Giáo án Vật lý Khối 12 - Chương III: Dòng điện xoay chiều - Bài 13: Các mạch điện xoay chiều

Tiết: 0	CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU
MỤC TIÊU
Kiến thức:
Phát biểu được định luật Ôm đối với đoạn mạch điện xoay chiều thuần điện trở.
Phát biểu được định luật Ôm đối với đoạn mạch điện xoay chiều chỉ chứa tụ điện.
Phát biểu được tác dụng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
Phát biểu được định luật Ôm đối với đoạn mạch điện xoay chiều chỉ chứa cuộn cảm thuần.
Phát biểu được tác dụng của cuộn cảm thuần trogn mạch điện xoay chiều.
Viết được công thức tính dung kháng và cảm kháng.
Kĩ năng:
Thái độ:
CHUẨN BỊ
Giáo viên:
Một số dụng cụ thí nghiệm như dao động kí điện tử, ampe kế, vôn kế, một số điện trở, tụ điện, cuộn cảm để minh hoạ.
Học sinh:
Ôn lại các kiến thức về tụ điện: q = Cu và i =± di
dt
và suất điện động tự cảm e = ±L di .
dt
HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Hoạt động 1 ( phút): Kiểm tra bài cũ.
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kiến thức cơ bản
Hoạt động 2 ( phút): Tìm hiểu mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kiến thức cơ bản
Biểu thức của dòng điện xoay chiều có dạng?
Chọn điều kiện ban đầu thích hợp để j = 0 ® i = Imcoswt = I 2 coswt
Ta sẽ đi tìm biểu thức của u ở hai
đầu đoạn mạch.
Trình bày kết quả thực nghiệm và lí thuyết để đưa ra biểu thức điện áp hai đầu mạch.
Lưu ý: Để tránh nhầm lẫn, phương trình điện áp có thể viết:
u = Umcos(wt+ ju/i)
= U 2 cos(wt+ ju/i)
Có dạng: i = Imcos(wt + j)
HS ghi nhận các kết quả chứng minh bằng thực nghiệm và lí thuyết.
- Nếu cường độ dòng điện xoay chiều trong mạch:
i = Imcoswt = I 2 coswt
® điện áp xoay chiều ở hai đầu mạch điện:
u = Umcos(wt+ j)
= U 2 cos(wt+ j)
Với j là độ lệch pha giữa u và i.
+ Nếu j > 0: u sớm pha j
so với i.
+ Nếu j < 0: u trễ pha |j| so với i.
+ Nếu j = 0: u cùng pha với i.
Hoạt động 3 ( phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kiến thức cơ bản
Xét mạch điện xoay chiều chỉ có R.
Trong mạch lúc này sẽ có i ® dòng điện này như thế nào?
Tuy là dòng điện xoay chiều, nhưng tại một thời điểm, dòng điện i chạy theo một chiều xác định. Vì đây là dòng điện trong kim loại nên theo định luật Ohm, i và u tỉ lệ với nhau
Biến thiên theo thời gian t (dòng điện xoay chiều)
Theo định luật Ohm
i = u
R
I. Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở
~
u
i
R
- Nối hai đầu R vào điện
như thế nào?
áp xoay chiều:
u = Umcoswt = U 2 coswt
Theo định luật Ohm
i = u = U	2coswt R	R
Nếu ta đặt: I = U
R
thì:	i = I 2coswt
Kết luận:
Định luật Ohm đối với mạch điện xoay chiều: Sgk
u và i cùng pha.
- Trong biểu thức điện áp u, Um và U là gì?
- Điện áp tức thời, điện áp
cực đại và điện áp hiệu dụng.
- Dựa vào biểu thức của u và i, ta có
- HS nêu nhận xét:
nhận xét gì?
+ Quan hệ giữa I và U.
- GV chính xác hoá các kết luận của
+ u và i cùng pha.
HS.
- Y/c HS phát biểu định luật Ohm
- HS phát biểu.
đối với dòng điện một chiều trong
kim loại.
Hoạt động 4 ( phút): Tìm hiểu về mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kiến thức cơ bản
- GV làm thí nghiệm như sơ đồ hình
- HS quan sát mạch điện và
Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện
Thí nghiệm
- Kết quả:
+ Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua.
+ Dòng điện xoay chiều có thể tồn tại trong những mạch điện có chứa tụ điện.
2. Khảo sát mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện
A	~	B u
i
C
a. - Đặt điện áp u giữa hai bản của tụ điện:
u = Umcoswt = U 2 coswt
Điện tích bản bên trái của tụ điện:
q = Cu = CU 2 coswt
Giả sử tại thời điểm t, dòng điện có chiều như hình, điện tích tụ điện tăng lên.
Sau khoảng thời gian Dt, điện tích trên bản tăng Dq.
Cường độ dòng điện ở thời điểm t:
i = Dq
Dt
Khi Dt và Dq vô cùng nhỏ
13.3 Sgk.
ghi nhận các kết quả thí
nghiệm.
- Ta có nhận xét gì về kết quả thu
+ Tụ điện không cho dòng
được?
điện một chiều đi qua.
+ Tụ điện cho dòng điện xoay
chiều “đi qua”.
- Ta nối hai đầu tụ điện vào một
- HS theo hướng dẫn của GV
nguồn điện xoay chiều để tạo nên
để khảo sát mạch điện xoay
điện áp u giữa hai bản của tụ điện.
chiều chỉ có tụ điện.
- Có hiện tượng xảy ra ở các bản của
- Tụ điện sẽ được tích điện.
tụ điện?
- Giả sử trong nửa chu kì đầu, A là
cực dương ® bản bên trái của tụ sẽ tích điện gì?
- Bản bên trái tích điện dương.
- Ta có nhận xét gì về điện tích trên
bản của tụ điện?
® Độ biến thiên điện tích q cho phép ta tính i trong mạch.
Biến thiên theo thời gian t.
HS ghi nhận cách xác định i trong mạch.
- Cường độ dòng điện ở thời điểm t xác định bằng công thức nào?
i = Dq
- Khi Dt và Dq vô cùng nhỏ Dq trở
Dt
thành gì?
Dt
- Đạo hàm bậc nhất của q theo thời gian.
- HS tìm q’
Ta nên đưa về dạng tổng quát i = Imcos(wt + j) để tiện so sánh, –sina
® cosa
Nếu lấy pha ban đầu của i bằng 0
® biểu thức của i và u được viết lại như thế nào?
ZC đóng vai trò gì trong công thức?
® ZC có đơn vị là gì?
Z = 1 
C	wC
Dựa vào biểu thức của u và i, ta có nhận xét gì?
Nói cách khác: Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện là phần tử có tác dụng làm cho cường độ dòng điện tức thời sớm pha p/2 so với điện áp tức thời.
Dựa vào biểu thức định luật Ohm, ZC có vai trò là điện trở trong mạch chứa tụ điện ® hay nói cách khác nó là đại lượng biểu hiện điều gì?
Khi nào thì dòng điện qua tụ dễ dàng hơn?
Tại sao tụ điện lại không cho dòng điện không đổi đi qua?
-sina = cos(a + p )
2
HS viết lại biểu thức của i và u (i nhanh pha hơn u góc p/2
® u chậm pha hơn i góc p/2)
So sánh với định luật Ohm, có vai trò tương tự như điện trở R trong mạch chứa điện trở.
Là đơn vị của điện trở (W).
æ C ö-1	A.W.s
(F)-1.s = ç	÷ .s =	= W
è V ø	C
Trong mạch chứa tụ điện, cường độ dòng điện qua tụ điện sớm pha p/2 so với điện áp hai đầu tụ điện (hoặc điện áp ở hai đầu tụ điện trễ pha
p/2 so với cường độ dòng điện).
Biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều.
Từ Z = 1	ta thấy: Khi w
C	wC
nhỏ (f nhỏ) ® ZC lớn và ngược lại.
Vì dòng điện không đổi (f = 0) ® ZC = ¥ ® I = 0
i = dq = -wCU 2sinwt dt
hay: i = wCU 2cos(wt + p )
2
b. Đặt: I = UwC
thì	i = I 2cos(wt + p ) 2
và	u = U 2 coswt
Nếu lấy pha ban đầu của i bằng 0
thì i = I 2coswt
và	u = U 2cos(wt - p ) 2
Ta có thể viết:
I = U và đặt Z = 1 
1	C	wC
wC
thì:	I = U ZC
trong đó ZC gọi là dung kháng của mạch.
- Định luật Ohm: (Sgk)
c. So sánh pha dao động của u và i
+ i sớm pha p/2 so với u (hay u trễ pha p/2 so với i).
3. Ý nghĩa của dung kháng
+ ZC là đại lượng biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều của tụ điện.
+ Dòng điện xoay chiều có tần số cao (cao tần) chuyển qua tụ điện dễ dàng hơn dòng điện xoay chiều tần số thấp.
+ ZC cũng có tác dụng làm cho i sớm pha p/2 so với u.
Hoạt động 5 ( phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kiến thức cơ bản
Cuộn cảm thuần là gì?
(Cuộn cảm thuần là cuộn cảm có điện trở không đáng kể, khi có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm sẽ xảy ra hiện tượng tự cảm.)
Khi có dòng điện cường độ i chạy
- HS nghiên cứu Sgk để trả lời
III. Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần
- Cuộn cảm thuần là cuộn cảm có điện trở không đáng kể.
1. Hiện tượng tự cảm trong
qua cuộn cảm (cuộn dây dẫn nhiều vòng, ống dây hình trụ thẳng dài, hoặc hình xuyến) ® có hiện tượng gì xảy ra trong ống dây?
Trường hợp i là một dòng điện xoay chiều thì F trong cuộn dây?
Xét Dt vô cùng nhỏ (Dt ® 0) ® suất điện động tự cảm trong cuộn cảm trở thành gì?
Y/c HS hoàn thành C5
e	r
A	 	B
i
Đặt vào hai đầu của một cuộn thuần cảm (có độ tự cảm L, điện trở trong r = 0) một điện áp xoay chiều, tần số góc w, giá trị hiệu dụng U ® trong mạch có dòng điện xoay chiều
Điện áp hai đầu của cảm thuần có biểu thức như thế nào?
Hướng dẫn HS đưa phương trình u về dạng cos.
Đối chiếu với phương trình tổng quát của u ® điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn cảm?
ZL đóng vai trò gì trong công thức?
® ZL có đơn vị là gì?
æ	ö
Z = wL = w ç e ÷
L	ç di ÷
ç	÷
è dt ø
Dựa vào phương trình i và u có nhận xét gì về pha của chúng?
Dòng điện qua cuộn dây tăng lên ® trong cuộn dây xảy ra hiện tượng tự cảm, từ thông qua cuộn dây:
F = Li
Từ thông F biến thiên tuần hoàn theo t.
Trở thành đạo hàm của i theo t.
Khi i tăng ® etc < 0, tương đương với sự tồn tại một nguồn điện.
e = -L di = L di
dt	dt
® u	= ri + L di
AB	dt
HS ghi nhận và theo sự hướng dẫn của GV để khảo sát mạch điện này.
u = L di = -wLI 2sinwt dt
Hay u = wLI 2cos(wt + p )
2
Vì -sina = cos(a + p )
2
u = U 2cos(wt +j)
® U = wLI
So sánh với định luật Ohm, có vai trò tương tự như điện trở R trong mạch chứa điện trở.
Là đơn vị của điện trở (W).
æ	ö
1 ç V ÷ = V = W
s ç A ÷	A
ç s ÷
è	ø
Trong đoạn mạch chỉ có một cuộn cảm thuần: i trễ pha p/2
mạch điện xoay chiều
Khi có dòng điện i chạy qua 1 cuộn cảm, từ thông tự cảm có biểu thức:
F = Li
với L là độ tự cảm của cuộn cảm.
Trường hợp i là một dòng điện xoay chiều, suất điện động tự cảm:
e = -L Di
Dt
Khi Dt ® 0:
e = -L di
dt
2. Khảo sát mạch điện xoay chiều có cuộn cảm thuần
A	~	B u
i
L
Đặt vào hai đầu L một điện áp xoay chiều. Giả sử i trong mạch là:
i = I 2 coswt
Điện áp tức thời hai đầu cuộn cảm thuần:
u = L di = -wLI 2sinwt dt
Hay u = wLI 2cos(wt + p )
2
a. Điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn cảm: U = wLI
Suy ra:	I = U 
wL
Đặt	ZL = wL
Ta có:	I = U ZL
Trong đó ZL gọi là cảm kháng của mạch.
- Định luật Ohm: (Sgk)
b. Trong đoạn mạch chỉ có một cuộn cảm thuần: i trễ pha p/2 so với u, hoặc u
sớm pha p/2 so với i.
i = I 2 coswt ® u = U 2cos(wt + p )
2
Hoặc
so với u, hoặc u sớm pha p/2 so với i.
u = U 2 coswt ®
3. Ý nghĩa của cảm kháng
i = I 2cos(wt - p )
2
Tương tự, ZL là đại lượng biểu hiện điều gì?
Với L không đổi, đối với dòng điện xoay chiều có tần số lớn hay bé sẽ
Biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều.
Vì ZL = wL nên khi f lớn ®
ZL sẽ lớn ® cản trở nhiều.
+ ZL là đại lượng biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều của cuộn cảm.
+ Cuộn cảm có L lớn sẽ cản trở nhiều đối với dòng điện xoay chiều, nhất là dòng
cản trở lớn đối với dòng điện xoay
điện xoay chiều cao tần.
chiều.
- Lưu ý: Cơ chế tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều của R và L
+ ZL cũng có tác dụng làm cho i trễ pha p/2 so với u.
khác hẳn nhau. Trong khi R làm yếu
dòng điện do hiệu ứng Jun thì cuộn
cảm làm yếu dòng điện do định luật
Len-xơ về cảm ứng từ.
Hoạt động 6 ( phút): Giao nhiệm vụ về nhà.
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kiến thức cơ bản
- Nêu câu hỏi và bài tập về nhà.
- Ghi câu hỏi và bài tập về
- Yêu cầu: HS chuẩn bị bài sau.
nhà.
- Ghi những chuẩn bị cho bài
sau.
RÚT KINH NGHIỆM
..............................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................