Sáng kiến kinh nghiệm Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở

1. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” A) Đặt vấn đề. 1. Lý do chọn đề tài: Trong chương trình Vật lý THCS ở giai đoạn 1 ( lớp 6 và lớp 7), vì khả năng tư duy của học sinh còn hạn chế, vốn kiến thức toán học chưa nhiều nên SGK chỉ đề cập đến những khái niệm, những hiện tượng vật lý quen thuộc thường gặp hàng ngày. ở giai đoạn 2 ( lớp 8 và lớp 9 ), khả năng tư duy của các em đã phát triển, đã có một số hiểu biết ban đầu về khái niệm cũng như hiện tượng vật lý hằng ngày. Do đó chương trình sách giáo khoa vật lý ở lớp 9 đòi hỏi cao hơn, nhất là việc vận dụng các kiết thức vật lý vào giải bài tập. Hệ thống bài tập chủ yếu trong chương trình vật lý lớp 9 là các bài toán về điện và quang, trong đó bài tập về phần điện rất đa dạng và phong phú. Qua việc giảng dạy bộ môn Vật lí nói chung và phần điện học nói riêng tôi thấy bài tập liên quan đến biến trở là loại bài tập khó. Học sinh thường ngại làm những bài tập dạng này do tính toán phức tạp, áp dụng nhiều kiến thức toán, học sinh trung bình thường tích hợp kiến thức chưa tốt . Trong quá trình làm bài tập học sinh thường chỉ quen với cách mắc biến trở nối tiếp trong mạch điện nên khi biến trở tham gia cách mắc hỗn hợp các em còn lúng túng. Từ những lý do trên, trong quá trình giảng dạy tôi đã chọn viết và áp dụng vào giảng dạy cho học sinh chuyên đề “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” để giúp HS lớp 9 có một định hướng về phương pháp giải bài tập về mạch điện có biến trở. 2. Mục đích nghiên cứu. Phân loại các dạng bài tập về mạch điện có biến trở và hướng dẫn HS cách phân tích tìm lời giải đối với từng dạng, và hướng dẫn chi tiết ở một số bài tập cụ thể để từ đó các em có thể nắm vững phương pháp và tự lực giải được các bài tập dạng này. 3. Đối tượng và thời gian nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: HS lớp 9 nơi tôi công tác - Thời gian nghiên cứu: trong năm học 2010-2011 1
2. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” B) nội dung. I. Một số vấn đề về lý thuyết: a) Khái niệm về biến trở: Biến trở là điện trở có thể thay đổi được trị số và có thể được sử dụng để điều chỉnh cường độ dòng điện trong mạch. Biến trở có thể mắc nối tiếp, mắc song song hoặc mắc hỗn hợp với các thiết bị trong mạch điện. Có nhiều loại biến trở như biến trở con chạy, biến trở than hay biến trở có tay quay Biến trở là dụng cụ có nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống và kĩ thuật như biến trở hộp trong các thiết bị điện đài, ti vi, b) Cách mắc biến trở vào mạch điện A C B R + Biến trở được mắc nối tiếp : . . M N + Biến trở được mắc vừa nối tiếp vừa song song Đ C A C . Đ . . . M M A B N N R1 D R 2 C B + Biến trở được mắc vào mạch cầu : . . M A C B N II/ Một số dạng bài tập về mạch điện có biến trở và cách giải. Dạng 1: Biến trở được mắc nối tiếp với phụ tải U Ví dụ 1: ( Bài 2 sgk vật lí 9 trang 32 ) Một bóng đèn khi sáng bình thường A c B Đ có điện trở là R1 = 7,5  và cường độ dòng điện chạy qua khi đó I = 0,6 A . Bóng đèn được mắc nối tiếp với biến trở và 2
3. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” chúng được mắc vào hiệu điện thế U = 12 V .Phải điều chỉnh con chạy C để RAC có giá trị R2 = ? để đèn sáng bình thường ? Hướng dẫn Khi đèn sáng bình thường => Iđ = 0,6 A => Itm = 0,6 A (vì mạch nt) U Itm = 0,6 (A) RAC R1 Từ đó HS tìm ra RAC + R1 và rút ra RAC khi thay R1 = 7,5  Bài giải Theo đầu bài : R1 = Rđ = 7,5  và Iđm = 0,6 A Để đèn sáng bình thường Iđ = 0,6 A. vì Đ nối tiếp với RAC => I tm = 0,6 A áp dụng định luật ôm cho mạch nối tiếp ta có U 12 RAC+Rđ= 20() R 20 7,5 12,5() I 0,6 AC Vậy phải điều chỉnh con chạy C sao cho RAC = 12,5  thì khi đó đèn sẽ sáng bình thường . Ví dụ 2: Cho mạch điện ( như hình vẽ ) . A . có UAB = 12 V , khi dịch chuyển con M R1 A c B N chạy C thì số chỉ của am pe kế thay đổi từ 0,24 A đến 0,4 A . Hãy tính giá trị R1 và giá trị lớn nhất của biến trở ? Hướng dẫn Khi C dịch chuyển => số đo của am pe kế thay đổi từ 0,24 A đến 0,4 A nghĩa là gì ? +) Khi C trùng A => RAC = 0 => RMN = R1 (nhỏ nhất ) => I = 0,4 A là giá trị lớn nhất . Lúc đó Rtđ = R1 Biết I & U ta tính được R1 Ngược lại +) Khi c trùng với B I = 0,24 A là giá trị nhỏ nhất => Rtđ = R1 + Ro . vậy biết U , R1 và I ta sẽ tính được Ro là điện trở lớn nhất của biến trở . Bài giải 3
4. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” 1. Tính R1 : Khi con chạy C trùng với A => Rtđ = R1 ( vì RAC = 0 ) và am pe kế khi đó chỉ 0,4 A . U MN 12 Mà UMN = 12 V => R1 = Rtđ= 30( ) I 0,4 Vậy R1 = 30  2. Tính điện trở lớn nhất của biến trở : Khi C trùng với B => Rtđ = R1 + Ro có giá trị lớn nhất => I đạt giá trị nhỏ nhất => I = 0,24 A U MN 12 Ta có Ro + R1 = 50() Mà R1= 30(  ) Ro = 50 – 30 = 20 (  ) I 0,24 Vậy giá trị lớn nhất của biến trở là 20  Ví dụ 3 : Cho mạch điện ( như hình vẽ ) .M Đ C . N Đèn loại 6 V – 3 W , UMN = 12 V không đổi . Rx 1 – Khi điện trở của biến trở Rx = 20  . Hãy tính công suất tiêu thụ của đèn và cho biết độ sáng của đèn thế nào ? ’ 2 – Muốn đèn sáng bình thường phải điều chỉnh con chạy cho R x = ? Bài giải : 1 ) Khi Rx = 20  => Rtđ = Rđ + Rx = Rđ + 20 ( vì mạch nối tiếp ) . 2 2 U dm 6 U MN 12 Mà Rđ = 10() => Rtđ= 10 + 20 = 30 (  ) => I = 0,4(A) Pdm 3,6 Rtd 30 2 2 => Pđ = I . Rđ = 0,4 . 10 = 1,6 ( W ) Ta thấy Pđ Iđ là I tm Udm 6 ‘ ’ ’ U MN 12 ' Nên I tm = 0,6 A => R tđ= Rđ + R x = 20 () R 20 R 20 10 10() I ' 0,6 x d ’ Vậy phải điều chỉnh con chạy C sao cho R x = 10  thì đèn sáng bình thường . Ví dụ 4 : Cho mạch điện ( như hình vẽ ) M. R A C B N. Khi con chạy C ở vị trí A thì vôn kế chỉ 12 V Rx V 4
5. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” khi con chạy C ở vị trí B thì vôn kế chỉ 7,2 V Tính giá trị điện trở R ( Biết trên biến trở có ghi 20  - 1 A ) Hướng dẫn : Tương tự như VD2 khi c trùng với A => vôn kế chỉ giá trị lớn nhất nghĩa là chỉ UMN và khi đó Rtđ chỉ còn là R ( RAC = 0 ) . Khi C trùng với B => RAC bằng số ghi trên biến trở => HS dễ dàng giải được bài toán Bài giải +)Khi con chạy C trùng với A khi đó RAC = 0 => Rtđ = R và khi đó vôn kế chỉ 12 V nghĩa là UMN = 12 V +) Khi con chạy C trùng với B khi đó RAC = 20  ( bằng số ghi trên biến trở ) và khi đó vôn kế chỉ 7,2 V => UR = 7,2 V U AC U MN U R 12 7,2 4,8 (V ) U AC 4,8 I AC 0,24 (A) Vì mạch nt IR 0,24 (A) mà UR = 7,2 V RAC 20 U 7,2 Vậy : R R 30 () IR 0,24 Trên đây là một số ví dụ tiêu biểu cho dạng mạch điện có biến trở mắc nối tiếp với phụ tải . Song để thành thạo loại bài tập này HS cần phải rút ra cho mình một vài kinh nghiệm sau : 1 - Rtđ = Rtải + Rx trong đó Rx là phần điện trở tham gia của biến trở . 2 - I Rx là cường độ dòng điện trong mạch chính và URx = Utm - Utải 3 - Khi C trùng với điểm đầu lúc đó Rx = 0 & Rtđ = Rtải ( là giá trị nhỏ nhất của điện trở toàn mạch ) và khi đó I đạt giá trị lớn nhất ( vì UMN không đổi ) . 4 - Ngược lại khi C trùng với điểm cuối lúc đó Rtđ = Rtải + Rx ( là giá trị lớn nhất của Rtđ ) và khi đó I đạt giá trị nhỏ nhất ( vì UMN không đổi ) . Dạng 2: Biến trở được mắc vừa nối tiếp, vừa song song. Với loại bài tập này biến trở được dùng như một điện trở biến đổi , ta phải sử dụng bất đẳng thức ( 0 Rx Ro ) trong đó Ro là điện trở toàn phần của biến trở . Và HS phải biết vẽ lại mạch điện để dễ dàng sử dụng định luât ôm trong mạch nối tiếp cũng như mạch song song . 5
6. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” Ví dụ 5 : ( Bài 11.4 b SBT L9) Cho mạch điện (như hình vẽ ),đèn sáng bình thường Đ C Với U = 6 V và I = 0,75 A . Đèn được mắc với biến trở A B đm đm . . Có điện trở lớn nhất băng 16  và UMN không đổi băng 12V M N . Tính R1 của biến trở để đèn sáng bình thường ? Hướng dẫn + Trước hết HS phải vẽ lại được mạch điện & khi đó (Đ// RAC) nt RCB Trong đó: RAC = R1 + Khi đèn sáng bình thường => Uđ = UAC = ? -> UCB = ? + Iđ + IAC = ICB Trong đó: U AC U Ud Ud U Ud I AC ; ICB Id (*) R1 16 R1 R1 16 R1 Học sinh giải PT (*) -> Tìm được R1 Bài giải Sơ đồ mới: Đ . 16-R1 + R1 -. C B A C Ta có: RCB = 16 – R1 Vì đèn sáng bình thường -> Uđ = 6V Iđ = 0,75A Ud 6 -> UAC = Uđ = 6V-> IAC = R1 R1 U Ud Vì (Đ//RAC) nt RAC => Id + IAC = IAC Mà I AC 16 R1 6 12 6 6 6 Ta có PT: Id Hay 0,75 + R1 16 R1 R1 16 R1 3 6 6 1 2 2 4 R1 16 R1 4 R1 16 R1 R1 (16-R1) + 8(16-R1) = 8R1 2 16R1 – R 1 + 128 – 8R1 = 8R1 2 R 1 = 128 => R1 = 128 6
7. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” R1 = 11,3 (  ) Vậy phải điều chỉnh con chạy C để RAC = R1 = 11,3 (  ) thì đèn sáng bình thường. Ví dụ 6: . . N Cho mạch điện như hình vẽ. I A Ro B Biến trở có điện trở toàn phần Ro = 12  Ix C Đèn loại 6V – 3W; UMN = 15 V. a, Tìm vị trí con chạy C để đèn sáng bình thường. b, Khi định C -> Độ sáng của đèn thay đổi thế nào? Iđ Rx Bài giải: A Ro - Rx Tương tư như ví dụ 5. . .N M C B Mạch điện được vẽ lại: Gọi RAC = x (  ) điều kiện: 0 Iđ = 0,5(A) U 6 Pđ = Pđm = 3 W Vì (Đ// RAC) nt RCB -> Iđ + IAC = ICB và UAC = Uđ -> UCB = U - Uđ = 15 - 6 = 9 (V) áp dụng định luật ôm trong mạch nối tiếp và song song: U U U 1 6 9 I d d hay d x 12 x 2 x 12 x x(12 x) 12(12 x) 18 x 12 x x 2 144 12 x 18 x x 2 18 x 144 0 ' 81 144 225 ' 225 15 9 15 9 15 x 6( ); x 24 (loại) 1 1 2 1 Vậy phải điều chỉnh con chạy C để RAC = 6(  ) thì khi đó đèn sáng bình thường. b. Khi C A Rx giảm dần. Nhưng chưa thể kết luận về độ sáng của đèn thay đổi như thế nào được. Mà phải tìm I qua đèn. Khi C=>A => biện luận độ sáng của đèn ( ) 2 2 2 U dm 6 12.x 12x 144 x U MN 15(12 x) Rd 12()RMN 12 x I 2 (A) Pdm 3 12 x 12 x RMN x 12x 144 7
8. “Hướng dẫn học sinh giải bài tập về mạch điện có biến trở ” Dòng điện qua đèn từ mạch song song: x 15(x 12) x 15x 15 I I . d 2 2 144 x 12 x 12x 144 x 12 x 12x 144 x 12 x 144 Khi C =>A làm cho x giảm => ( x 12 ) tăng lên => Iđ giảm đi. x Vậy độ sáng của đèn giảm đi (tối dần) khi dịch C về A. Ví dụ 7: Cho mạch điện (như hình vẽ): R1 A B AB làm biến trở con chạy C có điện trở toàn phần C là 120  . Nhờ có biến trở làm thay đổi cường độ dòng điện trong mạch từ 0.9A đến 4.5A. . U . M N 1. Tìm giá trị của điện trở R1? 2. Tính công suất toả nhiệt lớn nhất trên biến trở. Biết U không đổi. Hướng dẫn: Học sinh khai thác từ Imin=0.9A mà U không đổi => Rtđ max => C  B và Rtđ=R1 + RAB= R1 + 120 (  ) U U I 0.9 (1) R1 120 R1 120 Khi Imax= 4.5A, U không đổi => Rtđ min => C  A để RAC = 0 khi đó Rtđ = R1. U U I hay 4,5 (2) R1 R1 Giải hệ phương trình tạo bởi (1) và (2) => R1& U Bài giải: 1. Tìm R 1 =? Vì U không đổi, khi cường độ dòng điện trong mạch nhỏ nhất I = 0.9A => C  B =>Rtd R1 RAB R1 12 U U Ta có: I = 0.9(1) R td R1 120 Vì U không đổi, khi cường độ dòng điện trong mạch lớn nhất I = 4,5A 8