Tài liệu Skkn chuyên đề dòng điện xoay chiều.

SÔÛ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO ÑOÀNG NAI TRÖÔØNG THPT NGUYEÃN ÑÌNH CHIEÅU œ Maõ soá: ………………………… SAÙNG KIEÁN KINH NGHIEÄM Đề tài: CHUYÊN ĐỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Ngöôøi thöïc hieän: HỒ THÚY HẰNG Lónh vöïc nghieân cöùu: Quaûn lyù giaùo duïc:  Phöông phaùp daïy hoïc boä moân  Phöông phaùp giaùo duïc  Lónh vöïc khaùc  Naêm hoïc: 2012-2013 1 SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN 1. Họ và tên : HỒ THÚY HẰNG 2. Ngày tháng năm sinh : 28 – 07 – 1982 3. Nam / Nữ : Nữ 4. Địa chỉ : Tổ 28 Khu Phước Hải– Huyện Long Thành – Tỉnh Đồng Nai 5. Điện thoại : 0978525950 6. Fax : E-mail 7. Chức vụ : Giáo viên 8. Đơn vị công tác : Trường THPT Nguyễn Đình Chiểu TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO  Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất :Tốt nghiệp Đại Học Sư Phạm TP HCM  Năm nhận bằng : 2005  Chuyên nghành đào tạo: Vật lý KINH NGHIỆM KHOA HỌC  Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm : Giảng dạy Vật lý THPT  Số năm kinh nghiệm : 8 Năm  Các sáng kiến kinh nghiêm đã có trong 5 năm gần đây : + Sử dụng đường tròn lượng giác trong dao động điều hòa . + Phương pháp giảng dạy bằng trắc nghiệm để gây hứng thú và phát huy tính tích cực của học sinh trong giờ giảng trên lớp . + Chuyên đề về sóng cơ và sóng âm 2 CHUYÊN ĐỀ VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Hiện nay, khi mà hình thức thi trắc nghiệm khách quan được áp dụng trong các kì thi tốt nghiệp và tuyển sinh đại học, cao đẳng thì yêu cầu về việc nhận dạng để giải nhanh và tối ưu các câu trắc nghiệm, đặc biệt là các câu trắc nghiệm định lượng là rất cần thiết để có thể đạt được kết quả cao trong kì thi. Trong chuyên đề này, chúng tôi xin đề cập đến “DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU”, dòng điện đã được sử dụng rộng rãi và đáp ứng cho nhu cầu cuộc sống hằng ngày của chúng ta. . Chính vì vậy nếu chúng ta không có phương pháp giải cụ thể cho các bài tập dạng này thì học sinh sẽ không nắm vững kiến thức và làm bài đạt kết quả tốt. Tôi viết chủ đề này hy vọng rằng học sinh Nguyễn Đình Chiểu nói riêng và toàn bộ học sinh khối 12 có thể tham khảo để các em có thể hiểu rõ hơn về chương “DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU” II. TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. 1. Cơ sở lí luận : Đối với môn vật lý ở trường phổ thông, bài tập vật lý đóng vai trò hết sức quan trọng. Việc hướng dẫn học sinh làm bài tập vật lý là một hoạt động dạy học khó khăn, ở đó bộc lộ rõ nhất trình độ của người giáo viên vật lý trong việc hướng dẫn hoạt động trì tuệ học sinh. Vì thế đòi hỏi người giáo viên và học sinh hiểu sâu hơn những quy luật vật lý nhằm giúp học sinh vận dụng được những kiến thức để tự giải quyết được những bài tập cụ thể, giúp phát triển tư duy và óc sáng tạo của học sinh. 2. Nội dung, biện pháp thực hiện chuyên đề : CHƯƠNG : DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT: I. Định nghĩa dòng điện xoay chiều: 1. Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến đối điều hòa theo thời gian: i = I0cos(t+ ) Trong đó i là giá trị tức thời của dòng điện tại thời điểm t, I 0 là giá trị cực đại của i, gọi là biên độ của dòng điện. Biểu thức điện áp tức thời có dạng : u = U0cos(t + u) 2. Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi, sao cho khi đi qua cùng một điện trở R thì công suất tiêu thụ trong R bởi dòng điện không đổi ấy bằng công suất trung bình tiêu thụ trong R bởi dòng điện xoay chiều nói trên 3 I0 U0 Các giá trị hiệu dụng: I = 2 ; U = 2 ; I, U: Các giá trị hiệu dụng của dòng điện, điện áp. Các giá trị hiệu dụng được đo bằng các dụng cụ đo điện (ampe kế, vôn kế). 3. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. II. Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch không phân nhánh (đoạn mạch RLC) 2 2 1. Công thức tính tổng trở của đoạn mạch RLC nối tiếp: Z  R  (Z L  Z C ) trong đó R là điện trở thuần của mạch ZL là cảm kháng của cuộn cảm, được tính bằng công thức ZL = L ZC là dung kháng của tụ điện, được tính bằng công thức 2. Định luật Ôm: I ZC  1 C U U I0  0 Z hay Z Z  ZC tan   L  R 3. Độ lệch pha giữa u và i: L  R 1 C * Mối quan hệ về pha giữa u và i trong các trường hợp: + Nếu ZL > ZC thì  > 0 : u sớm pha hơn i (i trễ pha hơn u) + Nếu ZL < ZC thì  < 0 : u trễ pha hơn i (i sớm pha hơn u) + Nếu ZL = ZC thì  = 0 : u và i cùng pha 2 2 2 4. Liên hệ giữa các hiệu điện thế hiệu dụng: U  U R  (U L  U C ) 5. Hiện tượng cộng hưởng điện: Trong đoạn mạch RLC, khi ZL = ZC thì  = 0 : u và i cùng pha, trong mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Khi đó L  * Khi xảy ra cộng hường thì: 4 1 C hay 2LC = 1 + Tổng trở của mạch đạt giá trị cực tiểu Z min= R, lúc đó cường độ hiệu dụng trong mạch đạt giá trị cực đại: I max  U R + Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch biến thiên cùng pha với cường độ dòng điện + Điện áp giữa hai đầu điện trở thuần bằng điện áp hai đầu đoạn mạch III. Dßng ®iÖn xoay chiÒu trong ®o¹n m¹ch chØ cã ®iÖn trë thuÇn, cuén c¶m hoÆc tô ®iÖn. Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần Sơ đồ mạch B A Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm B A R Đoạn mạch chỉ có tụ điện L - Điện trở R B A C - Cảm kháng: - Dung kháng: ZL  L  2fL Đặc điểm - Điện áp hai đầu đoạn mạch biến thiên - Điện áp hai đầu đoạn điều hoà cùng pha với mạch biến thiên điều hoà sớm pha hơn dòng dòng điện.  điện góc 2 . ZC  1 1  C 2fC - Điện áp hai đầu đoạn mạch biến thiên điều hoà trễ pha so  với dòng điện góc 2 . Các vectơ quay ur r U và I Định luật Ôm r I ur UL ur UR r I r I uuu r UC ur UL r I r I I UR R IV. Công suất của dòng điện xoay chiều: I 5 UL ZL I UC ZC ur UC P = UIcos = RI2, 1. Công suất tiêu thu trong mạch điện xoay chiều RLC: trong đó U: là giá trị hiệu dụng của điện áp I: là giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện cos là hệ số công suất của mạch điện. Đối với mạch RLC: cos   R Z 2.Ý nghĩa của hệ số công suất: cos = 1 ( = 0): Mạch chỉ có điện trở thuần hoặc trường hợp có cộng hưởng. cos = 0 : Mạch không có R, chỉ có cuộn L, hoặc tụ C, hoặc cuộn L và tụ C. 3. Công suất hao phí trên đường dây tải điện: Php  rI 2  r P2 1 U 2 cos 2  , trong đó P là công suất tiêu thụ, U là điện áp hiệu dụng từ nhà máy, r là điện trở của dây tải điện. Với cùng một công suất tiêu thụ, nếu hệ số công suất nhỏ thì công suất hao phí trên đường dây lớn. Vì vậy, để tăng cường hiệu quả việc sử dụng điện năng, phải tìm cách nâng cao giá trị của cos B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN Dạng 1: Đoạn mạch R,L,C mắc nối tiếp ( Cuộn dây không có điện trở thuần), cho biết i=I0sin  t , viết biểu thức điện áp giữa hai đầu đoạn mạch . Tính công suất tiêu thụ . Phương pháp giải: Giả sử i=I0sin  t thì u có dạng tổng quát u=U0sin (t   ) 2 2 Tìm U0 : nhờ U0=I0.Z trong đó Z  R  ( Z L  ZC ) Tìm  : Nhờ tg  Z L  ZC R Tính công suất tiêu thụ P Cách 1: Dùng lập luận trong đoạn mạch R,L,C chỉ có R tiêu thụ điện năng dưới dạng nhiệt còn cuộn thuần cảm và tụ C không tiêu thụ điện năng vậy P=PR=RI2 I0 Cách 2: Dùng công thức tính P  UIcos với I= 2 , 6 cos   R Z Dạng 2: Đoạn mạch RLC : cho biết u=U0sin  t , xác định biểu thức i và suy ra các biểu thức uR , uL,uc Phương pháp giải: Nếu u=U0cos  t thì i có dạng i  I 0 cos(t   ) Với I0  U0 Z  ZC 2 2 tg  L Z  R  ( Z  Z ) L C Z trong đó R , suy ra các biểu thức uR , uL,uc uR cùng pha với i , uR  U 0 R cos(t   ) với U0R=IoR   uL  U 0 L cos(t    ) 2 với U0L=I0ZL uL nhanh pha hơn i một góc 2 ,   uC  U 0C cos(t    ) 2 với U0C=I0ZC uc chậm pha hơn i một góc 2 , Bài tập 1: Cho mạch R,L,C mắc nối tiếp R=100Ω , L 1 104 H; C  F  2 , hiệu điện thế hai đầu mạch là u  200 2cos100 t (V ) . Viết biểu thức điện áp uR, uL, uC Hướng dẫn : Để viết các biểu thức uR, uL, uC trước hết ta phải viết biểu thức i 2 2 Vì u  200 2cos100 t (V ) nên i  I 0 sin(t   ) ( A) với Z  R  ( Z L  ZC ) ZL   L  1 1 1 .100  100, Z C   4  200   C 10 .100 2  Z  1002  (100  200) 2  100 2  I0  U 0 200 2 Z  Z C 100  200    2 A, tg  L   1     rad Z R 100 4 100 2  i  2cos(100 t  ) 4 vậy ( A) -Điện áp giữa hai đầu điện trở cùng pha với cường độ dòng điện  uR  U 0 R cos(100 t  ) 4  uR  200cos(100 t  ) (V )  4 (V)với U0R=I0R=2.100=200V 7  Điện áp giữa hai đầu cuộn dây nhanh pha hơn cường độ dòng điện 2    ); U 0 L  I 0 .Z L  200(V ) 4 2 3  u L  200cos(100 t  ) (V ) 4 uL  U 0 L cos(100 t  Biểu thức điện áp giữa hai đầu tụ điện chậm pha hơn cường độ dòng điện qua  mạch một góc 2    ); U 0C  I 0 .Z C  400(V ) 4 2   uC  400cos(100 t  ) (V ) 4 uC  U 0C cos(100 t  Dạng 3: Tìm mối liên hệ giữa điện áp hiệu dụng hai đầu đoạn mạch và điện áp hiệu dụng của các phần tử mắc trong mạch Phương pháp giải: Máy đo chỉ giá trị hiệu dụng vôn kế đo diện áp hiệu dụng: U=IZ Nếu mạch có RLC mắc nối tiếp ta có thể dùng giản đồ Fresnel để suy ra U 2  U R2  (U L  U C ) 2 , 2 2 2 2 2 hoặc U=I Z  I R  (Z L  Z C )  U  U R  (U L  U C ) với UR=IR , UL =IZL , UC=IZC Nếu mạch có R nối tiếp với cuộn dây thuần cảm ( Tương đương cuộn dây có điện trở thuần) thì 2 2 2 Hiệu điện thế hiệu dụng hai đầu mạch là U  U R  U L 2 2 2 Nếu mạch có R nối tiếp với C thì điện áp hai đầu mạch là U  U R  U C Nếu mạch chỉ có cuộn thuần cảm mắc nối tiếp với C thì U  U L  U C 8 Bàt tập 2: Một đoạn mạch nối tiếp gồm R=10Ω , cuộn dây thuần cảm có và tụ C L 0,1 H  500 F  , cường độ dòng điện qua mạch I=5A, tần số f=50Hz a.Tính tổng trở của đoạn mạch. b.Tính điện áp hiệu dụng giữa hi đầu R, L , C và của cả đoạn mạch. Nghiệm lại 2 2 2 công thức U  U R  (U L  U C ) Hướng dẫn : a. Z  R 2  ( Z L  ZC )2 R  10, Z L   L  0,1 1 1 100  10, Z C    20  C 500 .106.100   Z  102  (10  20) 2  10 2 b. UR=IR=10.5=50V, UL=I.ZL=10.5=50V, UC=ZC.I=20.5=100V, U=I.Z=10 2 .5=50 2 V 2 2 2 2 2 Nghiệm lại (50 2)  50  (50  100)  2.50  2.50 Dạng 4: Đoạn mạch RLC : Cho biết U,R : Tìm hệ thức liên hệ giữa L,C,  để Imax, hoặc để u,i cùng pha hoặc để hệ số công suất cos  =1 Phương pháp giải:: 1.Trường hợp Imax : Theo định luật Ôm I=  Z L  ZC  0   L  U  Z U R 2  (Z L  ZC )2 1   2 LC  1 C 2.Trường hợp u,i cùng pha Ta có tg  Z L  ZC Z  ZC tg  L R R , để u , i cùng pha thì =0  Z L  ZC  0   L  1   2 LC  1 C 9 để I=Imax thì ZMin 3. Trường hợp cos Max=1 Ta có cos   R 2 2 Z =1 thì R= Z  R  ( Z L  ZC )  Z L  ZC  0   L  1   2 LC  1 C Dạng 5: Đoạn mạch RLC : Xác định cách mắc tụ C ’ vào tụ C (tính C’) để I=max, hoặc để u,i cùng pha hoặc để hệ số công suất cos  =1. Phương pháp giải: Cách 1: Gọi Ctđ là điện dung tương đương của C và C’ 2 Lập luận tương tự dạng 4 ta có kết quả  LCtd  1  Ctđ So sánh Ctđ với C Nếu Ctđ>C  C’ ghép song song với C và Ctđ=C+C’  C’ 1 1 1  '   C' Nếu CtđZC thì C và C’ mắc nối tiếp td ' Tính C’ nhờ Z C  Z C  Z C  Z C  Z C  Z C  C ' td ' td Nếu Z C Z C  25 1 nên C1 và C2 mắc nối tiếp Ta có Z C  Z C1  Z C2  Z C2  Z C  Z C1  5  C2  11 1 1 1   .102 F  Z 2 100 .5 5 Công suất P  RI 2  R U 2 U 2 2002    500 R 20 R2 W Dạng 7: Cho mạch R,L,C chứng minh rằng với một công suât P

UC thì ZL>ZC: u nhanh pha 2 so với i Mạch tương đương với cuộn dây thuần cảm kháng L’   Nếu ULZC: u trễ pha 2 so với i  Nếu ZL=ZC mạch có cộng hưởng điện Mạch tương đương với một tụ điện C’ Nếu ZL=ZC mạch có cộng hưởng điện 200 F Bài tập 7: Một đoạn mạch nối tiếp gồm một tụ C=  và cuộn dây thuần cảm 0,3 H L=  , cường độ dòng điện I=10A và f=50Hz a. Tính tổng trở của đoạn mạch . b. Viết biểu thức điện áp giữa hai đầu của đoạn mạch Hướng dẫn : 15 a.Tổng trở Z  Z L  Z C ZL   L  với 0,3 1 1 .100  30, Z C    50  Z  20  C 200 .106.100  b.Nếu chọn biểu thức i  I 2cos100 t (V ) thì biểu thức của điện áp giữa hai đầu đoạn mạch: u  U 2cos(100 t   ) mà U=I.Z=20.10=200V tg  Z L  Z C 30  50    R 0     u  200 2cos(100 t  ) (V ) 2 vậy 2 Dạng 10: Hai đoạn mạch có hiệu điện thế cùng pha , vuông pha Phương pháp giải: Hai đoạn mạch 1 và 2 ở cùng trên một mạch điện lệch pha nhau một góc  thì 1  2   Nếu  =0 thì hai đoạn mạch cùng pha tức là tg1  tg2 Nếu    2 hai đoạn mạch vuông pha ta dùng công thức tg1  tg (2   1 )   cot g2    tg1 .tg2  1 2 tg2 Bài tập 8: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ Ạ R1 C1 L,R2 C2 B E R1=4Ω , C1  102 1 F , R2  100; L  H ; 8  f  50 HZ điện áp uAE và uEB cùng pha 16 .Tìm điện dụng C2 biết rằng Hướng dẫn :  Z C1 tg AE  tg EB   Z C 1 Z L  Z C2  R1 R2 R2 R  Z L  Z C2  Z C2  Z L  Z C1 2 ; Z L  100; Z C1  8 R1 R1  Z C2  300  C2  104 F 3 Bài tập 9: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ R1 R2 C L E A B Tìm mối liên hệ giữa R1, R2 , C và L để uAE vuông pha với uEB Hướng dẫn: Z R  1 1 )   cot g EB     C   2 ZL 2 tg EB R1 ZL R2 1 L  Z L Z C  R1 R2   L  R1 R2   R1 R2 C C tg AE  tg ( EB  Dạng 11: Cho đoạn mạch RLC mắc nối tiếp: Cho U ,  , R, L ( hay C ). Tìm C hay L để UC ( Hay UL) đạt giá trịc cực đại Phương pháp giải: Bài toán này có nhiều cách giải : Như dùng đạo hàm, dùng giãn đồ véc tơ. Ở đây sử dụng phương pháp tam thức bậc 2: 1. Cho U ,  ,R,L. Tìm C để UCmax. I Ta có : UC=I.ZC với U R  (Z L  ZC ) 2 UC  chia tử và mẫu cho ZC ta có 2 U .Z C UC  R  (Z L  ZC )2 2 vậy U 2 Z R  ( L  1) 2 2 ZC ZC 17 . , Đặt 1  x  UC  ZC conts R .x  ( Z L .x  1) 2 2 2  conts M . 2 2 2 Với M  ( R  Z L ).x  2Z L .x  1  f ( x) . Nhận xét tam thức f(x) có hệ số a>0 để M=f(x) đạt giá trị cực tiểu khi x Z Z b 1  2 L 2   2 L 2 2a R  Z L ZC R  Z L Vậy UCmax khi ZC  R 2  Z L2  C ZL 2. Cho U ,  ,R,C . Tìm L để ULmax Tương tự như trên ta có ZL  R 2  Z C2  L ZC C. ĐÁNH GIÁ I. TỔNG HỢP KIẾN THỨC: Câu 1: Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R:  Điện áp luôn ................pha với dòng điện  Nếu i = I 0 cos t thì u = U 0 cos(t ...............) . với I 0  .................. Câu 2 : Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm L:  Điện áp luôn ........... pha ........... so với dòng điện  Nếu i = I 0 cos t thì u = U 0 cos(t  .......... ........) . với I 0  .................. Câu 3: Đoạn mạch chỉ có tụ điện C :  Điện áp luôn ........... pha ........... so với dòng điện  Nếu i = I 0 cos t thì u = U 0 cos(t  .......... ........) . với I 0  .................. Câu 4: Đoạn mạch gồm R và L mắc nối tiếp  Tổng trở: Z = ..........................  Cường độ dòng điện hiệu dụng I = .......................  Điện áp luôn ........................ pha hơn dòng điện. Câu 5: Đoạn mạch gồm R và C mắc nối tiếp 18  Tổng trở: Z = ..........................  Cường độ dòng điện hiệu dụng I = .......................  Điện áp luôn ........................ pha hơn dòng điện. Câu 6: Đoạn mạch gồm L và C mắc nối tiếp  Tổng trở: Z = ..........................  Cường độ dòng điện hiệu dụng I = .......................  Điện áp luôn .............HOẶC........... pha hơn dòng điện. Câu 7: Hệ số công suất và công suất( mạch RLC) UR P R     Hệ số công suất: Cos = ........... ........... .......... Hoặc: Cos  = Cos(.................)  Công suất: P = ...................... Hoặc P = ..................... Hay P = .................... Câu 8: CỘNG HƯỞNG ĐIỆN Xảy ra khi: ......................................................... KẾT QUẢ:  Tổng trở có giá trị ..............................  Công suất tiêu thụ ......................:  Cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua mạch có giá trị .........................  Hệ số công suất là ...................... : cos  = ..................... II. TRẮC NGHIỆM TỔNG HỢP Câu 1: Một dòng điện có biểu thức i = 4 cos100t (A) đi qua ampe kế. Tần số của dòng điện, chỉ số của ampe kế và số lần dòng điện đổi chiều trong 1giây có giá trị lần lượt là A. 100Hz; 4A; 50lần B. 50Hz; 4A; 200lần; C. 50 Hz; 2 2 A; 100lần D. 50Hz; 4A; 100lần Câu 2: Điện áp hai đầu mạch xoay chiều chỉ có cuộn dây thuần cảm có biểu thức u = U 0 cos t (V). Thì biểu thức cường độ dòng điện qua mạch trên có dạng:  A. i =  .LU 0 cos( t + 2 ) (A) B. 19 U0  i = L cos( t - 2 ) (A)  C. i =  .LU 0 cos( t - 2 ) (A) U0  D. i = L cos( t + 2 ) (A)  Câu 3: Điệp áp hai đầu mạch xoay chiều chỉ có điện trở thuần u = U 0 cos( t + 2 ) (V). Thì biểu thức cường độ dòng điện qua mạch trên có dạng:  A. i = I 0 cos( t + 2 ) (A)  B. i = I 0 cos( t - 2 ) (A) C. i = I 0 cos t (A)  D. i = I 0 cos( t + 4 )(A) Câu 4: Cường độ dòng điện i = 5cos100πt (A) có A. tần số 100 Hz. B. giá trị hiệu dụng 2,5 2 A. C. giá trị cực đại 5 2 A. D. chu kì 0,2 s. Câu 5: Đoạn mạch gồm điện trở thuần R nối tiếp với tụ điện có điện dung là C và nối với mạng điện xoay chiều có u = U 0 cos t thì góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện được xác định bởi biểu thức : A. tan  C. cos  .C R B. tan R .C  1 .C.R ; D. tan    .R.C Câu 6: Điện áp giữa hai đầu một đoạn mạch có biểu thức u = 220 2 cos100 t (V ) . Giá trị hiệu dụng của điện áp này là A. 220V. B. 220 2 . C. 110V. D. 110 2 V. Câu 7: Nguyên tắc chung tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng A. cộng hưởng điện B. tương tác từ C. cảm ứng điện từD. tự cảm Câu 8: Một đoạn mạch chứa một số tụ điện có điện dung C, đặt vào hai đầu mạch điện áp tức thời là u = U 0 cos t (V). cường độ hiệu dụng trong mạch có giá trị: 20