SKKN NOP

Sáng kiến kinh nghiệm
CHUấN HI THO
Phơng pháp
giảI các bài tập vật lý lớp 12
Mạch điện xoay chiều
.


Ch chuyờn : Trn Duy Sc
I. Đặt vấn đề:
1. Cơ sở lý luận:
Đánh giá về thực trạng giáo dục (GD) Việt Nam, tài liệu chiến lợc phát triển
GD 2001-2010 đã khẳng định: chơng trình GD còn nặng tính hàn lâm, nặng về thi
cử, cha chú trọng đến tính sáng tạo, năng lực thực hành và hớng nghiệp, cha gắn
bó chặt chẽ với thực tiễn phát triển kinh tế xã hội, cha đáp ứng nhu cầu của ngời
học.
Học sinh và các bậc phụ huynh còn nặng nề về tâm lý thi cử, đại học mới là
cái đích vơn tới! Đòi hỏi có một lợng 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 chơng trình vật lý lớp 12, mạch điện xoay chiều có nhiều ứng dụng
trong KHKT và trong đời sống, nó chiếm thời lợng 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 tợng 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 phơng 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 "phơng 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. Mc ớch yờu cu:
1. Đánh giá về thời lợng trong nội dung chơng trình.
2. Đánh giá vai trò của chơng dòng điện xoay chiều trong các đề thi.
3. Nêu phơng pháp chung.
4. Một số thí dụ vận dụng cụ thể minh hoạ.
III. Nội dung chuyờn đề :
1. Đánh giá về thời lợng:
Phần dòng điện xoay chiều trong nội dung chơng trình:
Tổng số tiết lý thuyết:11
1
Sáng kiến kinh nghiệm
Tổng số tiét bài tập: 03
Tổng số tiết trong năm: 99-89 (thực hành) = 91 tiết.
2. Đánh giá vai trò:
Chơng dòng điện xoay chiều trong các đề thi: 08 câu(25%).
Tỉ trọng trên khẳng định tầm quan trọng của chơng!
3. Phõn ni dung cn bn bc trong hi tho:
a. Ôn tập để nắm vững nội dung lí thuyết.
Đây là vấn đề tởng nh 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.
Dới đây là bảng dùng cho chơng dòng điện xoay chiều:
Mạch chỉ có R Mạch chỉ có L Mạch chỉ có C Mạch RLC
Phơng
trình dòng
điện

tIi

sin
0
=
tIi

sin
0
=
tIi

sin
0
=
tIi

sin
0
=
Phơng
trình hiệu
điện thế
tUu

sin
0
=
)
2

sin(
0


+=
tUu
)
2
sin(
0


=
tUu
)sin(
0

+=
tUu
(
iu

=
)
Trong đó:
)sin(
)sin(
sin
/0
/0

0
iCCC
iLLL
RR
tUu
tUu
tUu



+=
+=
=
Độ lệch
pha
0
=

2


=
2


=
iu

=
Giản đồ

véc tơ
iku


=
2

+=
iu


2

=
iu



=
iu


(

là giá trị đại số)
Điện trở,
công thức
độ lệch
pha
R

0
0
=
=


Tan
fLLZ
L

2
==
2
0



=
==
L
Z
Tan
fCC
Z
C

2
11
==
2

0



=
=

=

=
CC
Z
R
Z
Tan
22
)(
CL
ZZRZ
+=
R
CL
R
CL
CL
U
UU
U
UU
R

ZZ
Tan
0
00

=

=
=

=

Tan

là giá trị đại số
Định
luậtOhm
R
U
I
=
L
Z
U
I
=
C
Z
U
I

=
22
)(
CL
ZZR
U
Z
U
I
+
==

CCLLR
IZUIZUIRU
===
;;
Hệ số
công suất
1
=

Cos
0
=

Cos 0
=

Cos
22

)(
CL
ZZR
R
Z
R
Cos
+
==

Công Công suất
UIP
=
0
=
P 0
=
P

cosUIP
=
2
Sáng kiến kinh nghiệm
CộngCộng hởng
LC
ZZ
CosUIPP
CL
1
;1;

2
max
==
===


b. Phân loại bài tập:
1* Xác định các thông số, viết các phơng trình dao động của u và i.
2* Dạng mạch RLC có R thay đổi:
R=? để :
+
)(;;
maxmax
RPPPPPP
==
.
(Đây là phần trọng tâm của của đoạn mạch cố điện trở thuần thay đổi)
+
max
II
=
+
max
UU
=
3* Dạng mạch RLC có L thay đổi:
L=? để:
max
maxmax
max

;
UU
PPPP
II
L
=+
=+
=+
4* Dạng mạch RLC có C thay đổi:
C=? để:
max
max
'
ã
max
;
C
m
UU
PPPPP
II
=+
==+
=+
5* Dạng mạch RLC có
)( f

thay đổi:
+ Cờng độ I phụ thuộc
)( f

+ P phụ thuộc
)( f

+ U
L
phụ thuộc
)( f

+ U
C
phụ thuộc
)( f

6* Dạng xác định các phần tử trong mạch kín (bài toán về hộp đen):
Thông thờng dùng phơng 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 ph ơng trình dao động của dòng điện và ph ơng trình dao động
của hiệu điện thế:
3
Sáng kiến kinh nghiệm
- Viết phơng trình dao động tổng quát.
- Xác định các hằng số từ điều kiện ban đầu, rồi thay vào phơng trình tổng
quát.
- Kết luận về dao động điều hoà, chỉ ra các chu kì và tần số của dao động.
Chú ý:
Thông thờng, đề bài cho biết biểu thức hiệu diện thế giữa hai đầu đoạn

mạch và yêu cầu viết biểu thức cờng 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
)(650
=
R
,
cuộn đây thuần cảm có hệ số tự cảm
)(
2
HL

=
, và tụ điện có điện dung
)(
25
10
3
FC


=
. Giữa hai đầu đoạn mạch có một nguồn điện xoay chiều, hiệu điện
thế
))(
12
100sin(200 Vtu

+=
.
a. Cờng độ tức thời của dòng điiện thoả mãn hệ thức nào sau đây:
A.
)
12
100sin(2



t
B.
)
12
100sin(2



t

C.
)
6
100sin(22



t
D.
)

6
100sin(2



t

b.Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện thoả mãn hệ thức nào sau đây:
A.
)
12
7
100sin(100


=
tu
C
B.
)
12
7
100sin(2100


=
tu
C

C.

)
2
100sin(22


=
tu
C
D.
)
2
100sin(22


=
tu
C

Tuy nhiên ngời ta thờng tách ra thành hai câu riêng biệt, vừa đảm bảo tính
kế thừa và liên thông, lại tránh đợc sự rờm rà trong câu chữ.
Với bài toán này, xác định Z, vận dụng định luật Ohm để tính
hd
I
và
0
I
rồi
xác định độ lệch pha giữa hiệu điện thế và dòng điện. Cần nhớ quy ớc: hiệu điện
thế sớm pha so với dòng điện một lợng

nghĩa là dòng điện trễ pha so với hiệu
điện thế một lợng bằng

.
Đây là bài toán không khó. Chỉ yêu cầu học sinh làm cẩn thận để tránh sai
sót đáng tiếc.
Để tăng cờng rèn luyện kĩ năng giải các bài tập có nội dung phức tạp hơn,
các em cần đợc 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=P
max
:
Phơng pháp
+ Viết biểu thức công suất: P=I
2
R.
+ Biến đổi biểu thức về dạng thức chứa đại lợng không đổi (U).
R
ZZ
R
U
R
ZZR
U
P
CLCL
2
2
22
2

)(
.
)(

+
=
++
=
4
Sáng kiến kinh nghiệm
+
0)(;0
2

CL
ZZR
.
Sử dụng bất đẳng thức Côsi :
RZZZZR
CLCL
)(2)(
22
+
.
Để mẫu cực tiểu ta chọn dấu "bằng". Khi đó
CL
ZZR
=
, ta tính đợc R.
Bài toán thí dụ :

Thí dụ 1:
Cho mạch điện AB gồm một điện biến trở R; cuộn dây có độ tự cảm
HL

2
3
=
và có điện trở thuần
=
25
L
R
. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu
điện thế ổn định
)(100sin2200 Vtu

=
.
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:
==
350LZ
L

Công suất của đoạn mạch AB là:
m
L
m
Lm

m
mLAB
R
Z
R
U
ZR
UR
IRIRRP
2
2
22
2
22
)(
+
=
+
==+=
max
PP
AB
=
khi
m
L
m
R
Z
R

2
+
cực tiểu.
m
L
mL
m
L
m
R
Z
RconstZ
R
Z
R
2
2
2
.
+==
cực tiểu khi
===
350
2
Lm
m
L
m
ZR
R

Z
R
W
R
U
PRRR
L
231
6,61.2
)200(
2
6,61350
22
max
=====+
.
Thí dụ 2:
Cho mạch RLC nối tiếp, R có thể thay đổi đợc. Mạch đợc cung cấp bởi
nguồn điện xoay chiều tần số
Hzf 50
=
. Tụ điện có điện dung
FC
4
10.
1

=

, cuộn

dây thuần cảm có độ tự cảm
HL

3
=
. 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:
==
300LZ
L

;
==
100
1
C
Z
C

.
Công suất tiêu thụ của đoạn mạch là:
Y
U
R
ZZ
R
U
ZZR
RU

RIP
CLCL
2
2
2
22
2
2
)()(
=

+
=
+
==
.
max
PP
=
khi
min
YY
=
. Theo bất đẳng thức Côsi:
min
YY
=
khi
==

=
200
)(
2
CL
CL
ZZR
R
ZZ
R
.
Thí dụ 3:
5
Sáng kiến kinh nghiệm
Giữa hai điểm A và B mắc nối tiếp lần lợt: tụ điện có điện dung C, điện trở
R có thể thay đổi đợc, cuộn dây có độ tự cản L và điện trở thuần r và một ampe
kế .Vôn kế V
1
mắc giữa hai đầu đoạn mạch gồm C và R. Vôn kế V
2
mắc giữa hai
đầu cuộn dây L. Đặt vào AB một hiệu điện thế xoay chiều ổn định
))(100sin(2150 Vtu

=
. Khi
==
50
0
RR

thì ampe kế chỉ
AI 2
=
, vôn kế V
1
chỉ
VU 2100
1
=
, vôn kế V
2
chỉ
VU 50
2
=
. Khi
m
RR
=
thì công suất trong mạch đạt
giá trị cực đại. Hãy xác định
m
R
.
HD:
).(50
0
gtRR
==
Ta có:

=+===
225100
2
2100
22
0
1
0 LCR
ZR
I
U
Z
==
350)100(
2
0
2
RZ
C
. (1)
Ta lại có:
=+==
225225
22
0
2
LLr
Zr
I
U

Z
. (2)
Mặt khác :
222
)()(
0
CLủRAB
UUUUU
++=
CLủRAB
CLCLủRủR
UUUUUUU
UUUUUUUU
22
22
0
00
2
2
2
1
2
2222
++=
++++=
022
2250)100.(2)150(
0
0
222

=
++=
CLủR
CLủR
UUUU
UUUU
3
50
350
00
====
R
C
LR
C
L
ủ
U
Z
Z
r
U
U
U
U
.
Từ (1)Và (2) ta suy ra
=
25,12
L

Z
và
=
65,12r
.
Công suất tiêu thụ của mạch là:
Y
U
rR
ZZ
rR
U
P
rR
ZZrR
U
IrRP
CL
CL
2
2
2
22
2
2
)(
)(
)(
)()(
)(

=
+

++
=
+
++
===
max
PP
=
khi
min
YY
=
Theo bất đẳng thức Côsi ta có:
min
YY
=
khi
rR
ZZ
rR
CL
+

=+
2
)(
)(

CL
ZZrR
=+
. Vì
LC
ZZ

nên ta có:
LC
ZZrR
=+
Ta suy ra
===
3,38rZZRR
LCm
Bài tập tự giải:
Đa thêm cho các em một số bài tập, để luyện tập.
Bài tập 1:
6
Sáng kiến kinh nghiệm
Cho mạch điện xoay chiều RLC, R là một biến trở. Hiệu điện thế hai đầu
mạch có dạng
))(100sin(2200 Vtu

=
, cuộn dây có độ tự cảm
)(
4,1
HL

=
, tụ điện
C có điện dung
)(
2
10
4
FC


=
. Tìm R để:
a. Công suất tiêu thụ của mạch là P=320W.
b. Công suất của mạch đạt giá trị cực đại, tính P
max
.
c. Vẽ đờng 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 thuần
cảm
HL

33,0
=
, tụ điện có điện dung C, và biến trở
0
R
mắc nối tiếp. M là điểm
nối giữa R và L; N là điểm nói giữa L và C. Hiệu điện thế đặt vào AB là:
))(100sin(2160 Vtu

=
. Biết
)(200);(360);(60 VUVUVU
NBMNAM
===
.
1. Viết biểu thức cờng độ dòng điện, tính R
0
; R; C.
2. Cho R
0
thay đổi. Tính R
0
để:
a. Công suất trên đoạn NB là cực đại.
b. Công suất trên mạch AB là cực đại.
ĐS:
1.R=30

; R
0
=39,28; C=34,63
à
F.
).)(
6
100sin(83,2 Ati

+=
2.a.R
0
=50

;b.R
0
=10

.
Bài tập tự giải:
Cho mạch điện AB gồm lần lợt cuộn dây thuần cảm
HL

2
=
, một biến trở
R và một tụ điện có điện dung
FC
4
10

=
mắc nối tiếp.
Hiệu điện thế:
)(100sin2120 Vtu
AB

=
.

Tính giá trị của biến trở R để:
1. U
LR
và U
RC
lệch pha nhau một góc 90
0
.
2. Công suất tiêu thụ trong mạch đạt giá trị cực đại.
ĐS:
=
=
100
2100
R
R
b.Khi R thay đổi, tìm điều kiện để
max
'
PPP
=
.
(*)0
0)(
)(
)(
2
2'22'
22'2'
22

2
2'
=+
=+
=+
+
==
CBRAR
ZZPRURP
RUZZPRP
ZZR
RU
RIP
CL
CL
CL
Giải phơng trình (*), ta tìm đợc R.
7