Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 KNTT bài 1: Đặc trưng của dòng điện xoay chiều

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Điện lưới cung cấp trong các hộ gia đình là dòng điện xoay chiều. Vậy dòng điện xoay chiều có đặc điểm gì?

Bài làm chi tiết:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian, dòng điện xoay chiều thay đổi hướng theo một chu kì nhất định.

I. ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Hoạt động: Hãy thảo luận để thực hiện các nhiệm vụ sau:

1. Mô tả các phương pháp đo điện áp và tần số của dòng điện xoay chiều.

2. Thiết kế phương án đo điện áp hiệu dụng và tần số của dòng điện xoay chiều bằng đồng hồ đo điện đa năng.

Bài làm chi tiết:

1. Phương pháp đo điện áp và tần số dòng điện xoay chiều: sử dụng đồng hồ đo điện đa năng (đồng hồ vạn năng);

2. Phương án đo điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều:

Bước 1: Chèn dây dẫn màu đỏ vào cực dương của thiết bị và màu đen vào chân Com của đồ hồ đo điện vạn năng.

Bước 2: Di chuyển núm vặn đến thang đo điện áp AC và ở dải đo phù hợp. Bạn có thể để thang AC cao hơn điện áp cần đo 1 nấc.

Bước 3: Đặt 2 que đo vào 2 điểm cần đo (Đo song song). Không cần quan tâm đến cực tính của đồng hồ.

Bước 4: Đọc kết quả hiển thị trên màn hình.

Phương pháp đo tần số của dòng điện xoay chiều: 

Bước 1: Trên thân đồng hồ vạn năng, xoay núm vặn sang HZ.

Bước 2: Kết nối đầu chì màu đen và màu đỏ với giắc COM và giắc Volt.

Bước 3: Đọc số trên màn hình, đó là kết quả đo tần số bạn thu được.

II. THỰC HÀNH ĐO TẦN SỐ, ĐIỆN ÁP CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Hoạt động: 

Mục đích thí nghiệm: Đo được tần số và điện áp xoay chiều giữa hai đầu điện trở R trong đoạn mạch điện xoay chiều chỉ chứa điện trở R.

Dụng cụ (Hình 1.1): Điện trở R = 10 Ω (1), đồng hồ đo điện đa năng (2), băng lắp mạch điện (3), dây nối (4), máy phát âm tần (máy phát tần số) (5).

A. Đo tần số dòng điện xoay chiều

Thiết kế phương án:

- Tìm hiểu các dụng cụ thực hành (chức năng đo tần số của đồng hồ đo điện đa năng).

- Vẽ sơ đồ mạch điện đo tần số dòng điện xoay chiều.

Tiến hành:

- Lắp ráp dụng cụ theo sơ đồ mạch điện đề xuất.

- Đặt tần số đầu ra máy phát âm tần ở 50 Hz.

- Điều chỉnh máy phát âm tần để điện áp đầu ra lần lượt là 1,0 V; 1,5 V; 2,0 V.

- Đọc giá trị tần số dòng điện xoay chiều trên đồng hồ đo điện đa năng và ghi giá trị này vào vở theo mẫu Bảng 1.1.

Giá trị tần số lấy gần đúng đến 0,01 Hz.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh tần số dòng điện đo được ở các giá trị điện áp đầu ra khác nhau. Rút ra nhận xét.

2. Tính giá trị trung bình của tần số đo được.

Bài làm chi tiết:

1. Tần số dòng điện đo được ở các giá trị điện áp đầu ra khác nhau có giá trị xấp xỉ bằng nhau. 

Nhận xét: Tần số dòng điện quay điện trở R không thay đổi khi điện áp đầu ra thay đổi và có giá trị xấp xỉ bằng tần số của máy phát âm tần.

2. Giá trị trung bình của tần số dòng điện đo được: 

(Hz)

B. Đo điện áp xoay chiều giữa hai đầu điện trở R

Thiết kế phương án:

- Tìm hiểu các dụng cụ thực hành (chức năng đo điện áp xoay chiều của đồng hồ đo điện đa năng).

- Vẽ sơ đồ mạch điện đo điện áp xoay chiều.

Tiến hành:

- Lắp ráp dụng cụ theo sơ đồ mạch điện đề xuất.

- Điều chỉnh máy phát âm tần để điện áp đầu ra luôn là 2,0 V.

- Thay đổi tần số đầu ra máy phát âm tần lần lượt theo các giá trị: 50 Hz, 75 Hz, 100 Hz.

- Đọc giá trị điện áp xoay chiều trên đồng hồ đo điện đa năng và ghi giá trị này vào vở theo mẫu Bảng 1.2.

Giá trị điện áp lấy gần đúng đến 0,1 mV.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Giá trị điện áp đo được giữa hai đầu điện trở trong Bảng 1.2 có giá trị cực đại hay giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều? Giải thích.

2. So sánh các giá trị điện áp đo được giữa hai đầu điện trở R khi thay đổi tần số của dòng điện. Rút ra nhận xét.

3. Tính giá trị trung bình của điện áp đo được giữa hai đầu của điện trở.

Bài làm chi tiết:

1. Giá trị điện áp đo được giữa hai đầu điện trở là giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều. Vì thực nghiệm chứng tỏ rằng, dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt như dòng điện không đổi. Giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều bằng điện áp của dòng điện không đổi, nếu cho hai dòng điện này lần lượt đi qua cùng một điện trở thì nhiệt lượng tỏa ra trong thời gian đủ dài là bằng nhau.

2. Các giá trị điện áp giữa hai đầu điện trở tại Bảng 1.2 có giá trị xấp xỉ bằng nhau.

Nhận xét: Khi thay đổi tần số của dòng điện, các giá trị điện áp giữa hai đầu điện trở có sự thay đổi không đáng kể.

3. Giá trị trung bình của điện áp đo được giữa hai đầu điện trở: 

= 5,3 (mV)

Câu hỏi: Nếu thay điện trở R bằng tụ điện (hoặc cuộn dây) thì các giá trị điện áp xoay chiều giữa hai đầu tụ điện (hoặc cuộn dây) có thay đổi theo tần số dòng điện xoay chiều không? Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.

Bài làm chi tiết:

Nếu thay điện trở R bằng tụ điện (hoặc cuộn dây) thì các giá trị điện áp xoay chiều giữa hai đầu tụ điện (hoặc cuộn dây) không thay đổi theo tần số dòng điện xoay chiều.

Thí nghiệm kiểm chứng: Thực hiện tương tự thí nghiệm trên, thay điện trở bằng tụ điện hoặc cuộn dây.

Hoạt động: Sử dụng cảm biến dòng điện và cảm biến điện thế để đo cường độ và điện áp xoay chiều giữa hai đầu điện trở R = 12 thu được kết quả như đồ thị Hình 1.2a và Hình 1.2b dưới đây:

Từ đồ thị biểu diễn trong Hình 1.2a và Hình 1.2b, hãy thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh tần số, pha ban đầu của cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều.

2. Viết biểu thức cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều.

3. Tìm mối liên hệ giữa cường độ dòng điện cực đại và điện áp cực đại với điện trở R. Rút ra mối liên hệ giữa cường độ dòng điện hiệu dụng và điện áp hiệu dụng giữa hai đầu điện trở. Mối liên hệ này có tuân theo định luật Ohm hay không?

Bài làm chi tiết:

1. Cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều dao động cùng tần số.

_i = 0,19 (rad)

_u = 0,2 (rad)

→ _u = _i + 0,01

2. T = 0,01 (s) → w = = 200 (rad/s)

Biểu thức:

i = 150cos(200t + )  (mA)

u = 1,8cos(200t + ) (V)

3. Mối liên hệ: U_o = I_oR; U = I.R

Mối liên hệ này tuân theo định luật Ohm.

Hoạt động: So sánh công suất tỏa nhiệt trung bình với công suất cực đại của dòng điện xoay chiều hình sin chạy qua điện trở R.

Bài làm chi tiết:

Công suất tỏa nhiệt trung bình trên điện trở R bằng một nửa công suất cực đại của dòng điện xoay chiều.

P = RI_o² = với P_max = RI_o²