Hướng dẫn học sinh giải bài toán mạch điện – Vật Lí Lớp 9

CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ************* ĐỀ TÀI SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Tên đề tài: Hướng dẫn học sinh giải bài toán mạch điện – Vật Lí Lớp 9 I- ĐẶT VẤN ĐỀ: Thực trạng: Qua quá trình dạy học môn vật lí lớp 9 nhiều năm tôi nhận thấy trong các dạng toán về mạch điện là những dạng toán khó. Học sinh không tự định hướng được khi mạch điện có nhiều điện trở thì tiến hành các bước giải như thế nào? Lập luận ra sao? Trong chương trình vật lí lớp 9, nhất là trong chương trình đổi mới phương pháp dạy học hiện nay do có rất ít thời gian trong phân phối chương trình dành cho phần bài tập nên việc vận dụng kiến thức đã học để giải bài tập mạch điện vấn đề mà đối với giáo viên khi dạy và học sinh khi học còn gặp rất nhiều khó khăn. - Yêu cầu giải quyết: Thực tế cho thấy học sinh hiện nay rất ngại khi làm bài tập có sơ đồ mạch điện phức tạp chỉ có vài học sinh có thể làm được các bài tập có sơ đồ mạch điện có 2 điện trở, còn có từ 3 đến 4 điện trở mắc nối tiếp hoặc mắc song song còn những mạch điện có nhiều điện trở mắc hổn hợp tường minh hoặc mắc hổn hợp không tường minh hoặc có mắc thêm ampe kế, vôn kế, nhiều công tắc thì hầu như không có học sinh nào làm được. Qua khảo sát chất lượng phần lớn học sinh chỉ nhận dạng các đoạn mạch điện chỉ có mắc nối tiếp hoặc chỉ có mắc song song kết quả như sau: - Khoảng 40% số học sinh làm được bài tập đoạn mạch mắc nối tiếp. - Khoảng 10% số học sinh làm được bài tập đoạn mạch mắc song song. - Không có học sinh nào làm được bài tập đoạn mạch mắc hổn hợp. Do đó muốn giúp học sinh có thể làm được các dạng bài tập mạch điện nâng cao đối với giáo viên khi dạy và học sinh khi học cần phải có biện pháp, phương pháp để chuẩn bị cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi. Để giải quyết được các yêu cầu nêu trên giáo viên cần giúp cho học sinh hiểu và vận dụng các vấn đề sau đây: - Hệ thống lý thuyết cho các đoạn mạch. - Các loại mạch điện thường gặp. - Một số chú ý khi vẽ lại sơ đồ mạch điện. - Giúp học sinh làm quen bài tập từ bài dễ đến bài khó. II- GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ: A- Hệ thống lý thuyết cho các mạch điện: R + - A K U I - Định luật ôm đối với các loại đoạn mạch: a- Định luật Ôm: I1 R1 b- Đoạn mạch nối tiếp c- Đoạn mạch song song A1 B A I2 R2 A A B K V R2 R1 C A2 A A B I K . . . . + - R1 và R2 có một điểm chung R1 và R2 có hai điểm chung I = I1= I2 (1a) U= U1 = U2 (1b) U= U1 + U2 (2a) I = I1 + I2 (2b) (3a) (3b) R= R1 + R2 (4a) (4b) * Những điều cần chú ý Đoạn mạch nối tiếp (R1 nt R2) Đoạn mạch song song (R1 // R2) U1 = (5a) I1= (5b) U2 = (6a) I2= (6b) Chia U thành U1và U2 tỉ lệ thuận Chia I thành I1và I2 tỉ lệ nghịch với R1 và R2: với R1 và R2: Nếu R2 = 0 thì U2 = 0; U1= U Nếu R2 = 0 thì I2 = 0; I1 = I Hai điểm C, B có UCB = 0; CB Hai điểm A, B có UAB = 0; A B Nếu R2 = (rất lớn): Nếu R2 = (rất lớn): U1 = 0; U2= U I1 = 0; I2 = I Sau khi hệ thống lý thuyết giáo viên giới thiệu cho học sinh các loại đoạn mạch thường gặp B- Các loại đoạn mạch điện thường gặp . a) Chỉ có mắc nối tiếp c) Hổn hợp tường minh b) Chỉ có mắc song song d) Hổn hợp không tường minh C- Một số chú ý khi vẽ lại sơ đồ mạch điện: a) Các điểm nối với nhau bằng dây nối (hoặc ampe kế) có điện trở không đáng kể được coi là trùng nhau khi vẽ lại mạch điện để tính toán. b) Vôn kế có điện trở vô cùng lớn có thể “tháo ra” khi tính toán. c) Trong các bài tập nếu không có ghi chú gì đặc biệt, người ta thường coi là Ra 0, Rv = D- Giúp học sinh làm quen bài tập từ bài dễ đến bài khó 1- Trước hết cần phải giúp học sinh hiểu và vận dụng được các dạng bài tập chỉ có mắc nối tiếp: Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ A B R2 R1 Biết R1 = 2, R2 = 4, UAB = 12V a- Tính điện trở của đoạn mạch AB b- Tính hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở. Để làm đúng học sinh cần vận dụng các hệ thức của đoạn mạch nối tiếp và định luật Ôm. a- Vận dụng hệ thức RAB = R1 + R2 = 2+ 4= 6 b- Phải biết vận dụng R1 nt R2 nên I = I1= I2= = Từ đó tính được U1 = IR1 = 2A. 2=4V U2 = IR2 = 2A. 4=8V Sau khi học sinh làm thành thạo giáo viên mở rộng cho đoạn mạch có nhiều điện trở mắc nối tiếp. Từ đó đưa ra tổng quát đoạn mạch gồm n điện trở mắc nối tiếp ta vẫn có: I = I1= I2 = = In U = U1 + U2 + + In R = R1 + R2 + + Rn 2- Tiếp theo cần phải giúp học sinh hiểu và vận dụng được các dạng bài tập chỉ có mắc song song: R1 Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ A B R2 Biết R1 = 3, R2 = 6, UAB = 12V a- Tính điện trở của đoạn mạch AB b- Tính cường độ dong điện qua mỗi điện trở. Để làm đúng học sinh cần vận dụng các hệ thức của đoạn mạch song song và định luật Ôm. a- Vận dụng hệ thức = RAB = 2 b- Phải biết vận dụng R1 // R2 nên UAB= U1 = U2 = 12V I1= = I2 = = Khi học sinh làm thành thạo giáo viên mở rộng cho đoạn mạch có nhiều điện trở mắc song song. Từ đó đưa ra tổng quát đoạn mạch gồm n điện trở mắc song song ta vẫn có: U= U1 = U2 = = Un I = I1 + I2 + + In * Tiếp theo cho học sinh làm quen với dạng mạch điện mắc hổn hợp tường minh có 3 điện trở. R1 R3 A B R2 Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ Biết R1 = 4; R2 = 3; R3 = 6 , UAB= 12V a- Tính điện trở của đoạn mạch AB b- Tính hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở Đây là mạch điện thuộc dạng mắc nối tiếp nhưng trong đó có đoạn mạch mắc song song. Khi giải câu a giáo viên cần minh họa các mạch điện tương đương R1 R3 A R1 R2,3 R C C . . R2 A B BÀI GIẢI B a- Điện trở tương của R2 và R3 (R2// R3) suy ra R2,3 = 2 Điện trở tương đương RAB của R1,R2,R3 là điện trở tương đương của R1 nt R2,3 RAB = R1 + R2,3 = 4 + 2 = 6 b- Vì R1 nt R2,3 nên I1 = I2,3 = I = và (R2// R3) nên U 2= U 3 U1 = I R1 = 2A. 4 = 8V U 2 = U 3 = I R2,3 = 2A. 2 = 4V Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ R3 A R1 R2 B Biết R1 = 4; R2 = 2; R3 = 12 , UAB= 12V a- Tính điện trở của đoạn mạch AB b- Tính cường độ dòng điện qua mỗi điện trở Đây là mạch điện thuộc dạng mắc song song nhưng trong đó có đoạn mạch mắc nối tiếp. Khi giải câu a giáo viên cần minh họa các mạch điện tương đương A R1,2 RAB R2 A B R3 R1 B A B R3 a- Điện trở tương của R1 và R2 (R1nt R2) R1,2 = R1 + R2 = 4 + 2 = 6 Điện trở tương đương RAB của R1,R2,R3 là điện trở tương đương của R1,2 // R3 suy ra RAB =4 b- Vì R1,2 //R3 nên U1,2 = U3 = UAB= 12V và (R1 nt R2) nên I 1 = I2 = I3 = Giúp học sinh làm quen với bài tập mạch điện nâng cao :Mạch hổn hợp không tường minh Bài tập 5: Cho mạch điện như hình vẽ. Các điện trở đều bằng nhau và bằng r. Ÿ Ÿ + _ r r r r r r Tính điện trở tương đương của đoạn mạch? Ÿ Ÿ + r r r r r r Ÿ Ÿ + _ r r r R1 a Ÿ Ÿ + _ r r R2 Ÿ Ÿ + _ Rtđ a -Với: R1 = r + r + r = 3r ; R2 = ; * Rtđ = r + R + r = r + ( ) Bài tập 6: R1 R2 . . R3 R4 A + B - K1 K2 D C Cho mạchđiện như hình vẽ E R1= 40, R2= 30, R3= 20, R4= 10 Tính điện trở toàn mạch a- Khi K1 ngắt, K2 đóng b- Khi K1 đóng, K2 ngắt c- Khi K1, K2 đều đóng Khi giải yêu cầu học sinh vẽ sơ đồ mạch điện tương đương của từng trường hợp, sau đó vận dụng công thức tính điện trở tương đương cho đoạn mạch gồm các điện trở mắc hổn hợp R1 R3 R2 R4 R1 R2 R3 R4 R2 R1 R3 a- Khi K1 ngắt, K2 đóng có sơ đồ mạch điện: R1 nt [ R3 // ( R2 nt R4 )] Rtm= R1+ , trong đó R2,4= R2 + R4 b- Khi K1 đóng, K2 ngắt có sơ đồ mạch điện: R1 nt [ R2 // ( R3 nt R4)] Rtm= R1+ , trong đó R3,4= R3 + R4 c- Khi K1, K2 đều đóng có sơ đồ mạch điện: R1 nt ( R2 // R3 ) Rtm= R1+ Bài tập 7: Có hai loại điện trở R1= 20,R2= 30 Hỏi cần có bao nhiêu điện trở mỗi loại để khi mắc chúng: a- Nối tiếp thì được đoạn mạch có điện trở R = 200 b- Song song thì được đoạn mạch có điện trở R = 5 Khi tìm cần cho học sinh làm quen với phương pháp sau đây: a- Khi mắc nối tiếp: Gọi x là số điện trở R1= 20; y là số điện trở R2= 30 Ta có: 20x + 30y = 200 x +y = 10 Đặt y = 2t x = 10 - 3t x,y là số nguyên dương x0 t <4 t = 0 ; 1; 2; 3 Vậy số R1, R2 được ghi ở bảng sau: t 0 1 2 3 x 10 7 4 1 y 0 2 4 6 b-Khi mắc song song: Ta có: Với RI = Thay vào trên ta được: Thay số: 3x + 2y =12 Đặt y = 3t x = 4 - 2t ; x0 t = 0 ;1 ; 2 Vậy số R1, R2 được ghi ở bảng sau: t 0 1 2 x 4 2 0 y 0 3 6 Làm như vậy học sinh thấy được tính tổng quát của cách tìm để ghép các điện trở đã cho một cách hợp lý R1 R2 R3 V A Bài tập 8: Cho mạch điện như hình vẽ R1= 2, R2= 6 Vôn kế chỉ 12V, ampe kế chỉ 2A Tính R3 Dạng bài tập này không có đoạn mạch nào biết trước 2 trong 3 đại lượng R, U, I. Gọi dòng điện qua R2 có cường độ I2. Dòng điện qua R1 sẽ là : I1= I2 + 2 U1 = I1R1 =(I2 + 2) 2 U2 = I2R2 = 6.I2 12 =U1 + U2 12 = (I2 + 2) 2 + 6.I2 Do đó I2 = 1A và U2 = U3 = 6V R5 R3 D . . + A R1 R2 R4 C - B Suy ra R3 = 3 Bài tập 9: Cho mạch điện như hình vẽ Cho biết : UAB = 30V R1 =1, R2 = 28, R3 =24 R4 = 6, R5 =12 Tính cường độ dòng điện qua các điện trở. Để giải bài này phải tính: Điện trở tương đương của R4 và R5 suy ra R4,5 (R4// R5) Điện trở tương đương của R3, R4, R5 suy ra R3,4,5 (R3nt R4,5) Điện trở tương đương của mạch rẽ RCD gồm R2 // R3,4,5 Điện trở tương đương của đoạn mạch RAB gồm R1 nối tiếp RCD Cường độ dòng điện trong mạch chính ( cũng là cường độ qua R1) Hiệu điện thế giữa hai đầu R1 : U1 = R1I1 Ta có UAB =UAC +UCD suy ra UCD từ đó tính được I2 Ta có I3 +I2 = I1 suy ra I3 Có I4 +I5 = I3 (1) R4I4 = R5I5 (2) Giải hệ này ta tìm được I4 , I5 Với một số biện pháp được trình bài ở trên dần dần một số học sinh khá, giỏi không còn ngại với dạng bài tập nâng cao và có sự ham thích khi làm bài. Sau khi vận dụng các biện pháp này kết quả đạt được rất phấn khởi: - Khoảng 80% số học sinh làm được bài tập đoạn mạch mắc nối tiếp. - Khoảng 60% số học sinh làm được bài tập đoạn mạch mắc song song. - Khoảng 30% số học sinh làm được bài tập đoạn mạch mắc hổn hợp. Trên đây là một số bài tập gợi ý còn rất nhiều bài tập khác nữa mà tôi không thể viết hết trong đề tài này. Với cách làm như đã trình bày bước đầu đã giúp cho học sinh làm bài có phương pháp, từ đó đa số học sinh có khả năng tự giải được bài tập, nhiều học sinh khá giỏi có khả năng làm được bài tập nâng cao góp phần thuận lợi trong việc tuyển chọn học sinh dự thi học sinh giỏi các cấp và đã đạt kết quả khả quan trong nhiều năm học qua. III- KẾT THÚC VẤN ĐỀ: Để đạt hiệu quả cao trong giáo dục học sinh, với vai trò là một nhà giáo dục cần làm cho học sinh thấy được việc lĩnh hội kiến thức cần phải có phương pháp thích hợp. Vấn đề vừa được trình bày ở trên là một trong những phương pháp đã tạo cho học sinh một nền tảng vững chắc về vật lí học nói chung, bài tập vật lí nói riêng. Tuy nhiên là giáo viên dạy vật lí cần phải tạo ấn tượng cho học sinh ngay từ đầu, việc làm này cần phải thực hiện thường xuyên liên tục, có như vậy dần dần học sinh sẽ làm quen và làm thành thạo thì nhiều học sinh có khả năng giải được bài tập nâng cao. Hiệu quả thực hiện đề tài: + Đề tài được viết mất nhiều thời gian nghiên cứu qua 19 năm giảng dạy nhưng áp dụng cho nhiều đối tượng học sinh khác nhau ở trường THCS Hậu Thạnh đã đem lại kết quả khả quan, đa số học sinh ham thích học môn Vật lí nói chung bài tập Vật lí phần điện học nói riêng đã đào tạo và bồi cho đội ngũ tri thức của nhiều thế hệ học sinh hiện đang phục vụ cho đất nước ở nhiều lĩnh vực khác nhau. + Được đồng nghiệp trên địa bàn huyện Long phú tán thành với cách làm nêu trên và đã áp dụng ở từng địa bàn khác nhau đã góp phần tạo hứng thú cho học sinh khi học bộ môn Vật lí. Trên đây là kinh nghiệm rút ra được qua nhiều năm giảng dạy môn vật lí nói chung và bài tập vật lí nói riêng để tất cả những giáo viên giảng dạy vật lí tham khảo, nếu thấy có những vấn đề trong phần trình bày ở trên là hợp lí thì có thể vận dụng vào nơi mình đang công tác để từng bước cải tiến phương pháp giảng dạy góp phần tạo nên tiếng nói chung cho bộ môn vật lí nói riêng và ngành GD&ĐT nói chung ngày càng có nhiều học sinh học giỏi môn vật lí, góp phần xây dựng đội ngũ tri thức trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật phục vụ cho đất nước trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Hậu Thạnh, ngày 22 tháng 11 năm 2008 Xác nhận đơn vị Người viết DƯƠNG VĂN ĐỨC