I. Ý tưởng sư phạm
Đây là bài nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của máy phát điện xoay chiều một pha, ba pha và cách mắc dịng điện ba pha.
Máy phát điện xoay chiều ba pha và máy phát điện xoay chiều một pha cơ bản giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở phần ứng: Máy phát điện xoay chiều một pha phần ứng là một cuộn dây, máy phát điện xoay chiều ba pha phần ứng là ba cuộn dây. Do đĩ, ta chỉ cần nghiên cứu kỹ máy phát điện xoay chiều một pha từ đĩ liên hệ mở rộng sang máy phát điện xoay chiều ba pha.
Bài này ta cĩ thể triển khai dạy học thiết kế và chế tạo một máy phát điện đơn giản (như một mơ hình máy phát điện) từ đĩ hướng dẫn đến việc mở rộng nghiên cứu để tạo ra một máy phát điện xoay chiều khác theo yêu cầu cụ thể (ví dụ như tạo ra điện áp xoay chiều 110V hay 220V…). Để tạo ra suất điện động xoay chiều của máy thì các thiết bị cấu tạo nên máy phải như thế nào?
Tình huống cĩ vấn đề được truyền tải tới HS bằng video clip về các máy phát điện xoay chiều cĩ trong thực tế, cĩ những máy phát điện cơng suất nhỏ đơn giản do một số hộ gia đình ở vùng sâu vùng xa những nơi mà lưới điện quốc gia chưa tới được tạo ra. Nhờ đĩ mà tạo niềm tin, kích thích được sự sáng tạo của học sinh. Qua video clip HS tin tưởng rằng mình cũng cĩ thể tạo ra được một máy phát điện như thế.
II. Mục tiêu bài học
1. Mục tiêu kiến thức: Học xong bài này HS phải nắm được các nội dung sau:
- Nắm được nguyên tắc hoạt động, cấu tạo của máy phát điện xoay chiều. - Nắm được khái niệm dịng điện xoay chiều ba pha.
- Hiểu được sự khác nhau về cấu tạo của máy phát điện xoay chiều một pha và máy phát điện xoay chiều ba pha.
- Hiểu được điều kiện cần thiết để thiết kế được một máy phát điện cơng suất lớn. - Nắm được đặc điểm của cách mắc hình tam giác và các mắc hình sao.
2. Mục tiêu kỹ năng
Qua bài học này rèn luyện cho HS các kỹ năng sau:
- Kỹ năng vận hành và thiết kế mơ hình một máy phát điện xoay chiều một pha, ba pha theo yêu cầu.
- Rèn luyện cho HS làm việc khoa học trong việc chế tạo máy phát điện. - Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật và an tồn điện.
HS học tập tích cực, chủ động, cĩ niềm tin vào tri thức vật lý. Cĩ thái độ khách quan, cĩ tác phong tỉ mỉ, cẩn thận chính xác và cĩ tinh thần hợp tác, đồn kết để xây dựng bài học.
III. Chuẩn bị
1. Chuẩn bị của giáo viên
Các dụng cụ để phục vụ cho việc chế tạo mơ hình máy phát điện một pha như: nam châm vĩnh cửu, các cuộn dây cĩ số vịng khác nhau, một đèn led,…
Các mơ hình máy phát điện một pha, ba pha.
Các hình ảnh về các nhà máy phát điện, video về máy phát điện cơng suất nhỏ.
2. Chuẩn bị của học sinh
Kiến thức về hiện tượng cảm ứng điện từ, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát điện một pha.
IV. Lơgic tiến trình xây dựng tri thức
73 Máy phát điện xoay chiều
ba pha cấu tạo như thế
Stato phần ứng gồm ba cuộn dây giống nhau, quấn quanh ba lõi thép đặt lệch nhau 1200 trên một vịng trịn. Roto phần ứng là một Máy phát điện xoay chiều
một pha gồm các bộ phận chính nào? Phần cảm tạo ra từ trường và phần ứng tạo ra dịng điện. Khi hoạt động các phần đĩ cĩ trạng thái như thế nào? Một phần cố định gọi là stato phần cịn lại quay quanh trục một cố định gọi là rơto.
Suất điện động của máy phát điện phụ thuộc những yếu tố nào
Từ E0=2fNBS ta thấy E0 phụ thuộc f, N, B, S
Để tăng suất điện động của máy phát điện thực tế người ta đã làm hế nào?
Tại sao phải tăng số cặp cực p?
Tăng số vịng của cuộn dây phần ứng, tăng số cặp cực p và tăng cảm ứng từ B của phần cảm
Từ f = pn cho thấy tăng p để giảm tốc độ quay của rơto
Dịng điện ba pha là gì?
Dịng điện ba pha là hệ thống ba dịng điện xoay chiều, gây bởi ba suất điện động xoay chiều cùng tần số cùng biên độ nhưng lệch pha nhau từng đơi một là
Để truyền dịng điện xoay chiều ba
V. Tiến trình dạy học cụ thể
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên Hoạt động 1: (4 phút)
Củng cố kiến thức xuất phát
Yêu cầu HS phát biểu cảm ứng điện từ?
Suất điện động cảm ứng phụ thuộc những yếu tố nào?
Trình bày cách tạo ra suất điện động xoay chiều?
Hoạt động 2: (3 phút)
Đề xuất vấn đề nghiên cứu
HS xem và tiếp nhận vấn đề
HS: ??
HS xem video.
Giới thiệu hình ảnh một số nhà máy phát điện. Học sinh xem các hình ảnh GV giới thiệu: Đập nước, quạt giĩ, lị phản ứng hạt nhân… là những nguồn năng lượng để chuyển thành điện năng. Vấn đề đặt ra là làm cách nào mà chúng ta đã chuyển được các dạng năng lượng đĩ thành điện năng?
Hãy xem tiếp video về máy thủy điện cơng suất nhỏ.
Từ video clip ta thấy cĩ một dụng cụ chuyển năng lượng cơ năng của nước thành điện năng dụng cụ đĩ gọi là máy phát điện. Máy phát điện cĩ cấu tạo như thế nào? Chúng ta cĩ thể tạo ra được máy phát điện khơng?
Hoạt động 3: (15 phút)
Vận hành máy phát điện xoay chiều theo mơ hình
Dùng tay để làm quay máy phát điện
Một khung dây đồng và một nam châm vĩnh cửu
HS thảo luận đưa ra các phương án HS: Cho khung dây quay trong từ trường của nam châm.
Trong điều kiện lớp học hiện nay ta dùng cách nào đơn giản nhất để làm quay máy phát điện?
Để chế tạo máy phát điện xoay chiều chúng ta cần những dụng cụ nào?
Để tạo ra dịng điện xoay chiều nam châm và khung dây phải bố trí như thế nào?
HS: Cho nam châm quay sao cho từ thơng qua khung dây biến thiên.
Phương án 2 dễ thực hiện nhất vì khi đưa dịng điện ra mạch ngồi mà khơng cần chú ý đến vấn đề dây điện bị xoắn.
HS tìm nguyên nhân. HS: ?? HS: Chế tạo chưa đúng. HS: Cĩ thể cường độ dịng điện quá yếu. Đã thỏa mãn định luật cảm ứng điện từ nên ta cĩ thể kết luận là cường độ dịng điện quá yếu.
Tăng số vịng dây của khung dây
HS: ??
Vì E0= NBS do đĩ để tăng E0
ngồi việc tăng N cĩ thể tăng B và tăng S.
Vì Eo=ω NBS do đĩ để tăng Eo
Hai phương án trên đều khả thi nhưng phương án nào dễ thực hiện nhất?
Vậy chúng ta dùng phương án nam châm quay và khung dây đứng yên (dùng khung dây cĩ ít số vịng dây để đèn led khơng sáng) nhưng thực tế đèn led vẫn chưa sáng.
Nguyên nhân tại sao đèn led khơng sáng?
Hãy lập luận tìm nguyên nhân.
Vậy làm cách nào để tăng cường độ dịng điện lên?
Vậy chúng ta tăng số vịng của khung dây để xem kết quả như thế nào? (Thay khung dây cĩ số vịng nhiều hơn để đảm bảo đèn led sáng).
Ngồi cách tăng số vịng của khung dây cĩ cách nào khác để tăng cường độ dịng điện hay khơng?
Ta đã biết e = Nd 1
dt
φ
mà Φ1 =Bscos ωt → e =ω NBSsin ωt = Eo sin ωt
Vậy để tăng dịng điện ta phải tăng Eo
ngồi việc tăng N (số vịng dây của khung dây) ta cịn cĩ thể làm cách nào nữa khơng?
Trong thực tế để cĩ suất điện động của máy phát điện lớn người ta tăng N bằng
ngồi việc tăng N cĩ thể tăng B, tăng ω và tăng S.
HS: ??
HS xem các chi tiết và nhận xét: Giống nhau:
Nam châm tạo ra từ trường, cuộn dây tạo dịng điện.
Trong hai phần cĩ một phần quay Khác nhau:
Ở phương án này phần tạo ra dịng điện đứng yên, phần tạo ra từ trường quay cịn phương án kia thì ngược lại. Ở phương án phần tạo ra dịng điện quay cần phải cĩ vành khuyên chổi quét để đưa dịng điện ra ngồi.
cách dùng nhiều cuộn dây mắc nối tiếp và mỗi cuộn dây cĩ nhiều vịng dây quấn trên lõi thép kỹ thuật điện, để tăng B người ta dùng nam châm điện thay nam châm vĩnh cửu, tăng ω bằng cách tăng số cặp cực của máy phát điện (Giới thiệu ảnh chụp về Roto và Stato của các nhà máy phát điện) như hình vẽ
Việc tăng số cặp cực nhằm mục đích tăng ω cịn cĩ tác dụng gì nữa khơng?
Từ ω = 2πf mà f = pn nếu f = const thì
p tăng lên bao nhiêu lần thì n giảm xuống bấy nhiêu nghĩa là tốc độ quay của rơto giảm bấy nhiêu thì sẽ giảm được lực quán tính ly tâm tác dụng lên trục rơto.
Giới thiệu cho học sinh máy phát điện xoay chiều chế tạo theo phương án khung dây quay. Và yêu cầu HS nhận xét sự giống nhau và khác nhau về cấu tạo giữa hai máy?
Phần tạo ra dịng điện gọi là phần ứng. Phần tạo ra từ trường gọi là phần cảm. Phần nào quay gọi là rơto.
Phần nào đứng yên gọi là stato.
Vành khuyên chổi quét gọi là bộ gĩp.
Hoạt động 4: (4 phút)
Dịng điện xoay chiều ba pha
HS nghe tiếp nhận khái niệm
Giáo viên thơng báo và phân tích khái niệm dịng điện xoay chiều ba pha
Hoạt động 5: (6 phút)
Cấu tạo và hoạt động của máy phát điện xoay chiều ba pha
Ba cuộn dây
Rơto phần cảm để tránh phải dùng 3 bộ gĩp.
Từ cơng thức biên độ suất điện động xoay chiều của một pha Eo=ω NBS thì ba cuơn dây phải giống nhau (để cĩ N, S giống nhau) và đặt trên một vịng trịn (để khi rơto quay thì khoảng cách từ cuộn dây đến nam châm như nhau để B như nhau)
Giới thiệu mơ hình của máy phát điện xoay chiều.
Để tạo ra ba suất điện động trong máy phát điện xoay chiều ba pha phần ứng phải cĩ mấy cuộn dây?
Ta nên bố trí rơto phần cảm hay phần ứng? Vì sao?
Để cĩ ba suất điện động xoay chiều cùng biên độ, cùng tần số thì các cuộn dây phải cĩ đặc điểm gì và phải bố trí các cuộn dây như thế nào?
Để các suất điện động lệch pha nhau về pha từng đơi một là 2
3 π
ta phải bố trí các cuộn dây thõa mãn yêu cầu gì nữa?
Các cuộn dây đặt lệch nhau 0
120
trên vịng trịn stato.
Hoạt động 6: (5 phút)
Cách mắc hình sao, tam giác
Dùng 6 dây Cĩ lúc dùng 3 dây khi dùng 4 dây. HS ghi nhận cách mắc hình sao HS ghi nhận cách mắc hình tam giác
Để truyền dịng điện ba pha đến nơi tiêu thụ ta cần phải dùng mấy dây dẫn?
Nhưng trong thực tế người ta dùng mấy dây? GV giới thiệu cách mắc hình sao và cách mắc hình tam giác.
Cách mắc hình sao Cách mắc hình tam giác
Nghĩa là cĩ hai các mắc để dẫn điện đến nơi tiêu thụ. Các cách mắc đĩ là:
+ Mắc hình sao
Ba điểm đầu của ba cuộn dây được nối với 3 mạch ngồi bằng 3 dây dẫn, gọi là dây pha. Ba điểm cuối nối chung với nhau trước rồi nối với 3 mạch ngồi bằng một dây dẫn gọi là dây trung hịa.
Khi mắc hình sao ta cĩ: Ud = 3Up
(Ud là điện áp giữa hai dây pha, Up là điện áp giữa dây pha và dây trung hịa).
+ Mắc hình tam giác
Điểm cuối của cuộn này nối với điểm đầu của cuộn tiếp theo tuần tự thành ba điểm nối chung. Ba điểm đĩ được nối với 3 mạch ngồi bằng 3 dây pha.
Khi mắc hình tam giác ta cĩ: Ud = Up (yêu cầu tính đối xứng cao).
Củng cố kiến thức
HS xem video clip và rút ra nhận xét về cấu tạo chung của các máy phát điện.
Giới thiệu cho một số hình ảnh về cấu tạo chung của máy phát điện thơng qua video clip.
Hoạt động 8: (4 phút)
Bài tập về nhà
Nhận nhiệm vụ
Tìm hiểu cấu tạo và hoạt động của máy phát điện cơng suất nhỏ chạy bằng nhiên liệu xăng.
2.7.3. Giáo án thực hành: TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG – MÁY BIẾN ÁP I. Ý tưởng sư phạm
Từ lý thuyết tạo ra tình huống cĩ vấn đề, để giải quyết vấn đề phải lựa chọn thiết bị và thiết kế phương án thí nghiệm để thực hành nhằm chứng minh các vấn đề lý thuyết khi đĩ sẽ khẳng định hoặc bác bỏ giả thuyết.
Đây là bài giúp cho HS nghiên cứu quá trình truyền tải truyền tải điện năng và khảo sát thực nghiệm máy biến áp thực tế.
Thơng qua bài này HS thấy rất rõ về cấu tạo, nguyên lý làm việc và cơng dụng của máy biến áp. Đồng thời sẽ hiểu được vấn đề làm thế nào để giảm hao phí trên đường dây tải điện.
II. Mục tiêu bài học
a. Về kiến thức
Biết cách sử dụng các dụng cụ, thiết kế và lựa chọn phương án thí nghiệm để khảo sát bộ thí nghiệm về MBA và truyền tải điện năng.
b. Về kỹ năng
Rèn luyện kỹ năng phân tích lựa chọn phương án thí nghiệm, các thao tác thực hành, cách giải quyết một vấn đề thực nghiệm.
Rèn luyện việc phối hợp nhĩm trong học tập và thực hành.
c. Về thái độ
HS phải cĩ ý thức bảo vệ các dụng cụ thực hành, học tập tích cực, chủ động. Cĩ thái độ khách quan, tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác và tuân thủ theo sự hướng dẫn của GV.
Cĩ tinh thần hợp tác nhĩm, đồn kết để xây dựng bài học.
III. Chuẩn bị a. Giáo viên
Chuẩn bị cơ sở vật chất của phịng thí nghiệm đảm bảo cho buổi học thực hành thí nghiệm:
- Bộ 2 MBA gồm:
+ MBA 1, cĩ lõi sắt từ, trên khơng cĩ 2 đèn nhỏ.
+ MBA 2, cĩ lõi sắt từ, trên đế cĩ mắc 2 đèn nhỏ mơ phỏng tải tiêu thụ. - Dây dẫn điện dài 0,6m, hai đầu cĩ nối sẳn phích cắm, cĩ gắn điện trở 10Ω – 5W, mơ phỏng điện trở của đường dây tải điện.
- Hai tụ thép đứng gắn với đế 3 chân. - Hai bĩng đèn 6V – 3W gắn với MBA 2. - Hai giắc cắm, mỗi giắc cĩ 6 lỗ cắm. - 04 cái đồng hồ đo điện đa năng. - Dây nối.
- Biến thế nguồn.
b. Học sinh
- Nắm được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và các đặc điểm của MBA. - Hiểu được nguyên tắc chung của truyền tải điện năng.
- Nắm được các cơng thức quan trọng cĩ trong bài.
IV. Tiến trình thực hiện
Hoạt động 1: (4 phút) Ổn định lớp chia nhĩm
Hoạt động 2: (5 phút) Kiểm tra bài cũ – xây dựng cơ sở lý thuyết
HS trả lời các câu hỏi sau: 1. Cấu tạo của MBA.
2. Nguyên tắc hoạt động của MBA.
3. Cơng thức tính tỉ số điện áp, cơng suất P1, P2.
4. Cơng thức tính hao phí trên đường dây tải điện khi dùng MBA và khi dùng MBA.
Hoạt động 3: (6 phút) Kiểm tra dụng cụ
Giới thiệu bộ thí nghiệm.
- Kiểm tra các đầu phích cắm, dây tải điện. Để phát hiện đoạn dây bị đứt, chập ta sử dụng đồng hồ đa năng ở thang đo nào?
- Thực hiện trước các thí nghiệm sử dụng MBA.
- Kiểm tra đồng hồ đo đa năng.
Trả lời câu hỏi: Thang đo 1Ω
Quan sát và tìm hiểu.
Hoạt động 4: (25 phút) Thí nghiệm khảo sát cấu tạo, hoạt động của máy biến áp và sự truyên tải điện năng
Hoạt động của GV Hoạt động của HS