Chương 5: Dòng điện xoay chiều

Giải Bài Tập Vật Lí 12 – Bài 34: Thực hành khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp (Nâng Cao) giúp HS giải bài tập, nâng cao khả năng tư duy trừu tượng, khái quát, cũng như định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật vật lí:

Báo cáo thực hành: Khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp:

Lời giải:

I. Mục đích thí nghiệm

– Hiểu được hai phương án khảo sát mạch điện xoay chiều bằng thực nghiệm, hiểu được ý nghĩa thực tế của những đại lượng cơ bản là trở kháng, sự lệch pha, hiện tượng cộng hưởng điện.

– Dùng được dao động kí điện tử, mát phát dao động âm tần và các dụng cụ đo thông thường để làm thực nghiệm, liên hệ giữa các phép đo cụ thể để vẽ được giản đồ Fre-nen.

– Rèn luyện kĩ năng thực hành, kĩ năng lựa chọn phương án và sử dụng dụng cụ đo, thông qua đó để củng cố lí thuyết.

II. Cơ sở lý thuyết của hai phương án thí nghiệm.

* Tác dụng đặc biệt của tụ điện và cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều khác với mạch điện một chiều.

   + Tụ điện C

      – Không cho dòng điện 1 chiều hay dòng điện không đổi đi qua.

      – Cho dòng điện xoay chiều “đi qua” nhưng cản trở dòng xoay chiều, đại lượng đặc trưng cho mức cản trở của tụ C với dòng xoay chiều gọi là dung kháng:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 1 (ZC tỉ lệ nghịch với f )

      – ZC chỉ phụ thuộc vào cấu tạo tụ C và tần số dòng xoay chiều f, dòng điện có tần số càng nhỏ càng bị tụ C cản trở nhiều và ngược lại.

      – Tụ C cản trở dòng xoay chiều nhưng không tiêu hao điện năng.

   + Cuộn dây thuần cảm L:

      – Cho dòng điện không đổi đi qua hoàn toàn mà không cản trở.

      – Cho dòng điện xoay chiều đi qua nhưng cản trở dòng xoay chiều, đại lượng đặc trưng cho mức cản trở củacuộn dây với dòng xoay chiều gọi là cảm kháng ZL = ω.L = L.2πf (Ω). (ZL tỉ lệ thuận với f )

      – ZL chỉ phụ thuộc vào cấu tạo cuộn dây và tần số dòng xoay chiều, dòng điện có tần số càng lớn càng bị cuộn dây cản trở nhiều và ngược lại.

      – Cuộn dây thuần cảm L cản trở dòng xoay chiều nhưng không tiêu hao điện năng.

* Xét đoạn mạch gồm các phần tử R-L-C mắc nối tiếp.

   + Công thức tính tổng trở:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 2

   + Độ lệch pha giữa hiệu điện thế u so với cường độ dòng điện i là φ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 3

* Tính chất mạch điện:

   – Mạch có tính cảm kháng ZL > ZC ⇔ ω2LC > 1 ⇔ Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 4 ⇒ φ > 0 thì u nhanh pha hơn i

   – Mạch có tính dung kháng ZL < ZC ⇔ ω2LC < 1 ⇔ Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 5 ⇒ φ < 0 thì u chậm pha hơn i

   – Khi ZL = ZCGiải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 6 ⇒ φ = 0 thì u cùng pha với i. Lúc đó Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 7 gọi là hiện tượng cộng hưởng điện.

* Biểu diễn các đại lượng bằng giãn đồ Fre-nen.

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 8

* Biểu thức cường độ dòng điện và hiệu điện thế:

Mạch điện R, L, C cho cường độ dòng điện có biểu thức i = I0cos(ω.t + φi). Khi đó:

   – uL sớm pha hơn i một góc π/2 biểu thức uL = U0L.cos(ω.t + φi + π/2).

   – uC trễ pha hơn i một góc π/2 biểu thức uC = U0C.cos(ω.t + φi – π/2).

   – uR cùng với pha hơn i biểu thức uR = U0R.cos(ω.t + φi).

III. Tiến trình thí nghiệm và kế quả thí nghiệm thu được.

a. Phương án 1

+ Khảo sát hai động đồng pha.

   – Kiểm tra và mắc mạch điện theo sơ đồ hình 34.3. Sau đó điều chỉnh dao động ký để quan sát đồng thời hai động cùng pha.

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 9

   – Đồ thị trên màn hình có dạng như hình vẽ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 10

+ Khảo sát hai dao động lệch pha nhau.

   – Mắc tụ C vào thay thế cho điện trở R2 như hình 34.4.

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 11

   – Điều chỉnh để quan sát đồng thời đồ thị của hai dao động lệch pha do tụ điện.

   – Đồ thị trên màn hình có dạng như hình vẽ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 12

   – Mắc cuộn cảm thay thế cho tụ điện C, điều chỉnh để quan sát đồng thời đồ thị của hai dao động lệch pha do cuộn cảm. Đồ thị trên màn hình khi đó có dạng như hình vẽ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 13

   – Mắc thêm tụ điện C nối tiếp với L tạo thành mạch RLC, để quan sát được đồng thời của hai dao động lệch pha do R, L, C ta thay đổi cách mắc kênh Y2 như hình vẽ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 14

   – Đồ thị trên màn hình khi đó có dạng như hình vẽ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 15

b. Phương án 2: Dùng vôn kế và ampe kế xoay chiều để khảo sát định lượng

– Kiểm tra các dụng cụ và mác mạch điện theo sơ đồ (hình 34.5)

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 16

– Điều chỉnh nguồn điện có điện áp U1 tùy chọn. Dùng vôn kế đo lần lượt các điện áp ở các dụng cụ…

– Lặp lại hai lần nữa với điện áp nguồn U2, U3 rồi đo như trên. Ghi số liệu qua ba lần đo vào bảng 34.1

Bảng 34.1

Lần đo I UR UL UC URLC
Với nguồn U1 = 15V 0,03A 13,6V 4,9V 9,7V 14,5V
Với nguồn U2 = 20V 0,04A 18,1V 6,5V 12,9V 19,2V
Với nguồn U3 = 24V 0,05A 21,8V 8,1V 16,1V 23,8V

– Tính các trở kháng ZL, ZC, Z toàn mạch và sai số tương ứng.

ZL1 = UL1/I1 = 4,9/ 0,03 = 163,3Ω;

ZL2 = UL2/I2 = 6,5/ 0,04 = 162,5Ω;

ZL3 = UL3/I3 = 8,1/ 0,05 = 162,0Ω;

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 17

ZC1 = UC1/I1 = 9,7/ 0,03 = 323,3Ω;

ZC2 = UC2/I2 = 12,9/ 0,04 = 322,5Ω;

ZC3 = UC3/I3 = 16,1/ 0,05 = 322,0Ω;

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 18

Z1 = U1/I1 = 14,5/ 0,03 = 483,3Ω;

Z2 = U2/I2 = 19,2/ 0,04 = 480,0Ω;

Z3 = U3/I3 = 23,8/ 0,05 = 476,0Ω;

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 19

– Minh họa bằng giản đồ Fre-nen

Vì cuộn dây có điện trở trong, nên điện áp hai đầu cuộn cảm lệch pha với cường độ dòng điện một góc ≠ π/2.

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bao Cao Thuc Hanh Khao Sat Doan Mach Dien Xoay Chieu Co R L C Mac Noi Tiep 20

Câu 1 (trang 182 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Khi thực hiện bước 5 của phương án 1, ta phải thay đổi cách mắc với dao động kí như thế nào để quan sát được sự lệch pha giữa u và i do cả R, L, C gây ra? Tại sao?

Lời giải:

Ta mắc sao cho lối vào kênh Y1 nhận tín hiệu u1 trên điện trở R, lối vào kênh Y2 nhận tín hiệu u2 trên cả đoạn mạch R, L, C như hình vẽ:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Cau 1 Trang 182 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

Vì cường độ dòng điện đồng pha với hiệu điện thế hai đầu điện trở R nên ta qua sát được cả độ lệch pha của u và cường độ dòng điện do cả R, L, C gây ra.

Câu 2 (trang 182 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Với các dụng cụ như ở phương án 1, bạn hãy đề xuất một cách đơn giản nhất để có thể quan sát được hiện tượng cộng hưởng điện.

Lời giải:

Ta có thể có 3 cách để quan sát được cộng hưởng điện trên mạch R, L, C đó là:

+ Điều chỉnh tần số f

+ Điều chỉnh điện dung C của tụ điện.

+ Điều chỉnh độ tự cảm L của cuộn dây.

Tuy nhiên trong 3 cách trên, với thiết bị đã cho đơn giản nhất là ta dùng phương án điều chỉnh tần số bằng máy phát âm tần.

Bài 1 (trang 182 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Trong thí nghiệm tương tự phương án 2 thì có xảy ra khả năng

   A. Điện áp trên mỗi dụng cụ nhỏ hơn điện áp nguồn.

   B. Điện áp trên mỗi dụng cụ lớn hơn điện áp nguồn.

   C. Cường độ dòng điện luôn lệch pha với điện áp nguồn.

   D. Cường độ dòng điện cùng pha với điện áp nguồn.

Hãy tìm câu sai trong các câu trên và giải thích.

Lời giải:

Chọn đáp án C.

Trong thí nghiệm tương tự phương án 2 nếu giá trị của các linh kiện C, L thỏa mãn trường hợp cộng hưởng thì dòng điện vẫn có thể cùng pha với hiệu điện thế u được. Do vậy phát biểu C chưa hoàn toàn chính xác.

Bài 2 (trang 182 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Trong phương án 2, nếu ampe kế không phải là lí tưởng thì sẽ gây ra sai lệch cho

   A. Trị số của L.

   B. Trị số của R.

   C. Trị số của C.

   D. Cả ba trị số trên.

Lời giải:

Chọn đáp án B.

Nếu ampe kế không phải là lí tưởng thì gây ra sai lệch cho trị số R vì điện trở của mạch lúc này tổng của R và điện trở ampe kế.  

 

Print Friendly, PDF & Email

Bài giải này có hữu ích với bạn không?

Bấm vào một ngôi sao để đánh giá!

Đánh giá trung bình / 5. Số lượt đánh giá:

Bình luận