Cách giải bài toán điện xoay chiều bằng Phương pháp giản đồ vectơ hay, chi tiết



I. Phương pháp

1. Các quy tắc cộng véc tơ

a) Quy tắc tam giác

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Nội dung của quy tắc tam giác là: Từ điểm A tuỳ ý ta vẽ véc tơ AB = a , rồi từ điểm B ta vẽ véc tơ BC = b . Khi đó véc tơ AC được gọi là tổng của hai véc tơ a và b (Xem hình a) .

b) Quy tắc hình bình hành

Nội dung của quy tắc hình bình hành là: Từ điểm A tuỳ ý ta vẽ hai véc tơ AB = a và véc tơ AD = b , sau đó dựng điểm C sao cho ABCD là hình bình hành thì véc tơ AC được gọi là tổng của hai véc tơ a và b (xem hình b) . Ta thấy khi dùng quy tắc hình bình hành các véc tơ đều có chung một gốc A nên gọi là các véc tơ buộc.

Vận dụng quy tắc hình bình hành để cộng các véc tơ trong bài toán điện xoay chiều ta có phương pháp véc tơ buộc, còn nếu vận dụng quy tắc tam giác thì ta có phương pháp véc tơ trượt (“các véc tơ nối đuôi nhau”).

2. Cơ sở vật lí của phương pháp giản đồ véc tơ

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Xét mạch điện như hình a hoặc hình b. Đặt vào 2 đầu đoạn AB một điện áp xoay chiều. Tại một thời điểm bất kì, cường độ dòng điện ở mọi chỗ trên mạch điện là như nhau. Nếu cường độ dòng điện đó có biểu thức là: i = Iocosωt (A) thì biểu thức điện áp giữa hai điểm AM, MN và NB lần lượt là:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

    + Do : UAB = UAM + UMN + UNB .

    + Các đại lượng biến thiên điều hoà cùng tần số nên chúng có thể biểu diễn bằng các véc tơ Frexnel:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

(trong đó độ lớn của các véc tơ biểu thị điện áp hiệu dụng của nó).

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Cách vẽ giản đồ véc tơ cùng gốc: Vì i không đổi nên ta chọn trục cường độ dòng điện làm trục gốc, gốc tại điểm O, chiều dương là chiều quay lượng giác.( H.1)

- Chọn trục ngang là trục cường độ d điện

- Chọn gốc A

- Vẽ các vectơ nối duôi , hoặc vẽ cùng chung gốc O( là A)

Để thực hiện cộng các véc tơ trên ta phải vận dụng một trong hai quy tắc cộng véc tơ.

Chú ý: Vẽ giản đồ vectơ cùng gốc khi có sự bắt chéo RL với RC

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vectơ UAM, UMN, UNB nối đuôi nhau theo nguyên tắc: R - đi ngang; L - đi lên; C - đi xuống.

Bước 3: Nối A với B thì véc tơ AB biểu diễn điện áp uAB. Tương tự, véc tơ AN biểu diễn điện áp UAN, véc tơ MB biểu diễn điện áp UNB. Véc tơ AB chính là biểu diễn UAB

Một số điểm cần lưu ý:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

- Các điện áp trên các phần tử được biểu diễn bởi các vectơ mà độ lớn của các vectơ tỉ lệ với điện áp hiệu dụng của nó.

- Độ lệch pha giữa các điện áp là góc hợp bởi giữa các vectơ tương ứng biểu diễn chúng. Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện là góc hợp bởi vectơ biểu diễn nó với trục I. Véc tơ “nằm trên” (hướng lên trên) sẽ nhanh pha hơn véc tơ “nằm dưới” (hướng xuống dưới).

- Độ dài cạnh của tam giác trên giản đồ biểu thị điện áp hiệu dụng, độ lớn góc biểu thị độ lệch pha.

- Cộng hai véc tơ cùng phương ngược chiều U1, U1 thành U theo quy tắc hình bình hành (xem hình trên).

    + Nếu cuộn dây không thuần cảm (trên đoạn AM có cả L và r (Xem hình a dưới đây)) thì UAB = UL + Ur + UR + UC ta vẽ L trước như sau: L - đi lên, r - đi ngang, R - đi ngang và C - đi xuống (xem hình B. hoặc vẽ r trước như sau: r - đi ngang, L - đi lên, R - đi ngang và C - đi xuống (Xem hình c )

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

    + Nếu mạch điện có nhiều phần tử (Xem hình a) thì ta cũng vẽ được giản đồ một cách đơn giản như phương pháp đã nêu (Xem hình d).

    + Góc hợp bởi hai vec tơ a và b là góc BAD (nhỏ hơn 180 ο). Việc giải các bài toán là nhằm xác định độ lớn các cạnh và các góc của các tam giác hoặc tứ giác, nhờ các hệ thức lượng trong tam giác vuông, các hệ thức lượng giác, các định lí hàm số sin, hàm số cos và các công thức toán học.

    + Trong toán học một tam giác sẽ giải được nếu biết trước 3 (hai cạnh một góc, hai góc một cạnh, ba cạnh) trong số 6 yếu (ba góc trong và ba cạnh). Để làm điều đó ta sử dụng các định lí hàm số sin và định lí hàm số cosin (xem hình bên).

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Các công thức thường dùng cho tam giác vuông:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

một số hệ thức trong tam giác vuông:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Tìm trên giản đồ véctơ tam giác biết trước ba yếu tố (hai cạnh một góc, hai góc một cạnh), sau đó giải tam giác đó để tìm các yếu tố chưa biết, cứ tiếp tục như vậy cho các tam giác còn lại.

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Cho mạch điện xoay chiều gồm R,L,C nối tiếp .Các điện áp ở hai đầu đoạn mạch : U = 120V ; 2 đầu cuộn dây Ud = 120V; ở hai đầu tụ điện UC = 120V.

Xác định hệ số công suất của mạch ?

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

A. 1/2          B. √3/2

C. 1          D. 1 / √3

Hướng dẫn:

Ta vẽ giản đồ vectơ có: U = 120V; 2 đầu cuộn dây Ud = 120V ;

ở hai đầu tụ điện UC = 120V. Thấy tam giác OPQ đều nên POH = POQ / 2 = π / 6 = φd ;

HOQ = π / 6 ⇒ φ = -π/3 ⇒ cosφ = OH / OQ = √3/2

Chọn đáp án B

Ví dụ 2: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ. Cuộn dây thuần cảm. Cho biết điện áp hiệu dụng giữa hai điểm A, B là UAB = 200 V , giữa hai điểm A, M là UAM = 200√2 V và giữa M, B là UMB = 200 V . Tính điện áp hiệu dụng giữa hai đầu điện trở và hai đầu tụ điện.

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Hướng dẫn:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Cách 1: Phương pháp véctơ chung gốc (xem hình a).

    + Vì UAB = UMB = 200 V nên tam giác OUABUMB là tam giác cân tại O. Chú ý 2002 + 2002 = (200√2)2 nên tam giác đó là tam giác vuông cân tại O.

    + Do đó tam giác OURUMB cũng là tam giác vuông cân tại UR: ⇒ UR = UC = UMB / 2 = 100√2 .

Cách 2: Phương pháp véctơ trượt (xem hình b).

    + Dễ thấy 2002 + 2002 = (200√2)2 nên ΔABM vuông cân tại B, suy ra α = 45ο ⇒ β= 45ο → ΔMNB vuông cân tại N ⇒ UR = UC = MB / √2 = 100√2

Đáp số: UR = UC = 100√2

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí lớp 12 có trong đề thi THPT Quốc gia khác:

Ngân hàng trắc nghiệm miễn phí ôn thi THPT Quốc Gia tại khoahoc.vietjack.com

KHÓA HỌC GIÚP TEEN 2002 ĐẠT 9-10 THI THPT QUỐC GIA

Tổng hợp các video dạy học từ các giáo viên giỏi nhất - CHỈ TỪ 399K tại khoahoc.vietjack.com


phuong-phap-gian-do-vecto-trong-dong-dien-xoay-chieu.jsp


Các loạt bài lớp 12 khác
Khóa học 12