Trang chủ > Lớp 12 > Giải BT Vật Lí 12 nâng cao > Bài 34: Thực hành khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao

Bài 34: Thực hành khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao

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

I. Mục đích thí nghiệm

- Hiểu được 2 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, máy 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:

(Z_C tỉ lệ nghịch với f)

- Z_C 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 Z_L = ω. L = L. 2π f (Ω). (Z_L tỉ lệ thuận với f)

- Z_L 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:

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

* Tính chất mạch điện:

- Mạch có tính cảm kháng Z_L > Z_C ⇔ ω²LC > 1

⇔

⇒ φ > 0 thì u nhanh pha hơn i

- Mạch có tính dung kháng Z_L < Z_C ⇔ ω²LC < 1

⇔

⇒ φ < 0 thì u chậm pha hơn i

- Khi Z_L = Z_C ⇔

⇒ φ = 0 thì u cùng pha với i. Lúc đó gọi là hiện tượng cộng hưởng điện.

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

* 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 + φ_i). Khi đó:

- u_L sớm pha hơn i một góc π /2 biểu thức u_L = U₀L. cos (ω. t + φ_i + π /2).

- u_C trễ pha hơn i một góc π /2 biểu thức u_C = U₀C. cos (ω. t + φ_i - π /2).

- u_R cùng với pha hơn i biểu thức u_R = U₀R. cos (ω. t + φ_i).

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

a. Phương án 1

+ Khảo sát hai dao 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 dao động cùng pha.

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

+ Khảo sát hai dao động lệch pha nhau.

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

- 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:

- 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:

- 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:

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

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)

- 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 2 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	U_R	U_L	U_C	U_RLC
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 Z_L, Z_C, Z toàn mạch và sai số tương ứng.

Z_L1 = U_L1/I₁ = 4,9/ 0,03 = 163,3Ω;

Z_L2 = U_L2/I₂ = 6,5/ 0,04 = 162,5Ω;

Z_L3 = U_L3/I₃ = 8,1/ 0,05 = 162,0Ω;

Z_C1 = U_C1/I₁ = 9,7/ 0,03 = 323,3Ω;

Z_C2 = U_C2/I₂ = 12,9/ 0,04 = 322,5Ω;

Z_C3 = U_C3/I₃ = 16,1/ 0,05 = 322,0Ω;

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;

- 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.

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? Vì sao?

Bài 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:

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): 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.

Bài 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.

Bài giải:

Phương án sai là: C.

Giải thích:

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): 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.

Bài giải:

Chọn đáp án B.

Giải thích:

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.

Bài tiếp: Bài 35: Tán sắc ánh sáng - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao