Kiến thức cơ bản của chơng

7. Cấu trúc luận văn

2.3.3.2. Kiến thức cơ bản của chơng

Chơng “Dao động điện - Dòng điện xoay chiều” là chơng có nội dung phong phú nhất cả về mặt định tính lẫn định lợng, chiếm một khối lợng lớn trong chơng trình vật lý 12 THPT. Các kiến thức cơ bản của chơng có rất nhiều ứng dụng trong kĩ thuật và đời sống. Trong khoa học kĩ thuật dựa vào hiện tợng cảm ứng điện từ, đã chế tạo ra các loại máy điện phục vụ cho đời sống nh: máy phát điện xoay chiều ba pha, một pha, máy biến thế, động cơ không đồng bộ ba pha… Mặt khác dòng điện xoay chiều là nguồn năng lợng chính cho mọi hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, cũng nh đời sống hàng ngày. Chính vì thế khi giảng dạy phần này chúng ta phải biết kết hợp các kiến thức thực tế vào trong bài học.

Nội dung của chơng có thể chia thành ba phần chính nh sau:

a. Phần thứ nhất: Đặc điểm của dòng điện xoay chiều.

Đây là phần trọng tâm nhất của chơng. Nó gồm các đại lợng đặc trng của dòng điện xoay chiều (hiệu điện thế, cờng độ dòng điện, công suất …), các loại mạch điện. Nội dung cụ thể nh sau:

* Nguyên tắc tạo ra dòng diện xoay chiều: cho khung dây dẫn có diện tích S, gồm N vòng dây, quay đều quanh trục đối xứng của nó với vận tốc góc ω trong từ trờng đều có vectơ cảm ứng từ B vuông góc với trục quay. Hình 1.1

+ Từ thông qua khung là:

Ф = NBS cosωt (1.1) + Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung là:

e = ωNBSsinωt = E0sinωt (1.2)

với E0 = ωNBS (1.3)

Chu kì, tần số của dòng điện xoay chiều là: T = 2ωπ = 1f (1.4)

+ Biểu thức hiệu điện thế xoay chiều: u = U0sin(ωt + φu) (1.5) + Biểu thức dòng điện xoay chiều: i = I0 sin(ωt + φi) (1.6)

ωt ω n B O A B x x’ Hình 1.1

+ Các giá trị hiệu dụng: I = 2 0 I ; U = 2 0 U ; E = 2 0 E (1.7) * Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch chỉ có R, L hoặc C:

- Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R:

Hiệu điện thế u ở hai đầu đoạn mạch và cờng độ dòng điện i biến thiên cùng pha cùng tần số. u = U0sinωt => i = Ru = R U0 sinωt = I0sinωt Giản đồ vectơ: Định luật Ôm: ta có I0 = R U0 chia từng vế cho 2, ta sẽ đợc: I = UR (1.8)

- Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch chỉ có tụ điện:

Hiệu điện thế u ở hai đầu đoạn mạch biến thiên cùng tần số nhng chậm pha hơn c- ờng độ dòng điện i một góc π /2. u = U0sinωt => i = Zc U0 sin(ωt + π2 ) = I0 sin(ωt + 2 π) Giản đồ vectơ: Định luật Ôm: I = C Z U với ZC = C ω 1 (1.9) - Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch chỉ có cuộn cảm:

Hiệu điện thế u ở hai đầu đoạn mạch biến thiên cùng tần số nhng nhanh pha hơn cờng độ dòng điện i một góc π

/2. u = U0sinωt => i = L Z U0 sin(ωt - π2 ) = I0 sin(ωt - π2 ) Giản đồ vectơ: Định luật Ôm: I = L Z U với ZL = ωL (1.10)

- Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch không phân nhánh (đoạn mạch RLC):

R x I0 U0 O C x I0 U0 O x Io O U0 A L R C B L

Dòng điện xoay chiều có cờng độ

i = I0sinωt đi qua đoạn mạch RLC. Khi đó hiệu điện thế xoay chiều ở hai đầu đoạn mạch là: u = U0sin(ωt + φ) từ giản đồ vectơ, xác định U0 và φ. ta đợc: U0 = 2 0 0 2 0R (U L U C) U + − = I0Z (1.11) với: Z = R2 +(ZL −ZC)2 và tgφ = R C L U U U 0 0 0 − = R Z ZL − C (1.12)

khi: ZL > ZC => φ > 0, u nhanh pha hơn i.

ZL < ZC => φ < 0, u trễ pha hơn i.

ZL = ZC => φ = 0, u cùng pha hơn i.

Định luật Ôm cho đoạn mạch RLC: I = UZ (1.13) với U là hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu đoạn mạch: U = UR2 +(UL −UC)2

UR = IR là hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu điện trở R. UL = IZL là hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu cuộn cảm L. UC = IZC là hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu tụ điện C.

Hiện tợng cộng hởng trong đoạn mạch RLC: với giá trị U xác định, cờng độ dòng điện trong mạch RLC đạt giá trị cực đại I = Imax khi

Z = Zmin tức là khi ZL= ZC hay ϖ = LC1 (1.14)

* Công suất của dòng điện xoay chiều:

- Công suất của dòng điện: P = UIcosφ hoặc P = I2R = URI (1.15) - Hệ số công suất: cosφ =

0 0 U U UI P Z R = = R (1.16)

- ý nghĩa của hệ số công suất: cosφ càng lớn thì P càng lớn.

o cosφ = 1 (φ = 0) => P = UI, khi đó mạch chỉ chứa R hoặc xảy ra cộng hởng.

o cosφ = 0 (φ = ±π2 ) => P = 0, đoạn mạch không có R, chỉ có L hoặc C, hoặc L và C nối tiếp.

x URo U0 UCo O ULo ULo+UCo φ

o 0 < cosφ < 1 (0 < ϕ <

2

π), đây là trờng hợp thờng gặp của đoạn

mạch RLC. Để tăng công suất cần tăng cosφ. Trong thực tế, ngời ta phải điều chỉnh để cho các thiết bị sử dụng dòng điện xoay chiều sao cho: cosφ > 0.85.

b. Phần thứ hai: Sản xuất điện năng.

Kiến thức phần này chủ yếu ở dạng định tính, gồm có ba loại máy phát điện: + Máy phát điện xoay chiều một pha.

+ Máy phát điện xoay chiều ba pha. + Máy phát điện một chiều.

Các loại máy này đều dựa trên nguyên tắc hoạt động và cấu tạo nh sau:

* Nguyên tắc: Dựa vào hiện tợng cảm ứng điện từ, khi từ thông qua diện tích một khung dây dao động điều hoà, nó làm phát sinh trong khung dây một suất điện động điều hoà, suất điện động tạo ra ở mạch ngoài một dòng điện xoay chiều dao động điều hoà.

* Cấu tạo: có hai phần chính.

o Phần tạo ra từ trờng gọi là phần cảm: các máy phát nhỏ, thờng dùng nam châm vĩnh cửu làm phần cảm, nhng trong phần lớn các máy phát ngời ta thờng dùng nam châm điện để tạo ra những từ trờng mạnh. o Phần tạo ra dòng điện gọi là phần ứng. Các cuộn dây của phần cảm và

phần ứng đều đợc quấn trên các lõi làm bằng thép kĩ thuật điện.

Phần cảm cũng nh phần ứng có thể là bộ phận đứng yên hoặc chuyển động. Bộ phận đứng yên gọi là stato, bộ phận chuyển động gọi là rôto.

Tần số của dòng điện do máy phát ra là: f = n p

60 (1.17)

n: số vòng quay của rôto trong một phút. p: số cặp cực.

* Máy phát điện xoay chiều ba pha: về nguyên tắc nh trên, chỉ có khác là cách bố trí các cuộn dây của phần ứng. Ba cuộn dây phần ứng đợc bố trí lệch nhau 1/3 vòng tròn trên stato. Để sử dụng đồng thời cả ba pha điện một cách thích hợp (nhằm phát huy u điểm của máy phát điện xoay chiều ba pha), có hai cách mắc: cách mắc hình sao và mắc tam giác.

Mắc hình sao: Ud = 3Up (1.18) Chú ý: khi tải đối xứng dòng điện qua dây trung hoà ith = 0.

Mắc hình tam giác: Ud = Up (1.19)

Chú ý: khi mạch ngoài hở, dòng điện trong các cuộn dây của máy phát bằng 0.

* Máy phát điện một chiều: nguyên tắc hoạt động và cấu tạo giống nh máy phát điện xoay chiều một pha. Chỉ khác là cách đa dòng điện ra ngoài, bằng cách cấu tạo lại bộ góp.

c. Phần thứ ba: Truyền tải và sử dụng điện năng. Phần này gồm máy biến thế và các loại động cơ.

* Máy biến thế:

- Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ.

- Cấu tạo: gồm hai cuộn dây dẫn quấn trên một lõi chung bằng thép kĩ thuật điện. Cuộn thứ nhất nối với mạch điện xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp, cuộn thứ hai đợc nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp.

+ Công thức về biến thế:

o Mối liên hệ giữa hiệu điện thế, cờng độ dòng điện và số vòng dây: ' ' ' I I N N U U = = (1.20)

+ Công thức về truyền tải điện năng: o Độ giảm thế trên đờng dây:

∆U = IR (1.21)

o Công suất hao phí trên đờng dây:

∆P = I2R = P2U2

R

(1.22) o Hiệu suất tải điện:

H =

P P P−∆

(1.23) (P: công suất truyền tải)

* Động cơ điện: gồm hai loại là động cơ không đồng bộ ba pha và động cơ không đồng bộ một pha.

Động cơ điện xoay chiều hoạt động nhờ một từ trờng quay tạo ra trong stato, từ trờng đó tác dụng lên dòng điện cảm ứng trong rôto và làm quay rôto.

- Cách tạo từ trờng quay:

+ Nếu sử dụng dòng điện ba pha: cho ba pha điện đi vào ba nam châm điện của stato đặt lệch nhau 1200 trên một vòng tròn, thì xuất hiện từ trờng quay.

+ Đối với dòng điện một pha, ngời ta tạo ra từ trờng quay trong stato bằng cách dùng hai nam châm điện đặt lệch nhau 900 trên một vòng tròn, một cái nối thẳng vào mạng điện, cái kia nối qua một tụ điện.

Động cơ điện một pha đợc coi nh một cuộn dây có điện trở R và độ tự cảm L.

Hệ số công suất của động cơ đợc tính theo công thức: cosφ = ZR với Z = 2 2

L Z R +

Động cơ điện ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, mỗi cuộn dây có điện trở R và độ tự cảm L.

Hệ số công suất của động cơ là: cosφ = ZR

trong đó R và Z là điện trở thuần và tổng trở của mỗi cuộn dây trong động cơ. Điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian t: A = Pt

2.4. Hệ thống bài tập thí nghiệm chơng “Dao động điện - Dòng điện xoay chiều”

2.4.1. Yêu cầu chung

ở mục 2.1.4 chúng tôi đã trình bày cách phân loại BTTN thành hai loại, là BTTN định tính và BTTN định lợng. Tuy nhiên qua kinh nghiệm giảng dạy chúng tôi thấy rằng, dựa vào cấu trúc nội dung SGK để đa ra các dạng bài tập và hệ thống hoá chúng là hợp lý và tiện lợi cho việc sử dụng.

Hệ thống BTTN cho chơng “Dao động điện – Dòng điện xoay chiều” mà đề tài xây dựng, ngoài mục đích củng cố, khắc sâu và mở rộng kiến thức thì nó còn có tác dụng to lớn trong việc bồi dỡng t duy sáng tạo cho HS. Hệ thống BTTN phải sắp xếp từ đơn giản đến phức tạp sao cho phù hợp với mọi đối tợng HS. Nội dung của bài tập phải phù hợp với các kiến thức cơ bản của chơng trình SGK và phải thiết thực gần gũi với cuộc sống hàng ngày của HS. Các thiết bị TN phải đơn giản,

dễ tìm, dễ chế tạo hoặc có thể tận dụng các phế liệu. Các thao tác TN không quá khó.

2.4.2. Phơng pháp xây dựng bài tập thí nghiệm vật lý

Trong số các bài tập thuộc SGK và sách bài tập vật lý lớp 12 hầu nh không có BTTN vật lý, tài liệu về BTTN cũng rất hiếm. Điều này đòi hỏi giáo viên phải suy nghĩ để xây dựng hệ thống BTTN theo các hớng sau:

- Dựa vào bài tập thông thờng trong SGK sách bài tập vật lý, bằng cách thay đổi các dữ kiện trong đó để đợc một BTTN.

- Su tầm các tài liệu kĩ thuật có liên quan đến vật lý học. Từ đó tìm t liệu sát thực để xây dựng các BTTN.

- Xuất phát từ những sự kiện, những yêu cầu do cuộc sống đòi hỏi, kết hợp với yêu cầu của chơng trình môn học để sáng tạo nên những BTTN.

2.4.3. Hệ thống bài tập thí nghiệm chơng “Dao động điện - dòng điện xoay chiều”

2.4.3.1. Các dạng BTTN trong chơng “Dao động điện - dòng điện xoay chiều”Dựa vào các nội dung cơ bản của chơng “ Dao động điện - Dòng điện xoay 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