viết định luật Ôm cho các giá trị tức thời của u và i?

GV: Đặt giữa hai đầu của đoạn mạch chỉ có R một điện áp

HS: Lắng nghe và trả lời câu hỏi. HS: i = ^u R(1) HS: I = ^U R (2) III. Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở

- Đặt giữa hai đầu của đoạn mạch một điện áp xoay chiều: u = U0cosωt - Áp dụng định luật Ohm cho các giá trị tức thời của u và i: i = ^u R ^{= I cosωt0} ; với I0 = U0 R Vậy, cường độ dòng điện trên điện trở thuần R biến thiên điều

A B

một chiều U. Hãy viết định luật Ôm cho các giá trị U và I ?

GV: Như vậy định luật Ôm viết cho dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều có giống nhau về bản chất hay không ?

Làm cho HS thấy sự vô lí của QNSL

GV: Kết luận các em vừa nêu liệu có đúng không ? Chúng ta đi tiến hành làm thí nghiệm gồm: điện trở nối tiếp với điện kế G, vôn kế V mắc song song vào hai đầu R, cả mạch được mắc vào máy phát tần số để đưa điện áp 3V. Quan sát chiều chuyển của kim của điện kế G và kim của vôn kế V ? GV: Làm lại thí nghiệm trên nhưng nối cả mạch vào nguồn một chiều. Quan sát chiều chuyển của kim của điện kế G và kim của vôn kế V?

GV: Ở thí nghiệm 1 cho phép ta kết luận gì về quan hệ giữa u và i? Còn ở thí nghiệm 2 ?

HS: giống nhau.

HS: Chúng chuyển động có giới hạn khác nhau nhưng theo cùng một chiều.

HS: Chúng đứng yên và chỉ một giá trị xác định.

HS: u, i là những đại lượng biến thiên tuần hoàn và cùng

hoà cùng tần số và đồng pha với điện áp giữa hai đầu điện trở

GV: Như vậy định luật Ôm viết cho dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều có giống về bản chất nhau hay không ?

GV: Tại sao chúng được viết tương tự nhau ?

pha còn các đại lượng U, I là những đại lượng không đổi và không có sự lệch pha. HS: Không

HS: Với dòng điện xoay chiều thì điện áp u và i cùng pha với nhau, mà dao động của u và i được biểu diễn bằng hai vectơ quay cùng phương cùng chiều, còn với dòng một chiều thì chúng là những đại lượng vô hướng. Cho nên công thức định luật Ôm viết cho dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều có giống nhau về mặt hình thức.

Hoạt động 3:Tìm hiểu về các giá trị hiệu dụng.

Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung

GV: (Thảo luận nhóm) Trong thực tế khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta quan tâm đến giá trị nào của dòng điện: Giá trị cực đại? Giá trị tức thời? Hay giá trị nào khác ? Vì sao ?

HS: Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta không quan tâm đến giá trị cực đại hay giá trị tức thời vì những giá trị này chỉ đạt được tại một thời điểm. Cái mà người ta quan tâm là tác dụng của

IV. Các giá trị hiệu dụng

- Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện

Làm bộc lộ quan niệm riêng của HS

GV: Cho dòng điện xoay chiều i = I0cosωt và dòng điện không đổi cùng chạy qua một điện trở R trong thời gian t, sao cho nhiệt nhiệt lượng Q tỏa trên R trong hai trường hợp này bằng nhau . Có nhận xét gì về cường độ dòng điện không đổi và cường độ dòng điện xoay chiều ?

Làm cho HS thấy sự vô lí của QNSL

GV: Hãy tìm biểu thức tính nhiệt Q trong hai trường hợp trên ?

dòng điện xoay chiều trong thời gian dài. Do đó, người ta đưa ra giá trị hiệu dụng.

HS: Bằng nhau.

HS: Với dòng điện xoay chiều, công suất tỏa nhiệt: p = Ri2 = RI0cos2ωt = 2 2 0 0 RI RI + cos2ωt 2 2

+ Công suất toả nhiệt trung bình trong thời gian t rất lớn so với chu kỳ là: P = 2 0 I p = R 2

+ Nhiệt lượng toả ra trong

không đổi, nếu chúng lần lượt đi qua cùng một điện trở trong những khoảng thời gian bằng nhau đủ dài thì toả ra những nhiệt lượng bằng nhau: I = I0 2 Tương tự ta có: - Điện áp hiệu dụng: U = 2 0 U - Suất điện động hiệu dụng: E = E0 2

GV: So sánh và đưa ra nhận xét chính xác ? Từ đó đưa ra định nghĩa cường độ dòng điện hiệu dụng của dòng điện xoay chiều ? thời gian t: Q = P.t = 2 0 I R 2 t - Với dòng điện không đổi nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong thời gian t như trên: Q = RI2t

HS: Ta có I = I0

2 , vậy cường độ I của dòng điện không đổi bằng cường độ cực đại của dòng điện xoay chiều chia cho 2. Giá trị

0

I

2 không đổi gọi là cường độ dòng điện hiệu dụng của dòng điện xoay chiều, kí hiệu là I.

Hoạt động 5: Tìm hiểu biễu diễn bằng vec tơ quay

Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung

GV: Hãy xác định độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện qua điện trở ?

GV: Vẽ giản đồ Fre – nen biểu diễn quan hệ giữa hiệu điện thế u và dòng điện i?

HS: ϕ = ϕuR - ϕi = 0

HS: Tại thời điểm t = 0, vectơ quay ^rI và U^uuurR biểu diễn cho cường độ i = I cosωt0 như hình vẽ. Ta có U^uuurR lập với ^r_I một góc bằng 0.

V. Biễu diễn bằng vec tơ quay

Hoạt động 6:Tổng kết bài và hướng dẫn học sinh giải bài tập ở nhà.

Hoạt động của GV Hoạt động của HS

O ^x U ur I r

Bài tập 1: Dòng điện chạy qua đoạn mạch xoay chiều có dạng i = 2cos(100πt) (A), hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch có giá trị hiệu dụng là 12V, và sớm pha π/3 so với dòng điện.

a. Tính chu kỳ, tần số của dòng điện b. Tính cường độ dòng điện hiệu dụng của dòng điện trong mạch. c. Tính cường độ dòng điện tức thời của dòng điện ở thời điểm t = 0,5 (s)

Bài tập 2: Một bàn là dùng trong gia đình có điện trở R = 50Ω, dòng điện qua bàn là có biểu thức

2 2 cos(100 ) 3

i_{= π}t₊π

. Tính nhiệt lượng tỏa trên bàn là trong 15 phút.

Bài tập 3: Một khung dây dẫn có diện tích S = 50cm2 gồm 150 vòng dây quay đều với vận tốc 3000 vòng/phút trong một từ trường đều