Sáng kiến kinh nghiệm Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần dòng điện xoay chiều lớp 12 - THPT

66 trang thungat 3240

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Sáng kiến kinh nghiệm Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần dòng điện xoay chiều lớp 12 - THPT", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

sang_kien_kinh_nghiem_nhung_kho_khan_va_sai_lam_cua_hoc_sinh.docx

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần dòng điện xoay chiều lớp 12 - THPT

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ DHVL : Dạy học vật lý GV : Giáo viên HĐNT : Hoạt động nhận thức HS : Học sinh BĐT : Bất đẳng thức PPDH : Phương pháp dạy học QNSL : Quan niệm sai lầm QTDH : Quá trình dạy học SGK : Sách giáo khoa THPT : Trung học phổ thông HĐT : Hiệu điện thế
MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2 4. Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 5. Phương pháp nghiên cứu 3 6. Giả thuyết khoa học 3 8. Bố cục của đề tài 4 PHẦN NỘI DUNG 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC PHÁT HIỆN NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ SAI LẦM CỦA HỌC SINH TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 5 1.1 Nhiệm vụ của dạy học vật lý ở trường THPT 5 1.2 Quan niệm sai lầm của học sinh trong dạy học Vật lý 5 1.2.1 Quan niệm 5 1.2.2 Quan niệm của học sinh 6 1.2.3 Đặc điểm của quan niệm của học sinh 7 1.2.4 Ảnh hưởng quan niệm sai lầm của học sinh trong dạy học vật lý 8 1.2.5 Sự cần thiết phải khắc phục quan niệm sai lầm 9 1.3 Tầm quan trọng của chương “Dòng điện xoay chiều” 9 1.4 Thực trạng dạy và học chương “Dòng điện xoay chiều”- vật lý 12-THPT. 10 CHƯƠNG 2: NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ SAI LẦM CỦA HỌC SINH KHI HỌC PHẦN DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀUVÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 11 2.1 Tóm tắt lý thuyết và phân tích chương Dòng điện xoay chiều 11 2.1.1 Dòng điện xoay chiều 11 2.1.2 Mạch điện xoay chiều không phân nhánh 11 2.1.3 Máy phát điện xoay chiều 13 2.1.4 Động cơ không đồng bộ ba pha 13 2.1.5 Máy biến áp - Truyền tải điện 14 2.2 Phân phối chương trình Vật lý 12 chương “ Dòng điện xoay chiều” 14 2.3 Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” và biện pháp để khắc phục những khó khăn đó. 16 2.3.1 Những khó khăn của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” 16
2.3.2 Những sai lầm thường gặp của học sinh khi học chương “Dòng điện xoay chiều” 24 PHẦN KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật lý học là bộ môn khoa học nền tảng cung cấp cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng. Vật lý học là ngành nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy ra hằng ngày và đồng thời nghiên cứu bản chất, khảo sát về mặt định tính và tìm ra quy luật của các sự vật hiện tượng đó. Sự phát triển của vật lý học là cơ sở của nhiều ngành khoa học, kĩ thuật và công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, đa số học sinh đều thấy môn vật lý là một môn khó, đặc biệt là khi học về các lý thuyết, các định luật và vận dụng vào giải bài tập Vật lý. Trong mỗi tiết học vật lý, thời gian học lý thuyết có hạn nên học sinh cùng một lúc quan sát hiện tượng, vừa khái quát rồi ghi nhớ và vận dụng những công thức tiếp thu được để giải bài tập mà số tiết bài tập theo phân phối chương trình lại quá ít nên đa phần học sinh chỉ tiếp thu được một phần nào đó lý thuyết mà ít có điều kiện để vận dụng giải bài tập ngay tại lớp. Vì vậy, khi gặp những bài tâp định tính hoặc định lượng tương đối phức tạp thì HS gặp nhiều khó khăn và sai lầm dẫn tới kết quả không đúng hoặc hiểu sai lý thuyết nên rơi vào tình trạng sai lầm nối tiếp sai lầm. Chính vì thế mà thực trạng dạy và học Vật lý ở trường THPT là phần lớn học sinh đều gặp phải nhiều khó khăn và có xu hướng yếu dần môn vật lý. Là một giáo viên dạy vật lý trong tương lai tôi không thể không trăn trở về điều này. Làm cách nào để giúp học sinh học tốt môn vật lý hơn? Có lẽ đây là điều mà bất cứ giáo viên nào cũng quan tâm và cố gắng thực hiện. Thực tế cuộc sống cho thấy, trước một sự vật hiện tượng nào đó, các em học sinh luôn có một cách nhìn nhận, cách suy nghĩ, cảm nhận của riêng mình. Cùng một sự vật hiện tượng nhưng cách nhìn nhận, suy nghĩ và cảm nhận của các em cũng có thể ở những khía cạnh và mức độ khác nhau. Hầu hết những em học sinh bắt đầu học một môn tự nhiên hay môn vật lý đều mang theo các kinh nghiệm, quan niệm thường ngày của mình qua đó phát triển chúng để tiếp thu các kiến thức trên lớp. Những quan niệm này được tạo thành từ nhiều nguyên nhân khác nhau, tuy nhiên chúng có đặc điểm giống nhau là đều có tính phổ biến, bền vững và đa số các quan niệm đều sai lệch với bản chất sự 1
vật, hiện tượng. Chính điều này gây nhiều khó khăn trở ngại trong quá trình dạy học vật lý của giáo viên và quá trình nhận thức của học sinh. Có quan niệm cho rằng: “Dạy học là xây dựng cái mới trên nền cái cũ”, theo đó trong dạy học vật lý, việc hiểu rõ quan niệm sai lầm của học sinh và tìm ra phương pháp phù hợp để khắc phục những quan niệm đó nhằm hình thành cho học sinh kiến thức vật lý vững chắc là rất cần thiết. Một trong những chương quan trọng và gây khó khăn nhiều đối với học sinh là chương “Dòng điện xoay chiều”. Do đó, tôi đã chọn đề tài “Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần dòng điện xoay chiều lớp 12- THPT” để tìm hiểu những khó khăn và sai lầm của học sinh từ đó đưa ra những biện pháp nhằm nâng cao chất lượng dạy và học vật lý lớp 12-THPT và đồng thời giúp cho học sinh yêu thích môn học Vật lý hơn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Thông qua việc tìm hiểu quá trình dạy và học chương “Dòng điện xoay chiều” Vật lý lớp 12-THPT để tìm ra những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần này từ đó đưa ra những biện pháp khắc phục giúp cho quá trình dạy và học Vật lý có hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng dạy và học vật lý ở trường phổ thông. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Xây dựng cơ sở lý luận của đề tài, qua đó làm rõ tầm quan trọng của việc tìm ra những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” ở Vật lý lớp 12 THPT. - Tìm hiểu nội dung và phân phối chương trình hệ thống lý thuyết và bài tập Vật lý 12 của cả hai chương trình cơ bản và nâng cao để dự kiến những khó khăn và sai lầm mà học sinh có thể mắc phải khi học phần “Dòng điện xoay chiều” ở Vật lý 12 THPT. - Tìm hiểu thực tế học tập của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều”- Vật lý lớp 12 THPT. - Tìm hiểu những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” ở Vật lý 12 THPT. 2
- Đề ra biện pháp khắc phục khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” ở Vật lý 12 THPT. 4. Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Khách thể nghiên cứu: Hoạt động dạy và học vật lý của giáo viên và học sinh chương “Dòng điện xoay chiều” Vật lý lớp 12 THPT. - Đối tượng nghiên cứu: những khó khăn và sai lầm của học sinh lớp 12 trong quá trình học vật lý chương “dòng điện xoay chiều”. - Phạm vi nghiên cứu: chỉ nghiên cứu quá trình dạy và học phần “Dòng điện xoay chiều” ở một số trường THPT trên địa bàn huyện Phú Hòa. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận: sử dụng phương pháp phân tích- tổng hợp tài liệu, thu thập phân tích hệ thống các tài liệu liên quan tới đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu sơ sở lý luận về tâm lý học, giáo dục học, lý luận dạy học vật lý liên quan đến các quan niệm sai lầm của học sinh khi dạy chương “Dòng điện xoay chiều “. - Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến chương “Dòng điện xoay chiều “. - Nghiên cứu các quan niệm sai lầm của học sinh trong dạy học vật lý. - Nghiên cứu các biện pháp, cách thức phát hiện và sửa chữa quan niệm sai lầm của học sinh khi dạy chương “Dòng điện xoay chiều “. 6. Giả thuyết khoa học Nếu giáo viên phát hiện và chỉ rõ những sai lầm mà học sinh có thể mắc phải khi học phần dòng điện xoay chiều và đề xuất những giải pháp sư phạm hợp lý nhằm khắc phục những quan niệm sai lầm, thì sẽ hình thành cho học sinh những quan niệm khoa học một cách sâu sắc và do đó góp phần nâng cao chất lượng dạy và học vật lý ở trường THPT. 7. Đóng góp của đề tài - Góp phần hoàn thiện lí luận dạy học vật lý bằng cách tăng cường tính tích cực, tính tự lực hoạt động nhận thức của học sinh trong giờ học để nâng cao chất lượng của hoạt động dạy và học môn Vật lý. 3
- Có thể dùng làm tài liệu tham khảo vật lý lớp 12 ở trường THPT. 8. Bố cục của đề tài Khóa luận được trình bày thành 3 phần: Mở đầu, nội dung và kết luận. - Phần mở đầu: giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi đề tài, phương pháp nghiên cứu, đóng góp của đề tài, giả thuyết khoa học, bố cục của khóa luận. - Phần nội dung : Gồm 2 chương Chương 1: Cơ sở lý luận của việc phát hiện và khắc phục những khó khăn và sai lầm của học sinh trong dạy học vật lý. Chương 2: Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” và biện pháp khắc phục. - Phần kết luận: tổng kết những kết quả mà khóa luận đã làm được, chưa làm được cũng như một số ý kiến đề suất của tác giả đề tài đối với nội dung mà đề tài đã đề cập tới. - Tài liệu tham khảo 4
PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC PHÁT HIỆN NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ SAI LẦM CỦA HỌC SINH TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 1.1 Nhiệm vụ của dạy học vật lý ở trường THPT Nhiệm vụ cụ thể của dạy học vật lý ở trường THPT là: - Trang bị cho học sinh hệ thống kiến thức cơ bản, hiện đại và các kỹ năng bao gồm: + Các khái niệm vật lí. + Các định luật vật lí cơ bản. + Nội dung chính của lí thuyết vật lí. + Các ứng dụng quan trọng của vật lí trong đời sống. + Các phương pháp nhận thức phổ biến dùng trong vật lí. - Rèn luyện các kỹ năng, phương pháp cơ bản nhằm chiếm lĩnh kiến thức vật lí, vận dụng sáng tạo để giải quyết vấn đề trong học tập và đời sống sau này. + Kỹ năng thu lượm thông tin về vật lí: Quan sát thí nghiệm, điều tra, sưu tầm tài liệu, truy cập internet + Kỹ năng xử lí thông tin: Vẽ đồ thị, rút ra kết luận + Kỹ năng quan sát, đo lường sử dụng các công cụ và thực hiện thí nghiệm đơn giản. + Kỹ năng truyền đạt thông tin về vật lí: Thảo luận khoa học, viết báo cáo thực hành + Kỹ năng vận dụng kiến thức vật lí để giải thích hiện tượng đơn giản. + Kỹ năng sử dụng các thao tác tư duy logic như phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa, cụ thể hóa - Bồi dưỡng cho học sinh thế giới quan duy vật biện chứng, giáo dục lòng yêu nước, thái độ với người lao động. Giáo dục kỹ thuật tổng hợp và hướng nghiệp cho học sinh giúp học sinh nhanh chóng thích ứng được với các hoạt động lao động sản xuất trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa. 1.2 Quan niệm sai lầm của học sinh trong dạy học Vật lý 1.2.1 Quan niệm 5
Quan niệm là sự hiểu biết của con người về các sự vật hiện tượng và các quá trình tự nhiên được hình thành trong quá trình sinh hoạt và lao động sản xuất hằng ngày, những hiểu biết này tiềm ẩn trong não bộ và được tái hiện khi có nhu cầu bộc lộ. Trong thực tế mỗi cá nhân có một tầm hiểu biết khác nhau và có cách nhìn nhận dưới những góc độ riêng nên quan niệm có tính cá biệt rất cao. Đồng thời những quan niệm của cá nhân được hình thành một cách tự phát và mang yếu tố chủ quan nên thường không khách quan và thiếu khoa học. 1.2.2 Quan niệm của học sinh Theo các nhà Vật lý, quan niệm của học sinh là những hiểu biết mà học sinh có được trước giờ học. Quan niệm của học sinh thường không đúng với bản chất vật lý, bản chất khoa học vốn có của các sự vật, hiện tượng. Người ta gọi đó là những quan niệm sai lầm của học sinh. Một trong những trở ngại khoa học cho hoạt động nhận thức của học sinh là chính là những quan niệm sai lầm mà họ có được do đời sống hàng ngày đem lại. Đôi lúc những quan niệm này phù hợp với tri thức khoa học, trong trường hợp này học sinh có điều kiện củng cố khắc sâu tri thức ấy. Nhưng nếu quan niệm của họ về một sự kiện, một hiện tượng nào đó mà trái ngược với tri thức khoa học về sự kiện và hiện tượng ấy thì đó sẽ là chướng ngại. Nhiều thí nghiệm khoa học cho thấy rằng , những quan niệm ấy có sức bền kỳ lạ theo thời gian. Thậm chí sau khi đã học tập trưởng thành, ở nhiều người lớn tuổi, những quan niệm này vẫn thường xuất hiện, khi cần giải thích thực tiễn. Sở dĩ có sức bền kỳ lạ ấy là vì các quan niệm của học sinh được hình thành tự phát trong bối cảnh có tính chất thực tiễn sinh động. Do đó nó gây được dấu ấn mạnh mẽ, sâu đậm trong tiềm thức của học sinh. Mặt khác sự hiểu biết đơn giản thiếu cơ sở khoa học ấy, đôi lúc lại có ích cho giải thích sự kiện đời thường (Dù là không đúng với tri thức khoa học, song đời thường lại dễ chấp nhận một cách không cần lý lẽ). Chẳng hạn khi thả một hòn đá, hòn đá rơi nhanh xuống đất. Còn khi thả một tờ giấy, tờ giấy rơi chậm xuống mặt đất. Thế là quan niệm vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ cứ đeo đẳng suốt trong đời sống con người. Bởi vì ở đây, con người không để ý đến, thậm chí không cần để ý đến sức cản của không khí lên vật đang rơi. 6
Điều hiển nhiên là hoạt động dạy học xảy ra song song với hoạt động đời thường của học sinh. Đối với mọi môn học học sinh chỉ cần tiếp xúc với tri thức khoa học, sau khi đã có những quan niệm đời thường. Vật lý học chỉ được dạy học cho học sinh khi họ đã học xong tiểu học, thậm chí đã được học một vài năm đầu của cấp THCS. Lúc tiếp xúc với vật lý học, học sinh đã từng va chạm với biết bao nhiêu là sự kiện trong thế giới tự nhiên. Do đó, quá trình học vật lý luôn là sự giao thoa giữa hai nguồn tri thức “ Tri thức khoa học và tri thức đời thường” . Như vậy chủ thể của quá trình học tập (học sinh) mang theo trong đầu óc những quan niệm đời thường khi đến trường để học vật lý. Ở những học sinh khác nhau, các quan niệm này khác nhau về nội dung, độ rộng, độ sâu cách biểu hiện cũng khác nhau. Đó là điều mà giáo viên vật lý phải để ý, phải xử lý. Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, không thể bỏ qua quan điểm sai trái của học sinh. Cũng không thể xử lý một cách hời hợt. Chẳng hạn như dựa vào các quan niệm để tạo thuận lợi khi đặt vấn đề hoặc củng cố tri thức thì sẽ không có hiệu quả. Tốt nhất là tạo điều kiện cho những quan niệm của học sinh bộc lộ nhiều lần, cho các quan niệm đó vận hành nhiều lần khi có thể được, từ đó giúp học sinh vượt qua từ bỏ những quan niệm sai, chấp nhận một cách tự giác tri thức khoa học. Cách làm này tạo điều kiện thuận lợi cho sự va chạm giữa hai nguồn tri thức “ Tri thức khoa học và tri thức đời thường” . Rõ ràng thực tế chỉ chấp nhận một trong hai đối thủ. Sự cọ xát đó sẽ làm cho học sinh nhận ra chân lý khoa học một cách sâu sắc vì chính họ đã là đại diện cho một đối thủ. Chính học sinh phải điều chỉnh (nếu quan niệm đời thường có những khiếm khuyết) hoặc vứt bỏ quan niệm của mình nếu trái với chân lý. Tóm lại, trong dạy học vật lý không thể bỏ qua các quan niệm đời thường của học sinh, cũng không thể tẩy xóa chúng ra khỏi đầu óc học sinh một cách dễ dàng mà phải tạo điều kiện cho chúng bộc lộ, vận hành và tìm cách vượt qua chúng. 1.2.3 Đặc điểm của quan niệm của học sinh Quan niệm của học sinh thường là những kiến thức mang tính chất kinh nghiệm, được hình thành và tích lũy dần dần, ngày càng được khắc sâu và trở thành vốn hiểu 7
biết riêng của mỗi cá nhân. Chính vì vậy quan niệm của học sinh là rất bền vững và khó thay đổi. Mặt khác quan niệm của học sinh hình thành một cách tự phát nên đa số những quan niệm của học sinh đều sai lệch so với cái phải học. Về mặt bản chất chúng không phù hợp với những quan niệm khoa học của những cái được học, thường thiếu khách quan và kém chính xác. Tuy nhiên bên cạnh những quan niệm sai lệch cũng có những quan niệm không sai lệch nhưng chưa hoàn chỉnh hoặc chưa thật chính xác. Đối với những quan niệm như vậy sẽ có tác dụng tích cực trong quá trình dạy học. Như vậy có thể nói phần lớn quan niệm của học sinh là sai lệch với bản chất vật lý, mặt khác chúng có đặc điểm là rất bền vững nên đa số những quan niệm của học sinh thường gây khó khăn trong việc dạy và học vật lý ở trường THPT. Bởi vậy giáo viên cần phát hiện quan niệm của học sinh, phân loại chúng, trên cơ sở đó phát hiện những biện pháp thích hợp đối với từng loại khái niệm. Đối với những quan niệm không sai lệch nhưng chưa hoàn chỉnh thì phải bổ sung và tiếp tục hoàn chỉnh, còn với những quan niệm sai lệch thì phải tìm những biện pháp thích hợp nhằm khắc phục quan niệm sai lệch của học sinh. 1.2.4 Ảnh hưởng quan niệm sai lầm của học sinh trong dạy học vật lý Một số quan niệm HS không sai lệch, hoặc chưa hoàn chỉnh về bản chất vật lí, nó có vai trò tích cực trong dạy học. Trong trường hợp này GV chỉ cần giúp đỡ HS bằng những câu gợi ý hoặc câu hỏi định hướng HS đi đến những vấn đề cần tiếp nhận. Những QNSL của HS về các khái niệm, hiện tượng sẽ được nghiên cứu trong một số giờ học là một trở ngại lớn cho QTDH. “ Một trong những trở ngại khoa học cho hoạt động nhận thức của HS chính là những QNSL mà họ có được do đời sống hàng ngày đem lại”. Những hiểu biết mà chính bản thân họ rút ra từ sự tích lũy dần dần trong trong cuộc sống thì không thể coi là cơ sở để nghiên cứu vật lý, sự hiểu biết đó sẽ khác nhau đối với những học sinh khác nhau, mỗi HS đều có cách nghĩ, cách hiểu riêng của mình. Kết quả mà HS nắm bắt, thu nhận được thông qua những kinh nghiệm của cuộc sống không thể đủ để tiếp tục cho việc nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông. 8
1.2.5 Sự cần thiết phải khắc phục quan niệm sai lầm Quan niệm HS chính là vốn tri thức mà bản thân HS tự rút ra từ những kinh nghiệm cuộc sống. Nó được hình thành một cách chủ quan trong mỗi HS nên đa số là những QNSL. Mặc khác những quan niệm này tồn tại rất bền vững trong suốt quá trình nhận thức của HS. Bản thân HS không thể chủ động tự mình khắc phục được những QNSL đó. Mục tiêu của việc dạy học là làm cho HS phát triển toàn diện, tiếp thu một cách đúng đắn những tri thức mà nhân loại tìm ra. Đồng thời những tri thức đó phải ứng dụng được vào đời sống, lao động sản xuất và trong kỹ thuật. Dạy học là sự xây dựng cái mới trên nền cái cũ. Nhưng cái cũ phải được sửa chữa đúng đắn để làm nền tảng cho cái mới phát triển. Để mang lại hiệu quả khả quan cho việc dạy học, GV cần nắm rõ tình hình HS, biết được những tri thức trước đó của HS. Từ đó, GV phải đưa ra phương pháp sư phạm hợp lí cho việc dạy học, sao cho những QNSL thường gặp ở HS phải được khắc phục, giúp HS hiểu đúng, vận dụng đúng những vấn đề đã được nghiên cứu. Vì vậy, trong QTDH việc phát hiện và khắc phục QNSL của HS là rất cần thiết, giúp HS thu nhận tri thức có hệ thống, có chọn lọc và đúng đắn theo quan điểm khoa học. Bản thân “học” không chỉ là học ở trường phổ thông mà sau này còn học lên cao hơn nữa, những kiến thức mà HS thu nhận được ở trường phổ thông là nền tảng cho việc nghiên cứu sau này. 1.3 Tầm quan trọng của chương “Dòng điện xoay chiều” Đây là một chương dài nhất và tương đối quan trọng trong chương trình lớp 12 cũng như trong thi THPT quốc gia. Theo phân phối chương trình, chương dòng điện xoay chiều nằm ở học kì 1, và nằm sau chương “Dao động cơ và Sóng cơ”. Đây là một chương quan trọng vì nội dung của những bài thi sử dụng nhiều kiến thức chương này, đặc biệt là những phần bài tập. Chương dòng điện xoay chiều nằm sau chương dao động cơ, do đó học sinh có thể dựa trên sự tương tự điện-cơ để việc hiểu cũng như chấp nhận một số kiến thức được dễ dàng hơn. Điều này cho thấy sự sắp xếp trình tự sắp xếp rất hệ thống và lôgic của sách giáo khoa. 9
Chương “Dòng điện xoay chiều” cũng giúp học sinh có được một số kiến thức thông dụng trong cuộc sống về lĩnh vực điện, một lĩnh vực rất gần gũi và cần thiết đối với học sinh. Nếu như ngoài kiến thức trong chương trình sách giáo khoa cung cấp. Học sinh tìm tòi mở rộng thêm thì những kiến thức này sẽ vô cùng phong phú. Như vậy, chương “Dòng điện xoay chiều” không chỉ quan trọng trong chương trình học mà còn có những vai trò lớn trong việc hoàn thiện nhưng kiến thức về thực tiễn của học sinh. Chúng ta có thể nói rằng chương “Dòng điện xoay chiều” có một vị trí trọng tâm và giáo viên cần phải đầu tư để việc truyền đạt kiến thức cho học sinh được hiệu quả hơn. 1.4 Thực trạng dạy và học chương “Dòng điện xoay chiều”- vật lý 12-THPT Học sinh lớp 12 không có thời gian chuẩn bị bài ở nhà vì phải học tăng tiết, luyện thi, do đó việc tiếp thu bài ở trên lớp trở nên khó khăn. Các lớp nằm ở ban cơ bản chủ yếu ở trình độ trung bình khá, do đó ý thức chuẩn bị bài, tự lực tìm hiểu kiến thức tương đối kém. Trong giờ học, HS hầu như không giơ tay phát biểu, thụ động chép bài và nghe giảng. Học sinh quen với thói ghi chép thụ động, ít được trình bày ý tưởng của mình theo cách rõ ràng, thường phải nhờ vào sự hướng dẫn của giáo viên. Những phần kiến thức có liên quan tới toán học lẽ ra học sinh phải tự nghiên cứu, nhưng do không nắm vững công thức toán học nên giáo viên mất nhiều thời gian để trình bày cho học sinh, ảnh hưởng đến thời gian của những phần khác. 10
CHƯƠNG 2: NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ SAI LẦM CỦA HỌC SINH KHI HỌC PHẦN DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀUVÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 2.1 Tóm tắt lý thuyết và phân tích chương Dòng điện xoay chiều 2.1.1 Dòng điện xoay chiều - Suất điện động xoay chiều Cho một khung dây dẫn bằng kim loại có diện tích S, gồm N vòng dây, quay đều  với tốc độ góc  , trong một từ trường đều B vuông góc với trục quay. Từ thông qua khung tại thời điểm t là:   NBScos(t ) với (B,n) lúc t 0 d Suất điện động cảm ứng: e dt e E sin(t ) E cos(t ) 0 0 2 Với biên độ suất điện động: E0 N0 NBS , trong đó: 0 là từ thông cực đại qua một vòng dây. - Điện áp xoay chiều - Dòng điện xoay chiều Đặt một điện áp xoay chiều u vào hai đầu mạch điện thì có dòng điện i chạy trong mạch. Biểu thức của điện áp và dòng điện có dạng: u U0 cos(t u ) i I0 cos(t i ) Độ lệch pha của u so với i là: u i + Nếu 0 thì u sớm pha hơn i + Nếu 0 thì u trễ pha hơn i + Nếu 0 thì u cùng pha với i - Các giá trị hiệu dụng của dòng điện I U E I 0 ; U 0 ; E 0 2 2 2 2.1.2 Mạch điện xoay chiều không phân nhánh 11
Xét một mạch điện xoay chiều gồm điện trở thuần R, cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L và tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp gọi là mạch R, L, C nối tiếp. - Độ lệch pha của điện áp u đối với dòng điện i u i với: ZL ZC R U U0 2 2 tan ; cos với Z R (ZL ZC ) R Z I I0 Trong đó: + Cảm kháng: ZL L L.2 f . 1 1 + Dung kháng: Z . C C C.2 f - Mạch đơn giản chỉ có một phần tử a. Chỉ có R: R 0 , UR I.R , U0R I0.R . b. Chỉ có L: , U I.Z , U I .Z . L 2 L L 0L 0 L c. Chỉ có C: , U I.Z , U I .Z . C 2 C C 0C 0 C - Liên hệ giữa các điện áp hiệu dụng U2 U2 (U U )2 R L C - Công suất mạch (P) – Hệ số công suất mạch (cos ) R P UIcos RI2 ;cos Z - Cộng hưởng điện Với điện áp hiệu dụng U không đổi và điện trở R không đổi nếu: 1 Z Z L thì trong mạch có hiện tượng cộng hưởng điện. Khi đó: L C C Tổng trở: Z Zmin R U Cường độ hiệu dụng: I I . max R Điện áp tức thời: uL uC còn uR u . Cường độ dòng điện cùng pha với điện áp hai đầu mạch. 12
U2 Công suất mạch: P P max R - Giản đồ vectơ Đối với mạch RLC không phân nhánh, điện áp giữa hai đầu, mạch được biểu diễn  bằng vectơ U :     Từ u u u u U U U U L R c L C R 2.1.3 Máy phát điện xoay chiều Các máy phát điện xoay chiều một pha hay ba pha hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy gồm hai bộ phận chính: Phần cảm là phần tạo ra từ trường (nam châm). Phần ứng là phần tạo ra suất điện động cảm ứng. Một trong hai phần đặt cố định là stato, phần còn lại quay quanh một trục là rôto. Để tạo ra dòng điện xoay chiều có tần số f mà rôto (nam châm) không phải quay quá nhanh, người ta dùng rôto có p cặp cực. Gọi n (vòng/giây) là tốc độ quay của rôto thì f n.p . Với máy phát điện xoay chiều ba pha: thì dòng điện ba pha do nó tạo ra là hệ thống ba dòng điện xoay chiều một pha gây ra bởi ba suất điện động có cùng tần số, cùng 2 biên độ, lệch pha nhau . 3 Trong cách mắc hình sao: Ud Up 3 ; Id Ip . Trong cách mắc tam giác, có mối liên hệ: U U ; I I 3 . d p d p 2.1.4 Động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ điện hoạt động nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ và từ trường quay. Cho dòng điện ba pha đi vào ba cuộn dây giống nhau đặt lệch nhau một góc 1200 , phía trong ba cuộn dây có từ trường quay với cùng chu kỳ của dòng điện ba pha. Rôto quay không đồng bộ với từ trường và quay cùng chiều quay của từ trường nhưng với tốc độ góc nhỏ hơn. Hiệu suất của động cơ điện: 13
P' H Với P’ và P lần lượt là công suất cơ và công suất điện của động cơ. P 2.1.5 Máy biến áp - Truyền tải điện - Máy biến áp Máy biến áp là thiết bị biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số. Nếu mạch thứ cấp hở thì tỉ số giữa điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn dây bằng tỉ số vòng dây của hai cuộn: U N 1 1 . U2 N2 Bỏ qua công suất tổn hao trên máy biến áp ta coi hệ số công suất của hai mạch sơ I U cấp và thứ cấp bằng nhau, khi đó: 2 1 . I1 U2 - Truyền tải điện Công suất hao phí khi truyền tải: P2 P R .I2 R . d d U2.cos2 I: cường độ dòng điện trên dây truyền tải. R: điện trở của đường dây truyền tải. P: công suất truyền đi. U: điện áp ở nơi phát. cos : hệ số công suất. Để giảm hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây tải, người ta thường dùng biến áp tăng điện áp trước khi truyền đi và biến áp giảm điện áp trước khi đưa đến nơi tiêu thụ. 2.2 Phân phối chương trình Vật lý 12 chương “ Dòng điện xoay chiều”  Phân phối chương trình Vật lý 12 phần “ Dòng điện xoay chiều” chương trình chuẩn. Chương 3: Dòng điện xoay chiều Tổng số tiết Lý thuyết Thực hành Bài tập 14
14 8 2 4 Tiết 21 Đại cương về dòng điện xoay chiều Tiết 22-23 Các mạch điện xoay chiều Tiết 24 Bài tập Tiết 24 Mạch có R, L, C mắc nối tiếp Tiết 26 Bài tập Tiết 27 Công suất điện tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất Tiết 28 Bài tập Tiết 29 Truyền tải điện năng. Máy biến áp Tiết 30 Máy phát điện xoay chiều Tiết 31 Động cơ không đồng bộ ba pha Tiết 32 Bài tập Tiết 33-34 Thực hành: Khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp Phân phối chương trình SGK nâng cao và SGK cơ bản tương tự nhau và thời lượng dành cho hai phần bằng nhau (14 tiết). Chỉ khác nhau sự phân bố số tiết cụ thể như: SGK nâng cao nhiều hơn 1 tiết lý thuyết thì lại ít hơn một tiết bài tập. Điều này cho thấy tầm quan trọng của phần dòng điện xoay chiều là như nhau đối với chương trình cơ bản và nâng cao. Về mặt nội dung kiến thức thì ở hai chương trình có các cách dẫn dắt đi vào kiến thức khác nhau. Ví dụ SGK cơ bản trình bày khái niệm dòng điện xoay chiều theo hướng diễn dịch bằng cách thông báo “Dòng điện xoay chiều hình sin, gọi tắt là dòng điện xoay chiều, là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật của hàm sin hay côsin, với dạng tổng quát: i I0cos(t )”, sau đó đưa ra nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều bằng cách cho cuộn dây quay trong từ trường. SGK nâng cao thì trình bày theo hướng quy nạp. Đầu tiên trình bày về sự xuất hiện suất điện động xoay chiều bằng cách cho khung dây quay trong từ trường, rồi 15
giới thiệu về hiệu điện thế xoay chiều (điện áp xoay chiều): “Hiệu điện thế biến thiên theo thời gian theo định luật dạng sin gọi là hiệu điện thế xoay chiều hay điện áp xoay chiều” và dòng điện xoay chiều và các đại lượng trong biểu thức. 2.3 Những khó khăn và sai lầm của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” và biện pháp để khắc phục những khó khăn đó. 2.3.1 Những khó khăn của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều”  Những khó khăn thường gặp của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều”: - Vì lượng kiến thức của chương trình quá nhiều, các em chưa kịp nắm vững vấn đề nên khi giải bài tập các em sẽ gặp khó khăn khi áp dụng công thức cũng như kiến thức vào bài làm. Nhưng nếu bài tập đòi hỏi yêu cầu hiểu sâu và cần tư duy thì điều này làm học sinh lúng túng và vận dụng sai, gây ra những sai lầm đáng tiếc. - Vì các em học sinh khi giải bài tập hay giải quyết các hiện tượng, các vấn đề thường trả lời theo những quan niệm chủ quan của bản thân mà các em cho đó là đúng. Điều này làm cho việc học của các em thiếu tính khoa học và thiếu độ chính xác. - Những kiến thức mới được đề cập đến trong sách giáo khoa là những kiến thức chung nhưng lại mang tính tổng quát, nếu người giáo viên có hướng dẫn dắt chưa phù hợp thì học sinh sẽ khó hình dung và nắm bắt. Điều này làm cho việc của học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc thu nhận kiến thức. - Thời gian một tiết học là không nhiều so với lượng kiến thức cần cung cấp cho học sinh nên việc giáo viên cung cấp, củng cố kiến thức và việc học sinh tiếp nhận kiến thức còn nhiều hạn chế, điều này gây cho học sinh nhiều khó khăn khi học. - Chương “ Dòng điện xoay chiều là một chương khó với khối lượng kiến thức lớn. Tuy nhiên, theo phân phối thời gian thì giáo viên giảng dạy chương này trong 14 tiết. Với đặc điểm của chương và quỹ thời gian ngắn như vậy nên học sinh không đủ thời gian để hiểu sâu hơn. Điều này cũng gây không ít khó khăn cho học sinh khi học chương “Dòng điện xoay chiều”. - Học sinh gặp phải khó khăn về kiến thức toán khi giải các bài toán cực trị. -Học sinh thường gặp khó khăn khi sử dụng giản đồ vectơ để giải các bài toán. 16
-Học sinh thường sử dụng các công thức của mạch điện 1 chiều cho mạch điện xoay chiều. - Đối với một số bài toán khi giải đòi hỏi phải vẽ lại mạch điện, với một số mạch điện phức tạp gây khó khăn cho học sinh khi vẽ lại mạch. - Học sinh thường gặp khó khăn khi xác định độ lệch pha của u so với i đối với từng đoạn mạch trong một mạch điện. - Học sinh thường gặp khó khăn khi giải bài tập xác định các phần tử R, L, C.  Nguyên nhân gây nên những khó khăn cho học sinh khi học môn Vật lý Có nhiều nguyên nhân gây nên những khó khăn cho học sinh khi học vật lý. Một số học sinh cảm thấy học vật lý dễ dàng nhưng một số học sinh lại cảm thấy khó khăn khi học vật lý. Nguyên nhân có thể là do chủ quan của người học hoặc do bản chất của môn vật lý. Nhóm 1: Nguyên nhân về môn vật lý Đa số học sinh đều cho rằng môn vật lý là một môn học khó. Nếu giáo viên không có biện pháp thích hợp để giúp học sinh vượt qua khó khăn và yêu thích môn vật lý hơn thì sẽ làm cho học sinh chán nản và từ đó không thích học môn vật lý nữa. Nhóm 2: Nguyên nhân về phía người học Theo trình độ, vốn kiến thức cũ, sự phản ánh của yếu tố bên ngoài và bên trong đầu đối với mỗi người là khác nhau, đòi hỏi những khoảng thời gian khác nhau. Chẳng hạn một học sinh có thói quen hay gợi lại âm thanh hay lời nói, khi quan sát một hình vẽ hay một kí hiệu cần có thời gian diễn dịch chúng thành lời nói để nắm được ý nghĩa. Còn học sinh có thói quen gợi lại hình ảnh mình thấy trong đầu, có thể hiểu được ý nghĩa của từng công thức, kí hiệu dễ dàng hơn nhưng khi trình bày bằng ngôn ngữ thông thường cho người khác hiểu thì cũng cần có thời gian. Đặc điểm tâm lý đó cũng gây không ít khó khăn cho các em khi học vật lý. Hay nói cách khác hơn là đa số học sinh đều không giống nhau về tư duy và cách tiếp thu vật lý. Có học sinh xoay sở và tìm ra cách giải hay, cách tiếp cận không quen thuộc, nhưng có nững học sinh chỉ muốn ở trong môi trường có cảm giác thoải mái thích ghi lại những ví dụ trên bảng, thực hành ở nhà, lặp lại các bước giải trong bài kiểm tra 17
rồi có những học sinh không giải được nếu như không có sự hướng dẫn theo các bước giải cụ thể. Vậy nếu giáo viên không hiểu điều đó và không có phương pháp dạy phù hợp thì không những không giúp học sinh vượt qua khó khăn mà con làm cho học sinh khó khăn thêm khi học vật lý. Đến đây, có lẽ không thể phủ nhận trách nhiệm của giáo viên đối với những khó khăn của học sinh của mình trong quá trình học vật lý. Nhóm 3: Nguyên nhân về phía giáo viên và phương pháp dạy học của giáo viên Để làm được bất cứ việc gì thì cũng cần phải có phương pháp. Việc dạy học cũng cần có phương pháp đúng đắn thì mới đạt hiệu quả cao. Nếu giáo viên giảng dạy theo lối truyền thụ theo kiểu áp đặt và học sinh tiếp thu hoàn toàn thụ động khiến cho các em có suy nghĩ rằng vật lý học đã có từ rất lâu vói những biểu thức, công thức vật lý bất di bất dịch sẽ không còn chỗ nào cho những ý tưởng mới, học sinh không có cơ hội để học sinh đưa ra những ý tưởng mới. Việc truyền thụ một chiều còn làm cho học tiếp thu kiến thức vật lý không đầy đủ bản chất, không đầy đủ các khía cạnh và đôi khi rất trừu tượng. Do đó, làm cho học sinh không yêu thích môn vật lý nữa, giáo viên cần phải nắm rõ bản chất vật lý từ đó tìm ra những khó khăn của học sinh và biện pháp thích hợp giúp học sinh hiểu được bản chất vật lý và yêu thích môn vật lý hơn. Nhóm 4: Nguyên nhân xuất phát từ chương trình, sách giáo khoa - Một số nội dung sách giáo khoa trình bày chưa rõ ràng. Chẳng hạn như sách vật lý 12, trang 62 viết: “ Dòng điện xoay chiều là dòng có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay côsin”. Điều này làm cho học sinh hiểu sai dòng điện xoay chiều là dòng có cường độ biến thiên tuần hoàn theo thời gian mà đúng ra là biến thiên điều hòa theo thời gian. - Nội dung chương trình dạy và học tương đối nặng, kiến thức quá nhiều. Trong khi đó thời gian cho một tiết dạy lại ngắn. Do đó giáo viên chỉ còn cách trình bày sơ lược một số vấn đề, không có thời gian để định hướng học sinh những kiến thức sâu hơn. Còn học sinh thì chỉ học qua loa để đối phó.  Các biện pháp khắc phục sai lầm của học sinh 18
Thí nghiệm vật lý QTDH vật lý gắn liền với các hiện tượng vật lý. Những hiện tượng trong tự nhiên mà HS quan sát không ở dạng thuần khiết. Sự quan sát đó không có chủ định, nên kết quả mang lại cho HS những kiến thức không chính xác hoặc chưa hoàn chỉnh. Những kiến thức đó chỉ là những kiến thức tiền khoa học, không đủ để tiếp tục nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông. Nó chỉ là kết quả của những cách nghĩ, cách nhìn chủ quan của HS, không đúng theo qui luật khoa học. Thí nghiệm vật lý mang lại kết quả trung thực, rõ ràng và dễ tiếp thu để trở thành kiến thức cho bản thân. Chính bản thân HS đã chủ định trong quan sát hiện tượng, thay đổi điều kiện của thí nghiệm nhưng kết quả vẫn không đổi. Điều này chứng tỏ rằng kiến thức mà kết quả thí nghiệm đem lại cho HS là chính xác, đúng đắn, nó sẽ được bổ sung hoặc thay thế cái trước đó. Do tính trực quan của thí nghiệm, HS quan sát được, tính toán được trực tiếp trên những số liệu từ thí nghiệm. Thí nghiệm được lập đi, lập lại nhiều lần nhưng hiện tượng xảy ra, kết quả mang lại không đổi. Mặc khác tự HS đã tiến hành nghiên cứu ngay trên đối tượng, điều này tạo ra độ tin cậy cho HS. HS sẽ đặt niềm tin vào kiến thức mà chính mình vừa thu nhận được. Lúc này chân lý khoa học đã được hình thành ở HS, những kiến thức mà HS vừa thu nhận được sau quá trình nghiên cứu từ thí nghiệm sẽ được thay thế hoặc bổ sung những kiến thức mà HS đã có trước đó. Nghĩa là QNSL của HS được khắc phục từ những kiến thức đúng đắn. Tăng cường hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học - Tăng cường tính trực quan sinh động, tính hiện thực của các hiện tượng Môn học vật lý là môn học thực nghiệm, do đó nó rất trực quan sinh động, và thể hiện rõ tính hiện thực khách quan, khi ta biết kết hợp sử dụng các phương tiện dạy học và phương pháp thực nghiệm trong dạy học. Bằng những thủ pháp suy diễn và qui nạp các thao tác tư tuy trí tuệ như khái quát hóa, tư duy trừu tượng và sự hỗ trợ của các phương tiện dạy học, HS sẽ cảm nhận, các hiện tượng vật lý một cách cụ thể rõ ràng, đơn giản hơn trong quá trình tiếp thu kiến thức. Từ đó học sinh nắm các hiện tượng vật lý một cách chân thực khách quan trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý. Từ đó các em tự điều chỉnh 19
những quan niệm chưa đúng hoặc bổ sung các quan niệm chưa chính xác trở thành chính xác và đầy đủ hơn. - Tăng cường tính chính xác khoa học trong việc nghiên cứu các định luật vật lý Bằng những phương tiện thí nghiệm, có thể tạo ra trong quá trình dạy học những khả năng tối ưu để xác định định lượng các đại lượng vật lý một cách chính xác. Trên cơ sở những giá trị định lượng các đại lượng vật lý, để từ đó suy diễn, tìm ra định luật, phát biểu định luật, thể hiện định luật qua các mô hình là hoàn toàn chính xác và khách quan. Trong điều kiện hiện nay, phương tiện dạy học ngày càng được cải tiến, hiện đại hóa, thì việc xác định định lượng các đại lượng vật lý ngày càng chính xác hơn, giúp HS làm sáng tỏ những QNSL mà đã hình thành từ trước của họ. Tổ chức hoạt động nhóm Mỗi đơn vị bài học vật lý có thể xem như một đề tài khoa học hay một đề tài nghiên cứu, và người tham gia nghiên cứu là HS. Do đó, hoạt động chính trên lớp là các hoạt động của HS bao gồm: + Trả lời câu hỏi: HS trả lời các câu hỏi đã được chuẩn bị. Hoạt động này dành cho trường hợp trả lời câu hỏi gợi mở. + Chất vấn: HS thắc mắc với các thành viên khác trong lớp hoặc với GV về những vấn đề chưa thông suốt. + Phát biểu: Nêu nhận xét hoặc suy nghĩ của các cá nhân đối vấn đề đang được phân tích. + Tranh luận: Bằng những lý luận trên các cơ sở các kiến thức đã được học, những thông tin thu thập được để bảo vệ quan điểm cá nhân hoặc để phản đối quan điểm của người khác nhằm xác định tính đúng đắn của vấn đề. + Thảo luận: Các thành viên trong nhóm trao đổi thông tin tự thu tập cho nhau, đặc biệt là những câu hỏi đào sâu vào nội dung và vận dụng. + Trình bày: Để trả lời những câu hỏi nắm vững kiến thức hoặc giải các bài tập định lượng, nhất thiết HS phải đứng trước lớp thuyết trình, vì câu trả lời không đơn thuần là những nội dung in sẵn trong sách giáo khoa mà là sự phối hợp giữa kiến thức mới và cũ, giữa quan niệm chung và riêng, giữa lý thuyết và thực hành. 20
Trong quá trình trình bày, có thể cần phải tiến hành thí nghiệm chứng minh. Việc này cũng sẽ được thực hiện song song với thuyết trình bởi chính HS. GV chỉ hỗ trợ qua việc hướng dẫn các bước thực hiện thí nghiệm hoặc giúp đỡ một vài thao tác. Sau phần trình bày của một HS là phần nêu lên câu hỏi thắc mắc và tranh luận từ các HS khác hoặc của GV. Mọi hoạt động trong giờ thảo luận sẽ được GV định hướng theo chiều nhằm để HS tự xác nhận tính đúng đắn và chân thật của vấn đề, không gò bó tư duy hoặc buộc phải chấp nhận một vấn đề nào. Muốn cho tất cả HS đều tích cực tham gia các hoạt động, GV có thể tác động bằng cách yêu cầu trực tiếp một cá nhân đại diện trình bày, và kết quả sẽ được đánh giá chung cho cả nhóm. Cuối mỗi đơn vị bài học, GV tổng kết lại toàn bài và cho nhận xét về tiết học, bao gồm các công việc cụ thể sau: + Giải đáp thắc mắc. + Hiệu chỉnh sai lệch, nhầm lẫn trong suy nghĩ của HS. Giúp học sinh vận dụng vào thực tế nhằm khắc phục những QNSL trước đó. Phát huy vai trò của bài tập vật lý Việc giảng dạy vật lý trong các trường phổ thông không chỉ làm cho học sinh hiểu được một cách sâu sắc đầy đủ những kiến thức qui định trong chương trình, mà còn phải làm cho các em biết vận dụng những kiến thức đó để giải quyết các nhiệm vụ học tập và những vấn đề của thực tiễn cuộc sống đặt ra. Muốn vậy cần phải thường xuyên rèn luyện cho học sinh thói quen và kỹ năng, kỹ xảo vận dụng những kiến thức đã học vào cuộc sống hằng ngày. Kỹ năng vận dụng kiến thức trong học tập và trong thực tiễn đời sống chính là thước đo mức độ sâu sắc và vững vàng của những kiến thức mà học sinh thu nhận được. Bài tập vật lý với chức năng là một phương pháp dạy học, có một vị trí đặc biệt quan trọng trong việc giảng dạy vật lý ở trường phổ thông. Trước hết bài tập vật lý giúp học sinh hiểu sâu hơn những kiến thức vật lý, biết phân tích chúng và ứng dụng vào thực tiễn và đời sống. Trong nhiều trường hợp, dù giáo viên cố gắng trình bày tài liệu một cách mạch lạc, hợp logic, phát biểu định luật chính xác, làm thí nghiệm đúng các yêu cầu, quy tắc và cho ra kết quả chính xác đi nữa. Thì đó chỉ mới là điều kiện cần chứ chưa phải là điều kiện đủ để 21
học sinh hiểu sâu và nắm vững kiến thức. Chỉ có thông qua các bài tập ở hình thức này hay hình thức khác, nhằm tạo điều kiện cho học sinh tự lực vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết thành công những tình huống cụ thể khác nhau, thì kiến thức đó mới trở nên sâu sắc hoàn thiện và biến thành vốn riêng của các em. Trong quá trình giải quyết các tình huống cụ thể do bài tập đặt ra học sinh phải sử dụng các thao tác tư duy như so sánh, tổng hợp, khái quát hóa, trừu tượng hóa để giải quyết các vấn đề, do đó tư duy của học sinh có điều kiện được rèn luyện và phát huy. Vì thế có thể nói bài tập vật lý là một phương tiện rất tốt để phát triển tư duy, óc tưởng tượng, khả năng độc lập trong suy nghĩ và hành động, tính kiên trì trong khắc phục khó khăn của học sinh. Bài tập vật lý là cơ hội để giáo viên đề cập đến những kiến thức mà trong giờ học không có điều kiện để đề cập, nhằm bổ sung những kiến thức còn thiếu cho học sinh. Giúp cho việc thu nhận kiến thức của các em được chặt chẽ, logic và có hệ thống. Để giải các bài tập học sinh phải nhớ lại những kiến thức vừa mới học, phải vận dụng những kiến thức của nhiều phần, nhiều chương khác nhau (nhất là đối với bài tập có nội dung tổng hợp), hoặc phải đào sâu một khía cạnh nào đó của kiến thức, do đó bài tập là một hình thức ôn tập, hệ thống hóa kiến thức rất có hiệu quả. Ngoài ra nếu xét về mặt điều khiển hoạt động nhận thức, ta thấy bài tập còn là một phương tiện tốt để kiểm tra việc thu nhận kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo của HS. Trang bị cho học sinh cách nhận biết sai lầm khi giải bài tập vật lý Để hạn chế được các sai lầm mà HS thường mắc phải khi giải BT chương này thì trước hết GV cần trang bị cho các em làm quen cách nhận biết ( phân tích lời giải ) của mình đúng hay sai thông qua các dấu hiệu cơ bản sau : * Dấu hiệu 1: Dấu hiệu về vi phạm thứ nguyên (tức là không phù hợp đơn vị đo). Lưu ý: + Các số hạng của một tổng đại số phải có cùng đơn vị đo. + Đơn vị ở hai vế của một đẳng thức phải giống nhau. Chẳng hạn như khi HS dùng công thức P = IR2 (*)  1W = 1A.2; công thức (*) là sai vì 1W = 1V.A = 1A..A = 1A2.. * Dấu hiệu 2: Kết quả lời giải của các HS khác nhau. 22
Nếu hai lời giải khác kết quả thì ít nhất một lời giải là sai. Lúc đó các HS phải kiểm tra lại cách giải của mình (các phép biến đổi, thay đơn vị, dùng công thức đã đúng hay chưa ), đồng thời dùng suy luận logic để phân tích lời giải nào sai. Thực tế có cả hai lời giải đó đều sai. * Dấu hiệu 3: Kết quả lời giải không có ý nghĩa thực tiễn. Nếu bài tập đã cho phù hợp thực tiễn, nhưng kết quả lại mâu thuẫn với thực tế thì chắc chắn lời giải đó sai. Ví dụ như : Tính ra cos Z ( tổng trở ). Hoặc Z L ZC > Z. Tính ra hiệu suất H > 1. Tính ra R, L, C, f, U có giá trị âm Củng cố kiến thức về đơn vị đo lường phần “ Dòng điện xoay chiều” cho học sinh. Tên đại lượng Kí hiệu đại lượng Tên đơn vị Kí hiệu đơn vị Diện tích S Mét vuông m2 Tần số f Héc Hz Tốc độ V Mét trên giây m/s Tần số góc  Radian trên giây Rad/s Nhiệt lượng Q Jun J Công suất P Oát W Điện áp (hiệu điện u, U Vôn V thế) Cường độ dòng điện i, I Ampe A Điện trở r, R Ôm  Tổng trở Z Ôm  Điện dung C Fara F Từ thông  Vêbe Wb Độ tự cảm L Henry H 23
Dung kháng ZC Ôm  Cảm kháng ZL Ôm  Cảm ứng từ B Tesla T Suất điện động E Vôn V 2.3.2 Những sai lầm thường gặp của học sinh khi học chương “Dòng điện xoay chiều” Học sinh thường không đổi đơn vị hoặc đổi đơn vị sai khi làm bài tập dẫn đến tính toán sai kết quả. Ví dụ: Cho dòng điện xoay chiều đi qua điện trở R = 16  nhúng trong nhiệt lượng kế chứa 1,2 lít nước ở nhiệt độ 20 0C. Sau 21/ 5 phút thì nước sôi. Cho biết nước có khối lượng riêng là 10 3 kg/m3 và nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg độ. Tính cường độ dòng điện cực đại. Giải: Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi nước lên từ nhiệt độ t 200 C lên nhiệt độ 1 0 t 2 100 C ) là: Q mc. t m.c.(t 2 t1) 2 Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R: QR R.I t (với t là thời gian dòng điện xoay chiều đi qua điện trở R). Nếu bỏ qua bức xạ nhiệt thì: m.c.(t t ) D.V.c.(t t ) Q Q R.I2t m.c.(t t ) I 2 1 I 2 1 (1) R 2 1 R.t R.t - Tuy nhiên kết quả cuối cùng có thể không đúng do: + Học sinh quên đổi đơn vị của các đại lượng như thời gian t, thể tích V. Ngoài ra, với một số bài toán khác học sinh có thể quên đổi đơn vị của nhiệt dung riêng c và khối lượng riêng. + Có thể học sinh nhớ đổi đơn vị nhưng đổi không đúng. Ví dụ như V 1, lít2 khi đổi ra mét khối thì V 1,2.103 m3 . 24
+ Học sinh chưa đọc kỹ đề tính xong chọn ngay đáp án vừa tính ra được hoặc học sinh nhầm lẫn giữa giá trị hiệu dụng I và giá trị cực đại I0 . - Nguyên nhân: học sinh thường quen giải những bài toán với những đơn vị chuẩn không cần phải đổi, vì vậy với một số bài toán học sinh chưa đổi đơn vị dẫn đến giải sai. Hoặc do học sinh không nắm lý thuyết đổi đơn vị nhưng đổi chưa đúng. - Biện pháp khắc phục: + Giáo viên nhắc nhở học sinh đọc kỹ đề, đổi đơn vị nếu cần thiết, trang bị cho học sinh hệ thống đơn vị trong hệ SI. + Giáo viên nên trang bị cho các em làm quen cách nhận biết (phân tích lời giải) của mình đúng hay sai có thể thông qua đơn vị đo (thứ nguyên): đơn vị ở 2 vế của một đẳng thức phải giống nhau. 6 3 9 12 3 Lưu ý: 1F = 10 F, 1mH= 10 H ; 1 nF = 10 F; 1 pF = 10 F; 1kW 10 W ; 1mWb 10 3 Wb . -Hướng dẫn học sinh tính toán bài toán trên: 21 + Thay V 1,2.10 3 và t .60 (s) vào biểu thức (*) I 10 (A). 5 + Lưu ý học sinh giá trị vừa tính được là giá trị hiệu dụng mà bài toán yêu cầu tìm giá trị cực đại nên phải nhân thêm 2 . Vậy kết quả bài toán là I0 I 2 10 2 .  Học sinh thường nhầm lẫn giữa các giá trị tức thời, giá trị hiệu dụng và các giá trị cực đại của: cường độ dòng điện, điện áp, suất điện động.  Học sinh nhầm lẫn biểu thức tính giá trị hiệu dụng và giá rị cực đại U U0 2 ; I I0 2 ; E E0 2 . Ví dụ: Bài tập: Một bàn là dùng trong gia đình có điện trở R = 50Ω, dòng điện qua bàn là có biểu thức i 2cos(100 t ) (A). Tính nhiệt lượng tỏa trên bàn là trong 15 phút. 3 25
- Học sinh có thể sai lầm khi xác định cường độ dòng điện hiệu dụng I 2 (A) hoặc 2 nhầm lẫn khi áp dụng các công thức: I I0 2 ;Q I0Rt . - Biện pháp khắc phục: + Giáo viên trang bị kiến thức cho học sinh. + Lưu ý học sinh giá trị I ghi trong biểu thức i I cost là giá trị cực đại chứ 0 0 không phải là giá trị hiệu dụng, muốn tính giá trị hiệu dụng ta phải chia cho 2 . -Hướng dẫn học sinh tính toán bài trên: 2 + Nhiệt lượng tỏa ra được xác định theo công thức: Q I Rt lưu ý HS I trong biểu thức này là giá trị hiệu dụng. + Lưu ý học sinh giá trị I0 trong biểu thức i I0 cos(t ) là giá trị cực đại đổi sang giá trị hiệu dụng ta được I I 2 2 2 thay vào công thức Q I2Rt 0 Q 90 (kJ). Giải: I 2 Cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua bàn là: I = 0 = = 2(A) 2 2 Nhiệt lượng tỏa ra trên bàn là trong 15 phút: Q I2Rt ( 2)2.50.15.60 90 (kJ) Vậy Q 90 (kJ). U u  Học sinh nhầm lẫn trong việc áp dụng định luật Ohm: i ,i Z Z Ví dụ: Đặt điện áp u = U0cost vào hai đầu đoạn mạch gồm điện trở thuần R, cuộn cảm thuần có độ tự cảm L và tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp, Z là tổng trở của mạch. Gọi i là cường độ dòng điện tức thời trong đoạn mạch; uR, uL và uC lần lượt là điện áp tức thời hai đầu điện trở, giữa hai đầu cuộn cảm và giữa hai đầu tụ điện. Hệ thức đúng là u u u A. i . B. i u .C C. i R D. i L . Z C R L 26
- Học sinh thường sai lầm chọn các đáp án A, B, D do nhầm lẫn giữa các giá trị tức thời và giá trị hiệu dụng hoặc có thể chọn đáp án C nhưng chỉ nhớ máy móc rồi chọn chứ không hiểu rõ bản chất. - Nguyên nhân: do học sinh ghi nhớ máy móc không hiểu bản chất các khái niệm tức thời. - Biện pháp khắc phục: để khắc phục sai lầm trong bài tập trên giáo viên u u u hướng dẫn học sinh viết biểu thức điện áp tức thời và tính các tỉ số i R ,L , C , R ZL ZC u u học sinh sẽ nhận thấy chỉ có tỉ số i R là hệ thức đúng Chọn đáp án C. R R Giải: Giả sử biểu thức của dòng điện tức thời qua đoạn mạch là: i I0 cost (A). Khi đó, biểu thức của điện áp giữa hai đầu điện trở, giữa hai đầu cuộn cảm, giữa hai đầu tụ điện, hai đầu đoạn mạch lần lượt là u U cost (V), u U cos(t ) (V), R 0R L 0L 2 u U cos(t ) (V), u U cos(t ) (V), C 0C 2 0 u U Ta có: R 0R cost I cost i R R 0 uL U0L cos(t ) I0 cos(t ) i ZL ZL 2 2 uC U0C cos(t ) I0 cos(t ) i ZC ZC 2 2 u U 0 cos(t ) I cos(t ) i R R 0 Đáp án C.  Học sinh sai lầm cho rằng số liệu ghi trên các thiết bị hay số chỉ của vôn kế và ampe kế là giá trị cực đại. Ví dụ: 27
10 4 Đặt điện áp u U cos(100 t )(V) vào hai đầu một tụ điện có C (F) . Ở 0 6 thời điểm điện áp giữa hai đầu tụ điện là 100 2 V thì cường độ dòng điện trong mạch là 1A. Viết biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch. - Sai lầm của học sinh khi giải bài này là học sinh thường nhầm lẫn các giá trị 100 2 (V); 1 (A) là giá trị hiệu dụng hoặc không biết chúng là giá trị hiệu dụng hay giá trị tức thời nên giải sai kết quả. - Nguyên nhân: Do học sinh không chú ý nghe giảng nên không nắm vững lý thuyết hoặc có thể do giáo viên trong quá trình giảng dạy không lưu ý học sinh nên khi giải bài tập HS không biết hoặc không chắc chắn giá trị ghi trên các thiết bị hay số chỉ của vôn kế, ampe kế là giá trị hiệu dụng hay giá trị tức thời hay cực đại. - Biện pháp khắc phục: + Lưu ý học sinh các số liệu ghi trên thiết bị hay số chỉ của ampe kế và vôn kế là giá trị hiệu dụng. + Lưu ý HS số chỉ của ampe kế hay vôn kế ở thời điểm nào đó là giá trị tức thời. Giải: Giả sử biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch có dạng: i I0 cos(t i ) (A). Ta có: +  100 (rad/s). 2 + (rad). i u 2 i 6 2 3 Theo đề, ta có: u 100 2 (V); i 1 (A). 2 2 2 2 i u i u u0 2 2 Áp dụng công thức: 2 2 1 2 2 1 I0 ( ) i I0 U0 I0 (I0 .ZC ) ZC 1 Thay u 100 2 (V); i 1 (A), Z 100() vào biểu thức I ta được C C 0 I0 3 (A). 2 Vậy biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch là: i 3 cos(100 t ) (A). 3 28
Bài tập củng cố: Bài 1: Một thiết bị điện xoay chiều có ghi trên thiết bị là 220 V- 50Hz. Thiết bị đó ít nhất phải chịu được đến hiệu điện thế là A. 110 V B. 1102 V C. 220 V D. 2202 V - Học sinh có thể nhầm lẫn giá trị ghi trên thiết bị là giá trị cực đại chọn đáp án C I hoặc nhầm lẫn công thức I nên chọn đáp án B. 0 2 Giải: Vì giá trị ghi trên thiết bị là giá trị hiệu dụng nên: Hiệu điện thế cực đại mà thiết bị có thể chịu được là: : I0 I 2 220 2(A)  Đáp án D. Bài 2: Đặt điện áp u U cos(100 t )(V) vào hai đầu một cuộn cảm thuần có 0 4 1 L (H) . Ở thời điểm điện áp giữa hai đầu cuộn cảm là 100 2 V thì cường độ dòng điện trong mạch là 2A. Viết biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch. -Học sinh thường nhầm lẫn các giá trị u 100 (V);2 i (A)2 là giá trị hiệu dụng hoặc không biết chúng là giá trị hiệu dụng hay giá trị tức thời nên giải sai kết quả. Giải: Giả sử biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch có dạng: i I0 cos(t i ) (A). Ta có: +  100 (rad/s). + (rad). i u 2 i 4 2 4 Theo đề, ta có: u 100 2 (V); i 2 (A). 2 2 2 2 i u i u u 2 2 Áp dụng công thức: 2 2 1 2 2 1 I0 ( ) i I0 U0 I0 (I0 .ZL ) ZL 29
Thay u 100 2 (V); i 2 (A), ZL L. 100() vào biểu thức I0 ta được I0 6 (A). Vậy biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch là: i 6 cos(100 t ) (A). 4  Học sinh sai lầm khi không hiểu ý nghĩa các đại lượng vật lý mà máy móc áp dụng công thức toán học. Ví dụ: Đặt vào hai đầu tụ điện có điện dung C một điện áp u U 2cos2 ft . Tăng dung kháng của tụ điện bằng cách A. giảm điện áp B. tăng điện dung C. tăng điện áp D. giảm tần số f U - Học sinh có thể nhầm lẫn chọn đáp án A và C vì xuất phát từ công thức Z C lý C I luận cho rằng Z phụ thuộc vào U tuy nhiên thực tế Z không phụ thuộc vàoU . C C C C - Nguyên nhân: do học sinh chưa hiểu ý nghĩa của các đại lượng vật lý mà máy móc dựa vào công thức toán học suy ra mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý. - Biện pháp khắc phục: + Giáo viên cần nhấn mạnh cho học sinh độ tự cảm, điện dung của tụ điện không phụ thuộc vào tần số mà chỉ có dung kháng và cảm kháng mới phụ thuộc vào tần số f. ZL Ví dụ: Nếu tần số tăng lên k lần thì ZL cũng tăng lên k lần nên L luôn 2 f không đổi, tương tự nếu f tăng lên k lần thì ZC giảm k lần nên C không đổi. + Giáo viên cần nhấn mạnh ZC không phụ thuộc vào U C ,ZL không phụ thuộc vào U L . - Để khắc phục sai lầm trong bài tập trên giáo viên nêu rõ trong công thức U Z C , U không phụ thuộc vàoZ . C I C C Ví dụ: Nếu U C tăng lên k lần thì I cũng tăng lên k lần nên ZC không đổi hay Z C không phụ thuộc vào U C . 30
1 + Từ công thức Zkhi tăng điện dung thì dung kháng sẽ giảm nên đáp C C.2 f án B là sai. Giải: 1 Ta có: ZC C.2 f Ta thấy dung kháng ZC tỉ lệ nghịch với tần số f nên để tăng dung kháng ZC thì phải giảm tần số f .  Chọn đáp án D. Bài tập củng cố: Bài 1: Một tụ điện được nối vào nguồn điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng không đổi. Nếu tần số của điện áp nguồn tăng lên thì A. cường độ hiệu dụng tăng. B. cường độ hiệu dụng giảm. C. cường độ hiệu dụng không đổi. D. độ lệch pha giữa u và i thay đổi. Giải: UC Từ biểu thức I UC.C.2 f ta thấy nếu tăng tần số f thì cường độ dòng điện ZC hiệu dụng tăng.  Đáp án A. Bài 2: Một cuộn dây cho trước và được nối vào nguồn điện xoay chiều có tần số f thì hệ số tự cảm cuộn dây A. tỉ lệ thuận với cảm kháng. B. tỉ lệ nghịch với tần số f. C. độc lập với cảm kháng và tần số f. D. tỉ lệ thuận với cảm kháng và tỉ lệ nghịch với tần số f. Z - Khi giải bài này học sinh có thể sai lầm cho rằng từ công thức L L suy ra hệ 2 f số tự cảm L tỉ lệ với tần số f và L tỉ lệ thuận với cảm kháng ZLnhưng hệ số tự cảm không phụ thuộc vào tần số và cảm kháng. Giải: 31
Z Từ công thức L L nếu tần số f tăng lên k lần thì Z cũng tăng lên k lần nên 2 f L Z L L luôn không đổi. 2 f  Đáp án C. Bài 3: Cho một cuộn dây mắc vào nguồn điện xoay chiều. Khi tăng độ tự cảm L lên 3 lần và đồng thời cũng tăng tần số f lên 3 lần thì cảm kháng sẽ A. tăng 3 lần B. tăng 9 lần C. tăng 6 lần D. giảm 9 lần Giải: Ta có: ZL L L.2 f nên khi tăng L lên 3 lần đồng thời f tăng lên 3 lần thì cảm kháng sẽ tăng lên 9 lần.  Đáp án B.  Sai lầm về độ lệch pha.  Học sinh sai lầm cho rằng lúc nào biểu thức điện áp tức thời hai đầu phần tử R, L, C luôn có dạng u U cost , u U cos(t ) , và u U cos(t ) . R 0 L 0 2 C 0 2 Ví dụ: Dòng điện qua cuộn thuần cảm L có cường độ i = I2 cos(t - ) (A). Viết biểu 3 thức của điện áp u ở hai đầu cuộn cảm L. - Học sinh có thể sai lầm không chú ý tới pha của dòng điện nên theo thói quen học sinh xác định . Do đó, học sinh viết biểu thức của điện áp hai đầu u 2 cuộn cảm là u LI 2 cos(t ) (V). 2 - Nguyên nhân: do học sinh chưa nắm vững khái niệm độ lệch pha của điện áp so với dòng điện là u i . - Biện pháp khắc phục: + Đối với độ lệch pha giáo viên lưu ý học sinh áp dụng các công thức đối với từng đoạn mạch đang xét. Lưu ý khi viết phương trình của dòng điện hoặc hiệu điện thế 32
thì phải nhớ công thức pha là: [pha u] = [pha i] + [ ] với là độ lệch pha của u so với i. + Giáo viên lưu ý học sinh rằng u U cost , u U cos(t ) , R 0 L 0 2 u U cos(t ) thực ra chỉ đúng khi i I cost . Nếu i I cos(t ) thì L 0 2 0 0 uR U0 cos(t ) ,uL U0 cos(t ) và uC U0 cos(t ) 2 2 Giải: Giả sử biểu thức của điện áp u ở hai đầu cuộn cảm có dạng : u U0 cos(t u ) Ta có : U0 I0.ZL I0.L. .LI 2 Vì mạch chỉ có cuộn cảm thuần nên : u i 2 3 2 6 Vậy biểu thức của điện áp u ở hai đầu cuộn cảm là : u LI 2 cos(t ) 6 Bài tập củng cố: Bài 1: Đặt điện áp u = U 0cost vào hai đầu cuộn cảm thuần có độ tự cảm L. Tại fthời điểm điện áp giữa hai đầu cuộn cảm có độ lớn cực đại thì cường độ dòng điện qua cuộn cảm có giá trị bằng bao nhiêu? - Học sinh thường sai lầm cho rằng điện áp giữa hai đầu cuộn cảm có giá trị cực đại thì: u U0 hoặc có thể không xác định được là tìm cường độ dòng điện tức thời hay cường độ dòng điện hiệu dụng. Giải: Vì mạch chỉ có cuộn cảm thuần nên i chậm pha hơn u góc 2 Vây biểu thức của dòng điện i chạy qua cuộn cảm là: i I cos(t ) 0 2 Theo đề bài ta có : u U0 . Thay vào biểu thức của điện áp ta được : U0 U0 cost cost 1 t k 33
i I cos(k ) 0 0 2 Vậy cường độ dòng điện qua cuộn cảm có giá trị bằng 0. 200 Bài 2: Đặt vào hai đầu tụ điện có điện dung C = F một điện áp xoay chiều u 20cos(100 t ) (V). Viết biểu thức cường độ dòng điện tức thời qua mạch. 6 Giải: Biểu thức của dòng điện tức thời i qua mạch có dạng: i I0 cos(t i ) 1 200 Ta có: U I .Z I . I C..U .10 6.100 .20 0,4 (A). 0 0 C 0 C 0 0 Vì đoạn mạch chỉ chứa tụ điện nên : . i u 2 6 2 3 Vậy biểu thức của cường độ dòng điện tức thời qua mạch là: i 0,4cos(t ) (A). 3 Bài 3: Cho đoạn mạch RLC mắc nối tiếp có R 80 , cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L 318mH và tụ điện có điện dung C 79,5 F . Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch có biểu thức: uAB 120 2cos 100 t (V). Viết biểu thức điện áp tức thời hai đầu mỗi phần tử R, hai đầu L, hai đầu C. - Khi giải câu này học sinh thường mắc phải sai lầm sau: + Từ biểu thức điện áp ở hai đầu đoạn mạch uAB 120 2cos 100 t và U 40 2(V) suy ra biểu thức điện áp hai đầu C là: u 40 2cos(100 t ) V 0C C 2 do không chú ý đến đề bài cho biểu thức của u chứ không phải của i. + Từ biểu thức điện áp ở hai đầu đoạn mạch uAB 120 2cos 100 t và U0L 100 2(V) suy ra biểu thức điện áp hai đầu L là: u 100 2 cos(100 t ) (V). L 2 Giải: Ta có: 34
Z L 100 .0,318 100() L  100 1 1 Z 40() C 6 C 100 .79,5.10 Tổng trở của mạch là: 2 2 2 2 Z R ZL ZC 80 100 40 100() U 100 I 1(A) I 2(A) Z 100 0 Ta có I = 1 (A), điện áp hiệu dụng giữa hai đầu mỗi phần tử là: UR I.R 80(V) UL I.ZL 100(V) UC I.ZC 40(V) Ta có: • Giữa hai đầu R : UR 80(V) U0R 80 2 V Do uR cùng pha với i nên R i 0,64 (rad) Biểu thức hai đầu R là: u R 80 2cos(100 t 0, 64) (V) • Giữa hai đầu L: UL 100(V) U0L 100 2(V) Do uL nhanh pha hơn i góc π/2 nên biểu thức hai đầu L là: u 100 2 cos(100 t 0,64) (V). L 2 • Giữa hai đầu C : UC 40(V) U0C 40 2(V) Do uC chậm pha hơn i góc π/2 nên biểu thức hai đầu C là: u 40 2cos(100 t 0,64) (V). C 2  Sai lầm khi xác định độ lệch pha trong đoạn mạch chỉ có cuộn dây thuần cảm và tụ điện. Ví dụ: 35
1 Cho đoạn mạch xoay chiều gồm cuộn dây thuần cảm có L (H) mắc nối tiếp 2 10 4 với tụ điện có điện dung C (F). Biết dòng điện qua mạch có biểu thức i 2cos100 t (A). Viết biểu thức điện áp tức thời hai đầu mạch. + Khi giải học sinh mắc sai lầm từ việc áp dụng máy móc công thức Z Z Z Z tan L C L C Sai. R 0 2 - Biện pháp khắc phục: Đối với đoạn mạch chỉ có cuộn thuần cảm L và tụ điện C thì phải so sánh ZL và ZC xem xét đoạn mạch có tính cảm kháng (ZL ZC ) thì hay dung kháng (Z Z ) thì . 2 L C 2 Giải: Biểu thức của điện áp tức thời hai đầu mạch có dạng: u U0 cos(100 t ) 1 1 Ta có: Z L. .100 50 , Z 100 . L 2 C C. 2 Tổng trở: Z (ZL ZC ) 50 . Điện áp cực đại: U0 I0.Z 2.50 50 (V). Z Z Z Z Áp dụng công thức: tan L C L C R 0 Ta có Z Z . L C 2  Sai lầm về cách đọc đồ thị và độ lệch pha. Ví dụ: Cho đoạn mạch điện xoay chiều không phân nhánh RLC với cuộn dây thuần cảm. Điện áp tức thời ở hai đầu điện trở, cuộn cảm, tụ điện và hai đầu đoạn mạch lần lượt là uR, uL, uC, u. Hình vẽ dưới đây là đồ thị của các 36
điện áp tức thời. Các đường 1, 2, 3, 4 lần lượt tương ứng với đồ thị biểu diễn điện áp tức thời nào?  Khi giải bài này học sinh thường mắc phải sai lầm sau: + Học sinh sẽ xác định nhầm biểu thức điện áp giữa hai đầu cuộn dây và giữa hai đầu tụ điện (xác định nhầm u 1và u )4 dẫn đến xác định nhầm lẫn uvàC vớiuL nhau dẫn đến giải sai kết quả. Nguyên nhân dẫn đến sai lầm này là do học sinh thấy trong nửa chu kỳ đầu đường số 1 và 4 ngược pha nhau và đường số 1 ở phía trên, đường số 4 ở dưới nên kết luận nên viết biểu thức là 1 2 u U cos(t ) và ngược lại nên viết biểu thức đường số 4 là 1 01 2 4 2 u U cos(t ) . 4 04 2 + Học sinh sai lầm khi viết biểu thức của u 2là: u2 U02 cos(t vì) học sinh máy móc cho rằng viết tương tự như biểu thức của u1 nên mang dấu âm. Thực ra là giá trị đại số nên sử dụng u2 U02 cos(t ) là tổng quát. + Khi nhìn vào hình vẽ học sinh có thể kết luận rằng đường số 3 biểu diễn điện áp tức thời hai đầu điện trở u R . Điều này là đúng trong trường hợp này nhưng sẽ rất nguy hiểm nếu học sinh không nắm vững kiến thức lúc nào cũng mặc định đường biểu diễn uR luôn có dạng như vậy. Trong trường hợp đồ thị chỉ có một đường số 3 thì điều này là sai vì nó chỉ đúng khi pha ban đầu của dòng điện i 0 còn nếu 0 thì chưa xác định được. i - Nguyên nhân: do học sinh không quen nhận dạng đồ thị nên dẫn tới sai lầm về cách đọc đồ thị và xác định độ lệch pha. Điều này xuất phát từ chỗ khi học ở trên lớp, trong SGK khi viết biểu thức u R, uL, uC người ta chọn i 0 tức là i có dạng i I0 cost . Nếu học sinh không để ý điều này thì sẽ bị sai khi gặp trường hợp i 0 . - Biện pháp khắc phục: 37
+ Trong quá trình giảng dạy giáo viên lưu ý học sinh pha của điện áp còn phụ thuộc vào pha ban đầu của cường độ dòng điện chạy trong mạch và không phải lúc nào 0 , , như đã giải thích trong sai lầm về độ lệch pha đã trình R L 2 C 2 bày ở trên. + Giáo viên có thể cho một số bài tập để học sinh làm quen với cách3 xác định pha từ đồ thị. - Hướng dẫn học sinh khắc phục sai lầm trong bài tập trên: Để xác định được đồ thị của điện áp tức thời thì trước hết phải viết biểu thức của điện áp ứng với từng đồ thị. + Nếu học sinh xác định u1 U01 cos(t ) và u4 U04 cos(t ) thì để khắc 2 2 phục sai lầm giáo viên yêu cầu học sinh tính giá trị của u1 và u4 tại thời điểm t 0 , T t . 4 *Tại t 0 thì u1 0 , u4 0 . T *Tại t thì u U , u U so sánh với đồ thị tại thì HS sẽ nhận ra sai lầm. 4 1 01 4 04 + Lưu ý học sinh là giá trị đại số nên có thể dương hoặc âm. Lưu ý HS: Nếu cho từng đồ thị riêng rẽ thì không thể xác định được biểu thức tương ứng của điện áp do chưa biết biểu thức của dòng điện tức thời. Giải: Từ đồ thị ta thấy 1 và 4 ngược pha nhau nên có thể một trong hai là đồ thị điện áp hai đầu uC và uL . Để xác định được điện áp tương ứng với đồ thị. Dựa vào đồ thị ta viết biểu thức điện áp tương ứng là: u U cos(t ) 1 01 2 u U cos(t ) 4 04 2 u3 U03 cost 38
u2 U02 cos(t ) ( u i : độ lệch pha) Từ biểu thức của u , u ta thấy u và u ngược pha nhau mà u nhanh pha hơn u 1 4 1 4 L C nên u4 là biểu thức của uL , u1 là biểu thức của uC . Xác định được uC và uL ta suy ra u3 là u R , còn lại u2 là u hai đầu đoạn mạch. Vậy theo thứ tự 1, 2, 3, 4 lần lượt tương ứng với đồ thị của uC, u, uR và uL . Bài tập: Một hộp kín X được mắc nối tiếp với một cuộn dây thuần cảm L và một tụ điện C sao cho X nằm giữa cuộn dây và tụ điện. Đoạn mạch trên được mắc vào một điện áp xoay chiều. Giá trị tức thời của điện áp hai đầu đoạn mạch chứa L và X là u LX. Giá trị tức thời của điện áp hai đầu đoạn mạch chứa X và C là u XC. Đồ thị biểu diễn u LX và uXC được cho như hình vẽ. Biết ZL = 3ZC; đường biểu diễn uLX là đường nét liền. Điện áp hiệu dụng ở hai đầu hộp kín X có giá trị gần giá trị nào nhất sau đây? Nhìn vào đồ thị, đường nét liền biểu diễn cho u LX có pha ban đầu φ = 0 và đường còn lại biểu diễn cho uXC có pha ban đầu φ = –π/2. Hay uXC và uLX lệch pha π/2. Ta có uLX = uL + uX; uXC = uX + uC. Vì ZL = 3ZC nên UoL = 3UoC. Mà uL và uC ngược pha nhau => uL + 3uC = 0 Do đó uLX + 3uXC = 4uX => uX = (uLX + 3uXC)/4. Như đã quan sát trên đồ thị ta có uLX và 3uXC vuông pha nhau 1 2 2 Biên độ tổng hợp của uX = (uLX + 3uXC)/4 là 200 (3.100) 25 13 V 4 25 13 Điện áp hiệu dụng ở hai đầu của X là UX = ≈ 63,7 V. 2  Sai lầm về hiện tượng cộng hưởng 39
Ví dụ: Một đoạn mạch gồm điện trở R nối tiếp với cuộn thuần cảm L và tụ điện xoay C có điện dung biến thiên. Cho R 100 , L 0,318H . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp u 200cos100 t (V). Tìm điện dung C để điện áp giữa hai bản tụ điện đạt giá trị cực đại. Tính giá trị cực đại đó. - Khi giải bài này học sinh thường mắc phải sai lầm là xuất phát từ biểu thức U C I.ZC và lý luận U C đạt cực đại khi I I max lúc này trong mạch xảy ra hiện U U tượng cộng hưởng và I nên U I .Z .Z 200(V). max R C max max C R C Nguyên nhân : Do thói quen khi giải những bài toán dạng trên những đề hỏi tìm C để UR hay UL cực đại. khi đó học sinh xuất phát từ công thức UR I.R và UL I.ZL lý luận UR UR max và UL UL max khi I Imax . Trường hợp này đúng do R const , ZL const . Nếu học sinh áp dụng máy móc cho UC I.ZC thì sai do ZC biến thiên. - Biện pháp khắc phục : Khi viết biểu thức để kháo sát phải xác định đại lượng nào là hằng số, đại lượng nào là biến số để đưa hàm về cùng một biến và khảo sát theo biến đó. Giải: Cảm kháng: ZL = L = 100 Điện áp hiệu dụng giữa hai bản tụ điện U.Z U U U I.Z C C C 2 2 2 2 2 y R ZL 2ZL.ZC ZC R ZL 2ZL 2 1 ZC ZC 1 Để UC max thì y = y min mà y là hàm bậc hai với biến số là x ZC 1 ZL Vậy ymin khi x 2 2 (đỉnh parabol) Z C R ZL R 1 R 2 Z2 y khi Z L 200 . min 2 2 C x Z R ZL L 40
10 4 Vậy C F và UC max = 2002 (V). 2 Bài tập củng cố: Bài 1: Đoạn mạch điện gồm điện trở R có thể thay đổi được mắc nối tiếp với cuộn 1 10 3 dây thuần cảm có độ tự cảm L = (H) và tụ điện có điện dung C F. Đặt 4 vào hai đầu đoạn mạch trên một điện áp luôn có biểu thức u 120 2cos100 t V . Thay đổi R để cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch đạt cực đại. Khi đó kết luận nào sau đây là sai? A. Cường độ hiệu dụng trong mạch là 2 A. B. Công suất của mạch là 240 W. C. Dòng điện qua mạch trễ pha hơn điện áp hai đầu mạch góc /2 D. Điện trở R= 0. Khi giải bài này học sinh thường mắc phải sai lầm sau: Học sinh nghĩ để cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch đạt giá trị cực đại thì U sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng Znên lúng R túngI không tìm ra min max R hướng giải. Giải: Ta có: ZL 100() ; ZC 40() U U Lại có: I Z 2 2 R (ZL ZC ) 2 Vì ZL , ZC không đổi nên Imax R min R 0 P R.I 0 B sai chọn đáp án B. Bài 2: Dung kháng của một đoạn mạch RLC nối tiếp đang có giá trị nhỏ hơn cảm kháng. Ta làm thay đổi chỉ một trong các thông số của đoạn mạch bằng cách nêu sau đây, cách nào có thể làm cho hiện tượng cộng hưởng điện xảy ra ? A. Tăng điện dung của tụ điện. B. Tăng hệ số tự cảm của cuộn dây. C. Giảm điện trở thuần của đoạn mạch. D. Giảm tần số dòng điện. Giải: 41
1 Theo đề bài ta có: Z Z mà Z , Z L.2 f C L C C.2 f L 1 1 L.2 f f (1) C.2 f 2 L.C 1 Từ (1) để xảy ra hiện tượng cộng hưởng thì Z Z tức là f thì hoặc C L 2 LC giảm L, hoặc giảm C hoặc giảm f Chọn đáp án D.  Trong mạch R, L, C mắc nối tiếp: Học sinh nhầm lẫn sử dụng các công thức của mạch điện 1 chiều cho mạch điện xoay chiều.  Quan niệm các đại lượng hiệu dụng của dòng điện xoay chiều cộng được như dòng điện không đổi. Học sinh viết: U UR UL UC hay U0 U0R U0L U0C (Sai) Cách viết đúng là: u uR uL uC , khi biểu diễn bằng giản đồ vectơ thì phải     chuyển thành U UR UL UC . Ví dụ: Một đoạn mạch gồm một điện trở R nối tiếp với tụ điện C. Dùng một vôn kế điện trở rất lớn đo điện áp hai đầu đoạn mạch thì thấy vôn kế chỉ 100V, đo hai đầu điện trở thấy chỉ 60 V. Tìm số chỉ của vôn kế khi đo điện áp hai đầu tụ điện. - Học sinh có thể mắc sai lầm khi áp dụng công thức của dòng điện một chiều trong đoạn mạch nối tiếp cho dòng điện xoay chiều: U UL UC UC U UL 100 60 40 (V). - Biện pháp khắc phục: + Giáo viên lưu một số biểu thức đúng và sai trong mạch điện xoay chiều R, L, C mắc nối tiếp. Biểu thức đúng Biểu thức sai Tức thời: i iR iL iC i iR iL iC Hiệu dụng: I IR IL IC I IR IL IC Cực đại: I0 I0R I0L I0C I0 I0R I0L I0C 42
Tức thời: u uR uL uC u uR uL uC Hiệudụng: U UR UL UC 2 2 U UR (UL UC )     Vectơ: U UR UL UC . u U U U U i R , I 0R , I 0L R R 0R R 0L Z L u u i L , i C U U U Z Z I 0C ,,,I 0 I L C 0C Z 0 Z Z C u i z 2 2 Công suất: P UI.cos P UI Giải: 2 2 2 2 2 2 2 Ta có: U UL UC UC U UC 100 60 80 (V). Bài tập củng cố: Bài 1: Một đoạn mạch gồm cuộn dây thuần cảm mắc nối tiếp với điện trở R và tụ điện có điện dung C. Điện áp hai đầu mạch có giá trị hiệu dụng là U = 100 V. Biết UR=60V, UL = 20V. Điện áp hiệu dụng hai đầu tụ điện là UC bằng A. 60V B. 20V C. 100V D. 120V  Học sinh có thể nhầm lẫn áp dụng công thức của mạch điện một chiều cho mạch điện xoay chiều: U UR UL UC UC U (UL UC ) 100 (60 20) 20 (V). chọn đap án B Sai. Giải: Ta có biểu thức liên hệ: 2 2 2 2 2 2 2 U UR (UL UC ) UL UC U UR 100 60 80 (V). UC 100  Đáp án C. 43
Bài 2: Khi đặt vào hai đầu một đoạn mạch một điện áp xoay chiều u 100sin100 t V thì cường độ dòng điện qua mạch là i 4cos(100 t ) A . Tính công suất tiêu thụ của đoạn mạch đó. 3  Khi giải bài này học sinh có thể mắc những sai lầm sau: + Học sinh nhầm lẫn áp dụng công thức tính công suất của dòng điện 1 chiều: 100 4 P UI . 200 (W). 2 2 + Hoc sinh nhầm lẫn giữa giá trị cực đại và giá trị hiệu dụng cho rằng: U 100 (V) và I 4 (A). + Học sinh sai lầm cho u 0 do quên chuyển hiệu điện thế tức thời từ hàm sin sang cos nên xác định độ lệch pha không đúng nên tính toán sai kết quả. Giải: Ta có: u 100sin100 t 100cos(100 t ) (V). 2 Độ lệch pha giữa u và i là: u i 2 3 6 100 4 Công suất tiêu thụ của đoạn mạch: P UI.cos . .cos( ) 100 3 (W). 2 2 6 Vậy P 100 3 (W).  Sai lầm đối với cuộn dây không thuần cảm.  Học sinh nhầm cường độ dòng điện qua cuộn dây có điện trở trễ pha so 2 với điện áp ở hai đầu cuộn dây đó. Ví dụ: Khi đặt vào hai đầu cuộn dây có điện trở R và độ tự cảm L một điện áp một chiều U thì cường độ qua nó là I. Nếu đặt vào hai đầu cuộn dây đó một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U’ = U thì cường độ hiệu dụng I’= 0,5I. Tính độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện qua mạch khi đó. Khi giải bài này học sinh có thể mắc sai lầm sau: 44
+ HS cho rằng u nhanh pha hơn i góc nên kết quả . 2 2 + Học sinh sai lầm khi tính ra cos 0,5 kết luận kết quả bài toán là , 3 do k hông để ý đến điều kiện của góc . 3 - Biện pháp khắc phục: + Giáo viên lưu ý điện áp ở hai đầu cuộn dây nhanh pha hơn i một góc chỉ khi 2 nào cuộn dây đó thuần cảm. + Lưu ý cuộn dây có điện trở thì 0 . 2 + Nếu cuộn dây có điện trở thuần r đáng kể thì xem cuộn dây tương đương với đoạn mạch gồm điện trở thuần r nối tiếp với cuộn cảm thuần có độ tự cảm L. + Đưa ra một số bài tập củng cố và lưu ý những chỗ học sinh hay mắc sai lầm. Giải: Khi đặt cuộn dây vào điện áp một chiều thì Z 0 chỉ có điện trở R hoạt động, áp U dụng định luật ôm cho dòng điện không đổi: I R Khi đặt cuộn dây vào điện áp xoay chiều thì ta có đoạn mạch hai phần tử RL, áp U' dụng định luật ôm ta có: I' Zd R U I' U I' Ta có: cos . ' ' . 0,5 Zd I U U I 3 Do mạch chỉ có R, L (có tính cảm kháng) nên 0 . Vậy . 3 Bài tập củng cố: Bài 1: Một cuộn dây khi mắc vào nguồn điện u 200cos(200 t ) (V) thì dòng 4 điện qua cuộn dây là i 2cos(200 t ) (A). Tính hệ số tự cảm của cuộn dây. 2 45
- Khi giải bài tập này học sinh thường mắc sai lầm là không chú ý đến điện trở r cuộn dây nên áp dụng công thức: U0 200 ZL 100 1 ZL 100 L (H). (Sai) I0 2  200 2 Giải: Độ lệch pha giữa u và i: cuộn dây có điện trở r. u i 4 2 4 2 U 200 Tổng trở Z 0 100 . I0 2 r 2 Vì cos điện trở thuần r Z.cos 100. 50 2 . Z 2 Z Z 50 2 2 Ta có: tan L Z r.tan 50 2 L L (H). r L  200 4 2 Vậy L (H). 4 Bài 2: Một đoạn mạch gồm một cuộn dây có điện trở thuần R = 50  và độ tự 2 cảm L thay đổi, nối tiếp với tụ điện có điện dung C 10 4 F . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp u = 2002 cos100 t (V). Tìm hệ số tự cảm L để điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây đạt giá trị cực đại và tính giá trị cực đại ấy. - Một số HS không hiểu bản chất của vấn đề mà chỉ áp dụng công thức trong một số sách tham khảo như : R 2 Z2 C UL UL max khi ZL ZC R 2 Z2 L UC UC max khi ZC ZL Khi đó sẽ dẫn đến kết quả sai. - Sai lầm của học sinh là hiểu sai hiệu điện thế 2 đầu cuộn dây là U L. Do đó, học sinh sẽ giải bài toán này như sau: 46
1 Dung kháng : Z 50 C C U Điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây là: U I.Z .Z L L Z L Thay giá trị Z vào ta được : U.Z U 1 U L L 2 2 2 1 1 y R ZL 2ZLZC ZC 2 2 (R ZC ) 2 2ZC 1 ZL ZL 1 ZC Để ULmax thì y ymin x 2 2 ( Tại đỉnh parabol) ZL R ZC R 1 R 2 Z2 1 y khi Z C 100 L H min 2 2 L x Z R ZL C Kết luận: Khi L = 0,318 H thì UCmax = 2002 (V) Sai. Giải: 1 Dung kháng : Z 50 C C Tổng trở của đoạn mạch : Z R 2 (Z Z )2 L C U Cường độ dòng điện hiệu dụng : I Z 2 2 Tổng trở của cuộn dây: Zd R ZL U Điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây là: U I.Z Z d d Z d UZ U U Hay U d d 2 2 2 2 y R ZL 2ZLZC ZC ZC 2ZCZL 2 2 1 R ZL Khảo sát Ud theo hàm y: 2 2 2ZC (R ZCZL ZL ) y' 2 2 2 (R ZL ) 2 2 y' 0 khi : ZL ZCZL R 0 47
2 ZL 50ZL 2500 0 ZL 81 Khi L = 0,285 (H) thì điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn dây đạt giá trị cực đại, giá trị cực đại đó là : Udmax = 324 V.  Học sinh sai lầm khi không để ý điện trở của cuộn cảm nên học sinh thường R R r viết: cos , P R.I2 mà đúng ra phải làcos vàP (R r).I2 Z Z Ví dụ: Mạch điện xoay chiều gồm một biến trở R mắc nối tiếp với cuôn dây có độ tự cảm L, điện trở r 10  và tụ điện C. Thay đổi R ta thấy với hai giá trị R1 15 và R 2 39 thì mạch điện tiêu thụ công suất như nhau. Để công suất tiêu thụ trên mạch đạt cực đại thì R có giá trị bằng bao nhiêu? - Khi giải bài tập này học sinh có thể Giải: C Sơ đồ mạch điện: R L, r 2 2 ' 2 ' U ' U A B Ta có: P R .I R . 2 R . '2 2 (*) Z R (ZL ZC ) '2 2 ' 2 P.R P.(ZL ZC ) R .U 0 (1) ' ' Theo giả thuyết phương trình (1) phải có 2 nghiệm R1 và R 2 nên theo định lý Viet ' ' 2 tích: R1.R 2 (ZL ZC ) (2) U2 Mặt khác từ (*) P (Z Z )2 R ' L C R ' Áp dụng BĐT Cauchy cho mẫu số ta có công suất đạt giá trị cực đại khi: (Z Z )2 R ' L C R '2 (Z Z )2 (3) R ' L C ' ' ' Từ (2) và (3) R R1.R 2 hay R r (R1 r).(R 2 r) (R 10) (15 10).(39 10) 25  . Vậy để công suất tiêu thụ trên mạch đạt cực đại thì R 25 . 48
 Học sinh sai lầm về kiến thức toán khi giải bài tập.  Học sinh thường bỏ sót nghiệm của bài toán. Ví dụ: R L, r C Cho mạch điện như hình vẽ A B uAB 100cos100 t V ,L 0,796 H, R r 100W. Hệ số công suất của mạch là cos 0,8 . Tính điện dung C của tụ điện. - Những sai lầm của học sinh khi giải bài tập này: + Học sinh sai lầm khi bỏ sót một nghiệm khi giải phương trình: 2 2 2 ZL – ZC Z (R r) 2 2 2 2 2 2 Z R r (ZL ZC ) ZL ZC Z R r 250 200 150. Còn sót 1 nghiệm. + Học sinh bỏ qua giá trị của r của cuộn dây khi viết biểu thức tính hệ số công suất. Giải: R R r R r 200 Cảm kháng: Z với  L 250 cos d Z 250 L Z Z cos 0,8 Mà 2 2 2 2 2 2 Z R r (ZL ZC ) ZL ZC Z R r 250 200 150 Vì ZL ZC 150(). 6 Khi ZL ZC thì ta có C1 31,8.10 F. 6 Khi ZL ZC thì ZC ZL 150 400 C2 7,95.10 F - Biện pháp khắc phục: trong quá trình giảng dạy giáo viên phải nhắc lại cho học sinh những kiến thức toán cần thiết khi giải phương trình.  Để tìm cực trị của một đại lượng điện có nhiều cách như: dùng BĐT Cauchy, dùng đạo hàm, dùng điều kiện có nghiệm của phương trình bậc 2 tuy nhiên học 49
sinh chỉ thường dùng BĐT Cauchy, sử dụng máy móc mà không chú ý tới điều kiện sử dụng nó. Ví dụ: Cho một mạch điện gồm biến trở R mắc nối tiếp với tụ điện có C = 6,38F 1 và một cuộn dây có điện trở thuần r = 70, độ tự cảm L H . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp hiệu dụng U = 200V có tần số f = 50 Hz. Hãy tìm giá trị của R để công suất của mạch đạt cực đại và tính giá trị cực đại ấy? - Những sai lầm của học sinh khi giải bài tập này: + Học sinh có thể sai lầm khi áp dụng công thức P R.I2 . + Sai lầm khi học sinh sử dụng công thức một cách máy móc mà không chú ý đến điều kiện sử dụng nó. Trong bài toán này điều kiện để áp dụng BĐT Cauchy là R r 0 mà r 70 và R 0 nên R r 70 . Học sinh giải như sau : Cảm kháng : ZL = L=100 1 Dung kháng : Z 50 C C U2 U2 Công suất của mạch là: P I2 R r (Z Z )2 y R r L C R r Công suất cực đại Pmax khi ymin Theo bất đẳng thức Cauchy thì ymin R r ZL ZC 50 70 không áp dụng được BĐT Cauchy. R ZL ZC r 50 70 20 0 Vậy không có giá trị nào của R thoả mãn bài toán. Giải : Cảm kháng : ZL L 100W. 1 Dung kháng : Z 50 C C 50
U2 U2 Công suất của mạch là: P I2 R r (Z Z )2 y R r L C R r Công suất cực đại Pmax khi y ymin . Chúng ta khảo sát hàm y. 502 y' 1 0 Hàm số đồng biến. (R 70)2 U2.r Suy ra ymin khi R x 0 . Vậy công suất cực đại là:Pmax 2 2 378,4 W. r (ZL ZC )  Sai lầm khi giải các bài toán cực trị Ví dụ: Một đoạn mạch gồm điện trở R nối tiếp với cuộn thuần cảm L và tụ điện có điện dung biến thiên C. Cho R 100 , L 0,318H . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp u 200cos100 t (V). Tìm điện dung C để điện áp giữa hai bản tụ điện đạt giá trị cực đại. Tính giá trị cực đại đó.  Khi giải bài này học sinh thường mắc phải sai lầm coi ZC không đổi. HS lập luận như sau UC I.ZC nên để UCmax thì Imax lúc này trong mạch xảy ra hiện U tượng cộng hưởng: Z Z , U I .Z .Z 200(V). L C C max max C R C Giải: Cảm kháng: ZL = L = 100 Điện áp hiệu dụng giữa hai bản tụ điện U.Z U U U I.Z C C C 2 2 2 2 2 y R ZL 2ZL.ZC ZC R ZL 2ZL 2 1 ZC ZC 1 Để UC max thì y = y min mà y là hàm bậc hai với biến số là x ZC 1 ZL Vậy ymin khi x 2 2 . Z C R ZL 51
R 1 R 2 Z2 y khi Z L 200 . min 2 2 C x Z R ZL L 10 4 Vậy C F và UC max = 2002 (V) 2 - Biện pháp khắc phục: Giáo viên cần trang bị cho học sinh phương pháp giải các bài toán cực trị. Khi tìm giá trị của biến R trong mạch có cuộn dây thuần cảm để cho công suất trên R cực đại thì dùng bất đẳng thức (BĐT) Cauchy. Khi tìm giá trị của biến R trong mạch có cuộn dây không thuần cảm để cho công suất trên toàn mạch cực đại thì có thể dùng BĐT Cauchy nếu: r Z L ZC ; không thể dùng BĐT Cauchy mà phải dùng đạo hàm khi: r ≥ Z L ZC . Khi tìm giá trị của L, hoặc C, hoặc f để cho công suất cực đại (dòng điện cực đại) thì áp dụng hiện tượng cộng hưởng (2.L.C = 1). Khi tìm L để cho HĐT ở hai đầu cuộn thuần cảm cực đại, hoặc tìm C để cho UC cực đại thì sử dụng tam thức bậc hai ở mẫu số. Khi tìm L để cho ULR cực đại, hoặc tìm C để cho U RC cực đại thì phải dùng phương pháp đạo hàm để khảo sát hàm ở mẫu số. Khi tìm tần số f để cho U L hoặc U C cực đại thì phải đặt ẩn phụ của trùng phương mẫu số để đưa về hàm bậc hai rồi khảo sát. + Giáo viên có thể đưa ra một số bài tập củng cố: Bài 1: Cho mạch điện R, L, C mắc nối tiếp như R L, r C hình vẽ. Cuộn dây có r = 50; L = 0,318 H. A Tụ điện có điện dung C = 10-4/ 2 (F ). B uAB 200 2 cos(100 t)(V) . . Tìm Rx để công suất trên Rx đạt cực đại. - Sai lầm của học sinh là nhầm lẫn giữa công suất trên R x và trên toàn mạch. Học sinh có thể giải sai như sau: Đặt Rt = RX + r. 52
2 2 2 U U Ta có : P I Rt 2 Z L Z C y Rt Rt Công suất cực đại Pmax ymin . Theo bất đẳng thức Cauchy ta có: y min R t Z L Z C ; Vậy Rx ZL ZC r 50 thì P trên Rx đạt cực đại. Kết quả này là sai. Giải: 2 2 U Công suất trên điện trở RX là: P I .R vì 2r là một x (Z Z )2 r2 R L C 2r R hằng số nên: Áp dụng BĐT Cauchy cho hai số hạng còn lại của mẫu số ta có: 2 2 Công suất cực đại Pmax R ZL ZC r 50 5 . Bài 2: Một đoạn mạch điện xoay chiều gồm R, L, C mắc nối tiếp cuộn dây thuần cảm có 1 độ tự cảm L ( H), tụ có điện dung, tụ có điện dung C 15,9F , điện trở R 100. Đặt một điện áp xoay chiều cóU 200V , có tần số thay đổi vào hai đầu đoạn mạch. Hãy tìm giá trị tần số f để HĐT ở hai bản tụ cực đại và tính giá trị cực đại đó.  Khi giải bài này học sinh có thể sai lầm là coi ZC không đổi khi f thay đổi và giải như sau: U.Z Hiệu điện thế giữa hai bản tụ là: U I.Z C . C C Z UC đạt giá trị cực đại khi: Z ZMin  xảy ra hiện tượng cộng hưởng: 2LC 1. 1 Vậy f 50 2 (Hz) thì UC đạt giá trị cực đại. 2 LC 53
1 Z 100 2 (); C C. U 200 U .Z .100 2 200 2(V) .Kết quả này là sai. Cmax R C 100 Giải: U.Z Hiệu điện thế giữa hai bản tụ là:U I.Z C . C C Z U.Z U U U C C 2 2 2 2 4 2 2 2 y R (ZL ZC ) L .C  (R .C 2R.C) 1 Với y L2C24 R 2C2 2LC 2 1 . Đặt 2 X y L2C2X2 R 2C2 – 2LC .X 1. 2 UCmax khi y yMin . Ta thấy y có dạng là tam thức bậc hai, với hệ số a của X b 2LC R 2C2 dương nên đạt cực tiểu tại X X 2 15 2.103 2a 2L2C2   f 25 6 (Hz). 2 Vậy khi tần số f 25 6 (Hz) thì HĐT giữa hai bản tụ đạt cực đại U 2LU 800 U  U 302 (V). C max C max 2 2 ymin R. 4LC R C 7 Bài 3: Cho mạch điện không phân nhánh, gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm 2 L (H), tụ điện xoay chiều có điện dung C 31,8F. Điện trở R 100. Đặt điện áp U = 200V, có tần số thay đổi vào hai đầu đoạn mạch. Hãy tìm giá trị tần số f để HĐT ở hai cuộn cảm đạt giá trị cực đại và tính giá trị cực đại đó.  Sai lầm của HS trong lời giải trên là chủ quan coi cảm kháng ZL không đổi khi tần số f thay đổi và giải như sau: U.Z Hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm là: U I.Z L L L Z 54
UL đạt giá trị cực đại khi: Z ZMin .  xảy ra hiện tượng cộng hưởng: 2LC = 1. 1 Vậy f 25 2 (Hz) thì UL đạt giá trị cực đại . 2 LC Lúc này ZL L 100 (). U 200 Vậy :U .Z .100 2 200 2 (V). LM ax R L 100 Giải: U.Z HĐT giữa hai đầu cuộn cảm là: U I.Z L L L Z Thay giá trị của tổng trở vào ta được: U.ZL U U UL R 2 (Z Z )2 1 1 R 2 2 1 y L C . ( ). 1 L2C2 4 L2 LC 2 1 R 2 2 1 Với y .X2 ( ).X 1 ( Đặt X ). (LC)2 L2 LC 2 UL Max khi y yMin . Ta thấy y có dạng là tam thức bậc hai, với hệ số a của X 2 dương nên đạt cực b 2 2 tiểu tại X  100 (rad/s). 2a 2LC R 2C2 3  100  f 40,8 (Hz). 2 6 Vậy khi tần số f = 40,8 Hz thì HĐT giữa hai đầu cuộn cảm đạt cực đại U 2L.U 800 U U 302 (V). LMax LMax 2 2 yMin R 4LC R C 7  Trong mạch điện có tụ điện học sinh nhầm lẫn công thức tính điện dung tương đương khi mắc nối tiếp hay song song. Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ A C L R B 55
Biết cuộn dây thuần cảm và u 100 2 cos100 t (V). Cho R 30 , L 159mH , C 318F . Ampe kế đo cường độ dòng điện hai đầu mạch AB có giá trị bằng 0. Tìm cách mắc tụ C' với tụ C và tính C' để cường độ dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại. - Khi giải bài này học sinh có thể sử dụng nhầm công thức của tụ điện mắc ' ' song song cho tụ điện mắc nối tiếp: Ctd C C C Ctd C .Điều này là sai. Giải: ' Gọi Ctd là điện dung tương đương của tụ C mắc với C . U U Ta có: I Z 2 2 R (ZL ZC ) Cường độ dòng điện đạt giả trị cực đại khi: Zmin Khi đó, mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng nên: 1 1 1 ZL ZC L Ctd 2 2 63,7F . Ctd . L. 0,159.(100 ) ' Ta có: Ctd C nên phải mắc nối tiếp tụ C với C. 1 1 1 Từ công thức tính điện dung tương đương khi mắc nối tiếp: ' . Vậy điện Ctd C C C.C 318.63,7 dung C' có giá trị là: C' td 79,66F . C Ctd 318 63,7 Vậy phải mắc nối tiếp tụ C với tụ C' với C' 79,66 . - Biện pháp khắc phục: Trong quá trình giảng dạy giáo viên trang bị các công thức cho học sinh và lưu ý học sinh tranh áp dụng lẫn lộn giữa 2 công thức tính điện dung tương đương hoặc cho học sinh giải một số bài tập, qua bài tập để khắc phục sai lầm đó. Đối với một số bài toán mắc thêm tụ C’ với C thì khi tìm cách mắc chú ý so sánh Ctd với C trong mạch: nếu Ctd C thì mắc C’ nối tiếp với C và ngược lại Ctd C thì mắc song song. 56
 Học sinh nhầm lẫn Ud , Up , Id , Ip trong mạch điện ba pha mắc hình sao và hình tam giác. Ví dụ: Ba cuộn dây giống hệt nhau, mỗi cuộn có điện trở thuần R= 6 , cảm kháng ZL 8 mắc hình tam giác và mắc vào mạng điện xoay chiều ba pha đối xứng có điện áp dây Ud 220 V . Tính cường độ dòng điện chạy trên dây dẫn từ nguồn đến tải. - Khi giải bài này học sinh có thể nhầm lẫn áp dụng công thức của cách mắc hình sao với hình tam giác nên tính sai kết quả bài toán. Giải: 2 2 2 2 Tổng trở của mỗi cuộn dây là: Z R ZL 6 8 10 . Vì mắc theo hình tam giác nên Ud Up . Vậy cường độ dòng điện qua mỗi pha là: U U 220 I p d 22 (A) p Z Z 10 Vì mắc theo hình tam giác nên cường độ dòng điện chạy trên mỗi dây là: Id Ip 3 22 3 (A). Vậy dòng điện dây của mạng điện ba pha trên có cường độ là Id 22 3 (A). - Biện pháp khắc phục: + Nhấn mạnh cho học sinh biết sự khác nhau trong cách mắc hình sao và mắc hình tam giác và các công thức tính Ud , Up , Id , Ip . Đồng thời bản thân học sinh cũng phải chú ý nghe giảng, thiếp thu kiến thức. + Giáo viên có thể cho học sinh một số bài tập củng cố. Bài 1: Ở một mạng điện ba pha mắc hình sao, điện áp giữa dây pha và dây trung hòa là Up 127 (V). Tính hiệu điện thế giữa hai dây pha (Ud ). Giải: Trong cách mắc hình sao Ud Up 3 127. 3 200 (V). Bài 2: Ba cuộn dây giống hệt nhau, mỗi cuộn có điện trở thuần R= 6  , cảm kháng ZL= 8  mắc hình sao và mắc vào mạng điện xoay chiều ba pha đối xứng. Biết 57
dòng điện chạy trong mỗi dây dẫn từ nguồn đến tải là I d = 22 A . Điện áp dây của mạng điên ba pha trên bằng bao nhiêu? Giải: 2 2 2 2 Tổng trở của mỗi cuộn dây là: Z R ZL 6 8 10 . Vì mắc hình sao nên Id Ip . Vậy điện áp pha là: Up Ip.Z Id .Z 22.10 220 (V) Vì mắc hình sao nên điện áp của mỗi dây là: Ud Up. 3 220 3 (V) Vậy điện áp dây của mạng điện ba pha trên là Ud 220 3 (V).  Sai lầm khi giải bài tập động cơ điện Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ ba pha có điện áp định mức mỗi pha là 220V. Biết công suất của động cơ 10,56 kW và hệ số công suất bằng 0,8. Cường độ dòng điện hiệu dụng qua mỗi cuộn dây của động cơ là: A. 2A B. 6A C. 20A D. 60A Khi giải bài này học sinh có thể giải như sau: + Tính công suất của động cơ không đồng bộ ba pha theo công thức: P 10,56.103 P UpIp cos Ip 60 (A). Kết quả này là sai. Up.cos 220.0,8 + Học sinh có thể quên đổi hay đổi sai đơn vị của công suất. Biện pháp khắc phục: Lưu ý cho HS vì là động cơ ba pha nên công suất của động cơ tính cho cả ba pha và cho HS làm một số bài tập củng cố. Giải: Ta có công thức tính công suất của động cơ không đồng bộ ba pha là: P 10,56.103 P 3UpIp cos Ip 20 (A). 3Up.cos 3.220.0,8 Bài 1: Một động cơ điện xoay chiều một pha được mắc vào nguồn xoay chiều. Động cơ có hiệu suất H = 85% và sinh công suất cơ học 80kW. Tính điện năng do động cơ tiêu thụ trong 15 phút. 58
Giải: Công cơ học mà động cơ sinh ra là: A P.t 80000. 15.60 72.106 J . A Từ công thức hiệu suất H Điện năng do động tiêu thụ trong 15 phút là: A' A 72.106 A' 84,7.106 (J). H 0,85 Bài 2: Một động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây giống nhau. Biết động cơ có công suất định mức là 1,683 kW, hệ số công suất định mức bằng 0,85 và cường độ dòng điện định mức là 3 A. Để động cơ hoạt động đúng định mức khi sử dụng mạng điện ba pha có điện áp dây là 220 V thì ba cuộn dây của động cơ phải mắc A. nối tiếp B. song song. C. hình sao D. hình tam giác. Giải: Khi động cơ hoạt động đúng định mức thì: P 1683 P 3UpIp cos Up 220 (V). 3Ip.cos 3.3.0,85 Theo đề bài, theo giả thuyết Ud 220 (V) nên Up Ud . Vậy nên ba cuộn dây phải mắc hình tam giác. Đáp án D. 59
PHẦN KẾT LUẬN Thông qua việc tìm hiểu việc dạy và học phần “Dòng điện xoay chiều” thuộc chương trình vật lý 12 THPT, qua hai chương của khóa luận tôi đã hoàn thành được mục tiêu và nhiệm vụ đề ra ban đầu của đề tài. Kết quả đạt được là: 1. Tìm ra những khó khăn và sai lầm mà học sinh thường gặp phải khi học phần “Dòng điện xoay chiều”. Một số sai lầm mà học sinh thường mắc phải là: - Học sinh thường không đổi đơn vị hoặc đổi đơn vị sai nên khi giải bài tập dẫn đến tính toán sai kết quả. - Nhầm lẫn giữa giá trị tức thời, giá trị hiệu dụng và giá trị cực đại của cường độ dòng điện, điện áp, suất điện động. - Học sinh sai lầm không hiểu ý nghĩa các đại lượng vật lý mà máy móc áp dụng công thức toán học. - Sai lầm về độ lệch pha. - Sai lầm cách đọc đồ thị và độ lệch pha. 60
- Sai lầm về hiện tượng cộng hưởng. - Trong mạch điện R, L, C nối tiếp học sinh nhầm lẫn sử dụng công thức điện 1 chiều cho mạch điện xoay chiều. - Sai lầm đối với cuộn dây không thuần cảm. - Sai lầm kiến thức toán khi giải bài tập. - Sai lầm khi giải bài tập cực trị. 2. Chỉ ra được một số nguyên nhân gây ra những khó khăn và sai lầm cho học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều”. 3. Đề ra một số biện pháp để khắc phục những sai lầm mà học sinh gặp phải khi học phần “Dòng điện xoay chiều”. 4. Đưa ra một số bài tập tự luận và một số câu hỏi trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn để khắc phục những sai lầm phổ biến của học sinh khi học phần “Dòng điện xoay chiều” Vật lý 12 THPT. Các bài tập đưa đều chỉ ra chỗ sai của học sinh và giải tóm tắt. Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn nên đề tài chưa tìm hiểu hết tất cả những khó khăn và sai lầm của học sinh trong quá trình học phần “Dòng điện xoay chiều” và chưa tiến hành thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy của các biện pháp khắc phục. Qua đây, tôi hy vọng rằng nhà trường nên cho sinh viên bắt đầu nghiên cứu khoa học từ năm 2 để sau đó phát triển thành đề tài khóa luận tốt nghiệp. Như vậy sinh viên có thêm thời gian để chuẩn bị để khóa luận đạt kết quả tốt. Với những kết quả đạt được như trên, khóa luận này có thể đóng góp thêm một tài liệu tham khảo cần thiết cho giáo viên, sinh viên quan tâm tới những khó khăn và sai lầm mà học sinh thường gặp phải khi học phần “Dòng điện xoay chiều” và một số biện pháp khắc phục những sai lầm đó. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Giáo dục và Đào tạo (2010), Vật lý 12 nâng cao, NXB Giáo dục. [2] Bộ Giáo dục và Đào tạo (2010), Vật lý 12, NXB Giáo dục. [3] Nguyễn Anh Vinh, Cẩm nang ôn luyện thi Đại học môn vật lý (tập 1), NXB Đại học sư phạm 2011. [4] Hồ Anh Vũ, Lý luận dạy học vật lý ở trường Trung học phổ thông, tài liệu giảng dạy của khoa Vật lý, Quy Nhơn 2014. 62