Đặt điện áp xoay chiều vào hai...
Câu hỏi: Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch gồm tụ điện C và cuộn dây có trở thuần mắc nối tiếp . Hình bên là đồ thị đường cong biểu diễn mối liên hệ của điện áp tức thời giữa hai đầu cuộn dây (ucd) và điện áp tức thời giữa hai đầu tụ điện C (uC) .Độ lệch pha giữa ucd và us có giá trị là:
A 2,09 rad
B 2,42 rad
C 2,68 rad
D 1,83 rad
Đáp án
B
- Hướng dẫn giải
Phương pháp giải:
Giải chi tiết:
Không mất tính tổng quát, giả sử phương trình của \({u_C} = {U_{0C}}.\cos \omega t\,\,\left( V \right)\), độ lệch pha giữa i và ucd là φ với \(\left( {0 < \varphi < \dfrac{\pi }{2}} \right)\)
→ Phương trình: \({u_{cd}} = {U_{0cd}}.\cos \left( {\omega t + \dfrac{\pi }{2}} \right)\,\,\left( V \right)\,\,\,\left( 1 \right)\)
Ta có:
\(\begin{array}{l}{u_{cd}} = {U_{0cd}}.\left[ {\cos \omega t.\cos \left( {\dfrac{\pi }{2} + \varphi } \right) - \sin \omega t.\sin \left( {\dfrac{\pi }{2} + \varphi } \right)} \right]\,\\\,\,\,\,\,\,\,\, = {U_{0cd}}.\left( { - \sin \omega t} \right).\cos \varphi - {U_{0cd}}.\cos \omega t.\sin \omega t\,\,\,\,\left( 2 \right)\end{array}\)
Từ (1) và (2) ta có: \(\left\{ \begin{array}{l}\cos \omega t = \dfrac{{{u_C}}}{{{U_{0C}}}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\left( 3 \right)\\\cos \varphi .\sin \omega t + \dfrac{{{u_C}}}{{{U_{0C}}}}.\sin \varphi = \dfrac{{{u_{cd}}}}{{{U_{0cd}}}}\,\,\,\,\,\left( 4 \right)\end{array} \right.\)
Thay (3) vào (4) có:
\(\cos \varphi .\sin \omega t + \dfrac{{{u_C}}}{{{U_{0C}}}}.\sin \varphi = - \dfrac{{{u_{cd}}}}{{{U_{0cd}}}} \Rightarrow \sin \omega t = \dfrac{{ - \dfrac{{{u_{cd}}}}{{{U_{0cd}}}} - \dfrac{{{u_C}}}{{{U_{0C}}}}.\sin \varphi }}{{\cos \varphi }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\left( 5 \right)\)
Từ (3) và (5) \({\left( {\dfrac{{{u_C}}}{{{U_{0C}}}}} \right)^2} + {\left( {\dfrac{{\dfrac{{{u_{cd}}}}{{{U_{0cd}}}} - \dfrac{{{u_C}}}{{{U_{0C}}}}.\sin \varphi }}{{\cos \varphi }}} \right)^2} = 1\)
Nhìn vào đồ thị: \(\left\{ \begin{array}{l}{u_C} = 1\\{u_{cd}} = - 2a\end{array} \right.;\left\{ \begin{array}{l}{u_C} = 2\\{u_{cd}} = - 2a\end{array} \right.;\left\{ \begin{array}{l}{u_C} = 2\\{u_{cd}} = - a\end{array} \right.;\left\{ \begin{array}{l}{u_C} = - 1\\{u_{cd}} = 2a\end{array} \right.\)
\( \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}{\left( {\dfrac{1}{{{U_{0C}}}}} \right)^2} + \left( {\dfrac{{\sin \varphi }}{{{U_{0C}}.\cos \varphi }} - \dfrac{{2a}}{{{U_{0cd}}.\cos \varphi }}} \right) = 1\,\,\,\,\left( 6 \right)\\{\left( {\dfrac{2}{{{U_{0C}}}}} \right)^2} + \left( {\dfrac{{2\sin \varphi }}{{{U_{0C}}.\cos \varphi }} - \dfrac{{2a}}{{{U_{0cd}}.\cos \varphi }}} \right) = 1\,\,\,\,\left( 7 \right)\\{\left( {\dfrac{2}{{{U_{0C}}}}} \right)^2} + \left( {\dfrac{{2\sin \varphi }}{{{U_{0C}}.\cos \varphi }} - \dfrac{a}{{{U_{0cd}}.\cos \varphi }}} \right) = 1\,\,\,\,\,\left( 8 \right)\end{array} \right.\)
Từ (7) và (8) ta có: \(\dfrac{{3{a^2}}}{{U_{0cd}^2.{{\cos }^2}\varphi }} - \dfrac{{4a.\sin \varphi }}{{{U_{0C}}.{U_{0cd}}.{{\cos }^2}\varphi }} = 0\)
Nhận thấy \(\left\{ \begin{array}{l}\cos \varphi \ne 0\\a \ne 0\end{array} \right. \Rightarrow \dfrac{{3a}}{{{U_{0cd}}}} = \dfrac{{4\sin \varphi }}{{{U_{0C}}}}\,\,\,\,\,\left( 9 \right)\)
Từ (6) và (8) ta có:
\(\begin{array}{l}\dfrac{3}{{U_{0C}^2}} + \dfrac{{3.{{\sin }^2}\varphi }}{{U_{0C}^2.{{\cos }^2}\varphi }} = \dfrac{{3.{a^2}}}{{U_{0cd}^2.{{\cos }^2}\varphi }} \Rightarrow \left( {1 + {{\tan }^2}\varphi } \right).\dfrac{1}{{U_{0C}^2}} = \dfrac{1}{{{{\cos }^2}\varphi }}.\dfrac{{{a^2}}}{{U_{0cd}^2}}\\ \Rightarrow \dfrac{1}{{U_{0C}^2}} = \dfrac{{{a^2}}}{{U_{0cd}^2}} \Rightarrow {U_{0cd}} = a{U_{0C}}\,\,\,\,\,\,\left( {10} \right)\end{array}\)
Từ (9) và (10) ta có:
\(a = \dfrac{{3a}}{{4\sin \varphi }} \Rightarrow \sin \varphi = \dfrac{3}{4};\left( {a \ne 0} \right) \Rightarrow \left[ \begin{array}{l}\varphi = \arcsin \dfrac{3}{4} + k2\pi \\\varphi = \pi - \arcsin \dfrac{3}{4} + k2\pi \end{array} \right.;k \in Z\)
Do \(0 < \varphi < \dfrac{\pi }{2} \Rightarrow \varphi = \arcsin \dfrac{3}{4}\)
Góc lệch giữa ucd và uC bằng \(\dfrac{\pi }{2} + \arcsin \dfrac{3}{4} \approx 2,42rad\)
Chọn B
Câu hỏi trên thuộc đề trắc nghiệm
Đề thi chính thức THPT QG 2019 - Môn Vật Lí - Mã đề 201 (Có video chữa)