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 TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG Người soạn: Lê minh Tâm Tổ Vật lý _ Trường THPT Lý thường Kiệt A / ĐẶT VẤN ĐỀ : I/ Về công 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 không 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 công thức đònh 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 không tuyệt đối khép kín. 1.2. Toả nhiệt trên lõi sắt : tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx của dòng điện Fu-Cô. 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 công thức : 1 1 2 2 2 1 = = U N I U N I Do vậy ,trong quá 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 toán 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 công suất k=cosϕ <1 thì bài toán còn sử dụng được các công thức trên hay không? Do vậy , các bài toán chính thức thường né tránh chỗ nhạy cảm này bằng cách chỉ cho mạch tải là đoạn mạch chỉ có R. -1- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM Ngoại trừ một bài toán 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 công suất _ Hiệu suất của máy biến thế. 1. Tài Liệu chính thức của Bộ GDĐT: − Sách GK nâng cao cho rằng công 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) (không quan tâm cấu trúc mạch tải) Nhưng không có bài tập trong SGK và SBT . − Ngược lại , Sách cơ banû không đề cập đến công 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 bò kiến thức và Sách hướng dẫn ôn tập của Bộ phát hành trước đợt ôn thi TNPT 2007-2008 , cùng SGK thí điểm KHTN cũng viết U 1 I 1 = U 2 I 2 (không 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 só Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài toán 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 , ông viết tiếp,Hiệu suất máy biến thế được xác đònh 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 : Công suất của cuộn sơ cấp : P 1 = U 1 I 1 (?) Công suất của cuộn thứ cấp : P 2 = U 2 I 2 (?) Hiệu suất máy biến thế là H = 2 1 p p (!?) − Lê văn Thông : TT các bài toán Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264 Viết : P 1 = 1 1 1 cosU I ϕ (!?) -2- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM 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 không cùng một cách nhìn,giải quyết vấn đề theo các cách khác nhau.Chắc chắn các kết quả giải toán cũng khác nhau. Vậy,ai đúng?ai sai? Theo quan điểm giải quyết một bài toán vật lý,giải pháp sử dụng Đònh luật bảo toàn năng lương là giải pháp cơ bản.Đúng cho mọi hiện tượng Vật lý_Kể cả bài toán máy biến thế. B / GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ : Từ năm 2002,Tôi có đặt vấn đề và sau đó , tôi có giải quyết vấn đề này trong đề tài sáng kiến kinh nghiệm 2007-2008 : ” GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG” BỐ CỤC TRÌNH BÀY : I/ Hướng dẫn học sinh lập 2 công thức máy biến thế trong trường hợp tổng quát. II/ Từ trường hợp tổng quát,suy ra các trường hợp riêng. III/ Cách áp dụng kiến thức trên để giải toán.Giải 3 bài toán đặc trưng. IV/ Một số phát hiện. I/ HƯỚNG DẪN LẬP CÔNG THỨC MÁY BIẾN THẾ TRONG TRƯỜNG HP TỔNG QUÁT. -3- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM 1) Giới thiệu học sinh về : - Cấu trúc tổng quát cuả máy biến thế. - Các đại lượng vật lý tương ứng trong bài toán máy biến thế. Bằng cách vẽ và sử dụng các ký hiệu như sau : 2) Lập công thức ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG cho máy biến thế : - Xem nguồn U 1 cung cấp công 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 cô 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 công suất của mạch tải. - Thực tế,công suất hao phí do tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ là cực bé so với các công suất kể trên,nên có thể bỏ qua. Theo đònh luật bảo toàn năng lượng,luôn luôn ta có : Công suất cung cấp = tổng các công 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 nghóa vật lý là H = tt 2 2 C 1 1 P U I cos P U I ϕ = 3) Lập công thức quan hệ cường độ dòng điện qua mỗi cuộn dây và số vòng dây của mỗi cuộn (I , N) : -4- I 1 I 2 U 1 U 2 r 1 r 2 Tải Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp (TQ 1) GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM 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 công suất : E 1 I 1 xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy thu có công 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 công thức tổng quát (TQ1) và (TQ2) , ta có thể giải hầu hết các bài toán tổng quát. II/ TỪ TRƯỜNG HP TỔNG QUÁT,SUY RA CÁC TRƯỜNG HP RIÊNG: 1. Nếu bài toán bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô 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 toán yêu 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 toán − Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô 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 toán yêu cầu. ( Bài giải minh họa số 2 _ Bài 5.32 trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 ) 3. Nếu bài toán − Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0 -5- (TQ 2) GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM − 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 không 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 toán yêu cầu. (Bài giải minh họa số 3 _ Bài 3.69 trang 32 _Chuẩn bò kiến thức môn vật lý _ Kỳ thi TNPT 2007,NXBGD 2007) III/ CÁCH ÁP DỤNG KIẾN THỨC TRÊN ĐỂ GIẢI TOÁN. (GIẢI 3 BÀI TOÁN ĐẶC TRƯNG). BÀI TOÁN 1 : -6- R : U 2 U 1 GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM ( 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 Fucô không đáng kể ( hình vẽ ) . Xác đònh hiệu điện thế hiệu dụng trên hai đầu điện trở R khi cuộn sơ cấp mắc vào hiệu điện thế xoay chiều có giá trò 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) 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 toán so với phép giải của Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ _NXB GD 1990. BÀI TOÁN 2 : Bài 5.32 trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 -7- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM Đặt vào hai đầu của cuộn sơ cấp một máy biến thế một hiệu điện thế xoay chiều có giá trò 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 công suất hao phí bằng 5% công 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 TOÁN 3 : Bài 3.69 trang 32 _Chuẩn bò kiến thức môn vật lý _ Kỳ thi TNPT 2007,NXBGD 2007 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 Đònh luật bảo toàn năng lượng : -8- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM − Chỉ cần chú ý điều kiện vật lý bài toán cho để suy ra công thức phù hợp. − Phép giải toán rất tổng quát,nên đúng cho mọi trường hợp( 3 bài toán minh họa) 2. Tính chính xác khoa học a / Nếu chỉ nói : P 1 là công suất của cuộn sơ cấp, P 2 là công suất của cuộn thứ cấp thì có thể đã sai về thuật ngữ chuyên môn,vì : - Công 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 công 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 công suất : + Công suất cung cấp : P C = U.I ( trước 1992 gọi là công suất toàn phần) + Công suất tiêu thụ : P = UI cosϕ = RI 2 , có thể chia thành 2 loại ,gồm : *Công suất tiêu thụ hữu ích cho người sử dụng ( các thiết bò sử dụng điện năng) *Công suất tiêu thụ hao phí do hiệu ứng tỏa nhiệt ( tổn hao Ômic). - 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 tôi cho rằng nên điều chỉnh về mặt thuật ngữ , nhằm giúp các em hs đònh 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 thìø tôi cho là cần xem lại kiến thức chuyên môn.Vì không phù hợp với Đònh luật bảo toàn năng lượng. Trong một khoảng thời gian rất ngắn,tôi không thể trình bày hết ý được,nên chắc chắn rằng có nhiếu vấp váp,sai sót .Mong q vò rộng lòng bỏ qua. Mặt khác,không loại trừ trường hợp tôi đã có những đònh kiến chủ quan,sai lầm khoa học.Rất mong q vò chia sẻ,góp ý,bàn bạc thêm,nhằm cùng giúp nhau tiến bộ. Kính. Lê minh Tâm Tài liệu tham khảo : -9- GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG TRÌNH BÀY : LÊ MINH TÂM • Đề thi tuyển sinh vào các trường ĐH-CĐ-THCN Môn vật lý của Bộ ĐTHCN-DN_NXB ĐH-THCN1990 • Sách GK , Sách GV,và sách BT lớp 12 Chương trình không 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 bò kiến thức và Sách hướng dẫn ôn tập của Bộ GD – ĐT phát hành trước đợt ôn thi TNPT 2007-2008 • Tiến só Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài toán TN VL cuốn 1, NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006 • Nhóm tác giả: Vũ thò phát Minh,Nguyễn văn Nghóa,Châu văn Tạo,Trần nguyên Tường,Nguyễn hoàng Hưng. Khoa Vật lý Đại học KHTN _ĐHQG : 540 Câu hỏi trắc nghiệm Vật lý 12_ NXB ĐHQG TP HCM 2007 • Lê văn Thông : TT các bài toán Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264. • D.Halliday,R.Resnick,J.Walker trong cuốn Cơ sở vật lý _NXBGD 1998 -10-