7. Cấu trúc luận văn
2.4.3.1. Các dạng BTTN
Dựa vào các nội dung cơ bản của chơng “ Dao động điện - Dòng điện xoay chiều ” ta có thể đa ra một số dạng BTTN áp dụng cho chơng này nh sau:
Dạng 1: Các BTTN liên quan đến đặc điểm của dòng điện xoay chiều. Dạng
BT này sẽ giúp chúng ta nghiên cứu về các đại lợng đặc trng của dòng điện xoay chiều: hiệu điện thế dao động điều hoà, dòng điện xoay chiều, các giá trị hiệu dụng, công suất, các loại mạch điện. Do đó khi thực hiện dạng BT này HS phải đáp ứng đợc những yêu cầu cơ bản nh: lắp ráp mạch điện, quan sát đo đạc một số đại lợng nh hiệu điện thế, cờng độ dòng điện …
Dạng 2: Các BTTN liên quan đến việc sản xuất điện năng. Dạng BT này chủ
yếu nghiên cứu về các loại máy điện, với yêu cầu HS phải nắm đợc nguyên tắc hoạt động, cấu tạo của các máy phát điện. Khi thực hiện dạng BT này có thể yêu cầu HS thực hiện những hành động thực hành nh: lắp ráp, chế tạo một số máy phát điện đơn giản.
Dạng 3: Các BTTN liên quan đến việc truyền tải và sử dụng điện năng. Dạng
BT này sẽ giúp cho HS hiểu về nguyên tắc, cấu tạo và vận hành của máy biến thế, của các động cơ điện, qua đó có thể yêu cầu HS chế tạo các máy biến thế và các động cơ điện.
* Trong các dạng BTTN này thì bao gồm cả bài tập định tính và bài tập định lợng, chúng đợc sắp xếp một cách có hệ thống. Các BTTN đều có hớng dẫn giải và hớng dẫn sử dụng cho phù hợp với mục đích giảng dạy.
2.4.3.2. Hệ thống bài tập thí nghiệm chơng “Dao động điện - Dòng điện xoay chiều”
Các BTTN dạng 1
Ví dụ 1: Dùng nguồn điện một chiều và nguồn điện xoay chiều để thắp sáng hai
bóng đèn (đèn dây tóc) giống nhau. Khi mắc đèn vào nguồn một chiều, cờng độ dòng điện qua đèn là I. Khi mắc đèn vào nguồn xoay chiều, cờng độ dòng điện hiệu dụng qua đèn có giá trị cũng là I.
a. Độ sáng của đèn trong hai trờng hợp nh thế nào? Giải thích. b. Hãy lập phơng án thí nghiệm để
kiểm tra kết quả câu a.
Yêu cầu của BT
- Câu a của BT này thực chất là một BT định tính, cụ thể nó chỉ yêu cầu HS so sánh độ sáng của hai bóng đèn và giải
thích. Do đó khi giải nó, HS chỉ cần vận dụng kiến thức lí thuyết chứ không cần dùng đến TN.
- Câu b là một BTTN và chúng ta tiến hành giải nó nh sau:
Cơ sở lý thuyết
- Dựa vào tác dụng toả nhiệt trên điện trở thuần khi có dòng điện chạy qua.
Tiến trình giải BTTN ở câu b
- Thiết kế sơ đồ TN nh hình 2.1.1; hình 2.1.2.
- Lựa chọn thiết bị TN: nguồn một chiều 12V; nguồn xoay chiều 12V (dùng máy biến thế); hai bóng
đèn (12V - 6W); một ampe Đ 1 A1 R1 K 1 + - Đ 2 A2 R2 K2 Hình 2.1.1 Hình 2.1.2 I1 I 2 Hình 2.1.3
kế đo dòng một chiều; một ampe kế đo dòng xoay chiều; biến trở; ngắt điện; dây dẫn. Hình 2.1.3
Tiến hành TN
- Mắc mạch điện nh hình 2.1.1 và hình 2.1.2. Đóng các khoá K1, K2; điều chỉnh biến trở lần lợt cho I1 và I2 cùng tăng đến một giá trị nào đó (tơng ứng với ba trờng hợp I, I’, I’’), cụ thể:
Trờng hợp 1: I = I1 = I2
Trờng hợp 2: I’ = I1’ = I2’
Trờng hợp 3: I’’= I1’’= I2’’
Quan sát và đối chiếu độ sáng của hai đèn trong từng trờng hợp, từ đó đi đến kết luận.
Kết quả TN
- Khi số chỉ của hai ampe kế bằng nhau thì độ sáng của hai đèn bao giờ cũng quan sát đợc là nh nhau.
* Nhận xét: Qua BT này giúp HS biết đợc tác dụng toả nhiệt trong một thời
gian dài thì dòng điện xoay chiều i = I0sinωt tơng đơng với một dòng điện không đổi có cờng độ I = I0/ 2. BT này có tác dụng củng cố và khắc sâu kiến thức lý thuyết. BT này có thể sử dụng trong các tiết bài tập hay các tiết thực hành trong phòng TN.
Ví dụ 2: Hãy thiết kế phơng án TN và tiến hành TN để khảo sát tác dụng của:
- Tụ điện trong mạch điện một chiều. - Tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
Yêu cầu của BT
- Thiết kế và tiến hành TN để kiểm tra: dòng điện một chiều không “đi qua” tụ điện; dòng điện xoay chiều “đi qua” tụ điện.
Cơ sở lý thuyết
- Tác dụng của tụ điện trong mạch điện.
Tiến trình giải BT
- GV hớng dẫn để HS thiết kế mạch điện cho BT nh hình 2.2 Xanh Đỏ 100Ω 1000àF K A B Hình 2.2
- Lựa chọn thiết bị TN: 1 điôt phát quang (LED) đỏ; 1 LED xanh; 1 điện trở 100Ω; 1 tụ điện loại (1000àF - 12V);
1 tụ điện loại (100àF - 12V); 1 nguồn
điện một chiều 6V; 1 nguồn xoay chiều 6V (dùng máy phát dao động điện hình sin); 1 ngắt điện; bảng TN điện (có sẵn ở các phòng TN). (Hình 2.3)
Tiến hành TN
- Mắc mạch điện nh hình 2.2
- Đóng khoá K, quan sát các LED khi K vừa đóng và sau khi K đã đóng một thời gian.
- Tháo nguồn điện, nối A với B bằng dây dẫn. Quan sát các LED.
Kết quả TN1
- Khi K vừa đóng, LED xanh sáng lên trong một thời gian ngắn, LED đỏ không sáng, sau đó cả hai LED không sáng.
* Giải thích: LED xanh sáng vì tụ điện đợc nạp điện nên có dòng điện chạy
qua LED. Sau đó cả hai LED đều không sáng, chứng tỏ dòng điện một chiều không đi qua tụ. Khi tháo nguồn và nối A với B, lúc đầu LED đỏ sáng vì tụ điện phóng điện. Sau đó cả hai LED đều không sáng.
Tiến hành TN2
- Vẫn giữ nguyên mạch điện nh hình 2.2. Thay nguồn một chiều bằng nguồn xoay chiều vào hai điểm A và B. Thay tụ điện 1000àF bằng 100àF. Đóng khoá
K và quan sát 2 LED.
Kết quả TN2
- Các LED hầu nh sáng liên tục, chứng tỏ dòng xoay chiều “đi qua” tụ điện.
Kết quả
- Nh vậy qua BT này đã chứng tỏ tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua, nhng cho dòng điện xoay chiều “đi qua” nó.
* Nhận xét: BTTN này có thể sử dụng làm TN biểu diễn để giảng bài mới. Đây
là một TN dễ tiến hành và trực quan.
Ví dụ 3: Hãy xác định độ tự cảm của ống dây và điện trở thuần của nó. Cho các
thiết bị: nguồn xoay chiều (chỉ biết tần số f); một ampe kế đo dòng xoay chiều có điện trở không đáng kể; một ống dây đã biết
độ tự cảm L và điện trở thuần của ống dây là RL và các dây nối (Hình 2.4).
Yêu cầu của BT
- Lập luận, tính toán, thiết kế TN để xác định độ tự cảm và điện trở thuần của ống dây.
Cơ sở lý thuyết
- áp dụng định luật Ôm cho mạch kín chứa R và L. 2 2 L L Z R U I + = Tiến trình giải BT - Thiết kế mạch điện nh hình 2.5
- Lựa chọn thiết bị TN: bài ra đã cho nguồn xoay chiều biết tần số f; ampe kế đo dòng xoay chiều; một ống dây đã biết độ tự cảm L và điện trở thuần RL; các dây nối.
Tiến hành TN
- Mắc mạch điện nh hình 2.5.
- Đóng khoá K. Quan sát số chỉ của ampe kế là I1, ta có:
2 2 1 L L Z R U I + =
Từ đây xác định đợc hiệu điện thế hiệu dụng của nguồn là:
2 2 1 RL ZL I
U = + (2.1)
- Thay vào hai điểm MN bằng cuộn dây cần xác định: Rx, ZLx
- Đóng khoá K, quan sát số chỉ của ampe kế là I2. Ta có:
2 2 2 Lx x Z R U I + = (2.2) A L RL u K M N Hình 2.6 Rx ZLx A L RL u K M N Hình 2.5 Hình 2.4
Mắc nối tiếp hai cuộn dây trên, sau đó mắc vào MN. Quan sát số chỉ của ampe kế là I3. Ta có: 3 (RL Rx)2 (ZL ZLx)2 U I + + + = (2.3) Kết quả
- Giải hệ phơng trình (2.2) và (2.3) với hai ẩn Rx và ZLx
* Nhận xét: BT này có tác dụng củng cố định luật Ôm cho đoạn mạch chứa
điện trở thuần và cuộn cảm mắc nối tiếp. Đồng thời qua đó rèn luyện cho các em các thao tác TN: lắp ráp, quan sát, đo đạc và tính toán. BT này có thể sử dụng trong các tiết bài tập hay trong phòng TN.
Ví dụ 4: Cho một nguồn điện xoay chiều (biết giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U và
tần số f), một cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L, một tụ xoay C và một ampe kế (Hình 2.7).
a. Bằng các dụng cụ trên, hãy trình bày cách xác định các giá trị định mức của một bóng đèn dây tóc đã bị mờ các chỉ số.
b. Thay bóng đèn bằng một điện trở thuần R (R = Rđ). Làm thế nào để ampe kế chỉ giá trị cực đại.
Yêu cầu của BT
- Xác định các giá trị định mức của đèn gồm hiệu điện thế định mức Uđ, và công suất định mức Pđ.
Cơ sở lý thuyết
- áp dụng kiến thức về đoạn mạch RLC mắc nối tiếp. Sử dụng định luật Ôm
2 2 (ZL ZC) R U I − + = Tiến trình giải BT - Thiết kế mạch điện nh hình 2.8
- Lựa chọn thiết bị TN: nguồn xoay chiều, ampe kế, tụ xoay, bóng đèn, cuộn dây thuần cảm, dây nối (Hình 2.7).
Tiến hành TN - Mắc mạch điện nh hình 2.8 Hình 2.7 A L u K Hình 2.8 C Đ
- Điều chỉnh tụ C để đèn sáng bình thờng. - Đọc số chỉ của ampe kế là I. Ta có: 2 2 ( L C) D Z Z R U I − + = (2.4) Từ (2.4) ta tìm đợc điện trở của đèn RĐ: 2 2 2 2 ( ) I Z Z I U R L C D − − = Kết quả
- Xác định hiệu điện thế định mức của đèn: UĐ = IRĐ
- Xác định công suất định mức của đèn: PĐ = I2RĐ
b. Thay đèn bằng một điện trở thuần R. Để số chỉ của ampe kế đạt giá trị cực đại, bằng cách điều chỉnh tụ xoay C. Ta có:
Imax khi ZL = ZC hay
L C 12
ω
=
* Nhận xét: BT này nhằm củng cố và rèn luyện các kĩ năng về mạch điện RLC
mắc nối tiếp; các thao tác TN, thực hiện các phép đo đạc đơn giản. BT này có thể sử dụng trong tiết bài tập hoặc có thể vận dụng vào thực tiễn.
Ví dụ 5: Một bàn là điện có độ tự cảm không đáng kể, trên bàn là có ghi 220V,
các kí hiệu khác đã bị mờ không đọc đợc. Hãy lập phơng án xác định công suất của bàn là.
Yêu cầu của BT
- Thiết kế phơng án thí nghiệm, lựa chọn thiết bị, lắp ráp mạch điện, đo các đại lợng cần thiết, để từ đó có thể xác định công suất của bàn là.
Cơ sở lí thuyết
- áp dụng công thức:
P = UI (2.5)
+ Trong đó U, I là các giá trị định mức của bàn là; Hoặc công thức: P= U2/R (2.6)
+ Trong đó R là điện trở của bàn là, U là hiệu điện thế hai đầu bàn là.
Tiến trình giải BT
- Thiết kế sơ đồ TN nh hình 2.10 và hình 2.11
- Lựa chọn thiết bị TN: một bàn là điện có ghi trên nhãn 220V; nguồn xoay chiều; ampe kế đo dòng xoay chiều; vôn kế đo hiệu điện thế xoay chiều; dây dẫn; ngắt điện (Hình 2.9).
Sơ đồ mạch điện: xét hai trờng hợp.
+ Trờng hợp 1: Mắc mạch điện nh hình 2.10 với điều kiện có máy biến thế để điều chỉnh hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch đạt giá trị định mức. Khi đó áp dụng công thức (2.5) P= UI do đó chỉ cần đo I.
+ Trờng hợp 2: Mắc mạch điện nh hình 2.11, nếu nguồn điện không đạt giá trị định mức và không có biến thế. Khi đó áp dụng công thức (2.6)
P = U2/R do đó phải đo điện trở của bàn là và hiệu điện thế hai đầu bàn là.
* Nhận xét: Việc giải bài tập trên thực chất là một quá trình nghiên cứu sáng
tạo bởi tình huống đặt ra hoàn toàn cụ thể, cha có bài tập nào có algôrit giải tơng tự. Các bớc thực hiện tơng tự chu trình nhận thức vật lí sáng tạo. Đây là BTTN gắn với thực tế, có thể giải nó khi ở nhà hay ở phòng TN.
Ví dụ 6: Có hai hộp đen giống nhau, một hộp chứa điện trở, một hộp chứa cuộn
cảm thuần, biết điện trở thuần có giá trị gần bằng cảm kháng (R ≈ ZL). Mỗi hộp có hai đầu ra. Cho các dụng cụ: ampe kế xoay chiều có điện trở không đáng kể, nguồn xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi và một tụ điện. Hãy xác định các thiết bị điện chứa trong mỗi hộp (Hình
2.12).
Yêu cầu của BT
- Sử dụng các thiết bị đã cho để xác định các dụng cụ chứa trong hộp đen.
Cơ sở lý thuyết A BL 220V-50Hz K Hình 2.10 A BL V K Hình 2.11 Hình 2.12
- áp dụng định luật Ôm I =UZ
- Căn cứ vào giá trị của cờng độ dòng điện I ta có thể xác định trong hộp đen chứa dụng cụ gì.
Tiến trình giải BT
- Thiết kế mạch điện nh hình 2.13 - Lựa chọn thiết bị TN nh hình 2.12
Tiến hành TN
+ Mắc hộp đen X nối tiếp với tụ và ampe kế (Hình 2.13) rồi đóng khoá K, quan sát số chỉ của ampe kế có giá trị là I1.
+ Thay hộp đen X bằng hộp đen Y, đóng khoá K, quan sát số chỉ của ampe kế có giá trị là I2..
+ Nếu I1 < I2 thì hộp đen X chứa điện trở, vì khi đó:
2 2 1 C Z R U I + = 2 2 2 C Z R U I − =
+ Nếu I1 > I2 thì hộp đen X chứa cuộn cảm.
* Giải thích: Nếu trong hộp chứa điện trở thì khi mắc nối tiếp với tụ tổng trở
tăng, nên cờng độ dòng điện nhỏ. Nếu trong hộp chứa cuộn cảm thì khi mắc nối tiếp với tụ tổng trở giảm, nên cờng độ dòng điện lớn hơn.
* Nhận xét: BT “hộp đen” nêu trên đòi hỏi HS phải nắm vững các kiến thức lý
thuyết và có óc thông minh sáng tạo. BT có thể sử dụng trong các tiết bài tập.
Ví dụ 7*: Có ba hộp đen giống nhau, đợc đóng kín, có hai đầu ra. Trong hộp có
chứa một linh kiện điện (R, L, C). Hãy xác định trong mỗi hộp đen chứa linh kiện gì và thông số điện của các linh kiện đó. Đợc sử dụng các dụng cụ: nguồn xoay chiều (220V-60Hz), nguồn một chiều,
đồng hồ đo vạn năng (Hình 2.14).
Yêu cầu của BT
- Sử dụng các thiết bị TN cho trớc xác định các linh kiện chứa trong hộp đen. Cơ sở lý thuyết A K u C X Hình 2.13 Hình 2.14
- Vận dụng tổng hợp các kiến thức: định luật Ôm cho mạch điện một chiều và mạch điện xoay chiều.
Tiến trình giải BT:
- Bớc 1: Dùng đồng hồ vạn năng ở chế độ đo hiệu điện thế, đo hiệu điện thế giữa hai cực của các nguồn điện.
+ Nguồn một chiều: U1
+ Nguồn xoay chiều: U2
- Bớc 2: Dùng đồng hồ ở chế độ đo cờng độ dòng điện một chiều (miliampe kế).
- Bớc 3: Lắp mạch điện nh hình 2.15 gồm nguồn điện một chiều, ampe kế, hộp đen 1. Đóng mạch và ghi số chỉ của ampe kế.
Tính điện trở theo công thức:
1 1
I U R =
- Bớc 4: Thay hộp đen 1 vừa đo bằng hộp đen 2 và lặp lại nh bớc 3. Từ đó tính