Bài 13. Đại cương về dòng điện xoay chiều trang 84, 85, 86 Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo

CHMĐ

Trả lời câu hỏi mở đầu trang 84 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Nhà máy thủy điện Hòa Bình (Hình 13.1) là một trong số các nhà máy thủy điện nổi tiếng ở Việt Nam, với tổng sản lượng điện sản xuất kể từ khi được đưa vào vận hành đến tháng 9/2023 là 270 tỉ kW.h (Nguồn: EVN). Dòng điện được tạo ra và truyền đi từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ là dòng điện xoay chiều. Vậy dòng điện xoay chiều có những đặc điểm gì?

Phương pháp giải:

Dòng điện được tạo ra và truyền đi từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ là dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian.

CH

Trả lời câu hỏi trang 84 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Dựa vào định luật Faraday, để xuất một số phương pháp tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn kín.

Phương pháp giải:

Dựa vào định luật Faraday

Lời giải chi tiết:

Phương pháp tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn kín: đặt khung dây trong một từ trường (có thể được tạo ra bởi nam châm, nam châm điện, ống dây có dòng điện chạy qua,...)

CH

Trả lời câu hỏi trang 85 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Hình 13.3 là mô hình máy phát điện xoay chiều đơn giản, bao gồm khung dây (1) được đặt trong từ trường của nam châm (2), khung dây được nối với hai vành khuyên (3) và hai thanh quét (4) để đưa dòng điện ra ngoài. Hãy trình bày nguyên tắc tạo suất điện động xoay chiều bởi máy này.

Phương pháp giải:

Hình 13.3 là mô hình máy phát điện xoay chiều đơn giản, bao gồm khung dây (1) được đặt trong từ trường của nam châm (2), khung dây được nối với hai vành khuyên (3) và hai thanh quét (4) để đưa dòng điện ra ngoài

Lời giải chi tiết:

Khung dây (1) được đặt giữa hai cực của nam châm (2), do đó, khung dây được đặt trong từ trường’

Khi trục của khung dây quay, từ thông qua khung dây biến thiên, do đó trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và suất điện động cảm ứng

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 85 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Có thể dùng thanh nam châm thẳng để tạo ra dòng điện xoay chiều trong khung dây kín không? Vì sao?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian. Mà từ trường của nam châm thẳng không phải từ trường đều, độ lớn cảm ứng từ ở các điểm khác nhau là khác nhau. Do đó, không thể dùng thanh nam châm thẳng để tạo ra dòng điện xoay chiều.

VD

Trả lời câu hỏi vận dụng trang 85 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Từ các dụng cụ: 1 khung dây hình chữ nhật có thể quay đều quanh một trục cố định (trục đối xứng của khung và nằm trong mặt phẳng khung), 2 vật dẫn, 1 nam châm chữ U tạo ra một từ trường đều đủ rộng, 1 cặp dây dẫn. Em hãy thiết kế phương án thí nghiệm để tạo ra dòng điện xoay chiều.

Phương pháp giải:

Từ các dụng cụ đã cho

Lời giải chi tiết:

1. Lắp đặt:

- Đặt nam châm chữ U lên mặt phẳng ngang sao cho từ trường đều hướng lên trên.

- Đặt khung dây hình chữ nhật nằm ngang, trục quay của khung dây trùng với trục của nam châm chữ U.

- Nối hai đầu của khung dây với hai đầu của cặp dây dẫn.

- Nối hai đầu còn lại của cặp dây dẫn với hai vật dẫn.

2. Thực hiện:

- Quay khung dây hình chữ nhật đều quanh trục của nó.

- Quan sát sự xuất hiện của dòng điện trong mạch.

CH 1

Trả lời câu hỏi 1 trang 86 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Quan sát Hình 13.4, hãy xác định độ lệch pha của i(t) và u(t).

Phương pháp giải:

Quan sát Hình 13.4

Lời giải chi tiết:

Xét đồ thị a: t = 0 → u = 0, đồ thị đi lên → \({\varphi _u} =  - \frac{\pi }{2}\)

Xét đồ thị b: t = 0 → i = I_o, đồ thị đi xuống → \({\varphi _i} = 0\)

→ \({\varphi _u} = {\varphi _i} - \frac{\pi }{2}\)

CH 2

Trả lời câu hỏi 2 trang 86 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Nêu ví dụ thực tế chứng tỏ dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tế của bản thân

Lời giải chi tiết:

Ví dụ: Dây dẫn có dòng điện chạy qua bị nóng lên, bàn ủi,...

CH

Trả lời câu hỏi trang 87 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Đồng hồ đo điện đa năng hiện số là thiết bị có thể được sử dụng để đo cường độ dòng điện và điện áp của dòng điện xoay chiều. Số hiển thị trên màn hình khi tiến hành đo thể hiện giá trị nào của dòng điện?

Phương pháp giải:

Đồng hồ đo điện đa năng hiện số là thiết bị có thể được sử dụng để đo cường độ dòng điện và điện áp của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Số hiển thị trên màn hình khi tiến hành đo thể hiện giá trị của cường độ dòng điện hiệu dụng.

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 88 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Xét dòng điện xoay chiều đi qua đoạn mạch chỉ chứa điện trở R. Đồ thị điện áp - thời gian và cường độ dòng điện - thời gian được mô tả trong Hình 13.5.

a) Hãy xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng, chu kì và tần số của cường độ dòng điện và điện áp.

b) Nhận xét về pha dao động của cường độ dòng điện và điện áp.

Phương pháp giải:

Vận dụng phương pháp đồ thị

Lời giải chi tiết:

a) * Điện áp: 

U_o = 200 (V), \(U = \frac{{{U_0}}}{{\sqrt 2 }} = \frac{{200}}{{\sqrt 2 }}V\); T = 0,02 s; \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{{0,02}} = 50Hz\)

* Cường độ dòng điện:

 \({I_0} = \sqrt 2 A\), \(I = \frac{{{I_0}}}{{\sqrt 2 }} = 1A\); T = 0,02 (s); \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{{0,02}} = 50Hz\)

b) Xét đồ thị a: t = 0 → u = 0, đồ thị đi lên → \({\varphi _u} = \frac{\pi }{2}\)

Xét đồ thị b: t = 0 → i = 0, đồ thị đi xuống → \({\varphi _i} = \frac{\pi }{2}\)

→\({\varphi _u} = {\varphi _i}\)→ u và i dao động cùng pha.

VD

Trả lời câu hỏi vận dụng trang 88 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Em hãy sắp xếp đúng thứ tự các bước bên dưới để đo giá trị cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua bóng đèn dây tóc bằng cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số.

- Mắc nối tiếp đồng hồ với đoạn mạch (có bóng đèn dây tóc và khóa K mở) cần đo cường độ dòng điện.

- Đóng khóa K.

- Chọn thang đo thích hợp.

- Khi các chữ số hiển thị trên màn hình đã ổn định, đọc trị số của cường độ dòng điện.

- Ngắt khóa K và tháo mạch điện.

- Kết thúc thao tác đo, nhấn nút ON/OFF để tắt đồng hồ.

- Tìm hiểu các quy tắc an toàn điện.

- Nhấn nút ON/OFF để bật đồng hồ

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về thực hành thí nghiệm

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Tìm hiểu các quy tắc an toàn điện.

Bước 2: Chọn thang đo thích hợp.

Bước 3: Mắc nối tiếp đồng hồ với đoạn mạch (có bóng đèn dây tóc và khóa K mở) cần đo cường độ dòng điện.

Bước 4: Nhấn nút ON/OFF để bật đồng hồ.

Bước 5: Đóng khóa K.

Bươc 6: Khi các chữ số hiển thị trên màn hình đã ổn định, đọc trị số của cường độ dòng điện.

Bước 7: Kết thúc thao tác đo, nhấn nút ON/OFF để tắt đồng hồ.

Bước 8: Ngắt khóa K và tháo mạch điện.

CH 1

Trả lời câu hỏi 1 trang 89 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Theo em, để giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, cần tối thiểu bao nhiêu máy biến áp?

Phương pháp giải:

Giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ

Lời giải chi tiết:

Cần tối thiểu 2 máy biến áp: 1 máy tăng thế ở đầu đường dây tải điện và 1 máy hạ thế ở nơi tiêu thụ.

CH 2

Trả lời câu hỏi 2 trang 89 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Liệt kê một số đồ dùng sinh hoạt trong gia đình có sự chuyển hóa điện năng chủ yếu thành nhiệt năng hoặc cơ năng.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tế

Lời giải chi tiết:

- Vật dụng có sự chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng: bàn là, nồi cơm điện, bếp điện,...

- Vật dụng có sự chuyển hóa điện năng thành cơ năng: quạt điện, máy bơm nước,...

CH

Trả lời câu hỏi trang 90 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Quan sát Hình 13.8 và liệt kê những điều nên và không nên làm để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình.

Phương pháp giải:

Quan sát Hình 13.8

Lời giải chi tiết:

Hình a: Không chạm vào dụng cụ sử dụng điện khi tay ướt

Hình b: Nên rút thiết bị điện khi không sử dụng

Hình c: Kiểm tra hệ thống mạng điện và bảo trì thiết bị điện định kì

Hình d: Không để dây điện lên vậy dễ cháy như bếp gas

Hình e: Tránh sử dụng thiết bị điện khi đang sạc

Hình f: Không nên cho nước vào bàn là đang cắm điện

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 90 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Hãy nêu một số quy tắc an toàn điện trong phòng thí nghiệm.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tế

Lời giải chi tiết:

- Trách tiếp túc với các mạch điện bằng tay hoặc vật liệu ướt;

- Không sử dụng hoặc cất giữ các dung môi dễ cháy gần thiết bị điện;

- Chỉ sử dụng các dụng cụ và thiết bị có tay cầm không dẫn điện khi làm việc với các thiết bị điện;

- Tắt nguồn của bất kỳ thiết bị nào trước khi kiểm tra. Khi tắt các công tắc an toàn, hãy đeo găng tay cách điện và quay mặt khỏi hộp trước khi kéo tay cầm xuống;

VD

Trả lời câu hỏi vận dụng trang 90 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Tìm hiểu và trình bày một số quy tắc an toàn điện trong sản xuất và kinh doanh.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tế

Lời giải chi tiết:

- Chỉ những người có chuyên môn về điện và đã qua huấn luyện an toàn điện mới được bảo dưỡng, sửa chữa, cải tạo, lắp đặt thiết bị điện;

- Không tự tiện ấn nút hoặc đóng ngắt cầu dao, áptomat ngoài chức trách của mình (nhất là đối với các máy bơm, máy nén, quạt gió…);

- Phải ngắt thiết bị ra khỏi nguồn điện và nối đất thiết bị trước khi bảo dưỡng, sửa chữa;

- Khi bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị điện ít nhất phải có 2 người tham gia, thực hiện các bước cô lập điện, treo biển cảnh báo cấm đóng điện tại cầu dao nguồn trong suốt quá trình làm việc, đặt các thiết bị/ dụng cụ điện trên mặt bằng khô ráo, sử dụng “qui trình làm việc” và tuân theo “giấy phép làm việc điện”, sau khi kết thúc công việc phải nghiệm thu, trả giấy phép và thông báo để người vận hành đưa thiết bị vào hoạt động;

Bài 1

Trả lời câu hỏi bài 1 trang 91 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Trong các biểu thức dưới đây (trong đó t được đo bằng s), biểu thức nào biểu diễn đúng cường độ dòng điện xoay chiều có chu kì 0,02 s và giá trị hiệu dụng là \(\sqrt 2 \)A?

A. \(i = \sqrt 2 \cos \left( {100\pi t + \frac{\pi }{2}} \right)A\)

B. \(i = \sqrt 2 \cos \left( {50\pi t} \right)A\)

C. \(i = 2\cos \left( {100\pi t + \frac{\pi }{2}} \right)A\)

D. \(i = 2\cos \left( {50\pi t} \right)A\)

Phương pháp giải:

Vận dụng phương trình cường độ dòng điện tức thời

Lời giải chi tiết:

\(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{{0,02}} = 50Hz \Rightarrow \omega  = 50\pi (rad/s)\)

\({I_0} = I\sqrt 2  = \sqrt 2 .\sqrt 2  = 2A\)

\(i = 2\cos \left( {50\pi t} \right)A\)

Đáp án D

Bài 2

Trả lời câu hỏi bài 2 trang 91 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Dựa vào Hình 13P.1, hãy cho biết đường nào là đường biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào thời gian của dòng điện không đổi và dòng điện xoay chiều. Giải thích.

Phương pháp giải:

Dựa vào Hình 13P.1

Lời giải chi tiết:

Với dòng điện xoay chiều, cường độ dòng điện biến thiên điều hòa theo thời gian → Đồ thị hình sin (đường màu đỏ) thể hiện sự phụ thuộc của I vào t;

Với dòng điện không đổi, cường độ dòng điện không đổi theo thời gian → Đồ thị đường thẳng nằm ngang (đường màu đỏ) thể hiện sự phụ thuộc của I vào t.

Bài 3

Trả lời câu hỏi bài 3 trang 91 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Xét một mạch tạo sóng với đầu ra được nối với một dao động kí điện tử dùng để hiển thị mối liên hệ giữa cường độ của tín hiệu điện áp theo thời gian. Dựa vào hình ảnh quan sát được trên màn hình của dao động kí điện tử trong Hình 13P.2, hãy xác định tần số của dòng điện xoay chiều được tạo ra bởi mạch tạo sóng âm tần nói trên. Biết mỗi ô trên trục hoành ứng với khoảng thời gian 0,5 ms.

Phương pháp giải:

Vận dụng cách đọc đồ thị

Lời giải chi tiết:

Chu kì của dòng điện là: T = 4 ô = 0,5.4 = 2 (ms);

Tần số của dòng điện là: \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2} = 0,5Hz\)

Bài 4

Trả lời câu hỏi bài 4 trang 91 SGK Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Cường độ dòng điện xoay chiều qua một đoạn mạch có biểu thức i = 3cosωt (A), trong đó t được đo bằng s. Biết rằng trong thời gian 0,1 s thì dòng điện tăng từ giá trị 0 A đến 3 A. Hãy tính tần số góc của dòng điện xoay chiều qua đoạn mạch.

Phương pháp giải:

Vận dụng công thức tính tần số góc

Lời giải chi tiết:

Trong thời gian 0,1 s thì dòng điện tăng từ giá trị 0 A đến 3 A

=> \(\frac{T}{4} = 0,1s \Rightarrow T = 0,4s \Rightarrow \omega  = \frac{{2\pi }}{T} = 5\pi (rad/s)\)