SKKN Một góc nhìn mới với bài toán truyền tải điện năng đi xa giúp học sinh hoàn thành tốt một số bài toán khó trong kỳ thi THPT Quốc Gia

MỤC LỤC
Mục
Nội dung
Trang
1
MỞ ĐẦU
01
 1. 1. Lý do chọn đề tài
01
1.2. Mục đích nghiên cứu
01
1.3. Đối tượng nghiên cứu
01
1.4. Phương pháp nghiên cứu
01
2.
NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
02
2.1. Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm
02
 2.1.1. Hiểu đúng về công suất, hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều.
02
 2.1.2. Bài toán truyền tải điện trên đường dây một pha.
05
2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
05
2.3. Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề
05
2.3.1. Chuẩn hóa lại các kiến thức về công suất, hệ số công suất và bài toán tổng quát của truyền tải điện trên đường dây một pha.
05
2.3.2. Giải bài toán truyền tải điện bằng nhiều cách để so sánh rút ra nhận xét.
05
2.4. Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường
09
3.
KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT
10
4.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
11
1. MỞ ĐẦU
1.1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong đề thi THPT QG môn Vật Lý, phần Điện Xoay chiều là một phần rất khó đối với các em học sinh, thực tế cho thấy, các em rất ngại học phần này và bản thân tôi trên cương vị giáo viên dạy cũng cảm thấy để cho các em hiểu kiến thức phần này đủ sâu và rộng đủ tự tin giải quyết triệt để các bài toán phần này cũng phải mất rất nhiều thời gian và không thể dạy thật nhanh, không thể nóng vội khi dạy được. 
Trong phần điện xoay chiều có nhiều phần bài tập khó, trừu tượng như: bài toán cực trị, bài toán hộp kín, máy phát điện, máy biến áp và đặc biệt bài toán truyền tải điện năng đi xa cũng là một phần rất khó, thậm chí mà đề thi THPT Quốc Gia nhiều năm có nhiều câu “chốt” – vận dụng cao thuộc phần này và đa số các em học sinh không làm được hoặc phương pháp giải chưa đủ tối ưu nên không đủ thời gian để giải bài ảnh hưởng đến kết quả thi môn Vật Lý không cao.
Môn Vật Lý trong kỳ thi THPT Quốc Gia là một môn trắc nghiệm 40 câu – 50 phút (trung bình 1,25 phút/ câu) đòi hỏi phải giải bài toán nhanh nhất có thể, các phương pháp đã có từ lâu đến nay chưa đáp ứng được, cũng một phần các phương pháp lâu nay không chú trọng đến bản chất vật lý khiến các em hiểu sai vấn đề và không giải quyết được bài toán. 
Từ các yêu cầu bức thiết trên, bản thân tôi xin đóng góp một vài ý tưởng nhỏ mong giải quyết được phần nào các tồn tại trên trong đề tài: “Một góc nhìn mới với bài toán truyền tải điện năng đi xa giúp học sinh hoàn thành tốt một số bài toán khó trong kỳ thi THPT Quốc Gia”
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài này giúp học sinh hiểu đúng một khái niệm quan trọng đó là khái niệm hệ số công suất qua đó các em sẽ giải quyết được nhanh chóng một số bài toán khó về truyền tải điện năng.
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu hai vấn đề lớn:
- Công suất của mạch điện xoay chiều, công suất biểu kiến, công suất tiêu thụ, công suất phản kháng và hệ số công suất
- Đưa ra một số phương pháp giải bài toán vận dụng cao trong đề THPT Quốc Gia môn vật lý năm 2017.
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- PP nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết; 
- PP điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin; 
- PP thống kê, xử lý số liệu.
2. NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
2.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA SÁNG KIẾN
Trình bày căn cứ lý thuyết mà tác giả đưa ra SKKN, có lập luận chắc chắn và có trích dẫn nguồn tài liệu.
2.1.1. Hiểu đúng về công suất, hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều.
a. Khái niệm công suất: Công suất trong mạch điện được định nghĩa như là phần năng lượng được chuyển qua một đường dây điện trong một đơn vị thời gian.
Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo công suất là Oat (viết tắt là W; 1W = 1J/s), lấy tên theo James Watt. Ngoài ra, các tiền tố cũng được thêm vào đơn vị này để đo các công suất nhỏ hay lớn hơn như mW (milioat): 1mW = 0,001W; kW (kilooat): 1kW = 1.000W; MW (megaoat): 1MW=1.000.000W
b. Công suất mạch điện không đổi (DC):
Đối với mạch điện một chiều, công suất, năng lượng mà mạch điện thực hiện chuyển đổi qua đường dây điện trong một đơn vị thời gian, được tính bằng công thức:
P = U . I
P là công suất (W)
U là điện áp (V)
I là cường độ dòng điện (A)
 c. Công suất mạch điện xoay chiều (AC):
* Đối với dòng điện xoay chiều có ba loại công suất và được biểu diễn như sau:
Trục ảo (Im)
Trục thực (Re)
S
Q
P
φ
Trong đó: 
* P là công suất hiệu dụng
* Q là công suất phản kháng
* Công suất biểu kiến S = P + jQ 
* Công suất hiệu dụng P (công suất tác dụng, công suất thực):
- Đặc trưng cho phần điện năng trong mạch điện có thể biến đổi thành các dạng năng lượng có ích khác (cơ, nhiệt, hay hóa). Đây là phần công suất có lợi, có ích của mạch điện.  
- Đơn vị: W
P = U . I .cosφ
P : công suất hiệu dụng
U: là điện áp (V)
I: là cường độ dòng điện (A)
Cosφ: hệ số công suất
- Đối với đoạn mạch bất kì(Không chỉ chứa R, L, C nối tiếp mà còn có các thiết bị khác như động cơ, sạc pin điện thoại, bình ác quy đang được sạc điện.)giản đồ véc tơ có dạng
 Với P=I2X có thể gồm P1=I2X1 (chuyển thành nhiệt), P2=I2X2 (chuyển thành hóa năng)..
* Công suất phản kháng Q (công suất hư kháng, công suất ảo)
- Đặc trưng cho phần điện năng được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng của mạch điện. Đây là phần công suất không có lợi của mạch điện.
- Đơn vị tính là VAR (volt amperes reactive) (reactive – phản kháng)
P = U.I .sinφ
P : công suất phản kháng (var)
U: là điện áp (V)
I: là cường độ dòng điện (A)
φ : pha lệch giữa U và I
* Công suất biểu kiến S (công suất toàn phần)
- là công suất tổng của mạch điện bao gồm công suất hiệu dụng và công suất phản kháng.
Đơn vị: VA (vôn-ampe), 1 kVA = 1000 VA.
S : công suất biểu kiến (VA)
P : công suất hiệu dụng (W)
Q : công suất phản kháng (var)
U: là điện áp (V)
I: là cường độ dòng điện (A)
d. Hệ số công suất
Trục ảo (Im)
Trục thực (Re)
S
Q
P
φ
Trong đó: Hệ số công suất 
* Q là công suất phản kháng
* Công suất biểu kiến S = P + jQ 
Tỷ số giữa công suất hiệu dụng và công suất biểu kiến trong mạch gọi là hệ số công suất. 
	Khi dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số công suất là côsin của góc lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế của dòng xoay chiều. Do vậy hệ số công suất được ký hiệu là cosφ. Hệ số công suất không có đơn vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả bằng tỉ lệ phần trăm.
	Hệ số công suất = 1 khi hiệu điện thế và cường độ dòng điện cùng pha (các thiết bị có hệ số công suất bằng 1 như: đèn sợi đốt, bàn ủi, máy nước nóng, bếp điện,), và = 0 khi dòng điện nhanh hoặc chậm pha so với hiệu điện thế 90o (các thiết bị có hệ số công suất dưới 1 như: đèn neon dùng chấn lưu, motor, van đóng cắt, các thiết bị điện tử, )
	Đối với hai hệ thống truyền tải điện với cùng công suất thực, hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn sẽ có dòng điện xoay chiều lớn hơn vì lý do năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn hơn, tạo ra nhiều thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng kích thước dây điện truyền dẫn. Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao hơn với cùng một công suất thực được truyền tải.
	Nên muốn nâng cao công suất thật P thì cần phải nâng cao hệ số cosφ. Tại sao phải quan tâm tới việc này? Cho dù công suất phản kháng thật sự không sinh ra công nhưng sự tồn tại của nó sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn. Những thiết bị có sử dụng các cuộn dây như motor, máy phát điện, máy biến thế,phải được thiết kế với các cuộn dây lớn hơn để có thể chịu được công suất tổng sinh ra dòng có ích và dòng “vô công”.
	Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên giá điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với khách hàng cá nhân, nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ số công suất thấp. Nhà phân phối điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản kháng bằng các thiết bị đo chuyên dùng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm gia tăng hệ số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp hơn tiêu chuẩn.
2.1.2. Bài toán truyền tải điện trên đường dây một pha.
* Các bài toán lâu nay khai thác thường là các điện áp cùng pha với dòng điện trong mạch để Uphá t= Utải + UR và học sinh cũng dùng như vậy, lâu dần thành quen, các em hiểu sai hoàn toàn bản chất vật lý thực sự.
* Trong trường hợp tổng quát phải là:
Tổng quát: 
Nếu các điện áp tức thời u cùng pha với dòng điện tức thời i thì mới có Uphat=Utai+∆U
2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
Khảo sát trên các lớp tôi dạy là 12C1 (41 học sinh), 12C2 (46 học sinh), 12C5 (45 học sinh) và 12C6 (44 học sinh) khi làm bài tập mà đề bài cho hệ số công suất nơi phát và nơi tiêu thụ không bằng 1 nhưng 100% các em đều làm như khi u, i cùng pha ! chứng tổ các em rất máy móc và không hề hiểu bản chất của vấn đề!
2.3. Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề
Các biện pháp tôi đã tiến hành
2.3.1. Chuẩn hóa lại các kiến thức về công suất, hệ số công suất và bài toán tổng quát của truyền tải điện trên đường dây một pha.
2.3.2. Giải bài toán truyền tải điện bằng nhiều cách để so sánh rút ra nhận xét.
Bài toán cơ bản 1: Phải tăng hiệu điện thế nơi phát lên bao nhiêu lần để giảm công suất tiêu hao trên đường dây đi 100 lần với yêu cầu công suất tải tiêu thụ không đổi. Biết các điện áp tức thời u cùng pha với dòng điện tức thời i và rằng độ giảm điện áp trên đường dây khi chưa tăng hiệu điện thế nơi phát bằng:
 a. 15% điện áp hiệu dụng tải khi đó:
 b. 15% điện áp giữa 2 cực của máy phát lúc đó. 
Phân tích: Trong trường hợp tổng quát ta có: suy ra giản đồ véc tơ
Mà các điện áp tức thời u cùng pha với dòng điện tức thời I à Uphat=Utai+∆U
Câu a.
+ Php=I2R ở đây R không đổi, nên Php giảm 100 lần thì I giảm 10 lần à độ giảm thế trên dây giảm 10 lần
+ Ptải=I.Utải ko đổi mà I giảm 10 lần, do đó Utải tăng 10 lần
* Lúc đầu : Up =+ Utải = n.Utải + Utải = (n+1) Utải
* Sau khi tăng U'p =+ U'tải = + 10Utải = Utải
 Tỉ số Với n=15% thì tỉ số là 8,7087
Câu b.
* Lúc đầu : Up=+Utải=15%.Up+ Utải Utải= 0,85 Up 
* Sau khi tăng U'p=∆U’ + U'tải=+ 10Utải = +10. 0,85 Up =8,515 Up 
 Tỉ số 
Bài toán cơ bản 2: Mạch điện gồm tải Z2 nối tiếp với một điện trở R rồi nối với nguồn xoay chiều có điện áp hiệu dụng là U1. Khi đó, điện áp hiệu dụng trên tải là U2, và hệ số công suất cosφ2 = 0,6; độ giảm áp trên R là ΔU = ; hệ số công suất toàn mạch là cosφ1 = 0,8. Bằng cách điều chỉnh Z2 và điện áp hiệu dụng nguồn, người ta làm cho công suất tiêu thụ trên R giảm đi 100 lần còn công suất P2 và hệ số công suất cosφ2 không đổi. Khi đó điện áp hiệu dụng đầu nguồn phải tăng bao nhiêu lần
Phân tích: Bài này rõ ràng các điện áp và dòng điện không cùng pha, do đó phương pháp sẽ thay đổi và phải dùng giản đồ véc tơ trong trường hợp tổng quát
Giải:
* Lúc đầu: U1Icosφ1=I2R + U2Icosφ2 U1.0,8 = + 0,6U2 U1 = 1,0625U2
* Lúc sau: (GĐVT như hình vẽ)
 - Do công suất hao phí giảm 100 lần I’ = I/10, ∆U’ = ∆U/10, Ptải không đổi nên U’tai=10Utải (*)
 - Theo hình vẽ:
φ2 
φ’1 
 thay (*) vào U1’ = 1,0015U2’ = 10,015U2
 U1’ = 9,426 U1
Bài toán cơ bản 3: Mã đề 201 – câu 37 – Đề THPT QG năm 2017
Câu 37. Điện năng được truyền từ trạm phát điện đến nơi tiêu thụ bằng đường dây tải điện một pha. Ban đầu hiệu suât truyền tải là 80%. Cho công suất truyền đi không đổi và hệ số công suất ở nơi tiêu thụ (cuối đường dây tải điện) luôn bằng 0,8. Để giảm hao phí trên đường dây 4 lần thì cần phải tăng điện áp hiệu dụng ở trạm phát điện lên n lần. Giá trị của n là
 A. 2,1	 B.2,2.	C.2,3.	D. 2,0.
Phân tích:
Bài toán này là một câu vận dụng cao trong đề ĐH 2017 và nó đã gây ra rất nhiều bỡ ngỡ và khó khăn cho các em học sinh. Các em lúng túng không biết giải theo hướng nào và các đáp án sai mà tổ ra đề chuẩn bị sẵn là các cái “bẫy” cho HS, bởi vì nếu giải theo các thông thường thì kết quả sai trùng với các đáp án sai đó!
φ1
φt
Cách 1:
+ Ta có: (1)
+ Chuẩn hóa: Chọn ΔU1 =1(V).
+ (V).
(V)
φ2
φt
+ 
+ Giá trị của n là: => Chọn A.
Cách 2: 
- Ta biểu diễn giản đồ véc tơ trong trường hợp tổng quát
- Trên giản đồ véc tơ, X là đại lượng đặc trưng cho đoạn mạch về khả năng chuyển hóa năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác.
Công suất tiêu thụ của đoạn mạch P = I2X khi này gồm nhiều thành phần:
 Với P=I2X có thể gồm 
+ P1=I2X1 (chuyển thành nhiệt)
+ P2=I2X2 (chuyển thành hóa năng)
+ P3=I2X3 (chuyển thành cơ năng)
UR=IR
UX=IX
UY=IY
U=IZ
φt
φ
Ut
Trong đó:
+ U=IZ là điện áp hiệu dụng trạm phát, Z là tổng trở cả mạch
+ UR=IR là độ giảm điện áp trên đường dây (R là điện trở đường dây)
+ X là phần mà PX=I2X đại diện cho phần điện năng truyền đến nơi tiêu thụ
à Công suất hiệu dụng là PR + PX
+ PY là công suất phản kháng
 + Hiệu suất truyền tải là: 
* Lúc đầu, hiệu suất truyền tải là 80% à 
* Lúc sau : hao phí chỉ còn 5%. Vậy hiệu suất là 95% : 
* Do hao phí giảm 4 lần nên cường độ dòng điện hiệu dụng trên dây dẫn giảm 2 lần. Vậy ta có: I’ = 0,5I
* Điện áp hiệu dụng nơi máy phát tăng: lần!
Nhận xét: 
- Có thể thấy cách 2 khá nhanh và giải rất nhẹ nhàng về mặt toán học
- Cần chú ý là do có sự tăng tải ở nơi tiêu thụ, nên hệ số công suất của toàn quá trình truyền tải là thay đổi. 
 + Hệ số công suất của toàn quá trình truyền tải lúc đầu là: cos j = 
 + Lúc sau là: cos j’ = 
+ Bài tương tự trong mã đề khác: Điện năng được truyền từ một trạm phát điện đến nơi tiêu thụ bằng đường dây tải điện một pha. Biết đoạn mạch tại nơi tiêu thụ (cuối đường dây tải điện) tiêu thụ điện với công suất không đổi và có hệ số công suất luôn bằng 0,8. Để tăng hiệu suất của quá trình truyền tải từ 80% lên 90% thì cần tăng điện áp hiệu dụng ở trạm phát điện lên
 A. 1,33 lần. B. 1,38 lần. C. 1,41 lần. D. 1,46 lần.	
2.4. Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường
Trong các lớp giảng dạy tôi chia học sinh làm hai nhóm : 
	* Nhóm 1: Nhóm đối chứng (nhóm này chỉ giảng dạy phương pháp sách giáo khoa).
	* Nhóm 2: Nhóm thực nghiệm (nhóm này tôi giảng dạy cả phương pháp sách giáo khoa và cả phương pháp này).
	Hai nhóm này có học lực như nhau về môn lí thông qua kết quả học tập của các em qua các bài kiểm tra.
	Sau một thời gian dạy, các em làm 2 bài kiểm tra về phần điện xoay chiều nhóm 2 có những tiến bộ rõ nét hơn hẳn nhóm 1 về cả điểm số lẫn hứng thú khi học, cụ thể bảng số liệu như sau:
 Nhóm
 Điểm
Nhóm đối chứng 
Nhóm tiến hành thực nghiệm 
Số HS
Quy đổi %
Số HS
Quy đổi %
9 -10 
01
1.1
04
4.4
7-8
36
39.6
58
64.4
5-6
43
47.2
21
23.3
3-4
09
9.9
06
6.7
0-2
02
2.2
01
1.2
Tổng số HS
91
90
3. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
- Kết luận. Đề tài đã giải quyết được một vấn đề khá khó trong truyền tải điện năng, qua đó các em hiểu đúng bản chất của quá trình truyền tải điện và với phương pháp nêu trong đề tài thì các em có cách giải nhanh và kịp hoàn thành được một loại bài tập rất khó trong thời gian ngắn. Đề tài này cũng có thể áp dụng đại trà cho các em học sinh đang ôn thi THPT Quốc Gia môn vật lý.
- Kiến nghị: Tôi mong muốn các đề tài SKKN hay các năm, sau khi chấm thì SGD cập nhật lên web của Sở GD Thanh Hóa, đây là nguồn tài liệu quý để các thầy cô và các em HS trong toàn tỉnh tham khảo.
	Bản thân tôi rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn, phù hợp với mọi đối tượng học sinh, giúp các em có được cách nhìn thấu đáo hơn về các bài toán truyền tải điện năng đi xa.
 Xin chân thành cảm ơn !
XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ
Thanh Hóa, ngày 18 tháng 5 năm 2018
Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của người khác.
(Ký và ghi rõ họ tên)
Lê Nhất Trưởng Tuấn
4. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Các bài toán vật lý chọn lọc. Tác giả PGS-TS Vũ Thanh Khiết.
Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi vật lý THPT. Tác giả PGS-TS Vũ Thanh Khiết.
Bài toán cơ sở vật lý. Tác giả Lương Duyên Bình-Nguyễn Quang Hậu.
Bài tập vật lý 12. Tác giả Dương Trọng Bái-Vũ Thanh Khiết.
3000 bài toán điện. Tác giả Tạ Quang Hùng.
Tuyển tập bài tập vật lý nâng cao .Tác giả PGS-TS Vũ Thanh – Nguyễn Thế Khôi.
Tạp chí vật lý và tuổi trẻ .
Một số tài liệu chuyên môn khác.