Giải bài tập dòng điện xoay chiều lớp 12

Written by Kien Team | Jul 6, 2020 8:05:18 AM

Dòng điện xoay chiều là một chương hay của chương trình Vật lý THPT. Vì vậy, hôm nay Kiến Guru xin chia sẻ đến các bạn một số dạng bài tập vật lý 12 chương dòng điện xoay chiều chọn lọc. Bài viết vừa tổng hợp kiến thức cơ bản, đồng thời nêu phương pháp và ví dụ để giải một số dạng bài tập, chủ yếu xoay quanh hai vấn đề là mạch xoay chiều 1 phần tử R,L và C. Hy vọng đây sẽ là một tài liệu ôn tập hay và hữu ích cho các bạn. Cùng học cùng Kiến nhé:

I. Các bài tập vật lý 12 mạch điện xoay chiều 1 phần tử R.

1. Lý thuyết cơ bản.

Cho điện áp u = U0cos[ωt + φu ] vào hai đầu một đoạn mạch có điện trở giá trị R, cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch là: i = I0cos[ωt + φi ].

Một số dạng bài toán thường gặp:

Dạng 1: Tính toán giá trị hiệu dụng: I=U/R. Chú ý độ lệch pha lúc nào cũng là 0, tức lúc nào dòng điện cũng trùng pha với điện áp.

Dạng 2: Tính toán nhiệt lượng.

Một dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở, nhiệt lượng tỏa ra được nước hấp thụ. Tính toán hiệu suất?

Để làm dạng này, cần sử dụng công thức tỏa nhiệt trên điện trở theo hiệu ứng Jun-Lenxo: Q1 = I2Rt.

Nhiệt lượng mà nước hấp thụ sẽ là Q2= mc[t2 – t1]. Với t2 là nhiệt độ lúc sau, t1 là nhiệt độ ban đầu của nước.

Nếu Q1=Q2, tức là nước hấp thụ toàn bộ nhiệt từ điện trở tỏa ra, hiệu suất đạt 100%.

Nếu Q1>Q2, như vậy hiệu suất hấp thụ: H=[Q2/Q1]*100%.

Dạng 3: Tính toán công suất bóng đèn.

Xét dòng điện xoay chiều chạy qua bóng đèn, ta xem đó là trường hợp dòng điện đi qua dây dẫn có điện trở trong. Các công thức phía trên đều được áp dụng.

Từ các chỉ số ghi trên bóng đèn, ta sẽ nắm được công suất định mức Pdm và hiệu điện thế định mức Udm . Ta tính được các đại lượng sau:

Nhận xét:

Khi dòng điện chạy qua bóng bằng dòng điện định mức thì bóng sáng bình thường.

Trong trường hợp các bóng đèn mắc song song:

Còn nếu trường hợp mắc nối tiếp: 

2. Các bài tập vật lý minh họa.

Ví dụ 1: Cho dòng điện xoay chiều i = 4√2cos[100πt] A đi qua đoạn dây dẫn có R=7 Ohm. Để đoạn dây dẫn trên vào bình chứa m=1.2 kg nước. Sau khoảng T=10 phút, thì nhiệt độ nước trong bình sẽ là bao nhiêu, biết rằng ban đầu, bình nước có nhiệt độ 200C và hiệu suất hấp thu nhiệt là H=100%.

Hướng dẫn giải:

Để giải bài này, ta sử dụng công thức tỏa nhiệt trên dây dẫn và công thức tính nhiệt lượng hấp thụ:

Do H=100%, tức là không có mất mát, toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn được nước hấp thu sạch sẽ. Khi đó:

Ví dụ 2: Cho điện áp xoay chiều u = U√2cos[ωt] vào đoạn dây có điện trở thuần R=110Ω, lúc này giá trị cường độ dòng điện qua điện trở là 2A. Giá trị của U là:

Hướng dẫn giải.

Sử dụng công thức tính hiệu điện thế hiệu dụng: U=IR=2.110=220V.

Chọn đáp án A.

3. Một số câu trắc nghiệm tự luyện bài tập lý 12.

Đáp án: 

II. Các bài tập vật lý 12 mạch điện xoay chiều 1 phần tử L.

1. Lý thuyết cơ bản.

Cho dòng điện xoay chiều i = I0cos[ωt + φi ] và điện áp xoay chiều dạng u = U0cos[ωt + φu ] đi qua 1 cuộn dây.

Tính cản trở dòng điện được đặc trưng bằng đại lượng cảm kháng ZL = ωL.

Định luật Ohm: I=U/ ZL [dùng cho giá trị hiệu dụng]

Độ lệch pha: Δφ= φu- φi=π/2. Điện áp nhanh pha 1 góc π/2 so với dòng điện.

Các dạng toán thường gặp:

Dạng 1: xác định các đại lượng đặc trưng:

Cảm kháng ZL = ωL.

Cường độ dòng điện hiệu dụng I=U/ ZL

Dạng 2: Tính toán giá trị tức thời.

2. Ví dụ minh họa.

Ví dụ 1: Đặt điện áp u = U0cos[ωt] vào hai đầu một cuộn cảm thuần, giá trị tự cảm L. Khi đó, dòng điện đi qua cuộn cảm sẽ là?

Hướng dẫn giải.

Ta sử dụng định luật Ohm để tính: I=U/ ZL, suy ra I0=U0/ ZL .

Mặt khác, u sớm pha hơn i một góc π/2 nên ta chọn đáp án C.

Ví dụ 2:  Cho một điện áp u = U√2cos[ωt] đi qua một cuộn cảm thuần, cường độ dòng điện có giá trị hiệu dụng I. Xét tại thời điểm t, điện áp ở hai đầu cuộn cảm là u và cường độ dòng điện là i. Hệ thức liên hệ nào sau đây sẽ đúng?

Hướng dẫn giải.

Do dòng điện vuông pha với điện áp ở mọi thời điểm t, suy ra 

Đáp án là C.

3. Một số bài tập tự luyện.

Đáp án: 1-A ; 2-B ; 3-A

III. Các bài tập lý 12 mạch điện xoay chiều 1 phần tử C.

1. Lý thuyết cơ bản.

Cho dòng điện xoay chiều i = I0cos[ωt + φi ] và điện áp xoay chiều dạng u = U0cos[ωt + φu ] đi qua tụ điện thuần.

Đại lượng cản trở dòng điện dung kháng: ZC=1/Cω

Định luật Ohm: I=U/ZC [chú ý chỉ xài cho giá trị hiệu dụng]

Độ lệch pha Δφ= φu- φi=-π/2. Điện áp trễ pha 1 góc π/2 so với dòng điện.

Dạng toán thường gặp:

Dạng 1: tính toán đại lượng đặc trưng: dùng các công thức dung kháng và định luật Ohm.

Dạng 2: tính toán giá trị tức thời:

Nhận xét:

2. Ví dụ minh họa.

3. Bài tập vật lý 12 tự luyện.

Đáp án: 

Trên đây là 3 dạng toán về điện xoay chiều 1 phần tử mà Kiến muốn chia sẻ đến các bạn. Đây là một chương hay, nếu nhớ và hiểu công thức, các bạn sẽ dễ dàng tìm ra lời giải theo cách nhanh nhất, đúng nhất. Hy vọng qua bài viết, các bạn phần nào sẽ tự ôn tập, cũng như rèn luyện kỹ năng giải quyết các bài tập vật lý 12 liên quan đến điện xoay chiều. Ngoài ra, các bạn cũng có thể tham khảo các bài viết khác trên trang của Kiến để có thêm nhiều kiến thức bổ ích cho kì thi THPT quốc gia. Chúc các bạn may mắn.

Dòng điện xoay chiều: là dòng điện biến thiên điều hòa theo thời gian.

$i = I_{0}\cos [wt + \varphi _{i}]$

Trong đó: i [A]: giá trị cường độ dòng điện tại thời điểm t [cường độ dòng điện tức thời].

$I_{0}$ [A]: Giá trị cực đại của cường độ dòng điện.

w [rad/s]: tần số góc.

$T = \frac{2\pi }{w}$ [s]: Chu kì.

$f = \frac{w}{2\pi } = \frac{1}{T}$ [Hz]: Tần số.

$\alpha = wt + \varphi $: pha dao động của i

$\varphi $: Pha ban đầu.

Điện áp xoay chiều: điện áp biến thiên điều hòa theo thời gian.

$u = U_{0}\cos [wt + \varphi _{u}]$.

Suất điện động xoay chiều: là suất điện động biến thiên điều hòa theo thời gian.

$e = E_{0}\cos [wt + \varphi _{e}]$.

II. Cách tạo ra dòng điện xoay chiều

Nguyên tắc: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

Cho một từ thông qua một khung dây biến thiên điều hòa. Giả sử $\Phi  = NBS.\cos [wt + \varphi ] = \Phi _{0}.\cos [wt + \varphi ]$

Khi đó trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng $e  = - \Phi {}' = w.\Phi _{0}\sin [wt + \varphi ]$

$\Rightarrow $ $e  = E _{0}\sin [wt + \varphi ]$.

Kết luận: Khi từ thông đi qua khung dây dẫn biến thiên điều hòa thì trong khung dây dẫn xuất hiện  suất điện động xoay chiều. Nối hai đầu khung dây với mạch ngoài thì trong mạch ngoài có dòng điện xoay chiều chạy qua.

Cách 1: Cho khung dây quay đều trong một từ truowgf đều quanh một trục vuông góc với các đường sức từ.

Cách 2: Cho một nam châm quay đều cạnh một khung dây dẫn.

III. Các giá trị hiệu dụng

Công suất tỏa nhiệt tức thời

Cho một dòng điện $i = I_{0}\cos [wt + \varphi _{i}]$ chạy qua một điện trở R

Tại một thời điểm xác định, dòng điện xoay chiều coi là dong điện một chiều.

Công suất tỏa nhiệt tức thời là:

$p = R.i^{2} = R.I^{2}_{0}\cos ^{2} wt$ = $\frac{I^{2}_{0}.R}{2}$ + $\frac{I^{2}_{0}.R}{2}.\cos [2wt + \varphi ]$.

Giá trị trung bình của p trong một chu kì $P = \frac{I^{2}_{0}.R}{2}$.

Cường độ dòng điện hiệu dụng: là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi mà khi cho hai dòng này cùng qua một điện trở R thì công suất tỏa nhiệt của chúng bằng nhau.

$I = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}}$.

Chú ý: 

Chỉ số của ampe kế xoay chiều cho biết giá trị hiệu dụng

Tương tự, ta có hiệu điện thế hiệu dụng [$U = \frac{U_{0}}{\sqrt{2}}$]; suất điện động hiệu dụng [$E = \frac{E_{0}}{\sqrt{2}}$];

Khi yêu cầu tính cường độ dòng điện trong mạch, ta tính giá trị hiệu dụng của nó.

Tất cả các đại lượng điện và từ biến thiên điều hòa, để đặc trưng cho mức độ mạnh yếu của chúng ta căn cứ vào các giá trị hiệu dụng.

Các biểu thức của cường độ dòng điện, hiệu điện thế và suất điện động viết theo giá trị hiệu dụng:

• Cường độ dòng điện: $i = I\sqrt{2}.\cos [wt + \varphi _{i}]$ [A]
• Hiệu điện thế: $u = U\sqrt{2}.\cos [wt + \varphi _{u}]$ [V].
• Suất điện động: $e = E\sqrt{2}.\cos [wt + \varphi _{e}]$.

Trong đó: I, U, E lần lượt là các giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện, hiệu điện thế, suất điện động.