Xem mẫu
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
26/11/2008
GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN MÁY BIẾN THẾ
BẰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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 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 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 r1,r2 ≈ 0.
Để cuối cùng dẫn đến công thức :
U1 N1 I 2
= =
U 2 N 2 I1
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
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
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
P1 = P2 ⇒ U1I1 = U2I2 .(C1 trg 70)
(không quan tâm cấu trúc mạch tải)
Nhưng không có bài tập trong SGK và SBT .
− Ngược lại , Sách cơ ban 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 bị 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
U1I1 = U2I2
(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 :
U1I1 = U2I2 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 toán TN VL cuốn 1,
trang 178_ NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006
P1=P2 và cosϕ1= cosϕ2 ⇒ U1I1 = U2I2 (!!??)
Thậm chí , ông viết tiếp,Hiệu suất máy biến thế được xác định từ
p2 U 2 I 2 cos ϕ 2
H= = (sic)
p1 U1 I1 cos ϕ1
− 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 : P1 = U1I1 (?)
Công suất của cuộn thứ cấp : P2 = U2I2 (?)
p2
Hiệu suất máy biến thế là H = (!?)
p1
− Lê văn Thông : TT các bài toán Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264
P1 = U1 I1 cos ϕ1 (!?)
Viết :
P2 = U 2 I 2 cos ϕ 2 (!?)
p2 U 2 I 2 cos ϕ 2
Và cũng viết : H = (!?)
=
p1 U1 I1 cos ϕ1
-2-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
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 Định 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 LƯỢNG”
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
HỢP TỔNG QUÁT.
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 :
Tải
U2
r1 r2
U1
I1 I2
Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp
-3-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
Lập công thức ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG cho máy biến thế :
2)
Xem nguồn U1 cung cấp công suất
-
Pc = U1I1
2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tiêu thụ điện năng để toả nhiệt (hao
-
phí)theo hiệu ứng Jun-Lenx bao gồm :
Pt1 = r1I12 , Pt2= r2I22.
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 = U2I2cosϕ = RI22
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 định luật bảo toàn năng lượng,luôn luôn ta có :
Công suất cung cấp = tổng các công suất tiêu thụ
Pc = Pt1 + Pt2 + Ps + Ptt
⇒
U1I1 = r1I12 + r2I22 + Ps + U2I2cosϕ ……. 1)
(TQ
Hay :
Và hiệu suất máy biến thế theo ý nghĩa vật lý là
Ptt U 2 I 2 cos ϕ
=
H=
PC U1I1
3) Lập công thức quan hệ cường độ dòng điện qua mỗi cuộn dây và số vòng
dây của mỗi cuộn (I , N) :
dΦ dΦ
Bước 1 : tương tự SGK,ta có : e1 = N1 dt e2 = N2 dt
;
e1 N1 E1 N1
= =
⇒ , Do e1 , e2 đồng pha nên : (1)
e2 N 2 E2 N2
Bước 2 : xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy phát có công suất : E1I1
xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy thu có công suất : E2I2
E1 I 2
=
⇒ ⇒
E1I1 = E2I2 , (2)
E 2 I1
-4-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
N1 I 2 (TQ 2)
=
⇒
Từ (1) và (2), N 2 I1
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 HỢP TỔNG QUÁT,SUY RA CÁC TRƯỜNG HỢP RIÊNG:
1. Nếu bài toán bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra :
Ps = 0.
U1I1 = r1I12 + r2I22 + U2I2cosϕ …….
Từ (TQ1) ⇒
N1 I2
=
Phối hợp (TQ2) N 2 I1
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 r1,r2 ≈ 0.
−
U1I1 = U2I2cosϕ …….
Từ (TQ1) ⇒
N1 I2
=
Phối hợp (TQ2) N 2 I1
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 )
Nếu bài toán
3.
− Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0
Bỏ qua điện trở thuần của 2 cuộn dây r1,r2 ≈ 0.
−
− Mạch tải chỉ có điện tở thuần hoặc xảy ra cộng hưởng điện cosϕ = 1
Trường hợp này được trả về kiến thức sách giáo khoa+bài tập
chương trình phân ban và không phân ban.
U1 I 2
=
Từ (TQ1) ⇒ U1I1 = U2I2. ⇒ U 2 I1
N1 I2
=
Phối hợp (TQ2) N 2 I1
-5-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
Suy ra các kết quả bài toán yêu cầu. (Bài giải minh họa số 3 _ Bài 3.69
trang 32 _Chuẩn bị kiến thức môn vật lý _ Kỳ thi TNPT 2007,NXBGD
2007)
CÁCH ÁP DỤNG KIẾN THỨC TRÊN ĐỂ GIẢI TOÁN.
III/
(GIẢI 3 BÀI TOÁN ĐẶC TRƯNG).
BÀI TOÁN 1 :
(Trích đề 13/câu 3 Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ của Bộ GD_NXB
GD 1990)
N1 220
=
Một máy hạ thế có tỉ số , trong đó N1 , N2 lần lượt là số vòng của
N 2 127
:
U1 R
cuộn sơ cấp và của cuộn thứ cấp của máy ; điện trở cuộn sơ c ấp r 1 = 3,6 U2
Ω , điện trở cuộn thứ cấp r2 = 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 định hiệu điện thế hiệu dụng trên hai đầu điện trở R khi cuộn s ơ c ấp mắc vào hi ệu đi ện thế
xoay chiều có giá trị hiệu dụng U1 = 220V ,và hiệu suất máy biến thế.
BÀI GIẢI
Tính UR :
-6-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
Ta có UR = I2R = 10 I2 (*)
Từ U1I1 = r1I12 + r2I22 + U2I2cosϕ ……với U2I2cosϕ = R I22 .
⇒ 220I1 = 3,6I12 + 1,2 I22 + 10 I22
⇒ 220I1 = 3,6I12 + 11,2 I22 (1)
N1 I2
=
Mặt khác :
N 2 I1
I 2 220
=
⇒ (2)
I1 127
Giải hệ (1) và (2) ta được I2 = 10,24 A
(*) ⇒ UR =102,4 V
pt RI 22
Tính H : H = = = 80,63%
pc U1 I1
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
Đặt vào hai đầu của cuộn sơ cấp một máy biến thế một hiệu đi ện thế xoay chi ều có giá tr ị hi ệu
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 U2
N1 U1
= ⇒ U2 = 76 V
Từ
N2 U2
2. Tính I1 , Bỏ qua hao phí của máy biến thế.
U
Từ I2 = 2 ⇒ I2 = 0,76 A
R
N2
⇒ I1 = N I 2 = 0,152 A
1
Tính I1 , có hao phí của máy biến thế là 5%
-7-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
N1 I2
= ⇒ I2 = 5 I1
Từ với
U1I1 = Ps + R I22
N 2 I1
⇒ U1I1 = 5% U1I1 + R 25I12
⇒ 95%U1I1 = R I1225
⇒ I1 = 95%U1/25R
⇒ I1 = 0,1444 A
BÀI TOÁN 3 :
Bài 3.69 trang 32 _Chuẩn bị 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 c ấp là 500 vòng, đ ược m ắc vào
mạng điện xoay chiều có tần số 50Hz, khi đó cường độ dòng điện qua cu ộn thứ c ấp 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
N2
I 2 ⇒ I1 = 500 12
I1 =
N1 3000
⇒ I1 = 2 A chọn B
IV/ Một số phát hiện :
1. Tính tiện ích khi sử dụng Định luật bảo toàn năng lượng :
− 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 : P1 là công suất của cuộn sơ cấp, P2 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 : PC = U.I ( trước 1992 gọi là công suất toàn phần)
+ Công suất tiêu thụ : P = UI cosϕ = RI2 , có thể chia thành 2 loại ,gồm :
*Công suất tiêu thụ hữu ích cho người sử dụng ( các thiết bị 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 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 :
-8-
- GIAÛI QUYEÁT BAØI TOAÙN MAÙY BIEÁN THEÁ BAÈNG ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN NAÊNG LÖÔÏNG TRÌNH BAØY : LEÂ
MINH TAÂM
* 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 tôi cho là cần xem lại kiến
thức chuyên môn.Vì không phù hợp với Định 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 quí vị rộng lòng bỏ qua.
Mặt khác,không loại trừ trường hợp tôi đã có những định kiến chủ quan,sai lầm
khoa học.Rất mong quí vị chia sẻ,góp ý,bàn bạc thêm,nhằm cùng giúp nhau tiến bộ.
Kính.
Lê minh Tâm
Tài liệu tham khảo :
• 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 bị kiến thức và Sách hướng dẫn ôn tập của Bộ GD – ĐT phát
hành trước đợt ôn thi TNPT 2007-2008
• Tiến sĩ Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài toán TN VL cuốn 1,
NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006
• Nhóm tác giả: Vũ thị phát Minh,Nguyễn văn Nghĩa,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
-9-
nguon tai.lieu . vn
