Giải bài 19 vật lí 12: Thực hành khảo sát đoạn mạch xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp

Nội dung bài học gồm ba phần:

• Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm
• Viết báo cáo thực hành
• Trả lời câu hỏi  SGK trang 101

A. Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm

I. MỤC ĐÍCH

1. Dùng đồng hồ đo điện đa năng để đo hiệu điện thế xoay chiều.

2. Vận dụng phương pháp Fresnen để xác định L, r, C, Z và Cosφ của mạch RLC mắc nối tiếp.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

Chuẩn bị các dụng cụ sau:

• Một đồng hồ đo điện đa năng hiện số.
• Một nguồn điện xoay chiều 6V – 12 V
• Một điện trở R = 270Ω (hay 220Ω)
• Một tụ điện có C = 4μF (hay 2μF)
• Một cuộn dây có 1000 – 2000 vòng.
• 4 sợi dây dẫn
• Compa; thước 200 mm và thước đo góc.

III. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.  Lắp đoạn mạch nối tiếp theo sơ đồ hình 19.1

Dùng đồng hồ đo điện đa năng ở thang đo AC 20V để đo các hiệu điện thế: U_MN; U_NP; U_PQ; U_MP; U_MQ.

2. Dùng thước và compa vẽ các vectơ quay theo cùng tỉ lệ xích 1V ứng  với 10mm:

Vẽ các vectơ MN; MP; PQ; MP; MQ lần lượt biểu diễn các hiệu điện thế u_MN; u_NP; u_PQ; u_MP; u_MQ.

Với P: giao điểm của hai cung tròn bán kính MP, NP; Q: giao điểm của hai cung tròn bán kính MQ, PQ; H: giao điểm của đoạn MN và PQ.

3. Dùng thước đo để kiểm tra: Khi u_C vuông pha với i thì PQ vuông góc với MH.

4. Đo các độ dài MN; MP; PQ; PH; MQ; NH chính xác đến 1mm thì ta tính được các giá trị L, C, r, Z và cosφ.

$\frac{U_{L}}{U_{R}}=\frac{I\omega L}{IR}=\frac{\omega L}{IR}=\frac{PH}{MN}\Rightarrow L= \frac{R.\frac{PH}{MN}}{2\pi f}$

$\frac{U_{R}}{U_{C}}=\frac{IR}{\frac{I}{\omega C}}=\omega CR=\frac{MN}{PQ}\Rightarrow C = \frac{\frac{MN}{PQ}}{2\pi fR}$

$\frac{U_{r}}{U_{R}}=\frac{Ir}{IR}=\frac{r}{R}=\frac{NH}{MN}\Rightarrow r= R.\frac{NH}{MN}$

$cos\varphi =\frac{MH}{MQ}=\frac{\sqrt{MP^{2}-PH^{2}}}{MQ}$

$cos\varphi =\frac{R+r}{Z}$ nên $Z=\frac{R+r}{cos\varphi }=\frac{R+r}{\frac{\sqrt{MP^{2}-PH^{2}}}{MQ}}$

B. Viết báo cáo thực hành

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

Vẽ sơ đồ mạch điện có điện trở, cuộn dây và tụ điện mắc nôi tiếp.

Hướng dẫn:

Nêu tóm tắt cách dùng vôn kế xoay chiều và phép vẽ các vectơ quay để xác định trị số của L, r, C, Z và $cos\varphi $ của cả đọan mạch.

Hướng dẫn:

• Vôn kế xoay chiều được mắc song song với điểm cần đo trong mạch điện. Vì là đo dòng điện và điện áp xoay chiều nên đấu chiều nào của đồng hồ cũng được. Khi chọn đồng hồ phải có chỉ số đo lớn hơn điện áp hoặc dòng điện cần đo.
• VD: muốn đo điện áp 220V cần đồng hồ có chỉ số đo là 300V.

Chỉ số đồng hồ nhỏ hơn sẽ gây cháy đồng hồ. Chỉ số đồng hồ lớn quá sẽ khó đọc.

II. KẾT QUẢ THỰC HÀNH

Xác định r, L của cuộn dây không có lõi sắt và điện dung C của tụ điện

1. Mắc đoạn mạch có R, L, C nối tiếp vào hai cực nguồn điện xoay chiều cỡ U = 12V theo sơ đồ ở hình 19.1 SGK

2. Chọn vôn kế xoay chiều có phạm vi đo 20V để đo U_MQ = U; U_MN; U_NP; U_MP; U_PQ. Ghi các kết quả đo kèm sai số đo vào bảng 19.1

Bảng 19.1

3. Dùng compa và thước vẽ giản đồ theo phương pháp SGK

4. Từ giản đồ vẽ, ta đo các độ dài:

• MN = 39 ± 1 (mm); NH = 21 ± 1 (mm)
• MP = 69 ± 1 (mm); MQ = 69 ± 1 (mm)
• PH = 32 ± 1 (mm); PQ = 67 ± 1 (mm)

5. Tính ra các trị số của L, C, r, Z và Cosφ

$L= \frac{L.\frac{PH}{MN}}{2\pi f}=\frac{220.\frac{32}{39}}{2\pi .50}=0,575$ (H)

$C=\frac{\frac{MN}{PQ}}{2\pi fR}=\frac{\frac{39}{67}}{2\pi .220.50}=8,422.10^{-6}$ (F)

$r= R.\frac{NH}{MN}=220.\frac{21}{39}=118,46$ ($\Omega $)

$cos\varphi =\frac{MH}{MQ}=\frac{\sqrt{MP^{2}-PH^{2}}}{MQ}=\frac{\sqrt{69^{2}-32^{2}}}{69}=0,886$

$cos\varphi =\frac{R+r}{Z}$ nên $Z=\frac{R+r}{cos\varphi }=\frac{220+118,46}{0,886}=382,01$ ($\Omega $)

C. Trả lời câu hỏi SGK trang 101

Hình 19.3 vẽ mặt của một đồng hồ đa năng hiện số một núm xoay để chọn loại đại lượng cần đo, các ổ cắm dây đo và các chữ số chỉ các phạm vi đo.

Cần thực hiện những thao tác nào (vặn núm xoay tới vị trí nào, cắm các dây đo vào những ổ nào) khi dùng máy để đo:

a) Điện trở có 2200$\Omega $

b) Điện áp xoay chiều có 12,5V?

c) Cường độ dòng điện xoay chiều cỡ 50mA?

Hướng dẫn:

a) Để đo điện trở cỡ 2200$\Omega $ ta thực hiện như sau:

• Vặn núm xoay ở giữa máy đến vị trí có chấm ghi 20k nằm ở khu vực có ghi chữ $\Omega $
• Cắm hai đầu dây đo vào 2 lỗ “COM” và “V/$\Omega $”
• Nhấn nút “ON/OFF” để mở máy.
• Dùng hai đầu dây đo chập sát vào hai đầu điện trở cần đo.
• Chờ cho các chữ số ổn định đọc giá trị.
• Giá trị hiển thị trên máy đo tính theo k$\Omega $.
• Sai số đo của máy đo này tính gần đúng là 1%.

b) Để đo điện áp xoay chiều cỡ 12,5V, ta thực hiện như sau:

• Vặn núm xoay giữa máy đến vị trí có chấm ghi 20 nằm ở khu vực có chữ ACV.
• Cắm hai đầu dây đo vào 2 lỗ “COM” và “V/$\Omega $”
• Nhấn nút “ON/OFF” để mở máy.
• Dùng hai đầu dây đo chập sát vào hai đầu đoạn mạch có điện áp cần đo.
• Chờ cho các chữ số ổn định đọc giá trị.
• Giá trị hiển thị trên máy đo tính theo V.
• Sai số đo của máy đo này tính gần đúng là 1%.

c) Để đo cường độ xoay chiều cỡ 50mA, ta thực hiện như sau:

• Vặn núm xoay ở giữa máy đến vị trí có chấm ghi 200m nằm ở khu vực có chữ ACA.
• Cắm hai đầu dây đo vào 2 lỗ “COM” và “A”.
• Nhấn nút “ON/OFF” để mở máy.
• Tháo hở một đầu đoạn mạch.
• Dùng hai đầu dây đo chập sát vào hai đầu đoạn mạch hở đó.
• Chờ cho các chữ số ổn định đọc giá trị.
• Giá trị hiển thị trên máy đo tính theo mA.
• Sai số đo của máy đo này tính gần đúng là 1%.

Lưu ý: Chỉ đọc kết quả đo khi các chữ số đã ổn định, không còn nhấp nháy.