GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM 26/11/2008 GIẢI QUYẾT BÀI TỐN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN NĂNG LƯỢNG Người soạn: Lê minh Tâm Tổ Vật lý _ Trường THPT Lý thường Kiệt A / ĐẶT VẤN ĐỀ : I/ Về cơng thức biến đổi U,I trong máy biến thế. Trong chương trình PTTH: Chương III,sách giáo khoa và sách bài tập vật lý 12 • Chương trình khơng phân ban (NXBGD 1992), • Chương trình ban KHTN và KHXHNV thí điểm(NXBGD 2005). • Chương trình phân ban : Chương trình chuẩn (NXBGD 2008) • Chương trình phân ban : Chương trình nâng cao(NXBGD 2008) ở Chương 4 Có kiến thức về “MÁY BIẾN ÁP” , hay còn gọi là “MÁY BIẾN THẾ”. Ở phần thiết lập các cơng thức định lượng,kiến thức đưa đến cho HS được thực hiện theo hướng chỉ giải quyết vấn đề khi bỏ qua hao phí điện năng do : 1.1. Tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ _ khi từ trường biến thiên trong lõi sắt ở trường hợp cho rằng khơng tuyệt đối khép kín. 1.2. Toả nhiệt trên lõi sắt : tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx của dòng điện Fu-Cơ. 1.3. Tỏa nhiệt trên 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp , tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx vì giả thiết rằng điện trở mỗi cuộn dây r 1 ,r 2 ≈0. Để cuối cùng dẫn đến cơng thức : 1 1 2 2 2 1 = = U N I U N I Do vậy ,trong q trình dạy và học về bài máy biến thế , các giáo viên và học sinh thường gặp các trở ngại như sau : - Thiếu kiến thức để giải bài tốn hiệu suất máy biến thế - Khi cuộn thứ cấp mắc vào mạch tải có R,L hay R,C hay R,L,C _Tức là mạch tải có hệ số cơng suất k=cosϕ <1 thì bài tốn còn sử dụng được các cơng thức trên hay khơng? Do vậy , các bài tốn chính thức thường né tránh chỗ nhạy cảm này bằng cách chỉ cho mạch tải là đoạn mạch chỉ có R. Ngoại trừ một bài tốn trong Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ của Bộ GD (NXB GD 1990) thì cho mạch tải là mạch gồm R,L,C với phép giải còn nhiều khúc mắc. II/ Về vấn đề cơng suất _ Hiệu suất của máy biến thế. 1. Tài Liệu chính thức của Bộ GDĐT: -1- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM − Sách GK nâng cao cho rằng cơng suất của mạch sơ cấp và thứ cấp bằng nhau,nếu bỏ qua hao phí điện năng trên máy biến thế thì P 1 = P 2 ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 .(C1 trg 70) (khơng quan tâm cấu trúc mạch tải) Nhưng khơng có bài tập trong SGK và SBT . − Ngược lại , Sách cơ ban khơng đề cập đến cơng suất. Nhưng bài tập trong SGK và SBT lại cho HS làm.Thậm chí đề cập đến cả hiệu suất máy biến thế. − Sách chuẩn bị kiến thức và Sách hướng dẫn ơn tập của Bộ phát hành trước đợt ơn thi TNPT 2007-2008 , cùng SGK thí điểm KHTN cũng viết U 1 I 1 = U 2 I 2 (khơng quan tâm nếu bỏ qua hao phí điện năng trên máy biến thế và cấu trúc mạch tải) − Thế nhưng Sách Giáo viên theo chương trình chuẩn lại viết là : U 1 I 1 = U 2 I 2 cosϕ 2 2. Tài liệu tham khảo : Từ những tác giả được xem là có uy tín − Tiến sĩ Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài tốn TN VL cuốn 1, trang 178_ NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006 P 1 =P 2 và cosϕ 1 = cosϕ 2 ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 (!!??) Thậm chí , ơng viết tiếp,Hiệu suất máy biến thế được xác định từ H = 2 1 p p = 2 2 2 1 1 1 cos cos U I U I ϕ ϕ (sic) − Nhóm tác giả Khoa Vật lý Đại học KHTN _ĐHQG : 540 Câu hỏi trắc nghiệm Vật lý 12_ NXB ĐHQG TP HCM 2007 ,trang 74 lại viết : Cơng suất của cuộn sơ cấp : P 1 = U 1 I 1 (?) Cơng suất của cuộn thứ cấp : P 2 = U 2 I 2 (?) Hiệu suất máy biến thế là H = 2 1 p p (!?) − Lê văn Thơng : TT các bài tốn Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264 Viết : P 1 = 1 1 1 cosU I ϕ (!?) P 2 = 2 2 2 cosU I ϕ (!?) Và cũng viết : H = 2 1 p p = 2 2 2 1 1 1 cos cos U I U I ϕ ϕ (!?) Đến đây , ta thấy các tác giả trong viết tài liệu chính thức cũng như các tác giả khác khơng cùng một cách nhìn,giải quyết vấn đề theo các cách khác nhau.Chắc chắn các kết quả giải tốn cũng khác nhau. -2- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM Vậy,ai đúng?ai sai? Theo quan điểm giải quyết một bài tốn vật lý,giải pháp sử dụng Định luật bảo tồn năng lương là giải pháp cơ bản.Đúng cho mọi hiện tượng Vật lý_Kể cả bài tốn máy biến thế. B / GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ : Từ năm 2002,Tơi có đặt vấn đề và sau đó , tơi có giải quyết vấn đề này trong đề tài sáng kiến kinh nghiệm 2007-2008 : ” GIẢI QUYẾT BÀI TỐN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN NĂNG LƯỢNG” BỐ CỤC TRÌNH BÀY : I/ Hướng dẫn học sinh lập 2 cơng thức máy biến thế trong trường hợp tổng qt. II/ Từ trường hợp tổng qt,suy ra các trường hợp riêng. III/ Cách áp dụng kiến thức trên để giải tốn.Giải 3 bài tốn đặc trưng. IV/ Một số phát hiện. I/ HƯỚNG DẪN LẬP CƠNG THỨC MÁY BIẾN THẾ TRONG TRƯỜNG HỢP TỔNG QT. 1) Giới thiệu học sinh về : - Cấu trúc tổng qt cuả máy biến thế. - Các đại lượng vật lý tương ứng trong bài tốn máy biến thế. Bằng cách vẽ và sử dụng các ký hiệu như sau : 2) Lập cơng thức ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN NĂNG LƯỢNG cho máy biến thế : -3- I 1 I 2 U 1 U 2 r 1 r 2 T iả Cu n s c pộ ơ ấ Cu n th c pộ ứ ấ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM - Xem nguồn U 1 cung cấp cơng suất Pc = U 1 I 1 - 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tiêu thụ điện năng để toả nhiệt (hao phí)theo hiệu ứng Jun-Lenx bao gồm : Pt 1 = r 1 I 1 2 , Pt 2 = r 2 I 2 2 . - Lõi sắt tiêu thụ điện năng để tỏa nhiệt (hao phí)theo hiệu ứng Jun-Lenx do tác dụng của dòng Fu cơ là : Ps. - Mạch tải mắc vào cuộn thứ cấp tiêu thụ (hữu ích)điện năng Ptt = U 2 I 2 cosϕ = RI 2 2 với k = cosϕ là hệ số cơng suất của mạch tải. - Thực tế,cơng suất hao phí do tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ là cực bé so với các cơng suất kể trên,nên có thể bỏ qua. Theo định luật bảo tồn năng lượng,ln ln ta có : Cơng suất cung cấp = tổng các cơng suất tiêu thụ ⇒ Pc = Pt 1 + Pt 2 + Ps + Ptt Hay : U 1 I 1 = r 1 I 1 2 + r 2 I 2 2 + Ps + U 2 I 2 cosϕ……. Và hiệu suất máy biến thế theo ý nghĩa vật lý là H = tt 2 2 C 1 1 P U I cos P U I ϕ = 3) Lập cơng thức quan hệ cường độ dòng điện qua mỗi cuộn dây và số vòng dây của mỗi cuộn (I , N) : Bước 1 : tương tự SGK,ta có : e 1 = N 1 d dt Φ ; e 2 = N 2 d dt Φ ⇒ 1 1 2 2 e N e N = , Do e 1 , e 2 đồng pha nên : 1 1 2 2 E N E N = (1) Bước 2 : xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy phát có cơng suất : E 1 I 1 xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy thu có cơng suất : E 2 I 2 ⇒ E 1 I 1 = E 2 I 2 , ⇒ 1 2 2 1 E I E I = (2) Từ (1) và (2), ⇒ 1 2 2 1 N I N I = NHẬN XÉT : Từ 2 cơng thức tổng qt (TQ1) và (TQ2) , ta có thể giải hầu hết các bài tốn tổng qt. -4- (TQ 1) (TQ 2) GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM II/ TỪ TRƯỜNG HỢP TỔNG QT,SUY RA CÁC TRƯỜNG HỢP RIÊNG: 1. Nếu bài tốn bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cơ gây ra : Ps = 0. Từ (TQ1) ⇒ U 1 I 1 = r 1 I 1 2 + r 2 I 2 2 + U 2 I 2 cosϕ……. Phối hợp (TQ2) 1 2 2 1 N I N I = Suy ra các kết quả bài tốn u cầu. ( Bài giải mẫu số 1 _ Trích từ Bộ đề thi tuyển sinh Đại học-CĐ của Bộ GD_NXB GD 1990) 2. Nếu bài tốn − Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cơ gây ra : Ps = 0 − Bỏ qua điện trở thuần của 2 cuộn dây r 1 ,r 2 ≈ 0. Từ (TQ1) ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 cosϕ……. Phối hợp (TQ2) 1 2 2 1 N I N I = Suy ra các kết quả bài tốn u cầu. ( Bài giải minh họa số 2 _ Bài 5.32 trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 ) 3. Nếu bài tốn − Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cơ gây ra : Ps = 0 − Bỏ qua điện trở thuần của 2 cuộn dây r 1 ,r 2 ≈ 0. − Mạch tải chỉ có điện tở thuần hoặc xảy ra cộng hưởng điện cos ϕ = 1 Trường hợp này được trả về kiến thức sách giáo khoa+bài tập chương trình phân ban và khơng phân ban. Từ (TQ1) ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 . ⇒ 1 2 2 1 U I U I = Phối hợp (TQ2) 1 2 2 1 N I N I = Suy ra các kết quả bài tốn u cầu. (Bài giải minh họa số 3 _ Bài 3.69 trang 32 _Chuẩn bị kiến thức mơn vật lý _ Kỳ thi TNPT 2007,NXBGD 2007) -5- R : U 2 U 1 GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM III/ CÁCH ÁP DỤNG KIẾN THỨC TRÊN ĐỂ GIẢI TỐN. (GIẢI 3 BÀI TỐN ĐẶC TRƯNG). BÀI TỐN 1 : ( Trích đề 13/câu 3 Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ của Bộ GD_NXB GD 1990) Một máy hạ thế có tỉ số 127 220 N N 2 1 = , trong đó N 1 , N 2 lần lượt là số vòng của cuộn sơ cấp và của cuộn thứ cấp của máy ; điện trở cuộn sơ cấp r 1 = 3,6 Ω , điện trở cuộn thứ cấp r 2 = 1,2 Ω . Điện trở mắc vào cuộn thứ cấp R = 10 Ω . Xem mạch từ là khép kín và hao phí do dòng Fucơ khơng đáng kể ( hình vẽ ) . Xác định hiệu điện thế hiệu dụng trên hai đầu điện trở R khi cuộn sơ cấp mắc vào hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng U 1 = 220V ,và hiệu suất máy biến thế. BÀI GIẢI Tính U R : Ta có U R = I 2 R = 10 I 2 (*) Từ U 1 I 1 = r 1 I 1 2 + r 2 I 2 2 + U 2 I 2 cosϕ ……với U 2 I 2 cosϕ = R I 2 2 . ⇒ 220I 1 = 3,6I 1 2 + 1,2 I 2 2 + 10 I 2 2 ⇒ 220I 1 = 3,6I 1 2 + 11,2 I 2 2 (1) Mặt khác : 1 2 2 1 N I N I = ⇒ 2 1 I 220 I 127 = (2) -6- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM Giải hệ (1) và (2) ta được I 2 = 10,24 A (*) ⇒ U R =102,4 V Tính H : H = t c p p = 2 2 1 1 RI U I = 80,63% Ưu điểm : Kỹ thuật giải rất ngắn gọn ,chỉ còn 1/5về thời lượng giải và độ khó của tính tốn so với phép giải của Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ _NXB GD 1990. BÀI TỐN 2 : Bài 5.32 trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 Đặt vào hai đầu của cuộn sơ cấp một máy biến thế một hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng 380V , Cuộn sơ cấp có 600 vòng , cuộn thứ cấp có 120 vòng . Bỏ qua điện trở của 2 cuộn dây . 1. Tính hiệu điện thế hiệu dụng ở 2 đầu cuộn thứ cấp. 2. Cuộn thứ cấp mắc vào mạch điện gồm R = 100 Ω . Tính cường độ hiệu dụng của dòng điện trong cuộn sơ cấp trong 2 trường hợp : a) Bỏ qua hao phí của máy biến thế. b) Biết cơng suất hao phí bằng 5% cơng suất đặt vào mạch sơ cấp. BÀI GIẢI 1. Tính U 2 Từ 1 1 2 2 N U N U = ⇒ U 2 = 76 V 2. Tính I 1 , Bỏ qua hao phí của máy biến thế. Từ I 2 = 2 U R ⇒ I 2 = 0,76 A ⇒ I 1 = 2 2 1 N I N = 0,152 A Tính I 1 , có hao phí của máy biến thế là 5% Từ U 1 I 1 = Ps + R I 2 2 với 1 2 2 1 N I N I = ⇒ I 2 = 5 I 1 ⇒ U 1 I 1 = 5% U 1 I 1 + R 25I 1 2 ⇒ 95%U 1 I 1 = R I 1 2 25 ⇒ I 1 = 95%U 1 /25R ⇒ I 1 = 0,1444 A BÀI TỐN 3 : Bài 3.69 trang 32 _Chuẩn bị kiến thức mơn vật lý _ Kỳ thi TNPT 2007,NXBGD 2007 -7- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM Một máy biến thế có số vòng cuộn sơ cấp là 3000 vòng cuộn thứ cấp là 500 vòng, được mắc vào mạng điện xoay chiều có tần số 50Hz, khi đó cường độ dòng điện qua cuộn thứ cấp là 12A. Bỏ qua mọi hao phí điện năng.Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp là : A. 1,41A B. 2,00A C. 2,83A D. 72,0A BÀI GIẢI I 1 = 2 2 1 N I N ⇒ I 1 = 500 12 3000 ⇒ I 1 = 2 A  chọn B IV/ Một số phát hiện : 1. Tính tiện ích khi sử dụng Định luật bảo tồn năng lượng : − Chỉ cần chú ý điều kiện vật lý bài tốn cho để suy ra cơng thức phù hợp. − Phép giải tốn rất tổng qt,nên đúng cho mọi trường hợp( 3 bài tốn minh họa) 2. Tính chính xác khoa học a / Nếu chỉ nói : P 1 là cơng suất của cuộn sơ cấp, P 2 là cơng suất của cuộn thứ cấp thì có thể đã sai về thuật ngữ chun mơn,vì : - Cơng suất là phần năng lượng được tính trong một giây, như theo các tác giả D.Halliday,R.Resnick,J.Walker trong cuốn Cơ sở vật lý _NXBGD 1998 , thì cơng suất là tốc độ mà năng lượng đã được tiêu thụ hay được cung cấp.(Trang 235,tập 5) Vì vậy, trong phần máy biến thế chỉ có thể tồn tại 2 khái niệm cơng suất : + Cơng suất cung cấp : P C = U.I ( trước 1992 gọi là cơng suất tồn phần) + Cơng suất tiêu thụ : P = UI cosϕ = RI 2 , có thể chia thành 2 loại ,gồm : *Cơng suất tiêu thụ hữu ích cho người sử dụng ( các thiết bị sử dụng điện năng) *Cơng suất tiêu thụ hao phí do hiệu ứng tỏa nhiệt ( tổn hao Ơmic). - Do vậy , Trong các SGK và BT hiện nay, lẻ loi chỉ có chương trình chuẩn là đề cập tương đối đủ kiến thức máy biến áp , thì vẫn có vấn đề mà tơi cho rằng nên điều chỉnh về mặt thuật ngữ , nhằm giúp các em hs định chuẩn kiến thức,cụ thể trong sách bài tập chương trình chuẩn ,phần máy biến thế ,trang 27,bao gồm : các bài 16.7 , 16.8 , 16.9 , b / Những tài liệu của bộ như đã dẫn ở trang 2 , khi giảng dạy , có lẽ cần lưu ý với học sinh , khi sử dụng thì cần thỏa đồng thời 2 điều kiện : * Bỏ qua mọi hao phí điện năng. * Mạch tải mắc vào cuộn thứ cấp chỉ có điện trở thuần R. c / Những tài liệu tham khảo như đã dẫn ở trang 2 thì tơi cho là cần xem lại kiến thức chun mơn.Vì khơng phù hợp với Định luật bảo tồn năng lượng. Trong một khoảng thời gian rất ngắn,tơi khơng thể trình bày hết ý được,nên chắc chắn rằng có nhiếu vấp váp,sai sót .Mong q vị rộng lòng bỏ qua. Mặt khác,khơng loại trừ trường hợp tơi đã có những định kiến chủ quan,sai lầm khoa học.Rất mong q vị chia sẻ,góp ý,bàn bạc thêm,nhằm cùng giúp nhau tiến bộ. Kính. Lê minh Tâm -8- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM Tài liệu tham khảo : • Đề thi tuyển sinh vào các trường ĐH-CĐ-THCN Mơn vật lý của Bộ ĐTHCN- DN_NXB ĐH-THCN1990 • Sách GK , Sách GV,và sách BT lớp 12 Chương trình khơng phân ban (NXBGD 1992), • Sách GK , Sách GV,và sách BT lớp 12 Chương trình ban KHTN và KHXHNV thí điểm(NXBGD 2005).(Bộ 1 và 2 ) • Sách GK , Sách GV,và sách BT lớp 12 Chương trình chuẩn (NXBGD 2008) • Sách GK , Sách GV,và sách BT lớp 12 Chương trình nâng cao(NXBGD 2008) • Sách chuẩn bị kiến thức và Sách hướng dẫn ơn tập của Bộ GD – ĐT phát hành trước đợt ơn thi TNPT 2007-2008 • Tiến sĩ Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài tốn TN VL cuốn 1, NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006 • Nhóm tác giả: Vũ thị phát Minh,Nguyễn văn Nghĩa,Châu văn Tạo,Trần ngun Tường,Nguyễn hồng Hưng. Khoa Vật lý Đại học KHTN _ĐHQG : 540 Câu hỏi trắc nghiệm Vật lý 12_ NXB ĐHQG TP HCM 2007 • Lê văn Thơng : TT các bài tốn Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264. • D.Halliday,R.Resnick,J.Walker trong cuốn Cơ sở vật lý _NXBGD 1998 -9- . GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM 26/11/2008 GIẢI QUYẾT BÀI TỐN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN NĂNG LƯỢNG Người soạn:. cơng thức ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN NĂNG LƯỢNG cho máy biến thế : -3- I 1 I 2 U 1 U 2 r 1 r 2 T iả Cu n s c pộ ơ ấ Cu n th c pộ ứ ấ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG. với phép giải còn nhiều khúc mắc. II/ Về vấn đề cơng suất _ Hiệu suất của máy biến thế. 1. Tài Liệu chính thức của Bộ GDĐT: -1- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG