Giáo án Vật lý 12 bài 15: Công suất điện tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất

GIÁO ÁN VẬT LÝ 12
BÀI 15
CÔNG SUẤT TIÊU THỤ CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU
HỆ SỐ CÔNG SUẤT

1. MỤC TIÊU

a.Kiến thức:
- Phát biểu được định nghĩa và thiết lập được công thức của công suất trung bình
tiêu thụ trong một mạch điện xoay chiều.
- Phát biểu được định nghĩa của hệ số công suất.
- Nêu được vai trò của hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều.
- Viết được công thức của hệ số công suất đối với mạch RLC nối tiếp.
b. Kĩ năng:
- Rèn cho hs kĩ năng vận dụng công thức tính công suất trung bình tiêu thụ trong
mạch xoay chiều, hệ số công suất vào giải các bài tập trong sgk, sbt và các bài tương tự
c. Thái độ:
- Nghiêm túc, tích cực và hợp tác trong học tập.
2. CHUẨN BỊ

a. Giáo viên:
- Giáo án, tài liệu tham khảo nếu có
b. Học sinh:
- Ôn lại các kiến thức về mạch RLC nối tiếp
Sách, vở, đồ dùng đúng quy định

3- Tiến trình dạy học


a. Kiểm tra bài cũ: “Không - kết hợp với bài giảng”
b. Bài giảng mới

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN VÀ HỌC SINH

NỘI DUNG

Hoạt động 1: “Đặt vấn đề vào bài giảng mới”
GV: Đặt vấn đề vào bài giảng mới
“Khi nghiên cứu về dòng điện không đổi, ta đã
biết P = U.I. Trong đó U là hiệu điện thế giữa hai
đầu đoạn mạch(V); I là cường độ dòng điện trong
mạch(A); P công suất tiêu thụ trên đoạn
mạch( W). Vậy đối với mạch xoay chiều thì công
suất tiêu thụ tính toán như thế nào? Ta nghiên cứu
bài hôm nay”
HS: Lắng nghe và nhận thức vấn đề cần nghiên
cứu
Hoạt động 2: “Công suất của mạch điện xoay
chiều”

GV: - Xét mạch điện xoay chiều (HV). Biết điện
áp tức thời hai đầu đoạn mạch:
u=U

2 cosωt

và cường độ dòng điện tức thời trong mạch:
i=I

2 cos(ωt+

ϕ)

HS: Lắng nghe và ghi nhớ
GV: Tại một thời điểm t, i trong mạch chạy theo
1 chiều nào đó → xem tại thời điểm t, dòng điện
trong mạch là dòng 1 chiều
Vậy: Công suất tiêu thụ trong mạch tại thời điểm
t? và Giá trị trung bình của công suất điện trong 1

I- CÔNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY
CHIỀU

1. Biểu thức của công suất
* Xét một mạch điện xoay chiều như
(hv)


chu kì?
HS: Lắng nghe và trả lời câu hỏi của gv
GV: - Nhận xét và khái quát vấn đề

i

Mạc
h

~

p = ui
- Viết tường minh thì công thức tức thời của
mạch xoay chiều có giá trị như thế nào?

HS: Tại chỗ trả lời

- Điện áp hai đầu mạch

p = u.i = 2UI cosωt cos(ωt+ ϕ)

u=U

2 cosωt

= UI [cosϕ + cos(2ωt+ ϕ)]
GV : Nhận xét và chính xác hóa vấn đề về công
- Cường độ dòng điện tức thời trong
suất tức thời tại thời điểm t
mạch
HS : Lắng nghe và ghi nhớ
i = I 2 cos(ωt+ ϕ)
GV : Giá trị trung bình của công suất điện trong 1
chu kì?
HS: Tại chỗ trả lời

P=

[

p = UI cos ϕ + cos(2 ω t + ϕ )

]

GV: Trong công thức đó thì cosϕ có giá trị như

thế nào?
HS: Tại chỗ trả lời cosϕ = cosϕ
Vì cosϕ không đổi
GV: Còn cos(2ωt + ϕ ) là một hàm tuần hoàn của
t, với chu kì bao nhiêu?
HS: Tại chỗ trả lời


Chu kì

2π T
2π
= (T =
)
2ω 2
ω

- Công suất điện tiêu thụ trung bình trong
GV: Hướng dẫn hs tính giá trị trung bình của một chu kì
cos(2ωt + ϕ )

P

=UIcos ϕ

(1)

Trong từng khoảng thời gian T/2 hoặc T, hàm
cos(2ωt + ϕ) luôn có những giá trị bằng nhau về
trị tuyệt đối, nhưng trái dấu tại thời điểm t, t +

T/4

- Nếu thời gian dùng điện t >> T, thì P
cũng là công suất tiêu thụ điện trung
bình của mạch trong thời gian đó (U, I
không thay đổi).

2ω T
T




cos  2ω (t + ) + ϕ  = cos (2 ω t +
) + ϕ
2
4




= cos(2 ω t + π + ϕ ) = − cos(2 ω t + ϕ )

2. Điện năng tiêu thụ của mạch điện

Vậy cos(2 ω t + ϕ ) = 0

W = P t (2)

- Kết quả giá trị trung bình của p tiêu thụ trong

một chu kì sẽ là: P = U I cos ϕ

GV: Điện năng tiêu thụ của mạch xoay chiều
được xác định như thế nào? Ta sang tiểu mục 2
phần I
HS: Ghi nhớ và công nhận công thức tính điện II- HỆ SỐ CÔNG SUẤT
năng tiêu thụ của mạch
GV: Đặt vấn đề chuyển tiếp sang phần II

1/ Biểu thức của hệ số công suất

“Thừa số cos ϕ trong công thức (1) được gọi là hệ
- Hệ số công suất cos ϕ
số công suất”
HS: Lắng nghe và nhận thức vấn đề cần nghiên - Vì góc ϕ có giá trị tuyệt đối không vượt
quá 900, nên 0 ≤ cosϕ ≤ 1.
cứu


Hoạt động 2: “Nghiên cứu hệ số công suất”
GV: Trong mạch R, L, C mắc nối tiếp thì ϕ có giá
trị là bao nhiêu? ⇒ cos ϕ có giá trị như thế nào?
HS: Suy nghĩ trả lời
GV: Nhận xét và chính xác hóa về hệ số cos ϕ.
HS: Lắng nghe và ghi nhớ
GV: Y/c HS hoàn thành C2 ( thảo luận nhóm theo
tổ)
HS : Thực hiện yc của gv
2/ Tầm quan trọng của hệ số công suất
GV : Yêu cầu hs treo bảng phụ và cử đại diện 01 trong quá trình cung cấp và sử dụng

hs trong nhóm trình bày
điện năng
HS : Thực hiện theo yêu cầu của gv
GV : Cùng hs các nhóm khác nhận xét
HS : Các nhóm hợp tác với gv và ghi nhớ
GV : Đặt vấn đề chuyển tiếp sang tiểu mục 2
phần II
Trong quá trình cung cấp và sử dụng điện năng
hệ số công suất có tầm quan trọng như thế nào ?
HS : Lắng nghe và nhận thức vấn đề cần nghiên
cứu

- Các động cơ, máy móc khi vận hành ổn
định, công suất trung bình được giữ
không đổi và bằng:
P = UIcosϕ với cosϕ > 0
Cường độ dòng điện hiệu dụng
I=

P
U cos ϕ

GV : Các thiết bị tiêu thụ điện trong nhà máy
(Trong các động cơ điện) bao giờ cũng có các
cuộn dây, nên cường độ i nói chung lệch pha ϕ so - Nếu r là điện trở của đường dây tải
điện thì công suất hao phí trên đường
với điện áp u. Khi vận hành ổn định công suất
dây tải điện là
trung bình p giữ không đổi → Công suất trung
bình trong các nhà máy?

P 2 1
Ph p = r I 2 = r 2
U cos 2 ϕ
HS : Trả lời
- Nếu hệ số công suất cosϕ nhỏ → Php sẽ


P = UIcosϕ với cosϕ > 0

lớn, ảnh hưởng đến sản xuất kinh doanh
của công ti điện lực.

GV: Nếu r là điện trở của dây dẫn → công suất
- Quy định hệ số công suất trong các cơ
hao phí trên đường dây tải điện?
sở sử dụng điện năng tối thiểu bằng
GV: Hệ số công suất ảnh hưởng như thế nào đến 0,85.
sản xuất kinh doanh ?

HS: Tại chỗ trả lời
GV: Khái quát vấn đề
“Nếu cosϕ nhỏ → Php sẽ lớn, ảnh hưởng đến sản
xuất kinh doanh của công ti điện lực” nên Nhà 3/ Tính hệ số công suất của mạch điện
R, L, C nối tiếp
nước quy định hệ số công suất trong các cơ sở
sử dụng điện năng tối thiểu là : cosϕ ≥ 0,85
HS : Lắng nghe và ghi nhớ

GV : Trong mạch xoay chiều R, L, C mắc nối tiếp
thì hệ số công suất được xác định như thế nào ?

cos ϕ =

GV : Thuyết trình như sgk
- Giả sử điện áp hai đầu mạch điện là:
u=U

Hay

2 cosωt

cos ϕ =

R
Z
R

R 2 + (ω L −

1 2
)
Cω

- Cường độ dòng điện tức thời trong mạch:
i=I

2 cos(ωt+

ϕ)

- Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch ta có

biểu thức
I=

U
R2 + (ω L −

1 2
)
ωC

=

U
Z

- Công suất trung bình tiêu thụ trong
mạch


- Mặt khác giản đồ véc tơ ta có :

tanϕ =

cosϕ =

2

P = U I cos ϕ = U

1

ωC
R

ωL −

U R
U 
= R  = R I 2
Z Z
Z

R
Z

HS : Lắng nghe và ghi nhớ
GV : Em có nhận xét gì về công suất trung bình
tiêu thụ trong mạch?
HS : Trả lời
GV : Nhận xét và khái quát vấn đề
“ Công suất trung bình tiêu thụ trong mạch bằng
công suất toả nhiệt trên R”
HS : Lắng nghe và ghi nhớ

c. Củng cố- dặn dò
GV: Hệ thống nội dung bài giảng
- Định nghĩa và thiết lập được công thức của công suất trung bình tiêu thụ trong một
mạch điện xoay chiều.
- Phát biểu được định nghĩa của hệ số công suất.
- Vai trò của hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều.
HS: Lắng nghe và lĩnh hội kiến thức.

d. Hướng dẫn học ở nhà :
GV: Yêu cầu hs:
- Học bài theo phần ghi nhớ, làm bài tập trong sgk và sbt và đọc trước bài mới.


HS: Lắng nghe và nhận nhiệm vụ học tập