(SKKN CHẤT 2020) CHUYÊN đề cảm ỨNG điện từ bồi DƯỠNG học SINH GIỎI lớp 11, 12

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Lời giới thiệu Vật lý môn học gắn liền với tượng đời sống kĩ thuật ngày Nó mơn học khó trừu tượng, sở tốn học Bài tập vật lý đa dạng phong phú Bồi dưỡng học sinh giỏi nói chung bồi dưỡng học sinh giỏi mơn vật lí nói riêng cho kỳ thi tuyển học sinh giỏi vấn đề cấp quản lý, giáo viên trực tiếp giảng dạy quan tâm, trăn trở Đây công việc hàng năm, khó khăn thường nhiều thuận lợi, có ý nghĩa trường THPT Kết thi học sinh giỏi số lượng chất lượng tiêu chí quan trọng, phản ánh lực, chất lượng dạy học trường, giáo viên học sinh Thực trạng trình độ nhận thức học sinh THPT chưa cao, đặc biệt học sinh vùng nông thôn, trung du phân phối thời gian cho học tập cịn so với lượng kiến thức SGK thiếu thốn sách tham khảo nên việc nhận dạng phân loại, tổng hợp dạng toán để xác định cách giải tốn khó khăn phần lớn học sinh Trong trình dạy học chuyên đề bồi dưỡng HSG vật lý 11, 12 dạy phần “Cảm ứng điện từ”, nhận thấy em gặp khó khăn làm tập phần Đa số em làm tốn bản, mang tính chất vận dụng cơng thức trứ hiểu rõ tượng, chất làm toán mang tích chất phức tạp Trong q trình dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi, để giải tốn phần địi hỏi em phải có tính vận dụng cao Chính thế, người giáo viên phải làm để tìm phương pháp, phân loại tập tốt nhằm tạo cho học sinh niềm say mê u thích mơn học giúp học sinh việc phân loại dạng tập hướng dẫn cách giải đơn giản nhanh nhất, xác cần thiết cho hình thức thi chọn học sinh giỏi Vật lí Việc làm có lợi cho học sinh thời gian ngắn nắm dạng tập, nắm phương pháp giải từ phát triển hướng tìm tịi lời giải cho dạng tương tự Để giải vấn đề bước download by : skknchat@gmail.com vào nghiên cứu đề tài “CHUYÊN ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 11, 12” Tên sáng kiến: “CHUYÊN ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 11, 12” Tác giả sáng kiến: - Họ tên: Nguyễn Văn Tuấn - Địa tác giả sáng kiến: Trường THPT Đồng Đậu - Số điện thoại: 0965.761.978 E_mail: nguyentuan.ly@gmail.com Chủ đầu tư tạo sáng kiến: Nguyễn Văn Tuấn Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Ôn thi học sinh giỏi Vật lý lớp 11, 12 cấp tỉnh Ngày sáng kiến áp dụng lần đầu: 15/8/2019 Mô tả chất sáng kiến: I - MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ LÝ THUYẾT Từ thơng Φ qua diện tích S đặt từ trường tính cơng thức Trong đó: B cảm ứng từ từ trường (T); S tiết diện khung dây (m2); góc hợp đường sức từ pháp tuyến mặt phẳng khung dây; Φ từ thông (Wb) Hiện tượng cảm ứng điện từ - Điều kiện: Khi có biến thiên từ thơng qua diện tích giới hạn mạch điện kín mạch xuất dịng điện cảm ứng - Định luật Len-xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều cho từ trường sinh chống lại biến thiên từ thông sinh Định luật Faraday cảm ứng điện từ download by : skknchat@gmail.com - Độ lớn suất điện động cảm ứng mạch điện tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch - Biểu thức: Trong đó: ΔΦ: độ biến thiên từ thông thời gian Δt; ec: suất điện động cảm ứng khung dây Suất điện động cảm ứng xuất đoạn dây chuyển động từ trường Ec = Bl.v.sinα Trong đó: B cảm ứng từ từ trường (T); l chiều dài đoạn dây (m); v tốc độ chuyển động đoạn dây (m/s); - Quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng đường sức từ, ngón chỗi 90o hướng theo chiều chuyển động đoạn dây, đoạn dây dẫn đóng vai trị nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chiều từ cực âm sang cực dương nguồn điện Tự cảm - Độ tự cảm ống dây: Trong đó: I cường độ dòng điện chạy ống dây (A) Φ từ thông qua tiết diện ống dây (Wb) L hệ số tự cảm (H) - Suất điện động tự cảm: download by : skknchat@gmail.com - Năng lượng từ trường ống dây: AI – PHÂN LOẠI BÀI TẬP TRONG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Bài tập xác định chiều dòng điện cảm ứng 1.1 Phương pháp giải tập: * Áp dụng định luật Len-xơ chiều dòng điện cảm ứng: Gọi: cảm ứng từ từ trường ban đầu; cảm ứng từ từ trường dòng điện cảm ứng sinh * Nếu tăng cảm ứng từ ngược chiều với chiều cảm ứng từ - Nếu giảm cảm ứng từ chiều với chiều cảm ứng từ Các bước xác định chiều dòng điện cảm ứng: - Xác định chiều từ trường ban đầu - Xét từ thông - Dựa vào định luật Len-xơ để xác định chiều - Áp dụng quy tắc đinh ốc để xác định chiều dòng điện cảm ứng - (số đường sức từ) qua tiết diện khung dây tăng hay giảm 1.2 Ví dụ: Ví dụ 1: Cho hệ thống hình vẽ: Nam châm chuyển động lên phía theo phương thẳng đứng, xác định chiều dòng điện cảm ứng vòng dây Dưới tác dụng lực từ, vòng dây chuyển động theo chiều nào? Giải: - Từ trường nam châm sinh qua vòng dây tạo từ thơng qua vịng dây - Khi nam châm xa vòng dây, số đường sức qua tiết diện vịng dây giảm Do đó, từ thơng qua vịng dây có độ lớn giảm dần vòng dây xuất dòng điện cảm ứng Ic download by : skknchat@gmail.com Áp dụng định luật Len-xơ ta thấy: Ic sinh từ trường có cảm ứng từ chiều với - - Theo quy tắc đinh ốc, ta suy địng điện Ic có chiều hình vẽ Dịng điện cảm ứng Ic khiến vịng dây có tác dụng nam châm mà mặt mặt Nam, mặt mặt Bắc Do đó, vịng dây bị nam châm hút Vậy vịng dây chuyển động lên phía - 1.3 Bài tập củng cố: Bài Hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng mạch C MP A C G chạy biến trở xuống Bài Một nam châm đưa lại gần vịng dây hình vẽ Hỏi dịng điện cảm ứng vịng dây có chiều S vòng dây chuyển động phía nào? Bài Một vịng dây kim loại treo sợi dây mảnh song song với mặt cắt cuộn dây Cuộn dây mắc vào mạch điện hình vẽ Khi khóa K đóng vịng kim loại xuất dịng điện cảm ứng có chiều vòng kim loại chuyển động sao? Bài tập xác định suất điện động cảm ứng cường độ dòng điện cảm ứng 2.1 Phương pháp giải tập: - Áp dụng cơng thức tính từ thơng: Từ tính ΔΦ - Áp dụng định luật Faraday để tính suất điện động cảm ứng - Kết hợp với công thức định luật Ohm cho tồn mạch để tìm cường độ dịng điện cảm ứng 2.2 Ví dụ: download by : skknchat@gmail.com Ví dụ 1: Một cuộn dây phẳng có 100 vịng, bán kính vòng dây 0,1m Cuộn dây đặt từ trường đều, mặt phẳng cuộn dây vng góc với đường cảm ứng từ Lúc đầu cảm ứng từ từ trường có giá trị 0,2T Cuộn dây có điện trở r = 2,1Ω Tìm suất điện động cảm ứng trung bình cuộn dây dịng điện chạy cuộn dây khoảng thời gian 0,1s: a) cảm ứng từ từ trường tăng đặn lên gấp đôi b) cảm ứng từ từ trường giảm đặn đến C1 Giải: a) Ta có: S = πR2 = 3,14.0,12 = 0,0314 (m2) ΔΦ = 0,2.0,0314 = 6,28.10-3 (Wb) - Suất điện động cảm ứng: - Dòng điện chạy cuộn dây là: (V) (A) b) Ta có: S = πR2 = 3,14.0,12 = 0,0314 (m2) ΔΦ = - 0,2.0,0314 = 6,28.10-3 (Wb) - Suất điện động cảm ứng: - Dòng điện chạy cuộn dây là: Ví dụ 2: Một dây dẫn chiều dài l = 2m, điện trở R = 4Ω = uốn thành hình vng Các nguồn E1 = 10V, E2 = 8V, r1 EC r2 = 0, mắc vào cạnh hình vng hình Mạch đặt từ trường E2 Ví dụ download by : skknchat@gmail.com phẳng hình vng hướng sau hình vẽ, B tăng theo thời gian theo quy luật B = kt, k = 16T/s Tính cường độ dòng điện chạy mạch Giải: Do B tăng nên mạch xuất suất điện động E c; dòng điện cảm ứng Ec sinh phải có chiều cho từ trường sinh ngược chiều với từ trường Suất điện động cảm ứng Ec biểu diễn hình vẽ: Vì mạch: Ec + E2 > E1 nên dòng điện mạch có chiều ngược kim đồng hồ Cường độ dịng điện mạch có giá trị: (A) Ví dụ 3: Cuộn dây kim loại (có điện trở suất ρ = 2.10 -8Ωm), N = 1000 vịng, đường kính d = 10cm, tiết diện dây S = 0,2mm có trục song song với từ trường Tốc độ biến thiên từ trường 0,2T/s Lấy π = 3,2 a) Nối hai dầu cuộn dây với tụ điện có điện dung C = 1μF Tính điện tích tụ điện b) Nối hai đầu cuộn dây với Tính cường độ dịng cảm ứng cơng suất nhiệt cuộn dây Giải: - Ta có: Φ1 = B1.S; Φ2 = B2.S ΔΦ = Φ2 – Φ1 = (B2 – B1).S = ΔB.S - Suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây là: (V) download by : skknchat@gmail.com a) Nối hai đầu cuộn dây với tụ điện hiệu điện hai tụ suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây: U = ec = 1,6 (V) Điện tích tụ là: q = C.U = 10-6.1,6 = 1,6.10-6 (C) = 1,6 (μC) b) Nối hai đầu cuộn dây với nhau, ta mạch điện kín - Điện trở cuộn dây là: (Ω) - Cường độ dòng điện cảm ứng xuất cuộn dây là: (A) - Công suất nhiệt cuộn dây là: Q = I2.R = 0,052.32 = 0,08 (W) Ví dụ 4: Vịng dây dẫn diện tích S = 1m2 đặt từ trường có vng góc với mặt phẳng vịng dây Hai tụ điện C = 1μF, C2 = 2μF mắc nối tiếp vịng dây vị trí xuyên tâm đối Cho B thay đổi theo thời gian B = kt, k = 0,6T/s Tính hiệu điện điện tích tụ Giải: Suất điện động cảm ứng xuất nửa vòng dây biểu diễn hình vẽ Gọi hiệu điện hai đầu tụ U1, U2 Ta có: UMQ + UQP = UMN + UNP k Hệ đặt từ trường hướng vng góc với mặt phẳng hình vẽ Khi đứng cân bằng, người ta phóng vào dịng điện có cường độ I thời gian t ngắn Hỏi MN rời khỏi vị trí cân đoạn A lớn bao nhiêu? ( Bỏ qua dịch chuyển AB thời gian t) Hướng dẫn giải - Độ dãn x0 lị xo MN vị trí cân xác định công thức: - Trong thời gian phóng điện, chịu tác dụng lực từ F = BIℓ Sau thời gian t, đạt vận tốc v xác định định luật II Niu tơn: - Vì ta bỏ qua dịch chuyển thời gian t, nên bỏ qua tác dụng dòng điện cảm ứng thời gian - Thanh xuống tới vị trí thấp nhất, cách vị trí cân đoạn A - Ta quy ước vị trí thấp mơc trọng trường Ta tính A nhờ định luật bảo toàn lượng: - Thay v vào biểu thức A ta được: - Nếu phóng điện theo chiều ngược lại, dịch chuyển lên phía đoạn Câu 16*: Một vòng dây dẫn đường kính d đặt từ trường có cảm ứng từ song song với trục qua tâm O vịng dây Hai kim loại mảnh có đầu gắn với truc qua tâm O vòng dây vng góc với tiếp xúc điện với tạo O 33 download by : skknchat@gmail.com Ban đầu hai sát vào nhau, sau đứng yên quay quanh O với tốc độ góc ω Tính cường độ dịng điện qua hai ray qua vòng dây sau thời gian t Cho biết điện trở đơn vị dài kim loại vòng dây r Bây cho hai quay với tốc độ góc ω ω2 ( ω1> ω2 ) Tìm diệu điện hai đầu Xét hai trường hợp: Hai quay chiều hai quay ngược chiều nhau? Hướng dẫn giải - Trước hết ta tính suất điện động xuất kim loại quay mặt phẳng vng góc với từ trường theo cơng thức ( tính độ lớn): - Với ΔS diện tích mà quét thời gian Δt Kí hiệu ω vận tốc góc ℓ chiều dài Trong khoảng thời gian Δt quay góc Δφ = ω.Δt qt diện tích: - Từ ta suy ra: (OB = R = d/2) - Hai đoạn mạch BCA (chiều dài BCA = ℓ 1) BDA (chiều dài BDA = ℓ với ℓ1 + ℓ2 = 2πR) mắc song song với nhau, có dịng điện I1 I2 chạy qua Kí hiệu I dòng điện chạy qua hai thanh, áp dụng định luật Ơm ta có: - Với ℓ1 = Rωt; ℓ2 = 2πR - ℓ1 = 2πR - Rωt; R = d/2 - Từ ta tìm được: 34 download by : skknchat@gmail.com - Ở hai có xuất hai suất điện động cảm ứng: a - Hai nguồn nguồn điện tương đương mắc xung đối; nguồn có suất điện động là: - Lập luận tương tự phần 1, ta có: ( Với ) - Hiệu điện là: b Kết tương tự câu a Câu 17*: Một khung dây dẫn hình vng cạnh a, có khối lượng m điện trở R, ban đầu nằm mặt phẳng thẳng đứng xOy ( Các cạnh song song với trục Ox Oz), từ trường có vec tơ cảm ứng từ hướng theo trục Oy vng góc vơi Oxz có độ lớn B biến thiên theo tọa độ z (trục Oz hướng thẳng đứng xuống dưới) theo quy luật B = B0 – kz ( B0 k số) Truyền cho khung với vận tốc ban đầu v theo phương ngang Ox khung chuyển động mặt phẳng xOy Người ta thấy sau thời gian khung đạt vận tốc khơng đổi v Hãy tính v0 xem từ thơng gửi qua khung tính theo cơng thức Φ = a2B Với B cảm ứng từ tâm O khung Hướng dẫn giải - Ở thời điểm t tâm O khung có tọa độ z Từ thông gửi qua khung dây bằng: 35 download by : skknchat@gmail.com - Suất điện động cảm ứng suất khung (do vị trí khung, tức tọa độ z biến đổi theo thời gian) là: - Với vz thành phần vận tốc khung theo phương Oz Dòng điện cảm ứng xuất khung có cường độ: có chiều hình vẽ ( áp dụng định luật Len – xơ) Xét lực từ tác dụng lên khung ta thấy: Các lực từ tác dụng lên cạnh BC AD triệt tiêu Còn lực điện từ tác dụng lên cạnh AB CD điện từ có hướng ngược hợp lực tác dụng lên khung có độ lớn: thẳng đứng lên Ngồi lực điện từ hướng khung chịu tác dụng trọng lực Do hợp lực tác dụng lên khung - , có độ lớn P – F Hợp lực hướng xuông dưới, làm cho khung chuyển động xuống Sau thời gian khung đạt vận tốc khơng đổi v, đó: - Độ lớn vận tốc v là: Suy ra: - Chú ý: Cũng tính v cách áp dụng định luật bảo toàn lượng Cụ thể khung đạt đến vận tốc không đổi v Tức v z khơng đổi động khung dây khơng đổi nữa; độ biến thiên (trọng trường) nhiệt lượng dòng điện I tỏa R Tức Thay vào đó: ta tìm kết Câu 18*: Một đĩa kim loại hình trịn, bán kính R, bề dày d (d