SKKN: Hướng dẫn học sinh giải các bài toán điện xoay chiều bằng phương pháp giản đồ véc tơ

Chia sẻ: Lê Thị Diễm Hương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

342
lượt xem 69
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đưa ra các phương pháp giải các bài toán trắc nghiệm một cách nhanh chóng đồng thời có khả năng trực quan hoá tư duy của học sinh và lôi cuốn được nhiều học sinh tham gia vào quá trình giải bài tập cũng như giúp một số học sinh không yêu thích hoặc không giỏi môn Vật lý cảm thấy đơn giản hơn trong việc giải các bài tập trắc nghiệm Vật lý. Mời quý thầy cô tham khảo sáng kiến “Hướng dẫn học sinh giải các bài toán điện xoay chiều bằng phương pháp giản đồ véc tơ”.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: SKKN: Hướng dẫn học sinh giải các bài toán điện xoay chiều bằng phương pháp giản đồ véc tơ

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI CÁC BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ VÉC TƠ
MỞ ĐẦU. I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Môn Vật lý là một bộ phận khoa học tự nhiên nghiên cứu về các hiện tượng vật lý nói chung và điện học nói riêng. Những thành tựu của vật lý được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất và ngược lại chính chính thực tiễn sản xuất đã thúc đẩy khoa học vật lý phát triển. Vì vậy học vật lý không chỉ đơn thuần là học lý thuyết vật lý mà phải biết vận dụng vật lý vào thực tiễn sản xuất. Do đó trong quá trình giảng dạy người giáo viên phải rèn luyện cho học sinh có được những kỹ năng, kỹ xảo và thường xuyên vận dụng những hiểu biết đã học để giải quyết những vấn đề thực tiễn đặt ra. Bộ môn vật lý được đưa vào giảng dạy trong nhà trường phổ thông nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, có hệ thống toàn diện về vật lý. Hệ thống kiến thức này phải thiết thực và có tính kỹ thuật tổng hợp và đặc biệt phải phù hợp với quan điểm vật lý hiện đại. Để học sinh có thể hiểu được một cách sâu sắc và đủ những kiến thức và áp dụng các kiến thức đó vào thực tiễn cuộc sống thì cần phải rèn luyện cho các học sinh những kỹ năng, kỹ xảo thục hành như: Kỹ năng, kỹ xảo giải bài tập, kỹ đo lường, quan sát …. Bài tập vật lý với tư cách là một phương pháp dạy học, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học vật lý ở nhà trường phổ thông. Thông qua việc giải tốt các bài tập vật lý các học sinh sẽ có được những những kỹ năng so sánh, phân tích, tổng hợp … do đó sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển tư duy của học sinh. Đặc biệt bài tập vật lý giúp học sinh cũng cố kiến thúc có hệ thống cũng như vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết những tình huống cụ thể, làm cho bộ môn trở nên lôi cuốn, hấp dẫn học sinh hơn. Hiện nay, trong xu thế đổi mới của ngành giáo dục về phương pháp giảng dạy cũng như phương pháp kiểm tra đánh giá kết quả giảng dạy và thi tuyển. Cụ thể là phương pháp kiểm tra đánh giá bằng phương tiện trắc nghiệm khách quan. Trắc nghiệm khách quan đang trở thành phương pháp chủ đạo trong kiểm tra đánh giá chất lượng dạy và học trong nhà trường THPT. Điểm đáng lưu ý là nội dung kiến thức kiểm tra tương đối rộng, đòi hỏi học sinh phải học kĩ, nắm vững toàn bộ kiến thức của chương trình, tránh học tủ, học lệch và để đạt được kết quả tốt trong việc kiểm tra, thi tuyển học sinh không những
phải nắm vững kiến thức mà còn đòi hỏi học sinh phải có phản ứng nhanh đối với các dạng toán, đặc biệt các dạng toán mang tính chất khảo sát mà các em thường gặp. Với mong muốn tìm được phương pháp giải các bài toán trắc nghiệm một cách nhanh chóng đồng thời có khả năng trực quan hoá tư duy của học sinh và lôi cuốn được nhiều học sinh tham gia vào quá trình giải bài tập cũng như giúp một số học sinh không yêu thích hoặc không giỏi môn vật lý cảm thấy đơn giản hơn trong việc giải các bài tập trắc nghiệm vật lý, tôi chọn đề tài: “Hướng dẫn học sinh giải các bài toán điện xoay chiều bằng phương pháp giản đồ véc tơ” II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. - Làm quen với công tác nghiên cứu khoa học - Tìm cho mình một phương pháp để tạo ra không khí hứng thú và lôi cuốn nhiều học sinh tham gia giải các bài tập lý, đồng thời giúp các em đạt được kết quả cao trong các kỳ thi. III, NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU. Trong đề tài này tôi lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau: - Lý thuyết về mạch điện xoay chiều -Lý thuyết về giản đồ véc tơ - Vận dung lý thuyết trên để giải một số bài toán IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết - Giải các bài tập vận dụng V. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Trong việc giải các bài tập về dòng điện xoay chiều, đa số học sinh thường dùng phương pháp đại số còn phương pháp giản đồ véc tơ thì học sinh thường ngại dùng. Điều đó là rất đáng tiếc vì phương pháp giản đồ véc tơ dùng giải các bài toán điện xoay chiều rất hay và ngắn gọn đặc biệt là các bài toán liên quan đến độ lệch pha. Có nhiều bài toán khi giải bằng phương pháp đại số rất dài dòng và phức tạp còn khi giải bằng phương pháp giản đồ véc tơ thì tỏ ra rất hiệu quả ở sự ngắn gọn, trực quan.
Việc khai thác có hiệu quả phương pháp, sẽ góp phần nâng cao chất lượng nắm kiến thức cũng như khả năng vận dụng để đạt kết quả tốt trong các kỳ thi. VI. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI -Trong giới hạn đề tài tôi chỉ đưa ra phương pháp giải nhanh bài toán khảo sát mạch điện bằng phương pháp giản đồ véc tơ. - Đối tượng áp dụng:Tất cả các học sinh V. NỘI DUNG: CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 1 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU * Cách tạo ra dòng điện xoay chiều Khung dây kim loại kín quay đều với vận tốc góc w quanh trục đối xứng của nó ® trong từ trường đều có véc tơ cảm ứng từ B vuông góc với trục quay thì trong mạch có dòng điện biến thiên điều hòa với tần số góc w gọi là dòng điện xoay chiều. Khi khung dây quay một vòng (một chu kì) dòng điện trong khung dây đổi chiều 2 lần. * Hiệu điện thế xoay chiều, cường độ dòng điện xoay chiều Nếu i = Iocoswt thì u = Uocos(wt + j). Nếu u = Uocoswt thì i = Iocos(wt - j) 1 wL - U Z -Z wC . Với Io = o ; Z = R 2 + (Z L - Z C ) 2 ; tgj = L C = Z R R * Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều Io Uo Eo I= ;U= và E = . 2 2 2 * Lý do sử dụng các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều + Với dòng điện xoay chiều ta khó xác định các giá trị tức thời của i và u vì chúng biến thiên rất nhanh, cũng không thể lấy giá trị trung bình của chúng vì trong một chu kỳ, giá trị đó bằng 0. + Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta cần quan tâm tới không phải là tác dụng tức thời của nó ở từng thời điểm mà là tác dụng của nó trong một thời gian dài. + Tác dụng nhiệt của dòng điện tỉ lệ với bình phương của cường độ dòng điện nên không phụ thuộc vào chiều dòng điện.
+ Ampe kế và vôn kế đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện nên gọi là ampe kế nhiệt và vôn kế nhiệt, số chỉ của chúng là cường độ hiệu dụng và hiệu điện thế hiệu dụng của dòng điện xoay chiều. * Các loại đoạn mạch xoay chiều UR + Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần: uR cùng pha với i ; I = R p + Đoạn mạch chỉ có tụ điện: uC trể pha hơn i góc . 2 UC 1 I = ; với ZC = là dung kháng của tụ điện. ZC wC p + Đoạn mạch chỉ có cuộn dây thuần cảm: uL sớm pha hơn i góc . 2 UL I= ; với ZL = wL là cảm kháng của cuộn dây. ZL + Đoạn mạch có R, L, C mắc nối tiếp (không phân nhánh): Độ lệch pha j giữa u và i xác định theo biểu thức: 1 wL + Z L - ZC wC tgj = = R R U Cường độ hiệu dụng xác định theo định luật Ôm: I = . Z Với Z = R 2 + (Z L - Z C ) 2 là tổng trở của đoạn mạch. + Cộng hưởng trong đoạn mạch RLC 1 Khi ZL = ZC hay w = thì dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại Imax = LC U U2 , công suất trên mạch đạt giá trị cực đại Pmax = , u cùng pha với i (j = 0). R R Khi ZL > ZC thì u nhanh pha hơn i (đoạn mạch có tính cảm kháng). Khi ZL < ZC thì u trể pha hơn i (đoạn mạch có tính dung kháng). R tiêu thụ năng lượng dưới dạng toả nhiệt, ZL và ZC không tiêu thụ năng lượng của nguồn điện xoay chiều. * Cách nhận biết cuộn dây có điện trở thuần r + Xét toàn mạch, nếu: Z ¹ R 2 + (Z L - Z C ) 2 ; U ¹ U R + (U L - U C ) 2 hoặc P ¹ I R 2 2 R hoặc cosj ¹ thì cuộn dây có điện trở thuần r ¹ 0. Z + Xét cuộn dây, nếu: Ud ¹ UL hoặc Zd ¹ ZL hoặc Pd ¹ 0 hoặc cosjd ¹ 0 hoặc jd ¹ p thì cuộn dây có điện trở thuần r ¹ 0. 2
* Công suất của dòng điện xoay chiều U 2R + Công suất của dòng điện xoay chiều: P = UIcosj = I2R = . Z2 R + Hệ số công suất: cosj = . Z + Ý nghĩa của hệ số công suất cosj - Trường hợp cosj = 1 tức là j = 0: mạch chỉ có R, hoặc mạch RLC có cộng U2 hưởng điện (ZL = ZC) thì P = Pmax = UI = . R p - Trường hợp cosj = 0 tức là j = ± : Mạch chỉ có L, hoặc chỉ có C, hoặc có 2 cả L và C mà không có R thì P = Pmin = 0. - Để nâng cao hệ số công suất của mạch bằng cách mắc thêm vào mạch cuộn cảm hoặc tụ điện thích hợp sao cho cảm kháng và dung kháng của mạch xấp xỉ bằng nhau để cosj » 1. - Đối với các động cơ điện, tủ lạnh, … nâng cao hệ số công suất cosj để giảm cường độ dòng điện. 2. PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ VÉC TƠ. Trong các tài liệu hiện có, các tác giả hay đề cập đến hai phương pháp, phương pháp véc tơ buộc và phương pháp véc tơ trượt. Hai phương pháp đó là kết quả của việc vận dụng hai quy tắc cộng véc tơ trong hình học: quy tắc hình bình hành và quy tắc tam giác. Theo chúng tôi, một trong những vấn đề trọng a) b) tâm của việc giải bài toán bằng giản đồ véc tơ là Hình 1.1 cộng các véc tơ. 2.1. Các quy tắc cộng véc tơ r r Trong toán học để cộng hai véc tơ a vµ b , SGK hình học 10, giới thiệu hai quy tắc: quy tắc tam giác và quy tắc hình bình hành. 2.1.a Quy tắc tam giác
v Nội dung của quy tắc tam giác là: Từ điểm A tuỳ ý ta vẽ véc tơ AB = a , rồi từ điểm B ta vẽ r r r véc tơ BC = b . Khi đó véc tơ AC được gọi là tổng của hai véc tơ a vµ b (Xem hình 2.1.a). 2.1.b. Quy tắc hình bình hành v r Nội dung của quy tắc hình bình hành là: Từ điểm A tuỳ ý ta vẽ hai véc tơ AB = a vµ AD = b , sau đó dựng điểm C sao cho ABCD là hình bình hành thì véc tơ AC được gọi là tổng của hai r r véc tơ a vµ b (xem hình 2.1.b). Ta thấy khi dùng quy tắc hình bình hành các véc tơ đều có chung một gốc A nên gọi là các véc tơ buộc. Vận dụng quy tắc hình bình hành để cộng các véc tơ trong bài toán điện xoay chiều ta có phương pháp véc tơ buộc, còn nếu vận dụng quy tắc tam giác thì ta có phương pháp véc tơ trượt (“các véc tơ nối đuôi nhau”) 2.2. Cơ sở vật lí của phương pháp giản đồ véc tơ Xét mạch điện như hình1.2. a. Đặt vào 2 đầu đoạn AB một hiệu điện thế xoay chiều. Tại một thời điểm bất kì, cường độ dòng điện ở mọi chỗ trên mạch điện là như nhau. Nếu cường độ dòng điện đó có biểu thức là: i = Iocoswt thì biểu thức hiệu điện thế giữa hai điểm AM, MN và NB lần lượt là: æ pö U AM = U 2 cosç wt + ÷ è 2ø . U MN = U 2 cos(wt ) æ pö U NB = U 2 cosç wt - ÷ è 2ø + Do đó hiệu điện thế hai đầu A, B là: u AB = u AM + u MN + u NB . + Các đại lượng biến thiên điều hoà cùng tần số nên chúng có thể biểu diễn bằng các véc tơ Frexnel: r r r r U AB = U L + U R + U C (trong đó độ lớn của các véc tơ biểu thị hiệu điện thế hiệu dụng của nó). + Để thực hiện cộng các véc tơ trên ta phải vận dụng một trong hai quy tắc cộng véc tơ. 2.2.a. Phương pháp véc tơ trượt Vẽ giản đồ véc tơ theo phương pháp véc tơ trượt gồm các bước như sau (Xem hình 1.2. b): + Chọn trục ngang là trục dòng điện, điểm đầu mạch làm gốc (đó là điểm A). + Vẽ lần lượt các véc tơ: AM, MN, NB “nối đuôi nhau” theo nguyên tắc: R - đi ngang, L - đi lên, C - đi xuống. + Nối A với B thì véc tơ AB biểu diễn hiệu điện thế uAB. Tương tự, véc tơ AN biểu diễn hiệu điện thế uAN, véc tơ MB biểu diễn hiệu điện thế uNB.
+ Nếu cuộn dây không thuần cảm (trên đoạn AM có cả L và r (Xem hình 1.2.a dưới đây)) thì r r r r r U AB = U L + U r + U R + U C ta vẽ L trước như sau: L - đi lên, r - đi ngang, R - đi ngang và C - đi xuống (xem hình 1.2.b) hoặc vẽ r trước như sau: r - đi ngang, L - đi lên, R - đi ngang và C - đi xuống (Xem hình 1.2.c). + Nếu mạch điện có nhiều phần tử (Xem hình 1.2.d) thì ta cũng vẽ được giản đồ một cách đơn giản như phương pháp đã nêu (Xem hình 1.2.e). r r + Góc hợp bởi hai vec tơ a vµ b là góc BAD (nhỏ hơn 1800). Việc giải các bài toán là nhằm xác định độ lớn các cạnh và các góc của các tam giác hoặc tứ giác, nhờ các hệ thức lượng trong tam giác vuông, các hệ thức lượng giác, các định lí hàm số sin, hàm số cos và các công thức toán học. + Trong toán học một tam giác sẽ giải được nếu biết trước 3 (hai cạnh một góc, hai góc một cạnh, ba cạnh) trong số 6 yếu (ba góc trong và ba cạnh). Để làm điều đó ta sử dụng các định lí hàm số sin và định lí hàm số cosin (xem hình bên). Hình 1.2
ì a b c ï sin A = sin B = sin C ï 2 ïa = b 2 + c 2 - 2bc. cos A í ïb 2 = c 2 + a 2 - 2ca .cos B ï ïc 2 = a 2 + b 2 - 2ab.cos C î giản đồ véctơ tam giác biết trước ba yếu tố (hai cạnh một góc, hai góc một cạnh), sau đó giải tam giác đó để tìm các yếu tố chưa biết, cứ tiếp tục như vậy cho các tam giác còn lại. Độ dài cạnh của tam giác trên giản đồ biểu thị hiệu điện thế hiệu dụng, độ lớn góc biểu thị độ lệch pha. 2.2.b. Phương pháp véc tơ buộc. ( Vẽ giản đồ véc tơ Frexnel) + Chọn trục ngang là trục dòng điện, điểm O làm gốc. r r r + Vẽ lần lượt các véc tơ: U R , U L U C “cùng chung r r r một gốc O” theo nguyên tắc: U R - trùng với I , U L r p r r p - sớm hơn I là , U C - trễ hơn I là . 2 2 r r r + Cộng hai véc tơ cùng phương ngược chiều U L vµ U C trước sau đó cộng tiếp với véc tơ U R theo quy tắc hình bình hành (xem hình trên). + Chú ý đến một số hệ thức trong tam giác vuông: ìa 2 = b 2 + c 2 ï ï1 1 1 í 2 = 2 + 2 ïh b c ïh = b'.c' î 2
CHƯƠNG 2: BÀI TẬP ÁP DỤNG 1. BÀI TOÁN HIỆU ĐIỆN THẾ VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN. Bài 1: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ. Cuộn dây thuần cảm. Cho biết hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai điểm A, B là U AB = 200 (V ) , giữa hai điểm A, M là U AM = 200 2 (V ) và giữa M, B là U MB = 200 (V ) . Tính hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai đầu điện trở và hai đầu tụ điện. Giải: Cách 1: Phương pháp véctơ buộc (xem hình 2. 1.a). + Vì U AB = U MB = 200 (V ) nên tam giác OU ABU MB là tam giác cân tại O. Chú ý ( 200 2 + 200 2 = 200 2 )2 nên tam giác đó là tam giác vuông cân tại O. U MB + Do đó tam giác OU RU MB cũng là tam giác vuông cân tại U R : Þ U R = U C = = 100 2 . 2 Cách 2: Phương pháp véctơ trượt (xem hình2. 1.b). + Dễ thấy 200 2 + 200 2 = (200 2 ) nên DABM vuông cân tại B, suy ra a = 45 0 Þ b = 45 0 ® 2 DMNB vuông cân tại N MB Þ U R = UC = = 100 2 . 2 ĐS: U R = U C = 100 2 Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ bên. Điện trở R = 80 (W ) , các vôn kế có điện trở rất lớn. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế u AB = 240 2cos100p t (V ) thì dòng điện chạy trong mạch có giá trị hiệu dụng I = 3 ( A) . Hiệu điện thế
p tức thời hai đầu các vôn kế lệch pha nhau , còn số chỉ của vôn kế V2 là U V 2 = 80 3 (V ) . Xác 2 định L, C, r và số chỉ của vôn kế V1 . Giải Cách 1: Phương pháp véc tơ buộc (xem hình 2.2). Sử dụng định lí hàm số cosin cho tam giác thường: cos j = ( 240 2 + 80 3 ) - (80 3 ) 2 2 = 3 Þ j = 30 0 Þ a = 30 0 2.240.80 3 2 U C 80 + U C = U R tga = 80 (V ) Þ Z C = = (W ) . I 3 U L 200 U L = U C + 80 3 sin 2j = 200 (V ) Þ Z L = = (W ) I 3 + Số chỉ của Vôn kế V1: UR U V 1 = U AN = = 160 (V ) . cos a Cách 2: Phương pháp véc tơ trượt. Vẽ giản đồ véc tơ (xem hình 2.3). Gọi các góc như trên hình. Theo bài ra: U R = I .R = 80 3 (V ) . Sử dụng định lí hàm số cosin cho tam giác thường DABN: AB 2 + AM 2 - MB 2 240 2 3 cos j = = = 2. AB. AM 2.240.80 3 2 Ù Þ j = 30 0 Þ b = 90 0 - A B M = 60 0 Þ a = 60 0 - j = 30 0 ì U L 200 ìU C = MN = AMtg 30 0 = 80 (V ), ïZ L = I = (W ) = 100pL Þ L = 2 (H ) 3p + Xét DAMN: ï .Þ ï 3 í í = 160 (V ) AM -3 ïU V 1 = AN = ïZ = U C = 80 (W ) = 1 Þ C = 3.10 (F ) î cos 30 0 ï C î I 3 100pC 8p + Xét DABG: U L = U C + GB = U C + AB. sin j = 200 (V ) . U r AG - AM AB. cos j - AM Þr= = = = 40 (W ) . I I I
2 3.10 -3 ĐS: L = (H ), C = (F ) , r = 40 (W ) , số chỉ vôn kế V1 3p 8p là 80 (V ) . Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ bên. Giá trị của các phần tử trong mạch L = 1 (H ), C = 50 (F ), R = 2r . Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch p p u = U 0 co s100p t (V ) . Hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai điểm A, N là U AN = 200 (V ) và hiệu điện thế p tức thời giữa hai điểm MN lệch pha so với hiệu điện thế tức thời giữa hai điểm AB là . Xác 2 định các giá trị U 0 , R, r . Viết biểu thức dòng điện trong mạch. Giải: Cách 1: Phương pháp véc tơ trượt. + Vẽ giản đồ véc tơ (xem hình 2.4). + M l Aà trực tâm của DABN . ìZ C = 2 Z L ï + Vì íÞ U C = 2U L . Do đó, AO là đường trung tuyến của DABN . Vì ïÞ NO = OB î 1 R = 2r Þ U R = 2U r Þ MO = AO . Suy ra, M là trọng tâm của DABN . 3 + Vậy, M vừa là trọng tâm vừa là trực tâm của DABN , do đó DABN đều, tức là: AB = AN = NB = 200 (V ) . + Tính được: U 0 = U AB 2 = AB 2 = 200 2 (V ) U C NB 200 + Cường độ hiệu dụng: I = = = = 1 ( A) ZC Z C 200 + Từ giản đồ tính được: 2 2 200 UR = AO = .200 sin 60 0 = (V ) 3 3 3 U 200 R 100 ÞR= R = (W), r = = (W ) I 3 2 3 p + Từ giản đồ nhận thấy, i AB sớm pha hơn u AB là . 6 p + Vậy, biểu thức dòng điện: i = 2cos æ100p t + ö ( A ) . ç ÷ è 6ø Cách 2: Phương pháp véc tơ buộc (xem hình 2.5.).
+ Tương tự như cách 2, ta thấy tam giác OFE là tam giác đều vì G vừa là trọng tâm vừa là trực tâm, suy ra: U AB = U C = U AN = 200 (V ), j = 30 0 . + Tính được: U 0 = U AB 2 = 200 2 (V ) U C 200 + Cường độ hiệu dụng: I = = = 1 ( A) Z C 200 2 2 2 200 + U R = OH = U AB cos j = .200 cos 30 0 = (V ) 3 3 3 3 U R 200 100 p ÞR= = (W), r = (W) . Từ giản đồ nhận thấy, i AB sớm pha hơn u AB là . I 3 3 6 Vậy, biểu thức dòng điện: æ pö i = 2cos ç100p t + ÷ ( A ) . è 6ø Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ bên. Điện trở thuần R = 120 3 (W ) , cuộn dây có điện trở thuần r = 30 3 (W ) . Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch có biểu thức: u AB = U 0cos100p t (V ) , hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai điểm A, N là U AN = 300 (V ) , và giữa hai điểm M, B là U MB = 60 3 (V ) . Hiệu điện thế tức thời u AN lệch pha so p với u MB là . Xác định U0, độ tự cảm của cuộn dây L và điện dung của tụ điện C. Viết biểu 2 thức dòng điện trong mạch. Giải: Cách 1: Phương pháp véc tơ trượt (hình 2.6.). 1 + Kẻ ME // AN Þ ME = AN = 60 (V ) 4 1 + Vì R = 4r nên U R = 4U r Þ MO = AO 5 ME 1 + Xét DMBE : tga = = Þ a = 30 0 . MB 3 + Xét DMOB : OB = MB cos a = 90(V ) ìU L = ON = AN sin a = 150 (V ) + Xét DAOB : í îOA = AN cos a = 150 3 (V ) OA U Þ Ur = = 30 3 (V ) Þ I = r = 1( A) 5 r UL 1,5 U L = 150 (V ) Þ Z L = = 150 (W) = 100pL Þ L = (H ) I p
10 -3 U C = OB + U L = 240 (V ) Þ Z C = 240 (W) Þ C = (F ) 24p + U 0 = U AB 2 = 2 AO 2 + OB 2 = 60 42 (V ) + Độ lệch pha uAB so với dòng điện: Z L - ZC 3 tgj AB = =- Þ j AB » -0,106p R+r 5 + Biểu thức dòng điện: i = 2cos (100p t + 0,106p ) ( A) Cách 2: Phương pháp véc tơ buộc (hình 2.7). U R + U r 5U r U r + Xét tam giác vuông phía trên (chú ý U R = 4U r ): cos a = = = 300 300 60 Ur + Xét tam giác vuông phía dưới: sin a = 60 3 1 + Suy ra: tga = Þ a = 30 0 3 + Từ đó tính ra: Ur U r = 60 3. sin a = 30 3 (V ) Þ I = = 1 ( A) r U L = 300. sin a = 150 (V ) Þ Z L = = 150 (W ) U C = U L + 60 3. cos a = 240 (V ) Þ Z C = 240 (W ) . UL I + U 0 = U AB 2 = I .Z AB 2 = 60 42 (V ) . + Độ lệch pha uAB so với dòng điện: Z L - ZC 3 tgj AB = =- Þ j AB » -0,106p R+r 5 + Biểu thức dòng điện: i = 2cos (100p t + 0,106p ) ( A) 2.BÀI TOÁN HỘP ĐEN. Bài toán trong mạch điện có chứa một hộp kín. BÀI 1: Cho mạch điện như hình vẽ UAB = 120(V); ZC = 10 3 (W) C R R = 10(W); uAN = 60 6 cos100p t ( v ) X A M N B UAB = 60(v) a. Viết biểu thức uAB(t) b. Xác định X. Biết X là đoạn mạch gồm hai trong ba phần tử (Ro, Lo (thuần), Co) mắc nối tiếp Giải:
a. Vẽ giản đồ véc tơ cho đoạn mạch đã biết A Phần còn lại chưa biết hộp kín chứa gì vì vậy ta giả sử nó là một véc tơ bất kỳ tiến theo chiều dòng điện sao cho: NB = 60V, AB = 120V, AN = 60 3V + Xét tham giác ANB, ta nhận thấy A i 2 2 2 AB = AN + NB , vậy đó là tam giác vuông tại N UAB U NB 60 1 A N B tga = = = UC AN 60 3 3 B UN Ul 0 p p M N UR0 D Þ a= Þ UAB sớm pha so với UAN 1 góc UR 6 6 p ® Biểu thức uAB(t): uAB= 120 2 cos æ 100p t + ö (V) ç ÷ è 6ø b. Xác định X Từ giản đồ ta nhận thấy NB chéo lên mà trong X chỉ chứa 2 trong 3 phần tử nên X phải chứa Ro và Lo. Do đó ta vẽ thêm được U R vµ U L như hình vẽ. 0 0 UR R 1 p + Xét tam giác vuông AMN: tgb = = = Þb= UC ZC 3 6 + Xét tam giác vuông NDB 3 U R = U NB cos b = 60. = 30 3 (V) O 2 1 U L = U NB sin b = 60. = 30(V ) O 2 1 Mặt khác: UR = UANsinb = 60 3. = 30 3 ( v ) 2 30 3 ÞI= = 3 3 (A) 10 ì UR 30 3 ïR O = = = 10(W) O ï I 3 3 Þí ïZ = U L = 30 = 10 (W) Þ L = 10 = 0,1 (H) O ï L î O I 3 3 3 O 100p 3 3p BÀI 2: Cho mạch điện như hình vẽ: p C R UAB = cost; uAN = 180 2 cos æ 100p t - ö (V ) ç è 2ø ÷ X A M N B ZC = 90(W); R = 90(W); uAB = 60 2 cos100p t (V )
a. Viết biểu thức uAB(t) b. Xác định X. Biết X là đoạn mạch gồm hai trong ba phần tử (RO, Lo (thuần), CO) mắc nối tiếp. Giải a. Viết biểu thức uAB(t). Vẽ giản đồ véc tơ cho đoạn mạch đã biết AN. Phần còn lại chưa biết hộp kín chứa gì, vì vậy ta A giả sử nó là một véc tơ bất kỳ tiến theo chiều dòng điện sao cho uNB i p sớm pha so với uAN U AB 2 U A + Xét tam giác vuông ANB N B UC NB U NB 60 1 B * tga = = = = UN Uc 0 AN U AN 180 3 Þ a » 800 = 0,1p(rad) M UR N U R0 D Þ uAB sớm pha so với uAN một góc 0,1p * U 2 = U 2 + U 2 = 1802 + 602 » 1900 Þ UAb = 190(V) AB AN NB p ® biểu thức uAB(t): uAB = 190 2 cos æ 100p t - + 0,1p ö ç ÷ è 2 ø = 190 2 cos (100p t - 0,4p ) (V ) b. Xác định X. Từ giản đồ ta nhận thấy NB chéo lên mà trong X chỉ chứa hai trong 3 phần tử trên X phải chứa RO và LO. Do đó ta vẽ thêm được U R vµ U L như hình vẽ. O O UR R 90 + Xét tam giác vuông AMN: tgb = = = =1 U C Z C 90 Þ b = 450 2 U 90 2 Þ UC = UAN.cosb = 180. = 90 2 Þ I = C = = 2 (A) 2 ZC 90 + Xét tam giác vuông NDB 2 30 2 U R = U NB cos b = 60. = 30 2 (V) Þ R 0 = = 30(W) O 2 2 b = 450 Þ ULo = URo= 30 2 (V) ® ZLo = 30(W) 30 0,3 Þ LO = = (H ) 100p p 2. Bài toán trong mạch điện có chứa hai hộp kín BÀI 2: Một mạch điện xoay chiều có sơ đồ như hình vẽ. Trong hộp X và Y chỉ có một linh kiện a X Y A M B
hoặc điện trở, hoặc cuộn cảm, hoặc là tụ điện. Ampe kế nhiệt (a) chỉ 1A; UAM = UMB = 10V UAB = 10 3V . Công suất tiêu thụ của đoạn mạch AB là P = 5 6 W. Hãy xác định linh kiện trong X và Y và độ lớn của các đại lượng đặc trưng cho các linh kiện đó. Cho biết tần số dòng điện xoay chiều là f = 50Hz. . Giải: P Hệ số công suất: cos j = UI 5 6 2 p B Þ cos j = = Þj=± 1.10 3 2 4 UL p Y * Trường hợp 1: uAB sớm pha so với i UY B 4 UA M UR Y ìU AM = U MB 0 30 K Þ giản đồ véc tơ Vì: í 0 45 15 U UL 0i X îU AB = 3U AM A UR H X U AB 10 3 Þ DAMB là D cân và UAB = 2UAMcosa Þ cosa = = 2U AM 2.10 3 Þ cosa = Þ a = 30 0 2 a. uAB sớm pha hơn uAM một góc 300 Þ UAM sớm pha hơn so với i 1 góc jX = 450 - 300 = 150 Þ X phải là 1 cuộn cảm có tổng trở ZX gồm điện trở thuận RX và độ tự cảm LX U 10 Ta có: Z X = AM = = 10(W) I 1 Xét tam giác AHM: + U R = U X cos 15 0 Þ R X = Z X cos 15 0 X Þ RX = 10.cos150 = 9,66(W) + UL X = U X sin 15 0 Þ Z L = Z X sin 15 0 = 10 sin 15 0 = 2,59(W) X 2,59 K UR Y B Þ LX = = 8,24(mH ) UL 100p H Y M U Y Xét tam giác vuông MKB: MBK = 150 (vì đối xứng) UR X X UX B Þ UMB sớm pha so với i một góc jY = 900 - 150 = 750 UL 0 UA 30 Þ Y là một cuộn cảm có điện trở RY và độ tự cảm LY + RY = Z L (vì UAM = UMB) Þ RY = 2,59(W) 45 0 i X A + Z L = R X = 9,66(W) Þ LY = 30,7m(H) Y
b. uAB trễ pha hơn uAM một góc 300 U AM 10 Tương tự ta có:+ X là cuộn cảm có tổng trở ZX = = = 10(W) I 1 Cuộn cảm X có điện trở thuần RX và độ tự cảm LX với RX = 2,59(W); RY=9,66(W) p * Trường hợp 2: uAB trễ pha so với i, A i 4 45 0 khi đó uAM và uMB cũng trễ pha hơn i (góc 150 300 M và 750). Như vậy mỗi hộp phải chứa tụ điện có tổng trở ZX, ZX gồm điện trở thuần RX, RY và dung kháng CX, CY. Trường hợp này không thể thoả mãn vì tụ điện không có điện trở M’ B BÀI 2: Cho hai hộp kín X, Y chỉ chứa 2 trong a M ba phần tử: R, L (thuần), C mắc nối tiếp. Khi X Y A B mắc hai điểm A, M vào hai cực của một nguồn v1 v2 điện một chiều thì Ia = 2(A), UV1 = 60(V). Khi mắc hai điểm A, B vào hai cực của một nguồn điện xoay chiều tần số 50Hz thì Ia = 1(A), Uv1 = 60v; UV2 = 80V,UAM lệch pha so với UMB một góc 1200, xác định X, Y và các giá trị của chúng. Giải * Vì X cho dòng điện một chiều đi qua nên X không chứa tụ điện. Theo đề bài thì X chứa 2 trong ba phần tử nên X phải chứa điện trở thuần (RX) và cuộn dây thuần cảm (LX). Cuộn U V 60 dây thuần cảm không có tác dụng với dòng điện một chiều nên: RX = = = 30(W) 1 I 2 U V 60 * Khi mắc A, B vào nguồn điện xoay chiều ZAM = = 1 = 60(W) = R 2 + Z 2 X L I 1 X ZL Þ Z L = 60 2 - 30 2 = 3.30 2 Þ Z L = 30 3 (W) tgjAM= = 3 Þ j AM = 60 0 X X X RX * Vẽ giản đồ véc tơ cho đoạn AM. Đoạn mạch MB tuy chưa biết nhưng chắc chắn trên giản M đồ nó là một véctơ tiến theo chiều dòng điện, uuu r có độ dài = U V = 80V và hợp với véc tơ AB M Ul x 2 UA một góc 1200 Þ ta vẽ được giản đồ véc tơ cho AM A i toàn mạch. Ur x Từ giản đồ véc tơ ta thấy MB buộc phải chéo
xuống thì mới tiến theo chiều dòng điện, do đó Y phải chứa điện trở thuần (RY) và tụ điện CY. + Xét tam giác vuông MDB M Ur y D 120 0 1 30 0 U R = U MB sin 30 0 = 80. = 40(V) 30 0 2 M Y UA UM UR Ul x Uc y 40 B Þ RY = Y = = 40(W) I 1 0 60 0 i Ur x 30 3 A U L = U MB cos 30 0 = 80. = 40 3 (V) Þ Z L = 40 3 (W) UAB Y 2 Y B 40 3 0,4 3 Þ LY = = (H) 100p p 3. Bài toán này trong mạch điện có chứa ba hộp kín BÀI 1: Cho mạch điện chứa ba linh a M N kiện ghép nối tiếp: X * Y * Z A B R, L (thuần) và C. Mỗi linh kiện chứa trong một hộp kín X, Y, Z Đặt vào hai đầu A, B của mạch điện một hiệu điện thế xoay chiều u = 8 2 cos 2p ft (V ) Khi f = 50Hz, dùng một vôn kế đo lần lượt được UAM = UMN = 5V UNB = 4V; UMB = 3V. Dùng oát kế đo công suất mạch được P = 1,6W Khi f ¹ 50Hz thì số chỉ của ampe kế giảm. Biết RA » O; RV » ¥ N a. Mỗi hộp kín X, Y, Z chứa linh kiện gì ? b. Tìm giá trị của các linh kiện. Giải N UMN UM 8 2 Theo đầu bài: U AB = = 8(V) 2 MN Khi f = 50Hz A UAM M UMB B UAM = UMN = 5V; UNB = 4V; UMB = 3V Nhận thấy: + UAB = UAM + UMB (8 = 5 + 3) Þ ba điểm A, M và B thẳng hàng + U 2 = U 2 + U 2 (52 = 42 + 32) Þ Ba điểm M, N, B tạo thành tam giác vuông tại B. MN NB MB Þ Giản đồ véc tơ của đoạn mạch có dạng như hình vẽ. Trong đoạn mạch điện không phân nhánh RLC ta có U C ^ U R vµ U C muộn pha hơn U R Þ U AM biểu diễn
hiệu điện thế hai đầu điện trở R (X chứa R) và U NB biểu diễn hiệu điện thế hai đầu tụ điện (Z p chứa C). Mặt khác U MN sớm pha so với U AM một góc jMN < chứng tỏ cuộn cảm L có điện 2 trở thuần r, U MB biểu diễn U r và Y chứa cuộn cảm có độ tự cảm L và điện trở thuần r. b. f ¹ 50Hz thì số chỉ của (a) giảm khi f = 50Hz thì trong mạch có cộng hưởng điện. ì P ï cos j = 1 cos j = 1 Þ P = I.U AB ® I = Þï í U AB ïZ = Z 1,6 ï L ÞI= = 0,2 ( A ) î C 8 UA 5 +R= = = 25 ( W ) I 0 ,2 ì 20 0 ,2 Þ U 3 ï L = 100 p = p ( H ) ï + Z L = Z C = NB = = 15 ( W ) Þ í I 0 ,2 ïC = 1 10 - 3 ï = (F ) î 20 . 100 p 2p U U 3 + r = r = MB = = 15 ( W ) I I 0 ,2 3.BÀI TOÁN KHẢO SÁT ĐIỆN ÁP THEO L VÀ C: 1. Biện luận điện áp theo L: - Vẽ giản đồ véc tơ, lấy trục dòng điện làm gốc, các véc tơ chỉ các giá trị hiệu dụng.A ur U ur ur ur ur ur ur Ta có: U = U R + U L + U C = U RC + U L - áp dụng định lí hàm sin trong tam giác ABO. O ur ur r UR I AB OA OB UL U U UL = = Û = = RC (1 ) sin b sin B sin A sin b sin B sin A + Tìm UL max: u r U UC (1 ) Þ U L = sin b ur sin B B U RC UR R Ta có: U = const, sinB = = = const. Vậy U RC R + ZC 2 2 p U R 2 + ZC 2 UL max khi sin b đạt giá trị max Þ sin b = 1( b = ) Þ U L ( max) = (1) 2 R + Tìm L: U RC ZC (1 ) U L = sin b . Vì tam giác ABO vuông ở O nên sinA = CosB = sin A R 2 + ZC 2 U RC R 2 + ZC 2 R2 + ZC 2 Þ UL = R 2 + ZC Û Z L = 2 Þ L= = C( R2 + ZC ) (2) 2 ZC ZC 1 w wC