Tiết theo PPCT: §13. CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Ngày soạn: . Tuần: Ngày dạy: Lớp 12C: I. MỤC TIÊU - 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 trong mạch điện xoay chiều. - Viết được công thức tính dung kháng và cảm kháng. II. CHUẨN BỊ 1. Giáo viên 2. Học sinh Ôn lại các kiến thức về tụ điện và suất điện động tự cảm. III. HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Tiết 1 Hoạt động 1 (10 phút): Kiểm tra bài cũ – Tìm hiểu mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - Nêu câu hỏi: 1. Nêu khái niệm về dòng điện xoay chiều? 2. Viết biểu thức của U, I? - Giới thiệu bài 13 nghiên cứu các mạch điện xoay chiều: mạch điện xoay chiều chỉ chứa điện trở, tụ điện, cuộn cảm thuần. - Thông báo: cường độ dòng điện xoay chiều trong đoạn có dạng: 0 . os . 2 os .i I c t I c t ω ω = = thì điện áp (hđt) xoay chiều ở 2 đầu mạch điện là: 0 os( ) . 2 os( )u U c t U c t ω ϕ ω ϕ = + = + u i ϕ ϕ ϕ = − : độ lệch pha giữa u và i - Khi nào 0, 0, 0 ϕ ϕ ϕ > < = ? - Trả lời: 1. Là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật của hàm số sin hay cosin, với dạng tổng quát: i = I 0 cos(ωt + ϕ) 2. 0 2 U U = , 0 2 I I = - Tiếp nhận kiến thức. - Trả lời: + u i φ > 0khi φ > φ + u i φ 0khiφ φ< < + u i φ 0 khi φ φ= = §13. CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 0 . osi I c t ω = → 0 os( )u U c t ω ϕ = + u i ϕ ϕ ϕ = − : độ lệch pha giữa u và i + ϕ > 0: u sớm pha ϕ so với i. + ϕ < 0: u trễ pha |ϕ| so với i. + ϕ = 0: u cùng pha với i. Hoạt động 2 (13 phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - Nối 2 đầu của mạch điện chỉ có R vào điện áp xoay chiều 0 osu U c t ω = . Trong mạch lúc này sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều i. 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 Ôm, i và u tỉ lệ với nhau như thế nào? - Xác nhận câu trả lời đúng. Cường độ hiệu dụng trong mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở liên hệ ntn với điện áp hiệu dụng và điện trở của mạch? - Xác nhận câu trả lời đúng. Thông báo đó là nội dung của định luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều thuần điện trở. Nhận xét về pha của u R và i? - Theo định luật Ôm: ω ω ω ω = = = = = 0 0 os . 2 os os . 2 os U u U i c t c t R R R i I c t I c t - Trả lời: Cường độ hiệu dụng trong mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở có giá trị bằng thương số giữa điện áp hiệu dụng và điện trở của mạch - Trả lời: u R cùng pha với i I. Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở Nối hai đầu R vào điện áp xoay chiều 0 osu U c t ω = ω ω ω ω → = = = = = 0 0 os . 2 os os . 2 os U u U i c t c t R R R i I c t I c t * Định luật Ôm (SGK): U I R = * u R cùng pha với i. Hoạt động 3 (20 phút): Tìm hiểu về mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - GV yêu cầu HS nghiên cứu mục II.1 nêu nhận xét về kết quả thu được? - Nối tụ điện C vào một nguồn điện xoay chiều để tạo nên điện áp u giữa hai bản của tụ điện: u = U 0 cosωt = U 2 cosωt - Khi đó tụ diện sẽ được tích điện. Giả sử trong nửa chu kì đầu, A là cực dương → Xác định về dấu và độ lớn điện tích của bản bên trái tụ điện? - Trả lời: + Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. + Tụ điện cho dòng điện xoay chiều “đi qua”. - Bản bên trái tích điện dương. II. Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện 1. Thí nghiệm - Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. - Tụ điện cho dòng điện xoay chiều “đi qua”. 2. Khảo sát mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện * Đặt điện áp u giữa hai bản của tụ điện: u = U 0 cosωt = U 2 cosωt Điện tích bản bên trái của tụ điện: ~ u i R ~ u i C A B - Cường độ dòng điện ở thời điểm t xác định bằng công thức nào? - Khi ∆t và ∆q vô cùng nhỏ q t ∆ ∆ trở thành đạo hàm bậc nhất của q theo thời gian. Hãy tìm biểu thức của i? - Biến đổi biểu thức của i dưới dạng hàm số cosin để dễ so sánh? - Nếu lấy pha ban đầu của i bằng 0 → biểu thức của i được viết lại như thế nào? - Thông báo Z C là dung kháng của mạch. - Yêu cầu HS phát biểu nội dung định luật Ôm đối với đoạn mạch chứa tụ điện? Z C có đơn vị là gì? - Nhận xét về pha của u C và i? - Thông báo Z C là đại lượng biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều của tụ điện. Khi nào thì dòng điện qua tụ dễ dàng hơn? - Tại sao tụ điện lại không cho dòng điện không đổi đi qua? và q = Cu = CU 2 cosωt - Trả lời: ∆ ∆ q i= t - HS tìm biểu thức của i. - Biến đổi biểu thức của i: cos2 ( ) 2 i CU t π ω ω = + - Đơn vị của Z C là Ω . - Trả lời: u C trễ pha π 2 so với i - Từ 1 C Z C ω = ta thấy: Khi ω nhỏ (f nhỏ) → Z C lớn và ngược lại. - Vì dòng điện không đổi (f = 0) → Z C = ∞ → I = 0 q = Cu = CU 2 cosωt Giả sử tại thời điểm t, dòng điện có chiều như hình vẽ, điện tích tụ điện tăng lên. Sau khoảng thời gian ∆t, điện tích trên bản tăng ∆q. → q i t ∆ = ∆ Khi ∆t, ∆q 0→ thì: 2 dq i CU sin t dt ω ω = = − ⇔ cos2 ( ) 2 i CU t π ω ω = + Đặt: I = UωC → cos2 ( ) 2 i I t π ω = + * Chọn 0 i ϕ = → cos2i I t ω = cos π ω = − , 2 ( ) 2 u U t Đặt 1 C Z C ω = → C U I Z = với Z C là dung kháng của mạch, đơn vị là Ω * Định luật Ohm (SGK): C U I Z = * So sánh pha dao động của u C và i i sớm pha π/2 so với u C (hay u C trễ pha π/2 so với i). 3. Ý nghĩa của dung kháng + Z C 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. + Z C có tác dụng làm cho i sớm pha π/2 so với u C . Hoạt động 4 (2phút): Tổng kết tiêt học - Giao nhiệm vụ về nhà cho HS Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - Nhấn mạnh nội dung kiến thức mà HS cần tiếp nhận trong tiết học. - Giao nhiệm vụ về nhà cho HS: + Làm bài tập 3, 7 – tr74 – SGK + Nghiên cứu mục III. Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần - Thực hiện. Tiết 2 Hoạt động 1 (13 phút): Kiểm tra bài cũ Hoạt động của GV Hoạt động của HS - Nêu câu hỏi: 1. Phát biểu và viết biểu thức của định luật Ôm đối với mạch chứa điện trở thuần và tụ điện? So sánh pha của u R , u C với i? 2. Nêu ý nghĩa của dung kháng Z C ? - Nhận xét, cho điểm. - Trả lời. Hoạt động 2 (20 phút): Tìm hiểu mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - Nêu khái niệm cuộn cảm thuần. - Khi có dòng điện cường độ i chạy 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 từ thông Φ trong cuộn dây có đặc điểm gì? - Viết biểu thức tính suất điện động tự cảm e? - Xét ∆t → 0 thì biểu thức e viết ntn? - Yêu cầu HS hoàn thành C5: - 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 ω, giá trị hiệu dụng U → trong mạch có dòng điện xoay chiều. - Dòng điện qua cuộn dây tăng lên → trong cuộn dây xảy ra hiện tượng tự cảm, từ thông qua cuộn dây: Φ = Li - Từ thông Φ biến thiên tuần hoàn theo t. - Trả lời: i e L t ∆ = − ∆ - Trả lời C5: Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn điện: AB u e i R + = → AB di u ri L dt = + III. Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần Cuộn cảm thuần là cuộn cảm có điện trở không đáng kể, khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm sẽ xảy ra hiện tượng tự cảm. 1. Hiện tượng tự cảm trong mạch điện xoay chiều - Khi có dòng điện i chạy qua một cuộn cảm, từ thông tự cảm có biểu thức: Φ = Li với L là độ tự cảm của cuộn cảm. - Trường hợp i là một dòng điện xoay chiều, suất điện động tự cảm: i e L t ∆ = − ∆ - Khi ∆t → 0: di e L dt = − 2. Khảo sát mạch điện xoay chiều có cuộn cảm thuần * Đặt vào hai đầu L một điện áp xoay chiều. Giả sử i trong mạch là: i = I 2 cosωt Điện áp tức thời hai đầu cuộn cảm ~ u i L A B - Điện áp hai đầu của cảm thuần có biểu thức như thế nào? - Yêu cầu HS đưa phương trình u về dạng cos? - Điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn cảm được tính ntn? - Tìm biểu thức tính cuờng độ hiệu dụng I? - Thông báo Z L là cảm kháng của mạch. Z L có đơn vị là gì? - Yêu cầu HS phát biểu nội dung định luật Ôm đối với mạch chứa cuộn cảm thuần? - Nhận xét về pha của u L và i? - Nêu ý nghĩa của cảm kháng Z L ? - Chính xác hoá kiến thức về ý nghĩa của cảm kháng. - Trả lời: 2 di u L LI sin t dt ω ω = = − - Trả lời: cos2 ( ) 2 u LI t π ω ω = + - Trả lời: U = ωLI - Trả lời: U I L ω = - Đơn vị của Z L là Ω. - Phát biểu nội dung định luật Ôm đối với mạch chứa cuộn cảm thuần. - Trả lời: u L sớm pha π/2 so với i. - Trả lời: + Biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều. + Vì Z L = ωL nên khi f lớn → Z L sẽ lớn → cản trở nhiều. thuần: 2 di u L LI sin t dt ω ω = = − cos2 ( ) 2 u LI t π ω ω = + → U = ωLI Suy ra: U I L ω = Đặt : Z L = ωL → L U I Z = với Z L gọi là cảm kháng của mạch, đơn vị là Ω. * Định luật Ôm (SGK): L U I Z = * So sánh về pha của u L so với i: i trễ pha π/2 so với u L , hoặc u L sớm pha π/2 so với i. 3. Ý nghĩa của cảm kháng + Z L 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 điện xoay chiều cao tần. + Z L cũng có tác dụng làm cho i trễ pha π/2 so với u. Hoạt động 3 (12 phút): Vận dụng - Củng cố bài – Giao nhiệm vụ về nhà cho HS Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - Nêu các kiến thức trọng tâm của bài. - Hướng dẫn HS giải bài tập 4 – tr 74 – SGK tại lớp: + Tóm tắt bài toán, chỉ rõ đại lượng nào đã biết, đại lượng nào chưa biết. + Để tính L cần biết Z L . Tính Z L dựa vào định luật Ôm đối với mạch chứa cuộn cảm thuần? + Viết biểu thức i cần biết I 0 , ϕ ? - Giải bài tập 4 – tr 74 – SGK dưới sự hướng dẫn của GV: Bài tập 4 – tr 74 – SGK cos100 t (V) π = 100 2u I = 5 A a. L = ? b. Biểu thức i = ? Giải a. Ta có: U = 100 (A) Áp dụng: 20( ) L L U U I Z Z I = → = = Ω Mà 1 . ( ) 5 L L Z Z L L H ω ω π = → = = b. Ta có: 0 . 2 5 2 ( )I I A= = Trong mạch chứa cuộn cảm thuần, i - Xác nhận kết quả đúng. - Giao nhiệm vụ về nhà cho HS: + Làm bài tập 5,6, 8, 9 – tr74 – SGK. + Tiết sau chữa bài tập. trễ pha 2 π so với u nên: 5 2 os(100 )( ) 2 i c t A π π = − . dòng điện xoay chiều? 2. Viết biểu thức của U, I? - Giới thiệu bài 13 nghiên cứu các mạch điện xoay chiều: mạch điện xoay chiều chỉ chứa điện trở, tụ điện, . tích điện dương. II. Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện 1. Thí nghiệm - Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. - Tụ điện cho dòng điện xoay chiều