Thủ thuật giải một số dạng bài tập Điện học

Với phần Điện học, muốn học tốt kiến thức nâng cao, ngoài nắm vững kiến thức cơ bản môn Vật lí, học sinh còn phải có kiến thức tương đối vững về Toán học.

Cụ thể, việc giải một bài toán điện học thường phải sử dụng rất nhiều kiến thức và kĩ năng của môn Toán như: Phương trình bậc hai, hệ phương trình bậc nhất nhiều ẩn số, bất đẳng thức và đặc biệt là các bài toán cực trị sử dụng đồ thị hàm số,... Cũng vì lẽ đó, với học sinh khi ôn tập thi học sinh giỏi và thi vào 10 chuyên, Điện học là một phần trọng điểm.

Vì vậy, việc phân loại và thủ thuật giải một số dạng bài tập Điện học là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng, góp phần giúp các giáo viên có cơ sở để dạy tốt hơn các bài tập thuộc phần này. Qua đó chất lượng học sinh giỏi tốt hơn, học sinh có kiến thức vững vàng hơn khi thi học sinh giỏi và thi vào các trường chuyên, lớp chọn.

Nắm vững kiến thức cơ bản và kiến thức toán bổ trợ

Trước tiên, giáo viên cần giúp học sinh nắm vững kiến thức cơ bản của phần Điện học, các công thức vật lý, đơn vị các đại lượng và cách biến đổi, vận dụng công thức sao cho phù hợp với từng bài. Giáo viên cũng cung cấp thêm các kiến thức bổ trợ nâng cao trong các tài liệu tham khảo, tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi.

Việc không kém phần quan trọng là giáo viên phải giúp học sinh nhớ lại và nắm vững được các kiến thức môn Toán bổ trợ trước khi đưa ra bài tập.

Có thể giải bài toán bằng nhiều con đường khác nhau, nhưng kết quả học sinh tiếp thu được, lựa chọn được cách giải riêng và có thể vận dụng một cách hiệu quả khi giải các bài tập tương tự mới là quan trọng.

Các kĩ năng học sinh cần phải có cụ thể như sau: Kĩ năng đọc hiểu đề; kĩ năng biểu diễn hình minh họa đề bài (nếu có); kĩ năng phân tích hiện tượng vật lý xảy ra; kĩ năng sử dụng công thức (định luật, định nghĩa, khái niệm, tính chất,...) vật lý vào hiện tượng phù hợp; kĩ năng suy luận (toán học, lý học,...) lôgic; kĩ năng tính toán để đi đến đáp số cuối cùng (kĩ năng giải bài tập); kĩ năng biện luận.

Một số kiến thức Toán học cần nắm được và vận dụng trong giải bài tập Vật lí, cụ thể: Hệ phương trình bậc nhất nhiều ẩn số; bất đẳng thức; Sử dụng nghiệm của phương trình bậc hai: ax² + bx + c = 0. 

Hướng dẫn giải dạng bài tập mạch điện tương đương - các quy tắc chuyển mạch

Bài toán tính điện trở toàn mạch dựa trên các điện trở thành phần dựa theo các qui tắc sau:

Qui tắc biến đổi tương đương dựa trên các tính chất cơ bản của đoạn mạch mắc nối tiếp, mắc song song (đoạn mạch thuần tuý song song, thuần tuý nối tiếp hay hỗn hợp của song song và nối tiếp)

Qui tắc chập mạch các điểm có cùng điện thế. Trong trường hợp này các điểm có cùng điện thế thường gặp trong các bài toán là: Các điểm cùng nằm trên một đường dây nối; các điểm nằm về hai bên của phần tử có điện trở không đáng kể. (như khoá K, ampe kế A, phần tử không có dòng điện đi qua, mạch có tính đối xứng, mạch có các điện thế bằng nhau,…)

Qui tắc tách nút: Ta có thể tách 1 nút thành nhiều nút khác nhau nếu các điểm vừa tách có điện thé như nhau (ngược lại với qui tắc 2)

Qui tắc bỏ điện trở: Ta có thể bỏ đi các điện trở (khác không), nếu 2 đầu điện trở đó có điện thế bằng nhau; vận dụng quy tắc này cho 3 loại mạch: mạch đối xứng, mạch cầu cân bằng, mạch bậc thang.

Qui tắc chuyển mạch sao thành tam giác và ngược lại: Biến đổi mạch tam giác thành mạch hình sao; biến đổi mạch sao thành mạch tam giác;

Mạch tuần hoàn: Mạch mà các điện trở được lặp lại một cách tuần hoàn và kéo dài vô hạn (chu kì lặp gọi là ô mắt xích). Với loại này thì ta giả sử điện trở R của mạch không thay đổi khi ta nối thêm một mắc xích nữa.

Khi hai đầu các dụng cụ dùng điện bị nối tắt bởi dây dẫn (khoá K, ampe kế A) có điện trở không đáng kể thì coi như dụng cụ không hoạt động.

Bài toán chia dòng, chia thế

Với bài toán chia dòng: Áp dụng định luật Ôm cho các điện trở ghép song song và các công thứ dẫn xuất tương đương.

Bài toán chia thế: Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch mắc nối tiếp.

Vai trò của ampe kế, vôn kế trong mạch điện

Chúng ta đã làm quen với mạch điện có ampe kế và vôn kế lí tưởng, ở đây chỉ nói đến trường hợp không lí tưởng.

Ampe kế: Trong sơ đồ ampe kế có vai trò như 1 điện trở. Trong trường hợp mạch phức tạp ta tính số chỉ của ampe kế dựa vào định lý về nút.

Vôn kế: Có điện trở không quá lớn thì nó cũng có vai trò như 1 điện trở, và số chỉ của vôn kế loại này trong trường hợp mạch phức tạp được tính thông qua công thức cộng thế.

Bài toán về mạch cầu

Mạch cầu cân bằng: Khi I₅= 0 thì mạch cầu được cân bằng. Khi đó I₁= I₂  và  I₃= I₄; U₁= U₃ và U₂= U_4.  Suy ra: I₁R₁= I₃R₃; I₂R₂= I₄R₄  hay R₁/R₃ = R₂/ R₄ ;  R₁.R₄ = R₂. R₃

Mạch điện có thể coi là tương đương với mạch điện sau, nghĩa là vai trò của R₅ có hoặc không có trong mạch điện thì mạch điện đều là như nhau.

Khi I₅ ¹ 0 thì mạch cầu không cân bằng. Thì việc giải bài toán theo phương pháp đặt biệt khác.

Mạch cầu không cân bằng: R₁/R₃ ¹ R₂/ R₄ hay R₁.R₄ ¹ R₂. R₃

Bài toán về công suất

Bài toán tìm công suất cực đại, cực tiểu, biến trở: Phương pháp giải bài toán này là sử dụng bất đẳng thức hoặc nghiệm của phương trình bậc hai đã trình bày ở trên.

Bài toán về định luật Jun- Lenxơ; Công của dòng điện - Hiệu suất mạch điện

Phương pháp: Nắm được các công thức trong sách giáo khoa:

Bài toán về mạch điện có bóng đèn- Cách mắc bộ bóng đèn

Bài toán dạng này chủ yếu thuần tuý là khai thác số liệu định mức của bóng đèn (U_đm  và P_đm)

Từ số liệu này trên bóng đèn ta suy được những đại lượng khác như cường độ dòng điện định mức và điện trở của bóng đèn khi hoạt động bình thường I_đm=  P_đm/ U_đm và R = (U_đm)²/ P_đm

Đối với một bóng đèn: Khi chưa hoạt động thì điện trở của nó rất nhỏ (điện trở đo bằng ôm kế) nhỏ hơn điện trở lúc thắp sáng rất nhiều lần (vì điện trở phụ thuộc nhiệt độ và khi thắp sáng nhiệt độ của dây tóc tăng đến vài ngàn độ C nên điện trở khá lớn)

Khi giải bài toán về bóng đèn với hiệu điện thế nhỏ ta thường bỏ qua sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ và coi như điện trở không thay đổi.

So sánh độ sáng của bóng đèn: Bản thân một bóng đèn ta chỉ cần so sánh 1 trong 3  giá trị (U, I, P) thực tế với 1 trong 3 giá trị (U_đm, I_đm, P_đm) tương ứng  của đèn đó. Để đi đến 3 kết luận sau (đèn sáng bình thường, sáng yếu hơn bình thường và sáng quá mức bình thường, có thể bị cháy)

Hai đèn khác nhau thì chỉ có so sánh công suất thực tế với nhau, đèn nào có công suất thực tế lớn hơn thì sáng hơn...