Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải các bài tập Vật lý Lớp 12

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải các bài tập Vật lý Lớp 12

1. Sáng kiến kinh nghiệm CHUấN ĐỀ HỘI THẢO Phương pháp giảI các bài tập vật lý lớp 12 Mạch điện xoay chiều . Chủ chuyờn đề: Trần Duy Sắc I. Đặt vấn đề: 1. Cơ sở lý luận: Đánh giá về thực trạng giáo dục (GD) Việt Nam, tài liệu chiến lược phát triển GD 2001-2010 đã khẳng định: chương trình GD còn nặng tính hàn lâm, nặng về thi cử, chưa chú trọng đến tính sáng tạo, năng lực thực hành và hướng nghiệp, chưa gắn bó chặt chẽ với thực tiễn phát triển kinh tế xã hội, chưa đáp ứng nhu cầu của người học. Học sinh và các bậc phụ huynh còn nặng nề về tâm lý thi cử, đại học mới là cái đích vươn tới! Đòi hỏi có một lượng kiến thức phục vụ cho mục đích trên càng trở nên một áp lực lớn đối với học sinh. 2. Cơ sở thực tiễn: Trong chương trình vật lý lớp 12, mạch điện xoay chiều có nhiều ứng dụng trong KHKT và trong đời sống, nó chiếm thời lượng lớn trong nội dung, kể cả trong phần nội dung đề thi. Bài tập về mạch điện xoay rất phong phú và đa dạng. Do nhu cầu về thi cử, học sinh phải nhớ một nội dung kiến tức rộng lớn và nhiều kĩ năng khác, do đó vơi phần dòng điện xoay chiều cần phải: + Làm cho học sinh nắm vững nội dung lý thuyết cơ bản. + Rèn kĩ năng phân tích các hiện tượng vật lý. + Rèn kĩ năng làm các bài toán trắc nghiệm. Thực tế hiện nay với cách học "nhồi nhét" thụ động, kĩ năng làm bài tập vật lý (nói chung) và bài tập về mạch điện xoay chiều (nói riêng) của đại bộ phận học sinh còn yếu, vì vậy tìm ra phương pháp giải các bài tập vật lý và về mạch điện xoay chiều là một vấn đề rất cần thiết. Trong bài viết này, tôi chỉ xin trao đổi một vài ý kiến về "phương pháp giải các bài tập vật lý, phần dòng điện xoay chiều", giúp các em có thể làm bài đạt hiệu suất trong các kì thi, đặc biệt là thi tuyển sinh ĐH & CĐ. II. Mục đớch yờu cầu: 1. Đánh giá về thời lượng trong nội dung chương trình. 2. Đánh giá vai trò của chương dòng điện xoay chiều trong các đề thi. 3. Nêu phương pháp chung. 4. Một số thí dụ vận dụng cụ thể minh hoạ. III. Nội dung chuyờn đề : 1. Đánh giá về thời lượng: 1
2. Sáng kiến kinh nghiệm Phần dòng điện xoay chiều trong nội dung chương trình: Tổng số tiết lý thuyết:11 Tổng số tiét bài tập: 03 Tổng số tiết trong năm: 99-89 (thực hành) = 91 tiết. 2. Đánh giá vai trò: Chương dòng điện xoay chiều trong các đề thi: 08 câu(25%). Tỉ trọng trên khẳng định tầm quan trọng của chương! 3. Phõn nội dung cần bàn bạc trong hội thảo: a. Ôn tập để nắm vững nội dung lí thuyết. Đây là vấn đề tưởng như muôn thuở, song thực tế không thể thiếu nó. Làm thế nào để học sinh dễ nhớ và vận dụng linh hoạt, một trong các cách là lập bảng so sánh. Dưới đây là bảng dùng cho chương dòng điện xoay chiều: Mạch chỉ có R Mạch chỉ có L Mạch chỉ có C Mạch RLC Phương trình dòng i I 0 sint i I 0 sint i I 0 sint i I 0 sint điện Phương u U 0 sin(t ) trình hiệu ( u i ) điện thế u U sint 0 u U sin(t ) u U sin(t ) Trong đó: 0 2 0 2 uR U 0R sint uL U 0L sin(t L / i ) uC U 0C sin(t C / i ) Độ lệch 0 u i pha 2 2 Giản đồ u ki u i u  i u  i  véc tơ 2 2 ( là giá trị đại số) 2 2 Điện trở, R Z L L 2 fL 1 1 Z Z R (Z L Z C ) công thức C C 2 fC Z Z độ lệch Tan 0 Z Z Z Tan L C pha Tan L Tan C C R 0 0 R 0 U U U U L C 0L 0C U U 2 2 R 0R Tan là giá trị đại số Định U U U U U I I I I luậtOhm R Z Z Z 2 2 L C R (Z L Z C ) U R IR;U L IZ L ;U C IZ C 2
3. Sáng kiến kinh nghiệm Hệ số Cos 1 Cos 0 Cos 0 R R Cos công suất Z 2 2 R (Z L Z C ) Công Công suất P UI P 0 P 0 P UI cos CộngCộng hưởng P Pmax UI;Cos 1; 1 Z Z  2 L C LC b. Phân loại bài tập: 1* Xác định các thông số, viết các phương trình dao động của u và i. 2* Dạng mạch RLC có R thay đổi: R=? để : + P Pmax ; PPmax ; P P(R) . (Đây là phần trọng tâm của của đoạn mạch cố điện trở thuần thay đổi) + I I max + U U max 3* Dạng mạch RLC có L thay đổi: L=? để: I I max P Pmax ; PPmax U L U max 4* Dạng mạch RLC có C thay đổi: C=? để: I I max ' P Pmã; P P Pmax U U C max 5* Dạng mạch RLC có ( f ) thay đổi: + Cường độ I phụ thuộc ( f ) + P phụ thuộc ( f ) + UL phụ thuộc ( f ) + UC phụ thuộc ( f ) 6* Dạng xác định các phần tử trong mạch kín (bài toán về hộp đen): Thông thường dùng phương pháp loại trừ: - Dựa vào mối quan hệ giữa U và I, - Quan hệ giữa các hiệu điện thế(căn cứ độ lệch pha) trên các đoạn mạch. - Căn cứ công suất tiêu thụ trên đoạn mạch. 4. Một số dạng bài tập vận dụng cụ thể: 1*.Viết phương trình dao động của dòng điện và phương trình dao động của hiệu điện thế: - Viết phương trình dao động tổng quát. 3
4. Sáng kiến kinh nghiệm - Xác định các hằng số từ điều kiện ban đầu, rồi thay vào phương trình tổng quát. - Kết luận về dao động điều hoà, chỉ ra các chu kì và tần số của dao động. Chú ý: Thông thường, đề bài cho biết biểu thức hiệu diện thế giữa hai đầu đoạn mạch và yêu cầu viết biểu thức cường độ dòng điện tức thời, và biểu thức hiệu điện thế tức thời giữa hai đầu của một phần đoạn mạch nào đó. Thí dụ: Một mạch điện không phân nhánh gồm 3 phần tử là điện trở R 50 6() , 2 cuộn đây thuần cảm có hệ số tự cảm L (H ) , và tụ điện có điện dung 10 3 C (F) . Giữa hai đầu đoạn mạch có một nguồn điện xoay chiều, hiệu điện 5 2 thế u 200sin(100 t )(V ) . 12 a. Cường độ tức thời của dòng điiện thoả mãn hệ thức nào sau đây: A. 2sin(100 t ) B. 2 sin(100 t ) 12 12 C. 2 2 sin(100 t ) D. 2sin(100 t ) 6 6 b.Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện thoả mãn hệ thức nào sau đây: 7 7 A. u 100sin(100 t ) B. u 100 2 sin(100 t ) C 12 C 12 C. u 2 2 sin(100 t ) D. u 2 2 sin(100 t ) C 2 C 2 Tuy nhiên người ta thường tách ra thành hai câu riêng biệt, vừa đảm bảo tính kế thừa và liên thông, lại tránh được sự rườm rà trong câu chữ. Với bài toán này, xác định Z, vận dụng định luật Ohm để tính I hd và I 0 rồi xác định độ lệch pha giữa hiệu điện thế và dòng điện. Cần nhớ quy ước: hiệu điện thế sớm pha so với dòng điện một lượng nghĩa là dòng điện trễ pha so với hiệu điện thế một lượng bằng . Đây là bài toán không khó. Chỉ yêu cầu học sinh làm cẩn thận để tránh sai sót đáng tiếc. Để tăng cường rèn luyện kĩ năng giải các bài tập có nội dung phức tạp hơn, các em cần được làm quen với các bài toán có các thông số thay đổi. 2* Mạch điện RLC có điện trở thuần R thay đổi: a. Khi R thay đổi, tìm điều kiện R để P=Pmax: Phương pháp + Viết biểu thức công suất: P=I2R. + Biến đổi biểu thức về dạng thức chứa đại lượng không đổi (U). 4
5. Sáng kiến kinh nghiệm U 2 U 2 P .R R 2 (Z Z ) 2 (Z Z ) 2 L C R L C R 2 + R0;(Z L Z C) 0 . 2 2 Sử dụng bất đẳng thức Côsi : R (Z L Z C ) 2(Z L Z C )R . Để mẫu cực tiểu ta chọn dấu "bằng". Khi đó R Z L Z C , ta tính được R. Bài toán thí dụ: Thí dụ 1: Cho mạch điện AB gồm một điện biến trở R; cuộn dây có độ tự cảm 3 L H và có điện trở thuần R 25 . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu 2 L điện thế ổn định u 200 2 sin100 t(V ) . Điều chỉnh R đến giá trị nào thì công suất của đoạn mạch AB đạt giá trị cực đại. Tính công suất cực đại đó. HD: Z L L 50 3 Công suất của đoạn mạch AB là: 2 2 2 2 RmU U PAB (R RL )I Rm I 2 2 2 Rm Z L Z L Rm Rm 2 Z L PAB Pmax khi Rm cực tiểu. Rm 2 2 2 Z L 2 Z L Z L Rm . Z L const Rm cực tiểu khi Rm Rm Z L 50 3 Rm Rm Rm U 2 (200) 2 R R 50 3 R 61,6 P 231W . L max 2R 2.61,6 Thí dụ 2: Cho mạch RLC nối tiếp, R có thể thay đổi được. Mạch được cung cấp bởi 1 nguồn điện xoay chiều tần số f 50Hz . Tụ điện có điện dung C .10 4 F , cuộn 3 dây thuần cảm có độ tự cảm L H . Bỏ qua điện trở của dây nối. Thay đổi R để công suất tiêu thụ trong mạch đạt giá trị cực đại. Tính R. HD: 1 Z L 300 ; Z 100 . L C C Công suất tiêu thụ của đoạn mạch là: U 2 R U 2 U 2 P RI 2 . R 2 (Z Z ) 2 (Z Z ) 2 Y L C R L C R 5
6. Sáng kiến kinh nghiệm P Pmax khi Y Ymin . Theo bất đẳng thức Côsi: (Z Z ) 2 Y Y khi R L C R Z Z 200 . min R L C Thí dụ 3: Giữa hai điểm A và B mắc nối tiếp lần lượt: tụ điện có điện dung C, điện trở R có thể thay đổi được, cuộn dây có độ tự cản L và điện trở thuần r và một ampe kế .Vôn kế V1 mắc giữa hai đầu đoạn mạch gồm C và R. Vôn kế V2 mắc giữa hai đầu cuộn dây L. Đặt vào AB một hiệu điện thế xoay chiều ổn định u 150 2 sin(100 t)(V ) . Khi R R0 50 thì ampe kế chỉ I 2A , vôn kế V1 chỉ U1 100 2V , vôn kế V2 chỉ U 2 50V . Khi R Rm thì công suất trong mạch đạt giá trị cực đại. Hãy xác định Rm . HD: U1 100 2 2 2 R R0 50(gt). Ta có: Z R0C 100 R0 Z L 25 2 I 2 2 2 Z C (100) R0 50 3 . (1) U Ta lại có: Z 2 25 2 r 2 Z 2 25 2 . (2) Lr I 0 L Mặt khác : U 2 (U U ) 2 (U U ) 2 AB R0 ủ L C U 2 U 2 2U U U 2 U 2 2U U R0 ủ R0 ủ L C L C U 2 U 2 U 2 2U U 2U U AB 1 2 R0 ủ L C (150) 2 2.(100) 2 502 2U U 2U U R0 ủ L C 2U U 2U U 0 R0 ủ L C U U r Z 50 3 ủ C C 3 . U U Z U 50 L R0 L R0 Từ (1)Và (2) ta suy ra Z L 12,5 2 và r 12,5 6 . Công suất tiêu thụ của mạch là: 2 2 U P (R r)I 2 2 (R r) (R r) (Z L Z C ) U 2 U 2 P (Z Z ) 2 Y (R r) L C R r P Pmax khi Y Ymin Theo bất đẳng thức Côsi ta có: (Z Z ) 2 Y Y khi (R r) L C min R r R r Z L Z C . Vì Z C Z L nên ta có: R r Z C Z L 6
7. Sáng kiến kinh nghiệm Ta suy ra R Rm Z C Z L r 38,3 Bài tập tự giải: Đưa thêm cho các em một số bài tập, để luyện tập. Bài tập 1: Cho mạch điện xoay chiều RLC, R là một biến trở. Hiệu điện thế hai đầu 1,4 mạch có dạng u 200 2 sin(100 t)(V ) , cuộn dây có độ tự cảm L (H ) , tụ điện 10 4 C có điện dung C (F) . Tìm R để: 2 a. Công suất tiêu thụ của mạch là P=320W. b. Công suất của mạch đạt giá trị cực đại, tính Pmax. c. Vẽ đường biểu diễn công suất P theo R. Bài tập 2: Cho mạch điện AB gồm các phần tử sau: Điện trở thuần R, cuộn dây 0,3 3 thuần cảm L H , tụ điện có điện dung C, và biến trở R mắc nối tiếp. M là 0 điểm nối giữa R và L; N là điểm nói giữa L và C. Hiệu điện thế đặt vào AB là: u 160 2 sin(100 t)(V ) . Biết U AM 60(V );U MN 60 3(V );U NB 200(V ) . 1. Viết biểu thức cường độ dòng điện, tính R0; R; C. 2. Cho R0 thay đổi. Tính R0 để: a. Công suất trên đoạn NB là cực đại. b. Công suất trên mạch AB là cực đại. ĐS: 1.R=30  ; R0=39,28; C=34,63  F. i 2,83sin(100 t )(A). 6 2.a.R0=50  ;b.R0=10  . Bài tập tự giải: 2 Cho mạch điện AB gồm lần lượt cuộn dây thuần cảm L H , một biến trở R và một tụ điện có điện dung C 10 4 F mắc nối tiếp. Hiệu điện thế: u AB 120 2 sin100 t(V ) . Tính giá trị của biến trở R để: 0 1. ULR và URC lệch pha nhau một góc 90 . 2. Công suất tiêu thụ trong mạch đạt giá trị cực đại. ĐS: R 100 2 R 100A ' b.Khi R thay đổi, tìm điều kiện để P P Pmax . 7