Sáng kiến kinh nghiệm Giải bài toán về mạch điện hỗn hợp không tường minh

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Giải bài toán về mạch điện hỗn hợp không tường minh

1. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ II. mục đích nghiên cứu Những bài toỏn điện học THCS được gúi gọn ở chương III (Vật lý 7) và chương I (Vật lý 9). Mặc dự cỏc em đó học ở lớp 7, nhưng chỉ là những khỏi niệm cơ bản, cho nờn những bài toỏn loại này vẫn cũn mới lạ đối với học sinh, mặc dự khụng quỏ phức tạp đối với học sinh lớp 9 núi chung nhưng với những học sinh mũi nhọn cần tập dần kỹ năng định hướng bài giải một cỏch cú hệ thống, cú khoa học, dễ dàng thớch ứng với cỏc bài toỏn điện học đa dạng hơn ở cỏc lớp cấp trờn sau này. Song do điều kiện cú hạn về thời gian nờn khụng thể trỡnh bày đủ cỏc dạng bài tập về cỏc dạng mạch điện mà chỉ đưa ra một vài kinh nghiệm nhỏ giỳp học sinh biến đổi từ mạch điện hỗn hợp khụng tường minh để cú thể thực hiện lời giải bài toỏn một cỏch đơn giản, từ đú học sinh cú hứng thỳ bắt tay vào việc khai thỏc nhiều dạng toỏn, bài toỏn về mạch điện. Đú chớnh là lý do thụi thỳc tụi viết sỏng kiến kinh nghiệm “Giải bài toỏn về mạch điện hỗn hợp khụng tường minh”. III. đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiờn cứu : Một số mạch điện hỗn hợp khụng tường minh từ đơn giản đến phức tạp. 2. Phạm vi nghiờn cứu : Gồm 6 học sinh lớp 9A1 trường THCS số I Gia Phỳ (Nguyễn Hữu Việt Anh ; Lờ Đức Chiến ; Lờ Thị Hạnh ; Vũ Xuõn Long ; Nguyễn Thị Hồng Nhung ; Trần Lõm Oanh) và dựa trờn kết quả thực tế của đội tuyển học sinh giỏi mụn Vật lý của học sinh trường THCS số 2 và số 1 Gia Phú từ năm 2008 đến nay. 1
2. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ IV. Nhiệm vụ nghiên cứu - Một số kiến thức cơ bản liờn quan đến mạch điện hỗn hợp khụng tường minh. - Giải phỏp thực hiện (đưa ra các ví dụ cụ thể, hướng dẫn học sinh phân tích, thực hiện quá trình giải, đưa ra các bài tập áp dụng). Phần II – KẾT QUẢ KHẢO SÁT TRƯớC khi áp dụng sáng kiến 1. Kết quả khảo sỏt đầu thỏng 10: Đề bài : Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ 6. Các điện trở đều bằng nhau và có giá trị là r = 49  . Dây nối có điện trở không đáng kể.Tính điện trở tương đương của toàn mạch. Sau khi học sinh làm bài (20 phút), tôi thu được kết quả cụ thể như sau : Họ và tờn học sinh Điểm (thang điểm 10) Nguyễn Hữu Việt Anh 3,5 Lờ Đức Chiến 4,0 Lờ Thị Hạnh 2,5 Vũ Xuõn Long 3,5 Nguyễn Thị Hồng Nhung 4,0 Trần Lõm Oanh 2,5 2. Nguyờn nhõn chớnh: 2
3. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ a) Do tư duy của học sinh cũn hạn chế nờn khả năng tiếp thu bài cũn chậm, lỳng tỳng từ đú khụng nắm chắc cỏc kiến thức, kĩ năng cơ bản, định lý, cỏc hệ quả do đú khú vẽ sơ đồ tương đương của mạch điện và hoàn thiện được một bài toỏn điện học. b) Đa số cỏc em chưa cú định hướng chung về phương phỏp học lý thuyết, chưa biến đổi được một số cụng thức, hay phương phỏp giải một bài toỏn vật lý. c) Do thiết bị phũng thớ nghiệm cũn thiếu, chưa đồng bộ nờn cỏc tiết dạy chất lượng chưa cao, dẫn đến học sinh tiếp thu cỏc định luật, hiệu quả cũn hời hợt. 3. Một số nhược điểm của HS trong quỏ trỡnh giải toỏn điện học: a) Đọc đề hấp tấp, qua loa, khả năng phõn tớch đề, tổng hợp đề cũn yếu, lượng thụng tin cần thiết để giải toỏn cũn hạn chế. b) Đối với những mạch điện phức tạp cỏc em chưa cú kỹ năng vẽ lại sơ đồ mạch điện, biến đổi mạch điện thành sơ đồ tương đương đơn giản hơn để tớnh toỏn. c) Mụt số chưa nắm được định luật, định lý, cỏc quy tắc chuyển mạch. Một số khỏc khụng biết biến đổi cụng thức toỏn . d) Chưa cú thúi quen định hướng cỏch giải một cỏch khoa học trước những bài toỏn quang học Phần III - Nội Dung I. Cơ sở nghiên cứu Những kiến thức liên quan đến vấn đề nghiên cứu *) một số kiến thức cơ bản Một mạch điện có thể gồm nhiều mạch điện. Mỗi doạn mạch điện ở giữa hai điểm của đoạn mạch có thể gồm một hay nhiều bộ phận, các bộ phận có thể mắc nối tiếp hoặc mắc song song với nhau. 3
4. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ U U 1. Định luật Ôm : I = U I.R và R R I 2. Định luật Ôm đối với các loại đoạn mạch : a) Đoạn mạch nối tiếp : B R 1 R 2 A C H1 *) Tính chất : I = I 1 = I 2 (1a) U = U 1 + U 2 (2a) R = R 1 + R 2 (3a) U R 1 1 (4a) U 2 R2 U R1 *) Chú ý : U1 I.R1 .R1 U. (5a) R R1 R2 U R2 U 2 I 2 .R2 I.R2 R2 U. R R1 R2 U1 R1 Chia U thành U1 và U 2 tỉ lệ thuận với R1 và R2 . U 2 R2 - Nếu R2 = 0 thì theo (5a) ta thấy : U 2 0 và U1 U . Do đó trên sơ đồ (H.1) Hai điểm C và B : U CB = I.R 2 = 0 . Khi đó điểm C coi như trùng với diểm B (hay điểm C và B có cùng hiệu điện thế). U1 0 và U 2 U . *) Mắc song song : I 1 R 1 I B A I 2 R 2 H 2 4
5. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ Hai điện trở R1 và R2 có hai điểm chung là A và B. U = U 1 = U 2 (1b) I = I 1 + I 2 (2b) I R 1 2 (3b) I 2 R1 1 1 1 (4b) Rtd R1 R2 *) Chú ý : U1 U I.R1.R2 R2 I1 I. R1 R1 R1 (R1 R2 ) R1 R2 U 2 U I.R1.R2 R1 I 2 I. (5b) R2 R2 R2 .(R1 R2 ) R1 R2 I1 R2 Chia I thành I 1 và I 2 tỉ lệ nghịch với R1 và R2 : I 2 R1 - Nếu R2 0 thì theo (5b) ta có : I 1 = 0 và I 2 = I. Do đó trên sơ đồ (H.2) hai điểm A và B có : U AB = 0. Khi đó hai điểm A và B có thể coi là trùng nhau (hay hai điểm A và B có cùng hiệu điện thế). - Nếu R 2 = (rất lớn) thì ta có : I 2 = 0 và I 1 = I. (Khi R 2 có điện trở rất lớn so với R 1 thì khả năng cản trở dòng điện của vật dẫn là rất lớn. Do đó ta có thể coi dòng điện không qua R 2 ) 3. Một số điểm cần chú ý : Trong một mạch điện, các điểm nối với nhau bằng dây nối (hoặc ampe kế) có điện trở không đáng kể được coi là trùng nhau. Khi đó ta chập các điểm đó lại và vẽ lại mạch để tính toán. Trong các bài toán, nếu không có ghi chú gì đặc biệt thì ta có thể coi : R A 0 và R V . 5
6. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ Khi giải bài toán với những sơ đồ mạch điện mắc hỗn hợp tương đối phức tạp, nên tìm cách đưa về một sơ đồ tương đương đơn giản hơn. Trên sơ đồ tương đương, những điểm có hiệu điện thế như nhau(bằng nhau) được gộp lại (chập lại) để làm rõ những bộ phận phức tạp của đoạn mạch được ghép lại để tạo thành đoạn mạch đơn giản hơn. *) Mạch điện hỗn hợp không tường minh : Mạch điện hỗn hợp không tường minh cũng là một loại mạch điện mắc hỗn hợp. Song cách mắc phức tạp, không đơn giản mà phân tích cách mắc các bộ phận trong mạch điện được ngay. Vì vậy, để thực hiện được kế hoạch giải, bắt buộc phải tìm lại cách mắc để đưa về được mạch điện tương đương đơn giản hơn. Lưu ý giữa các điểm nối với nhau bằng dây dẫn, ampe kế có điện trở không đáng kể là những điểm có cùng điện thế, ta gộp lại (chập lại). Khi đó vẽ lại mạch điện, ta sẽ được mạch điện tương đương ở dạng đơn giản hơn. Phân tích cách mắc các bộ phận tương đương trong mạch điện là bước quan trọng, nó giúp ta thực hiện yêu cầu của bài toán tránh dược những sai sót. Cuối cùng, ta vận dụng các tính chất và hệ quả của định luật Ôm đối với từng loại mạch nối tiêp và song song. Ii - giải pháp thực hiện 1. Bài tập thí dụ 1 : Cho mạch điện có sơ đồ cách mắc như hình vẽ. Biết R 1 = 6,5  ; R 2 = 6  ; R 3 = 12  ; R 4 = 10  ; R 5 = 30  . Ampe kế chỉ 2A. Tính : a) Hiệu điện thế ở hai cực của nguồn điện. 6
7. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ b) Cường độ dòng điện qua mỗi điện trở . *) Hướng dẫn học sinh thực hiện giải : Với việc lần đầu tiên giải bài toán mạch điện hỗn hợp như thế này, học sinh lúng túng trong việc phân tích mạch điện. Vì vậy, sau khi đã dược giáo viên cung cấp việc chập các điểm với nhau bằng dây dẫn, ta yêu cầu học sinh quan sát kĩ sơ đồ và nhận xét cách mắc. +) Bước 1: Nhận xét : Ta thấy hai điểm B và C được nối với nhau bằng dây dẫn điện có điện trở không đáng kể. Do đó, ta chập hai điểm này với nhau. Khi đó đoạn mạch AC và đoạn mạch CD mắc nối tiếp với nhau và nối tiếp với điện trở R 1 mắc vào nguồn điện. R 2 R 4 A D C R 3 R 5 A R 1 +) Bước 2: Thực hiện bài giải Mạch điện được vẽ tương đương như sau : R 1 nt {(R 2 // R 3 ) nt ( R 4 // R 5 )} a) Điện trở tương đương của đoạn mạch AC là : R2.R3 6.12 6.12 R23 4() R2 R3 6 12 18 Điện trở tương đương của đoạn mạch CD là : R4.R5 10.30 10.30 R45 7,5 () R4 R5 10 30 40 Điện trở toàn mạch là : R = R 1 + R AC +R CD = 6,5 + 7,5 + 4 = 18 (  ) Vỡ IA = 2A IAB = 2A = I1 = I23 = I45 Nờn hiệu điện thế ở hai cực của nguồn điện là : 7
8. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ UAB = I .R = 2 .18 = 36 (V) U2 8 4 U23 = I23 . R23 = 2 . 4 = 8 (V) = U2 = U3 I2 (A) ; R2 6 3 U3 8 2 I3 (A) R3 12 3 U45 = I45 . R45 = 2. 7,5 = 15 (V) = U4 = U5 U4 15 3 U5 15 1 I4 (A) ; I5 (A) R4 10 2 R5 30 2 4 2 3 1 Đỏp số : U 36 (V ) ; I 2 (A) ; I (A) ; I (A) ; I (A) ; I (A) 1 2 3 3 3 4 2 5 2 2. Bài tập ví dụ 2 : Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ 5. Các điện trở đều bằng nhau và có giá trị là r = 15  . Dây nối và ampe kế có điện trở không đáng kể. Khi mắc mạch điện vào nguồn điện thì ampe kế chỉ 2A. Tính : a) Điện trở tương đương của toàn mạch AB. b) Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện. D E H K B A r r r r r A C F I G *) Hướng dẫn học sinh thực hiện cách giải : Với mạch điện như thế này, nếu học sinh chưa tiép cận lần nào thì dễ gây cho học sinh sự chán nản và bỏ cuộc. Song với việc chập các điểm có cùng điện thế mà các em đã được tiếp cận thì lại gây cho các em sự tò mò muốn được thử sức. 8
9. Nguyễn Thu Phương – Trường THCS số I Gia Phỳ +) Bước 1 : Nhận xét : Ta thấy giữa các điểm A, C, D, F, I được nối với nhau bằng dây dẫn và ampe kế có điện trở không đáng kể nên chúng có cùng điện thế. Tương tự như vậy, giữa các điểm E, G, K, B ta chập lại làm một và nối với âm nguồn. Như vậy hai đầu mỗi điện trở này, một đầu nối với cực dương, một đầu nối với cực âm của nguồn điện, nghĩa là mạch điện AB gồm 5 điện trở được mắc song song với nhau: r r B A r A r r +) Bước 2: Thực hiện kế hoạch giải : Mạch điện được mắc : R 1 //R 2 //R 3 //R 4 //R 5 r 15 a) Điện trở tương đương của đoạn mạch AB là : R 3 () AB 5 5 b) Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là : U AB I . RAB 2.3 6 (V ) ĐS : RAB 3() ; U AB 6 (V ) 3. Bài tập ví dụ 3 : Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ 6. Các điện trở đều bằng nhau và có giá trị là r = 49  . Dây nối có điện trở không đáng kể.Tính điện trở tương đương của toàn mạch. *) Hướng dẫn học sinh thực hiện giải : Với mạch điện phức tạp này, học sinh sau khi đã làm quen với phương 9