phep giai toan may bien ap

GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM
26/11/2008
GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT
BẢO TOÀN NĂNG LƯNG
Người soạn: Lê minh Tâm
Tổ Vật lý _ Trường THPT Lý thường Kiệt
A / ĐẶT VẤN ĐỀ :
I/ Về công thức biến đổi U,I trong máy biến thế.
Trong chương trình PTTH: Chương III,sách giáo khoa và sách bài tập vật lý 12
• Chương trình không phân ban (NXBGD 1992),
• Chương trình ban KHTN và KHXHNV thí điểm(NXBGD 2005).
• Chương trình phân ban : Chương trình chuẩn (NXBGD 2008)
• Chương trình phân ban : Chương trình nâng cao(NXBGD 2008) ở Chương 4
Có kiến thức về “MÁY BIẾN ÁP” , hay còn gọi là “MÁY BIẾN THẾ”.
Ở phần thiết lập các công thức đònh lượng,kiến thức đưa đến cho HS được thực hiện
theo hướng chỉ giải quyết vấn đề khi bỏ qua hao phí điện năng do :
1.1. Tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ _ khi từ trường biến thiên trong lõi sắt ở
trường hợp cho rằng không tuyệt đối khép kín.
1.2. Toả nhiệt trên lõi sắt : tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx của dòng điện Fu-Cô.
1.3. Tỏa nhiệt trên 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp , tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx vì
giả thiết rằng điện trở mỗi cuộn dây r
1
,r
2
≈0.
Để cuối cùng dẫn đến công thức :
1 1 2
2 2 1
= =
U N I
U N I

Do vậy ,trong quá trình dạy và học về bài máy biến thế , các giáo viên và học sinh
thường gặp các trở ngại như sau :
- Thiếu kiến thức để giải bài toán hiệu suất máy biến thế
- Khi cuộn thứ cấp mắc vào mạch tải có R,L hay R,C hay R,L,C _Tức là mạch tải có
hệ số công suất k=cosϕ <1 thì bài toán còn sử dụng được các công thức trên hay
không?
Do vậy , các bài toán chính thức thường né tránh chỗ nhạy cảm này bằng cách chỉ
cho mạch tải là đoạn mạch chỉ có R.
-1-
GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM
Ngoại trừ một bài toán trong Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ của Bộ GD (NXB
GD 1990) thì cho mạch tải là mạch gồm R,L,C với phép giải còn nhiều khúc mắc.
II/ Về vấn đề công suất _ Hiệu suất của máy biến thế.
1. Tài Liệu chính thức của Bộ GDĐT:
− Sách GK nâng cao cho rằng công suất của mạch sơ cấp và thứ cấp bằng
nhau,nếu bỏ qua hao phí điện năng trên máy biến thế thì
P
1
= P
2
⇒ U
1
I
1
= U
2
I
2
.(C1 trg 70)

(không quan tâm cấu trúc mạch tải)
Nhưng không có bài tập trong SGK và SBT .
− Ngược lại , Sách cơ banû không đề cập đến công suất. Nhưng bài tập trong
SGK và SBT lại cho HS làm.Thậm chí đề cập đến cả hiệu suất máy biến
thế.
− Sách chuẩn bò kiến thức và Sách hướng dẫn ôn tập của Bộ phát hành trước
đợt ôn thi TNPT 2007-2008 , cùng SGK thí điểm KHTN cũng viết
U
1
I
1
= U
2
I
2
(không quan tâm nếu bỏ qua hao phí điện năng trên máy biến thế và cấu trúc
mạch tải)
− Thế nhưng Sách Giáo viên theo chương trình chuẩn lại viết là :
U
1
I
1
= U
2
I
2
cosϕ
2
2. Tài liệu tham khảo : Từ những tác giả được xem là có uy tín
− Tiến só Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài toán TN VL cuốn 1, trang

178_ NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006
P
1
=P
2
và cosϕ
1
= cosϕ
2
⇒ U
1
I
1
= U
2
I
2
(!!??)
Thậm chí , ông viết tiếp,Hiệu suất máy biến thế được xác đònh từ
H =
2
1
p
p
=
2 2 2
1 1 1
cos
cos
U I

U I
ϕ
ϕ
(sic)
− Nhóm tác giả Khoa Vật lý Đại học KHTN _ĐHQG : 540 Câu hỏi trắc
nghiệm Vật lý 12_ NXB ĐHQG TP HCM 2007 ,trang 74 lại viết :
Công suất của cuộn sơ cấp : P
1
= U
1
I
1
(?)
Công suất của cuộn thứ cấp : P
2
= U
2
I
2
(?)
Hiệu suất máy biến thế là H =
2
1
p
p
(!?)
− Lê văn Thông : TT các bài toán Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264
Viết : P
1
=

1 1 1
cosU I
ϕ
(!?)
-2-
GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM
P
2
=
2 2 2
cosU I
ϕ
(!?)
Và cũng viết : H =
2
1
p
p
=
2 2 2
1 1 1
cos
cos
U I
U I
ϕ
ϕ
(!?)
Đến đây , ta thấy các tác giả trong viết tài liệu chính thức cũng như các tác
giả khác không cùng một cách nhìn,giải quyết vấn đề theo các cách khác

nhau.Chắc chắn các kết quả giải toán cũng khác nhau.
Vậy,ai đúng?ai sai?
Theo quan điểm giải quyết một bài toán vật lý,giải pháp sử dụng Đònh luật bảo
toàn năng lương là giải pháp cơ bản.Đúng cho mọi hiện tượng Vật lý_Kể cả bài
toán máy biến thế.
B / GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ :
Từ năm 2002,Tôi có đặt vấn đề và sau đó , tôi có giải quyết vấn đề này trong
đề tài sáng kiến kinh nghiệm 2007-2008 :
” GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ
BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG”
BỐ CỤC TRÌNH BÀY :
I/ Hướng dẫn học sinh lập 2 công thức máy biến thế trong trường hợp tổng quát.
II/ Từ trường hợp tổng quát,suy ra các trường hợp riêng.
III/ Cách áp dụng kiến thức trên để giải toán.Giải 3 bài toán đặc trưng.
IV/ Một số phát hiện.
I/ HƯỚNG DẪN LẬP CÔNG THỨC MÁY BIẾN THẾ TRONG TRƯỜNG
HP TỔNG QUÁT.
-3-
GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM
1) Giới thiệu học sinh về :
- Cấu trúc tổng quát cuả máy biến thế.
- Các đại lượng vật lý tương ứng trong bài toán máy biến thế.
Bằng cách vẽ và sử dụng các ký hiệu như sau :

2) Lập công thức ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG cho máy biến thế :
- Xem nguồn U
1
cung cấp công suất
Pc = U
1

I
1
- 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tiêu thụ điện năng để toả nhiệt (hao
phí)theo hiệu ứng Jun-Lenx bao gồm :
Pt
1
= r
1
I
1
2
, Pt
2
= r
2
I
2
2
.
- Lõi sắt tiêu thụ điện năng để tỏa nhiệt (hao phí)theo hiệu ứng Jun-Lenx
do tác dụng của dòng Fu cô là :
Ps.
- Mạch tải mắc vào cuộn thứ cấp tiêu thụ (hữu ích)điện năng
Ptt = U
2
I
2
cosϕ = RI
2
2

với k = cosϕ là hệ số công suất của mạch tải.
- Thực tế,công suất hao phí do tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ là
cực bé so với các công suất kể trên,nên có thể bỏ qua.
Theo đònh luật bảo toàn năng lượng,luôn luôn ta có :
Công suất cung cấp = tổng các công suất tiêu thụ
⇒ Pc = Pt
1
+ Pt
2
+ Ps + Ptt
Hay : U
1
I
1
=

r
1
I
1
2
+ r
2
I
2
2
+ Ps + U
2
I
2

cosϕ…….
Và hiệu suất máy biến thế theo ý nghóa vật lý là
H =
tt
2 2
C 1 1
P
U I cos
P U I
ϕ
=
3) Lập công thức quan hệ cường độ dòng điện qua mỗi cuộn dây và số vòng dây
của mỗi cuộn (I , N) :
-4-
I
1
I
2
U
1
U
2
r
1
r
2
Tải
Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp
(TQ 1)
GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM

Bước 1 : tương tự SGK,ta có : e
1
= N
1
d
dt
Φ
;
e
2
= N
2
d
dt
Φ
⇒
1 1
2 2
e N
e N
=
, Do e
1 ,
e
2
đồng pha nên :
1 1
2 2
E N
E N

=
(1)
Bước 2 : xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy phát có công suất : E
1
I
1
xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy thu có công suất : E
2
I
2
⇒ E
1
I
1
= E
2
I
2
,

⇒
1 2
2 1
E I
E I
=
(2)
Từ (1) và (2),

⇒

1 2
2 1
N I
N I
=

NHẬN XÉT : Từ 2 công thức tổng quát (TQ1) và (TQ2) ,
ta có thể giải hầu hết các bài toán tổng quát.
II/ TỪ TRƯỜNG HP TỔNG QUÁT,SUY RA CÁC TRƯỜNG HP RIÊNG:
1. Nếu bài toán bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra :
Ps = 0.
Từ (TQ1) ⇒ U
1
I
1
=

r
1
I
1
2
+ r
2
I
2
2
+ U
2

I
2
cosϕ…….
Phối hợp (TQ2)
1 2
2 1
N I
N I
=
Suy ra các kết quả bài toán yêu cầu. ( Bài giải mẫu số 1 _ Trích từ Bộ đề thi
tuyển sinh Đại học-CĐ của Bộ GD_NXB GD 1990)
2. Nếu bài toán
− Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0
− Bỏ qua điện trở thuần của 2 cuộn dây r
1
,r
2

≈
0.
Từ (TQ1) ⇒ U
1
I
1
=

U
2
I
2

cosϕ…….
Phối hợp (TQ2)
1 2
2 1
N I
N I
=
Suy ra các kết quả bài toán yêu cầu. ( Bài giải minh họa số 2 _ Bài 5.32
trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 )
3. Nếu bài toán
− Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0
-5-
(TQ 2)