SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI : "PHƯƠNG PHÁP GIÚP HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP MẠCH ĐIỆN VỀ MẠCH CẦU TRONG DẠY BỒI DƯỠNG VẬT LÝ 9" I. ĐẶT VẤN ĐỀ. 1. Lí do chọn đề tài. - Vật lý là môn khoa học tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong đời sống thực tế. Muốn học tốt môn học này đòi hỏi học sinh phải nắm vững lí thuyết, hiểu tường tận vấn đề và có phương pháp giải bài tập một cách khoa học. - Hiện nay việc dạy bồi dưỡng học sinh giỏi là nhiệm vụ song hành trong suốt quá trình dạy học. Để học sinh nắm bắt được kiến thức đã học, người dạy phải có phương pháp cụ thể, quá trình dẫn dắt kiến thức logic. Có như vậy học sinh mới dễ tiếp thu bài và vận dụng vào các bài tập khó, bài tập nâng cao trong khi giải bài tập. - Sách giáo khoa Vật lý 9 hiện nay chỉ có những kiến thức cơ bản về định luật Ôm, công thức áp dụng cho các đoạn mạch mắc nối tiếp, mắc song song. Những bài tập học sinh luyện tập ở sách bài tập chỉ ôn luyện về những kiến thức đơn giản, chính vì thế mà khi dạy bồi dưỡng học sinh giỏi, học sinh gặp rất nhiều khó khăn khi giải các bài tập nâng cao. Cụ thể là bài tập phần điện về mạch cầu. 2. Thực trạng vấn đề. Qua nhiều năm dạy bồi dưỡng học sinh giỏi tôi nhận thấy rằng học sinh gặp khó khăn khi giải bài tập điện về mạch cầu với những nội dung như sau: + Xác định chiều của dòng điện qua ampe kế với mạch cầu có điện trở ampe kế rất nhỏ không đáng kể. + Xác định cực dương, cực âm của vôn kế + Xác định giá trị một điện trở của mạch cầu khi gặp mạch cầu cân bằng. +Tính điện trở tương đương của mạch cầu khi mạch cầu không cân bằng + Xác định giá trị điện trở khi biết số chỉ của ampe kế 3. Mục đích vấn đề. - Trải qua quá trình dạy bồi dưỡng học sinh giỏi, tôi đã tìm hiểu và đề ra biện pháp giúp học sinh có thể giải bài tập điện về mạch cầu một cách rõ ràng. Chỉ cần học sinh nắm được phương pháp giải cho từng dạng bài tập thì phần bài tập điện về mạch cầu không còn là vấn đề khó khăn đối với học sinh. II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ. A. Khái quát chung về mạch cầu điện trở, mạch cầu cân bằng và mạch cầu không cân bằng: -Mạch cầu là mạch dùng phổ biến trong các phép đo chính xác ở phòng thí nghiệm điện. Các điện trở R1, R2, R3, R4, gọi là các cạnh của mạch cầu, điện trở R5 có vai trò khác biệt được gọi là đường chéo của mạch cầu. * Phân loại mạch cầu. -Mạch cầu có thể phân thành 2 loại: Mạch cầu cân bằng và mạch cầu không cân bằng. B. Phương pháp chung. Bài tập về mạch cầu điện trở rất đa dạng và phong phú. Để giải các bài tập này thì cần nắm vững các kiến thức sau: a. Kỹ năng phân tích mạch điện. b. Định luật Ôm cho đoạn mạch có điện trở R :I = c. Các tính chất của đoạn mạch có các điện trở mắc nối tiếp,song song. d. Các công thức biến đổi hiệu điện thế e. Các công thức biến đổi cường độ dòng điện. f. Cách mắc và vai trò của ampe kế, vôn kế trong mạch. g. Công thức chuyển từ mạch sao thành mạch tam giác và ngược lại. C. Phương pháp cụ thể. 1. Áp dụng định luật ôm cho từng đoạn mạch của mạch cầu ( là mạch có ít nhất 5 điện trở mắc theo sơ đồ hình 1). - Áp dụng các phương trình về hiệu điện thế như: UAB = UAM + UMB UAB = I1 R1 + I2 R2 -Áp dụng các phương trình về dòng điện như: I = I1 + I3 = I2 + I4 -Để cho gọn ta đặt hiệu điện thế tại một nút nào đó, nút B chẳng hạn, bằng không, tức là VB¬ = 0 khi đó: UAB = VA UMB = VM UNB = VN Cách này gọi là phương pháp điện thế nút 2. Đối với mạch cầu cân bằng. Mạch cầu được gọi là mạch cầu cân bằng khi VM = VN hay UMN = 0 Tức là I5 = 0. Trong trường hợp này: I1 = I2, I3 = I4 Và (1) Ngược lại, nếu thì I5 = 0 Do đó, khi đề bài cho mạch điện là mạch cầu hay một phần mạch điện là mạch cầu thì nên kiểm tra xem có tồn tại hệ thức (1) hay không. Nếu tồn tại hệ thức (1) thì kết luận ngay mạch cầu là mạch cầu cân bằng, lúc đó I5 = 0, muốn tính điện trở tương đương của mạch cầu, ta bỏ điện trở R5 đi (vì I5 = 0) sau đó áp dụng cách tính như các mạch thông thường. 3. Cách xác định chiều của dòng điện khi biết các giá trị điện trở và hiệu điện thế của cả đoạn mạch: - Nếu đề bài cho biết các giá trị của điện trở và hiệu điện thế của cả đoạn mạch thì ta tìm được các dòng điện qua các điện trở . - Chiều cụ thể của dòng điện được xác định theo quy tắc: Dòng điện chạy từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp hơn. Nếu đề bài cho UAB = 6V chẳng hạn thì có nghĩa là điện thế của điểm A là lớn nhất ( thường ghi bên cạnh điểm A dấu +), còn điện thế tại điểm B là nhỏ nhất ( thường ghi bên cạnh điểm B là dấu -), và các dòng điện chạy trong mạch theo hướng từ A đến B, từ đó suy ra dòng điện chạy trong các mạch rẽ và chạy qua các máy đo (vốn kế, ampe kế).Để biết vốn kế, ampe kế phải mắc vào mạch như thế nào, cần chú ý rằng dòng điện chạy từ chốt dương sang chốt âm của ampe kế, và chốt dương của vôn kế phải mắc vào điểm có điện thế cao hơn. Trong khi tính toán có thể áp dụng định luật ôm dưới dạng I = Þ U = I.R 4. Cách tính điện trở tương đương của mạch cầu (khi gặp mạch cầu có 5 điện trở). - Nếu bài toán chỉ yêu cầu tính điện trở tương đương của mạch cầu ta có thể dùng phương pháp chuyển mạch ( mạch tam giác thành mạch sao và ngược lại) để giải, bài toán sẽ ngắn gọn hơn. - Nếu bài toán yêu cầu tính cường độ dòng điện đi qua các mạch và điện trở tương đương thì ta dùng phương pháp điện thế nút. 5. Những chú ý khi giải bài tập. a. Các điểm nối với nhau bằng dây nối ( hoặc ampe kế) có điện trở không đáng kể được coi như là trùng nhau khi vẽ lại mạch để tính toán. b. Vôn kế có điện trở vô cùng lớn có thể “tháo ra” khi tính toán. c. Trong các bài toán nếu không có ghi chú gì đặc biệt, người ta thường coi là Ra = 0, Rv = ∞.Trong sơ đồ vẽ lại để tính điện trở, không cần vẽ vôn kế khi vôn kế có điện trở rất lớn (Rv = ∞) 6. Các bài tập minh họa. Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ (H2a) UAB = 18V, R1 = 8W; R2 = 2W, R3 = 4W, điện trở ampe kế không đáng kể a.Cho R4 = 4W. Xác định chiều và cường độ dòng điện qua ampe kế? b.Biết cường độ dòng điện qua ampe kế 1,8A theo chiều từ N đến M. Tính R4? Bài giải: a. Do điện trở của ampe kế là không đáng kể, chiều dài dây dẫn không ảnh hưởng đến mạch. Ta chập hai điểm M với N lại với nhau. Khi đó mạch điện gồm: (R1//R2) nt (R3//R4) như hình vẽ (H2b). Ta có : R12 = = = 1,6 R34 = Điện trở tương đương của mạch: RAB = R12 +R34 = 1,6 + 2 = 3,6 (Ω) I12 = I34 = I = = 5(A) Þ U12 = U1 = U2 = I12.R12 = 5.1,6 = 8 (V) Þ U34 = U3 = U4 = I34.R34 = 5.2 = 10 (V) Cường độ dòng điện qua điện trở R1 là: I1 = = 1(A) Cường độ dòng điện qua điện trở R3 là: I3 = = 5(A) Do I3 > I1 nên dòng điện qua ampe kế có chiều từ N đến M và có cường độ là IA= I3 – I1 = 5-1 = 4 (A) b.Xét sơ đồ hình 2a, do dòng điện qua ampe kế có chiều từ N đến M. xét nút M ta có: I3 = IA + I1 Þ = 1,8 + Þ 2U3 = 14,4 +U1 (1) -Mà UAB = U1 +U3 = 18(V) -Từ (1) và (2) ta được U1 = 7,2V = U2 ; U3 = 10,8(V) = U4 -Cường độ dòng điện qua R2 là : I2 = (A) -Cường độ dòng điện qua R4 là: I4 = I2 – IA = 3,6 – 1,8 =1,8(A) -Điện trở R4 là : R4 = = 6 (W) Bài 2: Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ (H 3a). Biết R1 = 80W; R2 = R3 = 120W; R4 là một biến trở, vốn kế có điện trở rất lớn. Đặt vào hai đầu A, B của mạch điện một hiệu điện thế UAB = 66V. a. Tìm số chỉ vôn kế. Cho biết cực dương của vôn kế phải mắc vào điểm nào? b. Điều chỉnh biến trở cho đến khi vôn kế chỉ số 0. Tìm hệ thức giữa các điện trở R1, R2, R3 và R4, khi đó tính R4. Nếu thay vôn kế bằng một điện trở R0 = 150 Ω thì cường độ dòng điện qua các điện trở và qua các mạch chính thay đổi như thế nào? Bài giải: a. Vì vôn kế có điện trở vô cùng lớn nên I1 = I3 , I2 = I4 và các điện trở mắc vào mạch phải theo sơ đồ hình 3b: (R1 nt R3)// (R2 nt R4) Hình 3b Ta có: I1 = I3 = I2 = I4 = UAE = I1R1 = UAB UAF = I2R2 = UAB Ta có: UEF = UAF – UAE = UAB Þ UEF = UAB (1) - Thay số vào ta được UEF = -6,6V, nghĩa là VE < VF: Vôn kế chỉ 6,6 V và cực dương của vôn kế mắc vào điểm F. b.Muốn cho vốn kế chỉ số 0 (UEF = 0), theo (1) ta phải có: R2R3 = R1R4 hay đó chính là mạch cầu cân bằng. Suy ra: R4 = Ω) Khi đó nếu thay thế vôn kế bằng điện trở R0 thì theo đề bài ta có UEF = 0 và cường độ dòng điên qua R0 ( bằng không, và như vậy cường độ dòng điện qua các điện trở R1, R2, R3 ,R4 và qua mạch chính giữ nguyên không đổi. Bài 3: Cho mạch điện có sơ đồ như hình 4 Biết R1 = 1 Ω); R2 = 0,4 Ω) R3 = 2 Ω); R4 = 6 Ω) R5 = 1 Ω) UAB = 6V. Tính RAB và các dòng điện đi qua các mạch? Hình 4 Bài giải: Áp dụng phương pháp điện thế nút ta có: -Sau đó có thể chọn VB = 0 Þ UAB = VA. -Thay các trị số vào đẳng thức trên, ta được: Suy ra: -Giải ra ta được: -Thay các giá trị của vào các phương trình, ta có giá trị của I1, I2, I3, I4, I5, I và RAB. Kết quả ta được: I = 5,5A, I1 = 4A, I2 =5A I4 = 0,5 A; I5 = 1A Bài 4: Cho mạch điện như hình 5, có R1 = 1 Ω), R2 = 1 Ω), R3 = 2 Ω), R4 = 3 Ω), R5 = 4 Ω) và UAB = 5,7V. Tìm các cường độ dòng điện, điện trở và điện trở tương đương của mạch cầu? Hình 5 Bài giải: -Ta dùng phương pháp chuyển mạch: Chuyển từ mạch hình 5a sang hình 5b. -Áp dụng công thức chuyển mạch tam giác MBN (H 5a) thành hình sao (H 5b) -Suy ra: RAMO = R1 +x = 1 + RANO = R3 +Z = -Điện trở tương đương của đoạn mạch: Rtđ = 1,05 + -Cường độ dòng điện qua mạch chính: I = UAO = I.RAO = 4.1,05 = 4,2 (v) I1 = -Trở về sơ đồ gốc: U3 = I3¬.R3 = 1,2.2 = 2,4 (A) U4 = U – U3 = 5,7 – 2,4 = 3,3 (V) I4 = I2 = I5 +I1 = 0,1 + 2,8 = 2,9 (A) Bài 5: Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ (H 6a). Cho biết: Hiệu điện thế hai đầu mạch điện U = 14V; R1 = 3 ; R2 = 6 , AB là dây dẫn điện dài 1,5m có điện trở phân bố đều theo chiều dài , điện trở RAB = 6 , RA = 0 a. Dịch con chạy C tới vị trí sao cho chiều dài AC = 0,5m. Tìm cường độ dòng điện qua ampe kế? b. Xác định vị trí của con chạy C để dòng điện qua ampe kế có cường độ ? Hình 6a Bài giải a. Do điện trở phân bố đều theo chiều dài, nên: Ta thấy: nên mạch cầu cân bằng. Do đó ampe kế chỉ số 0 b. Đặt RAC = x RCB = 6 – x (0 Vì RA = 0 nên D xem như chập với C, mạch điện đã cho được vẽ lại như sau: Hình 6b -Điện trở tương đương của mạch điện: R = -Cường độ dòng điện qua mạch chính: I= -Có thể có 2 trường hợp: +Nếu cực dương của ampe kế gắn vào D: IA = I1 – I2 = (loại x = -18 ) RAC = 3 . Điểm C nằm giữa AB +Nếucực dương của ampe kế gắn vào C: IA = I2 –I¬1 = (loại ngiệm x = 25,8 RAC ; RCB = 6-1,2 = 4,8 ( ) (m) Điểm C cách A một đoạn 0,3m Bài 6. Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ (H 7) trong đó có điện trở R1 = 3R, R2 =R3 =R4 =R. Hiệu điện thế giữa hai đầu mạch điện là U không đổi, khi biến trở Rx có một giá trị nào đó thì công suất tỏa nhiệt trên điện trở R1 là p1 = 9W a. Tìm công suất tỏa nhiệt trên điện trở R4 khi đó? b. Tìm Rx theo R để công suất tỏa nhiệt trên điện trở Rx cực đại? Bài giải a. Ta có: (1) Mặt khác: I = I1 +I3 = I2 +I4 mà I3 = I2 = Do đó: I1 Thay vào (1) ta được: Nhận xét rằng tỉ số không phụ thuộc vào Rx b. Ta có: UAB = UAM + UMN + UNB (1) (2) -Từ (1) và (2) suy ra IxRx = U + 5Ix (R+Rx) -Công suất tỏa nhiêt trên điện trở R là: P = Dấu “=” xảy ra = 0 5R = 4Rx 7. Kết quả đạt được. -Lúc chưa áp dụng chuyên đề khi dạy bồi dưỡng bài tập về mạch cầu vì tính đa dạng của nó nên bản thân tôi lúng túng không biết bắt đầu từ đâu. Dẫn đến học trò khó hiểu và không có phương pháp giải cụ thể cho từng dạng toán. -Từ khi áp dụng chuyên đề này vào, thì phần dạy bồi dưỡng của tôi có hiệu quả rõ rệt, học sinh nắm ngay được phương pháp giải và áp dụng cho từng dạng bài cụ thể. Vẫn có một vài học sinh chưa thực hiện tốt là do không học bài, thiếu tập trung, không làm bài tập về nhà. [...]... mệt mỏi mỗi khi làm bài tập nâng cao -Tính mới của đề tài: giúp giáo viên mới dạy bồi dưỡng có phương pháp giải cụ thể bài tập về mạch cầu mà đề tài đang xét -Tính hiệu quả: giúp học sinh có kĩ năng cơ bản đề giải bài tập về mạch cầu đơn giản -Tính khoa học: Phương pháp giải cho từng dạng bài tập rõ ràng -Tính ổn định: Đề tài được áp dụng trong suốt quá trình học bồi dưỡng và khi học lên cấp THPT -Tính... thấy cần có phương pháp dạy thích hợp cho từng đề tài thì kết quả dạy học mới đem lại thành công -Đề tài này giúp học sinh có phương pháp giải bài tập mạch điện về mạch cầu một cách cụ thể, hiệu quả Sự thành công của đề tài là kết quả một quá trình tìm hiểu, sắp xếp logic của người dạy giúp học sinh tiếp thu bài dễ dàng hơn, giúp học sinh yêu thích môn học Vật lí, thích thú khi học bồi dưỡng và không... tốt cho các bài tập mạch điện về mạch cầu đơn giản hay một phần mạch điện là mạch cầu -Tính tối ưu: Áp dụng có hiệu quả cho các bài tập về mạch cầu 2 Bài học kinh nghiệm và hướng phát triển -Để học sinh có phương pháp giải tốt cho mỗi dạng bài tập, trong quá trình dạy học người dạy phải có sự chuẩn bị như: + Nghiên cứu kỹ nội dung chương trình + Đọc tài liệu tham khảo + Tìm hiểu sách viết về các chuyên... mình đang dạy Để từ đó ra một phương pháp cụ thể cho các dạng bài tập đề -Dạy học nói chung và dạy bồi dưỡng là cả một quá trình đòi hỏi sự nghiên cứu, chuẩn bị tốt ở người dạy Ngoài sự chuẩn bị đối với giáo viên, việc chọn học sinh có năng lực, có khả năng tính toán nhanh, giáo viên phải rèn cho học sinh kỹ năng học tập như: + Hoàn thành bài tập ở nhà + Giải lại những dạng bài mình chưa hiểu + Tập khả... thành bài tập ở nhà + Giải lại những dạng bài mình chưa hiểu + Tập khả năng tự đọc và tự nghiên cứu sách Có như vậy học sinh mới nắm bắt kịp thời và hiểu sâu sắc kiến thức mình vừa học Do sự giới hạn của đề tài, đề tài chỉ trình bày cách giải các bài tập đơn giản về mạch điện là mạch cầu Rất mong sự góp ý của các thầy, cô để đề tài được hoàn chỉnh hơn Hòa liên, ngày 10 tháng 11 năm 2012 Người viết . NGHIỆM ĐỀ TÀI : "PHƯƠNG PHÁP GIÚP HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP MẠCH ĐIỆN VỀ MẠCH CẦU TRONG DẠY BỒI DƯỠNG VẬT LÝ 9& quot; I. ĐẶT VẤN ĐỀ. 1. Lí do chọn đề tài. - Vật lý là môn khoa học tự nhiên đóng vai. dạy bồi dưỡng học sinh giỏi, tôi đã tìm hiểu và đề ra biện pháp giúp học sinh có thể giải bài tập điện về mạch cầu một cách rõ ràng. Chỉ cần học sinh nắm được phương pháp giải cho từng dạng bài. của đề tài: giúp giáo viên mới dạy bồi dưỡng có phương pháp giải cụ thể bài tập về mạch cầu mà đề tài đang xét. -Tính hiệu quả: giúp học sinh có kĩ năng cơ bản đề giải bài tập về mạch cầu đơn giản. -Tính