Giáo án Vật lí 12 kết nối Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS nghiên cứu SGK và nêu biểu thức từ thông, biểu thức suất điện động cảm ứng, tần số, chu kì và cách tạo ra dòng điện xoay chiều.

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi và trả lời nội dung Câu hỏi (SGK – tr72)

1. Khung dây dẫn trong Hình 17.2 ở vị trí nào thì suất điện động có giá trị cực đại? Giải thích. 

2. Giả sử tại thời điểm t, từ thông qua khung dây dẫn phẳng MNPQ là:

Ф= BScosα = BScosωt

Hãy chứng tỏ, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây này có dạng: 

e = BSωcos(ωt + φ) (V)

- GV chiếu hình 17.2 và video-clip thí nghiệm với mô hình máy phát điện xoay chiều để HS thấy đèn LED sáng luân phiên chứng tỏ dòng điện đổi chiều, vành khuyên, chổi quét để đưa dòng điện từ khung dây ra mạch ngoài. 

https://www.youtube.com/watch?v=qPuDpmhaeys

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi và trả lời nội dung Hoạt động (SGK – tr73)

Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều, hãy thực hiện các nhiệm vụ sau:

1. Làm thế nào để dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây dẫn quay đều trong từ trường (Hình 17.2)?

2. Thảo luận về:

- Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều.

- Các yếu tố cần để tạo ra dòng điện xoay chiều.

- Thiết kế phương án tạo ra dòng điện xoay chiều.

- GV kết luận về nội dung nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK, trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Câu hỏi (SGK – tr72)

1. Vị trí khung dây có giá trị suất điện động cực đại là 1, 5. Tại đó tốc độ biến thiên từ thông là cực đại, khi đó mặt phẳng khung dây song song với đường sức từ.

2. Theo định luật Faraday ta có:

Chuyển hàm sin về hàm cosin ta có:

với

Suy ra

*Trả lời Hoạt động (SGK – tr73)

1. Khi khung dây quay thì mỗi đầu khung dây cần gắn với một đường tròn tiếp điện để sử dụng các lá kim loại mỏng tiếp xúc với đường tròn này dẫn điện ra mạch ngoài.

2. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều là dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ có từ thông biến thiên tuần hoàn theo thời gian theo quy luật hàm cosin hoặc sin.

Các yếu tố cần thiết để tạo ra dòng điện xoay chiều là có khung dây đặt trong từ trường của nam châm, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà, có bộ phận dẫn dòng điện của khung dây ra mạch ngoài.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều.

- GV chuyển sang nội dung Dòng điện xoay chiều.

I. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

- Biểu thức từ thông: 

F = BScos(wt + j0) 

- Biểu thức suất điện động cảm ứng: 

e = BSwcos(wt + j₀) (V) 

- Biểu thức suất điện động cực đại: E₀ = BSw.

- Cách tạo ra dòng điện xoay chiều: Tạo từ thông biến thiên điều hoà qua khung dây dẫn kín. 

- Cách thay đổi tần số của dòng điện: Thay đổi tốc độ quay của khung dây. 

- Cách thay đổi suất điện động cảm ứng cực đại: Thay đổi tốc độ quay của khung dây, thay đổi cảm ứng từ của từ trường và diện tích khung dây.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đặt vấn đề: Từ biểu thức suất điện động vừa hình thành ở hoạt động 2 thì khung dây là nguồn điện, có suất điện động như trên. Từ đó, suy ra biểu thức điện áp giữa 2 đầu khung và khi nối với mạch ngoài chỉ có điện trở thuần thì có dòng điện qua điện trở. 

- GV yêu cầu HS nghiên cứu SGK và nêu các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều.

- GV chốt kiến thức về biểu thức điện áp, cường độ dòng điện, các giá trị đặc trưng, độ lệch pha, cách xác định điện áp khi biết cường độ dòng điện.

- GV chiếu hình ảnh dòng điện xoay chiều qua dao động kí hoặc đồ thị dòng điện xoay chiều trong gia đình.

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi và trả lời nội dung Hoạt động (SGK – tr74)

Dựa vào đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian như Hình 17.3, hãy thực hiện các yêu cầu sau:

- Xác định chu kì T (s) và tần số f (Hz) của dòng điện xoay chiều.

- Xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng và pha ban đầu của cường độ dòng điện xoay chiều.

- Viết biểu thức cường độ dòng điện theo thời gian.

- GV kết luận về việc dựa vào đồ thị hình sin để xác định chu kì, biên độ, pha ban đầu và viết biểu thức cường độ dòng điện.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK, trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Hoạt động (SGK – tr74)

1. Khi khung dây quay thì mỗi đầu khung dây cần gắn với một đường tròn tiếp điện để sử dụng các lá kim loại mỏng tiếp xúc với đường tròn này dẫn điện ra mạch ngoài.

2. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều là dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ có từ thông biến thiên tuần hoàn theo thời gian theo quy luật hàm cosin hoặc sin.

Các yếu tố cần thiết để tạo ra dòng điện xoay chiều là có khung dây đặt trong từ trường của nam châm, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà, có bộ phận dẫn dòng điện của khung dây ra mạch ngoài.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung Dòng điện xoay chiều.

- GV chuyển sang nội dung Máy phát điện xoay chiều.

I. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Biểu thức dòng điện xoay chiều

- Điện áp xoay chiều có cùng tần số, chu kì với suất điện động xoay chiều và có dạng:

u = U₀cos(ωt + φ_u) (V)

- Dòng điện chạy qua mạch điện tiêu thụ là dòng điện xoay chiều có dạng:

i = I₀cos(ωt + φ_i) 

- Trong đó:

+ u và I là giá trị điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm t;

+ U₀ và I₀ tương ứng là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều;

+ ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều, có đơn vị là rad/s;

+ φ_u, φ_i lần lượt là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

+ Các đại lượng (ωt + φ_u) và (ωt + φ_i) là pha của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều; ∆φ = φ_u - φ_i gọi là độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

2. Giá trị hiệu dụng

- Mối liên hệ giữa giá trị hiệu dụng và giá trị cực đại của dòng điện và điện áp xoay chiều lần lượt là: