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

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\(\sqrt 2 \)coswt

và cường độ dòng điện tức thời trong mạch:

 i = I\(\sqrt 2 \)cos(wt+ j)

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 chu kì?

HS: Lắng nghe và trả lời câu hỏi của gv

GV: - Nhận xét và khái quát vấn đề

                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

          p = u.i = 2UI coswt cos(wt+ j)

           = UI [cosj + cos(2wt+ j)]

GV : Nhận xét và chính xác hóa vấn đề về công suất tức thời tại thời điểm t

HS : Lắng nghe và ghi nhớ

GV : Giá trị trung bình của công suất điện trong 1 chu kì?

HS: Tại chỗ trả lời

GV: Trong công thức đó thì \(\overline {cos\varphi } \) có giá trị như thế nào?

HS: Tại chỗ trả lời   \(\overline {cos\varphi }  = cos\varphi \) 

  Vì cosj không đổi 

GV:  Còn  \(\overline {cos(2\omega t + \varphi )} \) là một hàm tuần hoàn của t, với chu kì bao nhiêu?

HS: Tại chỗ trả lời

   Chu kì \(\frac{{2\pi }}{{2\omega }} = \frac{T}{2}\) 

( \(T = \frac{{2\pi }}{\omega }\))

GV: Hướng dẫn hs tính giá trị trung bình  của \(\overline {cos(2\omega t + \varphi )} \) 

Trong từng khoảng thời gian T/2 hoặc T, hàm cos(2wt + j) luôn có những giá trị bằng nhau về trị tuyệt đối, nhưng trái dấu tại thời điểm t, t + T/4

\(\begin{array}{l}
\cos \left[ {\,2\omega \,(t\, + \,\frac{T}{2}) + \phi } \right] = \cos \left[ {(2\,\omega \,t + \frac{{2\,\omega \,T}}{4}) + \phi } \right]\\
 = \cos (2\,\omega \,t + \pi  + \phi ) =  - \,\cos (2\,\omega \,t\, + \phi )
\end{array}\)

 Vậy  \(\overline {\cos (2\,\omega \,t\, + \,\phi )} \, = \,0\)

- Kết quả giá trị trung bình của p tiêu thụ trong một chu kì sẽ là: P = U I cos j

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 năng tiêu thụ của mạch

GV: Đặt vấn đề  chuyển tiếp sang phần II

“Thừa số cos j trong công thức (1) được gọi là hệ số công suất”

HS: Lắng nghe và nhận thức vấn đề cần nghiên cứu

Hoạt động 2: “Nghiên cứu hệ số công suất”

GV: Trong mạch R, L, C mắc nối tiếp thì j có giá trị là bao nhiêu? → cos j có giá trị như thế nào?

HS: Suy nghĩ trả lời

GV: Nhận xét và chính xác hóa về hệ số cos j.

HS: Lắng nghe và ghi nhớ

GV: Y/c HS hoàn thành C2 ( thảo luận nhóm theo tổ)

HS : Thực hiện y/c của gv

GV : Yêu cầu hs treo bảng phụ và cử đại diện 01 hs trong nhóm trình bày

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

I- CÔNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Biểu thức của công suất

* Xét một mạch điện xoay chiều như (hv)

- Điện áp hai đầu mạch

                 u = U\(\sqrt 2 \)coswt

- Cường độ dòng điện tức thời trong mạch

                  i = I\(\sqrt 2 \)cos(wt+ j)

- Công suất điện tiêu thụ trung bình trong một chu kì

P  =UIcos \(\varphi \)       (1)

- 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).

2. Điện năng tiêu thụ của mạch điện

                      W = P  t            (2)

II- HỆ SỐ CÔNG SUẤT

1/ Biểu thức của hệ số công suất

- Hệ số công suất cos j

- Vì góc j có giá trị tuyệt đối không vượt quá 90⁰, nên  0 \( \le \) cosj \( \le \) 1.

2/ Tầm quan trọng của hệ số công suất trong quá trình cung cấp và sử dụng điện năng

- Các động cơ, máy móc khi vận hành ổn định, công suất trung bình được giữ không đổi và bằng:

P = UIcosj với cosj > 0

Cường độ dòng điện hiệu dụng 

\(I = \frac{P}{{U\cos \phi }}\)

- Nếu r là điện trở của đường dây tải điện thì công suất hao phí trên đường dây tải điện là

                \({P_{h\,p}} = r\,{I^2} = r\frac{{{P^2}}}{{{U^2}}}\frac{1}{{{{\cos }^2}\phi }}\) 

- Nếu hệ số công suất cosj nhỏ → P_hp sẽ lớn, ảnh hưởng đến sản xuất kinh doanh của công ti điện lực.

- Quy định hệ số công suất trong các cơ sở sử dụng điện năng tối thiểu bằng 0,85.

3/ Tính hệ số công suất của mạch điện R, L, C nối tiếp

\(\cos \,\phi \; = \frac{R}{Z}\)

Hay  \(\cos \,\phi \, = \frac{R}{{\sqrt {{R^2} + {{(\omega \,L - \frac{1}{{C\,\omega }})}^2}} }}\)

- Công suất trung bình tiêu thụ trong mạch

\(P = U\,I\,\cos \,\phi  = U\frac{U}{Z}\frac{R}{Z} = R{\left( {\frac{U}{Z}} \right)^2} = R\,{I^2}\)