Lý thuyết và bài tập Vật lí Lớp 12 - Dòng điện xoay chiều

Nội dung text: Lý thuyết và bài tập Vật lí Lớp 12 - Dòng điện xoay chiều

1. CHUYÊN ĐỀ. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU A. TÓM TẮT KIẾN THỨC CƠ BẢN I. ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU, CÁC LOẠI ĐOẠN MẠCH XOAY CHIỀU VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT 1) Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn theo thời gian (theo hàm côsin hay sin của thời gian). 2) Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng được ứng dụng tạo ra dòng điện xoay chiều. 2.1. Biểu thức của từ thông qua khung dây:  N.B.S.cost o.cost Với 0 NBS : từ thông cực đại (Wb) + S: diện tích một vòng dây (m2); với 1cm2 = 10-4m2 + N: Số vòng dây của khung (vòng) + B: cảm ứng từ (T) + : tần số góc (rad/s)  2.2. Biểu thức của suất điện động cảm: e NBSsint E cos(t ) t 0 2 Với E0 = NBS 0 : suất điện động cực đại (V) NBS Sđđ xoay chiều này tạo ra dđ xoay chiều có cường độ cực đại là I 0 R Với R là điện trở của khung dây (Ω). 3) Biểu thức của cường độ dòng điện xoay chiều: i=I0cos(ωt + φi) Trong đó:i: cường độ dòng điện xoay chiều tức thời (A) I0 : cường độ dòng điện cực đại (A). (I0 > 0) ω: là tần số góc (rad/s). (ω > 0) (ωt + φi): pha tại thời điểm t (rad) φi : Pha ban đầu của dòng điện (rad). 2 1 1  * Chu kỳ, tần số của dòng điện: T (s); f (Hz)  f T 2 * Cứ mỗi giây dòng điện đổi chiều 2f lần (Nếu i= hoặc i= thì chỉ giây đầu tiên đổi chiều 2f – 1 lần). 2 2 4) Điện áp xoay chiều (Hiệu điện thế xoay chiều): u=Uocos(t + φu) Trong đó:u: điện xoay chiều tức thời, đơn vị là (V) U0: điện áp cực đại của đoạn mạch (V). (U0 > 0) (ωt + φu): pha tại thời điểm t (rad) φu: Pha ban đầu của điện áp (rad). U U * Định luật Ôm: I I o Z 0 Z 4.1. Tổng trở của đoạn mạch: Là đại lượng đặc trưng cho độ cản trở dòng điện của cả đoạn mạch. 2 2 2 2 2 Z R (ZL - ZC ) hay Z R (ZL - ZC ) Trong đó: Z là tổng trở (Ω); R là điện trở thuần (Ω); ZL là cảm kháng(Ω); ZC là dung kháng(Ω) 4.2. Cảm kháng: Là đại lượng đặc trưng cho độ cản trở dòng điện của cuộn cảm ZL=L Với L là độ tự cảm (hệ số tự cảm) của cuộn cảm (H) 1 4.3. Dung kháng: Là đại lượng đặc trưng cho độ cản trở dòng điện của tụ điện ZC= C Với C là điện dung của tụ điện (F) 1
2. 5) Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện: u i * Nếu φ >0 thì điện áp sớm pha hơn cđdđ một góc là φ; * Nếu φ ZC > 0: Z 2 R2 (Z Z )2 Mạch R,L,C nối tiếp L C u sớm pha hơn i U LC U U 2 U 2 (U U )2 R L C một góc . I O A R L C B u=uR + uL + uC + ZL < ZC < 0: UR U U U U u trễ pha hơn i một I AB R C L góc . U Z R ZC Z L C + ZL= ZC = 0: u cùng pha với i. 2
3. 7) Hiện tượng cộng hưởng trong đoạn mạch RLC: 1 * Điều kiện xảy ra hiện tượng cộng hưởng: ZL=ZC hay UL=UC hay = LC U Zmin=R=> dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại: Imax= ; R U 2 Khi đó: công suất trên mạch đạt giá trị cực đại: Pmax= ; R điện áp cùng pha với dòng điện: =0. Điện áp đoạn mạch=điện áp 2 đầu điện trở: U=UR * Khi ZL > ZC thì u nhanh pha hơn i (đoạn mạch có tính cảm kháng). * Khi ZL =0: mạch chỉ có R, hoặc mạch RLC cộng hưởng điện (ZL=ZC) thì Pmax= UImax= . R + cos =0 => = : Mạch chỉ có L hoặc chỉ có C hoặc có cả L và C mà không có R thì Pmin=0. 2 II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG. MÁY BIẾN ÁP 1. Máy biến áp là thiết bị có khả năng biến đổi điện áp nhưng giữ nguyên tần số của dòng điện XC. * Cấu tạo (SGK) * Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. U N I * Công thức MBA : 2 2 1 U1 N1 I2 Với U1, I1, N1 là điện áp, dòng điện và số vòng dây của cuộn sơ cấp; U2 , I2 , N2 là điện áp, dòng điện và số vòng dây của cuộn thứ cấp. 2. Truyền tải điện năng 2 2 Pphat - Công suất hao phí trên đường dây tải: Php rI r 2 U phat - Biện pháp giảm hao phí trên đường dây tải điện: giảm điện trở của dây dẫn r, tăng điện áp nơi phát U: + Giảm r: Tốn kém, khó thực hiện; + Tăng U: Dùng MBA tăng điện áp nơi phát (đến nơi tiêu thụ thì giảm áp đến giá trị phù hợp). => Tăng điện áp trên đường dây tải lên n lần thì công suất hao phí giảm n2 lần. III. MÁY PHÁT ĐIỆN. ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1. Máy phát điện xoay chiều 1 pha - Nguyên tắc hoạt động: Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ: - Cấu tạo (SGK) - Tần số của dđxc: + Nếu máy có p cặp cực và rô to quay n vòng trong 1 giây thì f=np. n + Nếu máy có p cặp cực và rô to quay n vòng trong 1 phút thì f= p. 60 3
4. 2. Dòng điện xoay chiều ba pha Dòng điện xoay chiều 3 pha là một hệ thống gồm 3 dòng điện xoay chiều một pha có cùng biên độ, 2 1 cùng tần số, nhưng lệch nhau về pha là hay 120o, tức là lệch nhau về thời gian là chu kỳ. 3 3 Dòng điện xoay chiều 3 pha do các máy phát điện xoay chiều 3 pha phát ra. B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM Câu 1: Chọn phát biểu SAI: Đối với dòng điện xoay chiều trong một chu kì: A. Dòng điện đổi chiều 2 lần trong một chu kì B. Cường độ dòng điện hai lần đạt giá trị cực đại trong một chu kì C. Điện lượng trung bình tải qua mạch bằng không. D. Nhiệt lượng tỏa ra trên mạch triệt tiêu. Câu 2: Với dòng điện xoay chiều, cường độ hiệu dụng I liên hệ với cường độ cực đại I0 theo công thức nào ? I0 I I0 I0 A. I= B. I0= C. I= I= 2 2 2 3 Câu 3: Biểu thức điện áp tức thời giữa hai đầu đoạn mạch xoay chiều là u=120 cos 100 t (V). Điện áp hiệu dụng hai đầu đoạn mạch và tần số dòng điện là A. 120 V và 50 Hz B. 60 2 V và 100 Hz C. 120 2 V và 50 Hz D. 60 2 V và 50 Hz Câu 4: Chọn phát biểu đúng về dòng điện xoay chiều. A. Trong công nghiệp, có thể dùng dòng điện xoay chiều để mạ điện. B. Công suất toả nhiệt tức thời có giá trị cực đại bằng 2 lần công suất toả nhiệt trung bình. C. Có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo qui luật hàm sin hoặc cosin D. Giá trị suất điện động hiệu dụng bằng 2 lần giá trị suất điện động cực đại Câu 5: Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều : A. Có giá trị thay đổi theo thời gian B. Bằng với cường độ dòng điện không đổi . C. Có giá trị bằng cường độ dòng điện cực đại chia cho 2 D. Các câu trên đều sai . Câu 6: Một dòng điện xoay chiều hình sin có cường độ hiệu dụng là 22 A thì cường độ dòng điện có giá trị cực đại bằng: A. 2A B. 1 A C. 4A D. 0,25A 2 Câu 7: Phát biểu nào sau đây là không đúng ? A. Trong đoạn mạch chỉ chứa tụ điện, dòng điện sớm pha /2 so với điện áp. B. Trong đoạn mạch chỉ chứa tụ điện, dòng điện trễ pha /2 so với điện áp. C. Trong đoạn mạch chỉ chứa cuộn cảm, dòng điện trễ pha /2 so với điện áp. D. Trong đoạn mạch chỉ chứa điện trở thuần , điện áp cùng pha với dòng điện. Câu 8: Trong mạch RLC mắc nối tiếp, độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp hai đầu mạch điện phụ thuộc vào: A. cường độ hiệu dụng trong mạch. B. điện áp hiệu dụng hai đầu mạch điện C. cách chọn gốc tính thời gian D. tính chất của mạch điện Câu 9: Khi cho dòng điện xoay chiều hình sin i=I0cost (A) qua mạch điện chỉ có tụ điện thì điện áp tức thời giữa hai cực tụ điện: A. nhanh pha đối với i. B.có thể nhanh pha hay chậm pha đối với i tùy theo giá trị điện dung 4
5. C. nhanh pha đối với i. D. trễ pha đối với i. 2 2 Câu 10: Khi đặt vào hai đầu một ống dây có điện trở thuần không đáng kể một hiệu điện thế xoay chiều hình sin thì cường độ dòng điện tức thời i qua ống dây : A. Nhanh pha đối với u B. cùng pha đối với u 2 C. trễ pha đối với u D.Nhanh hay chậm pha đối với u tùy theo giá trị của độ tự cảm L của ống dây 2 Câu 11: Khi tần số dòng điện xoay chiều chạy qua đoạn mạch chỉ chứa cuộn cảm tăng lên n lần thì cảm kháng của cuộn cảm: A. tăng lên 2n lần B. tăng lên n lần. C. giảm đi 2n lần D. giảm đi n lần. Câu 12: Khi tần số dòng điện xoay chiều chạy qua đoạn mạch chỉ chứa tụ điện tăng lên n lần thì dung kháng của tụ điện: A. tăng lên 2n lần B. tăng lên n lần. C. giảm đi 2n lần D. giảm đi n lần. Câu 13: Đối với dòng điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm, cuộn cảm có tác dụng: A. cản trở dòng điện, dòng điện có tần số càng nhỏ càng bị cản trở nhiều. B. làm cho dòng điện nhanh pha /2 so với điện áp C. ngăn cản hoàn toàn dòng điện. D. cản trở dòng điện, dòng điện có tần số càng lớn càng bị cản trở nhiều. Câu 14: Dung kháng của tụ điện : A.Tỉ lệ thuận với chu kỳ của dòng điện xoay chiều qua nó. B. Tỉ lệ thuận với điện dung của tụ C. Tỉ lệ nghịch với cường độ dòng điện xoay chiều qua nó. D. Tỉ lệ thuận với hiệu điện thế xoay chiều áp vào nó . Câu 15: Hiệu điện thế giữa hai đầu một đoạn mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm có độ tự cảm L= 1 (H ) có biểu thức u= 200 2 cos(100 t )(V ) . Biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch là 3 5 A. i= 2 2 cos(100 t ) (A) C.i= 2 2 cos(100 t )(A) 6 6 B. i= 2 2 cos(100 t )(A) D.i= 2 cos(100 t ) (A) 6 6 1 Câu 16: Cho dòng điện xoay chiều i=42 cos100 t (A) qua một ống dây chỉ có L = H thì hiệu 20 điện thế giữa hai đầu ống dây có dạng: A. u=202 cos(100 t + ) (V) B. u=202 cos100 t (V) C. u=202 cos(100 t + ) (V) D. u=202 cos(100 t - ) (V) 2 2 Câu 17: Điện áp u =200 2 cost (V) đặt vào 2 đầu một cuộn cảm thuần thì tạo ra dòng điện có cường độ hiệu dụng là 2(A) . Cảm kháng có giá trị là : A. 100 () B. 100 2 () C. 200 () D. 200 2 () Câu 18: Giữa hai điện cực của 1 tụ điện có dung kháng là 10(Ω) được duy trì một điện áp có dạng u =5 2 cos100 t(V ) thì dòng điện qua tụ có dạng : A. i = 0,5 2 cos(100 t )(A) B. i =0,5 2 cos(100 t )(A) 2 2 C. i =0,5 2 cos100 t (A) D. i = 0,5cos(100 t ) (A) 2 Câu 19: Một đoạn mạch điện R L C nối tiếp hiệu điện thế giữa các phần của mạch có giá trị hiệu dụng lần lượt là UR , UL , UC . Gọi U là hiệu điện thế hiệu dụng ở 2 đầu đoạn mạch, ta có : 2 2 2 A. U=UR+ UL+ UC C. U =( UR+UL ) +U C 5
6. 2 2 2 B. U=UR+ ( UL-UC ) D. U =U R + ( UL – UC ) Câu 20: Đoạn mạch xoay chiều gồm R=40  , ZL=20 , ZC=60  mắc nối tiếp. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một điện áp u=240 2 cos100 t (V). Cường độ dòng điện tức thời trong mạch là: A. i=3 2 cos100 t A. B. i=6cos(100 t + ) A. 4 C. i=3 2 cos(100 t - ) A. D. i=6cos(100 t - ) A 4 4 Câu 21: Cho đoạn mạch điện xoay chiều R,L,C không phân nhánh có R=10 ; Z L=10 ; ZC=20 cường độ dòng điện i=2 2 cos 100 .t (A). Biểu thức tức thời của hiệu điện thế ở 2 đầu đoạn mạch là : A. u= 40 2 cos (100 .t - ) V B. u=40 cos (100 .t + ) V 2 4 C. u=40 cos (100 .t - ) V D. u=40 cos (100 .t – ) V 2 4 2 Câu 22: Một cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L= (H ) , mắc nối tiếp vào một tụ điện có điện dung C=31,8 µF . Biết điện áp giữa hai đầu cuộn dây có dạng u L=100cos (100 t ) (V) .Biểu thức của 6 cường độ dòng điện qua mạch có dạng là : A. i 0,5cos(100 t ) (A) C. i 0,5cos(100 t ) (A) 3 3 B. i 0,5cos(100 t ) (A) D. i 0,5cos(100 t ) (A) 3 3 Câu 23: Một đoạn mạch RLC mắc nối tiếp . Cho biết R=25(Ω) ; L=0,3(H) ; C=200µF ; hiệu điện thế ở hai đầu đoạn mạch là U=110(V) ; tần số dòng điện là 50Hz . Cường độ dòng điện qua đoạn mạch : A. 1,20(A) B. 1,24 (A) C. 1,30 (A) D. 1,34 (A) 1 Câu 24: Một đoạn mạch điện gồm R=10, L=120 mH, C= F mắc nối tiếp. Cho dòng điện xoay 200 chiều hình sin tần số f=50Hz qua mạch. Tổng trở của đoạn mạch bằng: A. 102 B. 10 C. 100 D. 200 10 4 2 Câu 25: Cho đoạn mạch xoay chiều AB gồm điện trở R=100  , tụ điện C= F và cuộn cảm L= H mắc nối tiếp. Điện áp tức thời hai đầu mạch AB có dạng : u=200cos100 t V. Cường độ hiệu dụng trong mạch là: A. I=2A B. I=1,4 A C. I=1A D. I=0,5A Câu 26: Cho mạch điện như hình vẽ, trong đó L là cuộn dây thuần cảm có cảm kháng ZL=14 , điện trở thuần R=8, tụ điện có dung kháng Z C=6 , biết hiệu điện thế hai đầu mạch có giá trị hiệu dụng là 200(V), Hiệu điện thế hiệu dụng hai điểm MB là: A. 250 V B. 100 V L R C A M N B C. 100 2 V D. 125 2 V Câu 27: Điều kiện để xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện trong đoạn mạch RLC được diễn tả theo biểu thức nào? 1 1 1 1 A. = B. f= C. 2= D. f 2= LC 2 LC LC 2 LC Câu 28: Tìm câu phát biểu sai khi trong mạch R-L-C mắc nối tiếp xảy ra hiện tượng cộng hưởng. A. Cường độ hiệu dụng trong mạch đạt cực đại B. Công suất tiêu thụ đạt cực đại C. Điện áp nhanh pha hơn cường độ dòng điện. 6
7. D. Điện áp cùng pha với cường độ dòng điện. Câu 29: Mạch điên xoay chiều có R;L;C nối tiếp có dung kháng lớn hơn cảm kháng . Để có cộng hưởng điện xảy ra ta có thể: A. Giảm điện dung của tụ điện . B. Giảm hệ số tự cảm của cuộn dây . C. Tăng điện trở đoạn mạch . D. Tăng tần số dòng điện . Câu 30: Trong một đoạn mạch R, L, C mắc nối tiếp: tần số dòng điện là f=50Hz, L=0,318 H. Muốn có cộng hưởng điện trong mạch thì trị số của C phải bằng: A. 10-3F B. 32F C. 16F D. 10-4F Câu 31:Trong đoạn mạch RLC mắc nối tiếp khi xảy ra cộng hưởng điện trong mạch thì hệ số công suất của mạch. A. bằng không. B. bằng 1 Z C. phụ thuộc vào R. D. phụ thuộc vào L ZC Câu 32: Trong đoạn mạch RLC mắc nối tiếp đang xảy ra cộng hưởng điện. Tăng dần tần số dòng điện và giữ nguyên các thông số của mạch. Kết luận nào sau đây không đúng ? A. Hệ số công suất của đoạn mạch giảm. B. Cường độ hiệu dụng của dòng điện giảm. C. Điện áp hiệu dụng trên tụ điện tăng. D. Điện áp hiệu dụng trên điện trở giảm. Câu 33: Hiệu điện thế giữa hai đầu một đoạn mạch điện xoay chiều là: u=100 2cos(100 t - ) (V) và 6 cường độ dòng điện qua mạch là: i=4 2cos(100 t - ) (A). Công suất tiêu thụ của đoạn mạch là 2 A. 200 W B. 400 W C. 800 W D. Một giá trị khác. Câu 34: Chọn phát biểu sai. Máy biến thế là một thiết bị A. Làm tăng hoặc giảm hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều . B. Sử dụng điện năng với hiệu suất cao C. Làm tăng hoặc giảm cường độ của dòng điện xoay chiều . D. Làm tăng hoặc giảm tần số của dòng điện xoay chiều. Câu 35: Nguyên tắc hoạt động của máy biến thế dựa trên hiện tượng: A. Hiện tượng điện từ B. Hiện tượng cảm ứng điện tử C. Hiện tượng tự cảm D. Hiện tượng cộng hưỏng điện Câu 36: Trong việc truyền tải điện năng đi xa, biện pháp để giảm công suất hao phí trên đường dây tải điện là A. chọn dây có điện trở suất lớn. B. giảm tiết diện của dây. C. tăng chiều dài của dây. D. tăng điện áp ở nơi truyền đi. Câu 37: Nhận xét nào sau đây về máy biến áp là không đúng ? A. Máy biến áp có thể tăng điện áp. B. Máy biến áp có thể giảm điện áp C. Máy biến áp có thể thay đổi tần số dòng điện. D. Máy biến áp có thể biến đổi cường độ dòng điện. Câu 38: Công thức nào dưới đây diễn tả đúng đối với máy biến thế không bị hao tổn năng lượng? I U U N U I I N A. 2 =2 B. 2 = 1 C. 1 =2 D. 2 = 2 I1 U1 U1 N2 U2 I1 I1 N1 Câu 39. Một máy biến áp lý tưởng có N 1=5000 vòng; N2=250 vòng ; U1 =110V. Điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp là: A. 5,5V B. 55V C. 2200V D. 220V 7
8. Câu 40: Máy biến áp có cuộn sơ cấp gồm 2000 vòng, cuộn thứ cấp gồm 100 vòng, điện áp và cường độ ở mạch sơ cấp là 120 V , 0,8 A. Mạch thứ cấp chỉ điện trở thuần. Điện áp và công suất ở mạch thứ cấp là A. 6V ; 96 W. B. 240 V ; 96 W. C. 6 V ; 4,8 W. D. 120 V ; 4,8 W Câu 41: Một máy phát điện xoay chiều một pha có phần rôto là một nam châm điện có 10 cặp cực. Để phát ra dòng điện xoay chiều có tần số 50 Hz thì vận tốc góc của rôto phải bằng: A. 300 vòng/phút B. 500 vòng/phút C. 3 000 vòng /phút D. 1500 vòng/phút. Câu 42: Máy phát điện xoay chiều ba pha: A. Phần ứng là Rơto, phần cảm là Stato. B. Phần ứng là Stato , phần cảm là Rơto C. Phần ứng một nam châm vĩnh cửu . D. Phần cảm gồm nhiều đơi cực nam châm. Câu 43: Động cơ không đồng bộ 3 pha dựa trên nguyên tắc nào ? A. hiện tượng cảm ứng điện từ và việc sử dụng từ trường quay. B. hiện tượng cảm ứng điện từ. C. hiện tượng tự cảm và sử dụng từ trường quay. D. hiện tượng tự cảm. Đề bài dùng chung cho các câu 44 đến 46 Đoạn mạch điện xoay chiều gồm điện trở R=100, cuộn cảm có L= 2/ H và tụ điện C=(1/ ).10 - 4F được mắc nối tiếp với nhau , hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch là u=100.cos100 t (v) . Câu 44: Tổng trở của đoạn mạch là: A. 100 2  B. 200  C. 200 2  D. 100  Câu 45: Cường độ dòng điện hiệu dụng là: A. 2 A B. 0,5 A C. 2 2 A D. 0,5 2 A Câu 46: Công suất mạch điện : A. 50 W B. 250 W C. 25 W D. 500W Câu 47: Công thức tính tổng trở của đọan mạch RLC nối tiếp: 2= 2 2 2 2 A. Z R + (ZL – ZC ) . B. Z= R + (ZL – ZC ) 2 2 2 C. Z= R + ZL + ZC D. Z =R + (ZL + ZC) 1 Câu 48: Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch RLC có tần số f = 50Hz, cuộn dây thuần cảm L 4 4 -4 (H). Tụ điện có điện dung biến thiên đang được điều chỉnh ở giá trị C 1 = . 10 F. Điện trở thuần R không đổi. Tăng dần điện dung của tụ từ giá trị C1 cường độ hiệu dụng của dòng điện sẽ: A. Lúc đầu tăng sau đó giảm. B. Tăng. C. Giảm. D. Lúc đầu giảm sau đó tăng. Câu 49: Điện áp xoay chiều đặt vào hai đầu mach R, L, C mắc nối tiếp có biểu thức u=100 2 cos2πft(V). Khi cường độ hiệu dụng của dòng điện trong mạch 2A thì công suất tiêu thụ của mạch là 100 W. Giữ cố định R, điều chỉnh các thông số khác của mạch (L, C và tần số f). Công suất tiêu thụ cực đại trên đoạn mạch là: A. 100 W. B. 200 W. C. 400 W. D. 800 W. Câu 50: Đặt vào hai đầu đoạn mạch R, L, C mắc nối tiếp một điện áp dao động điều hòa có biểu thức: u=220 2 cosωt(V). Biết điện trở thuần của mạch là 100Ω. Khi ω thay đổi thì công suất tiêu thụ cực đại của mạch có giá trị là: A. 440W. B. 484W. C. 220W. D. 242W. 8