Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm khoa học tự nhiên: Thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học chủ đề Điện từ của môn Khoa học tự nhiên lớp 9

Cơ sở thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sửdụng trong day học chủ đề điện từ của môn Khoa học tự nhiên.... LOI CÁM ON Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Sư phạ

DAIHOC auSp

TP HO CHÍ MINH

BAO CAO TONG KET

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VA CHE TẠO MÔ HÌNH

MAY PHAT DIEN XOAY CHIEU SU DUNG TRONG

DAY HOC CHU DE DIEN TU CUA MON

KHOA HOC TU NHIEN LOP 9

NGANH SƯ PHAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH - 2024

TP HÒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TÓNG KẾT

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

TÊN ĐÈ TÀI

THIET KE VA CHE TẠO MÔ HÌNH MAY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIEU

SỬ DUNG TRONG DẠY HỌC CHU DE ĐIỆN TU CUA MON

KHOA HOC TU NHIEN LOP 9

Linh vực: Vat li cơ bản

Sinh viên: Nguyễn Minh ThiệnMSSV: 46.01.401.248

Khoa: Hóa học

Ngành học: Sư phạm Khoa học tự nhiên

Năm thứ: 4/ Số năm đào tạo: 4

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Lâm Duy

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH - 2024

i MUC LUC

9271125 1

1 LÝ DO CHON DE 'TÀI 2.22 222 SE SE SE11211121112 1121112 1121112111711711 72172 -xee 1

2 MỤC DICH NGHIÊN CỨU -2 2222S+222EEE2CE22E1E2E1122E2222222721122222ecrrved 2

3 PHAM VI NGHIÊN CỨU 22 22SSS2EESSEEE2EEE2EE2 121312 1114172372172 72ec re 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2-ce©+ez€ExtELAzcEEeeEEzzerzseroeee 2SUBONGGDPCUAD TÀI ằẽễẽšẽšŠäšẽšẽẽBSõBẽõ ẽẽẽêễêẽäêễêăẽẽäêẽêễẽễŸẽẽŸẽŸẽ ê 2GEA TRUS COA ĐK TT na äẽ ni nano 3

SEIU GING |e TONG QUAN Guagaaaaaaanenaaaaaaanaaaaairanaatantotainniiaasannai 4

1.1 Cơ sở của việc thiết kế và chế tao dung cu thí nghiệm sử dung trong day hoc

môn Khoa học tự nhiên - - - Ăn ng nh ngư ngưng 4

1.2 Tổng quan các mô hình máy phát điện xoay chiều sử dung trong day hoc đã

có trên thị trường trong TƯỚC - - 5 sưng nh Hee 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KE VÀ CHẾ TẠO HOC CỤ sisissssssssssscsssssssssssscsssssssssscsnssasisasseeess §

2.1 Cơ sở thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sửdụng trong day học chủ đề điện từ của môn Khoa học tự nhiên §

2:2 DUNG cụ'(VẬ(ÌÏỆU):::o:cco:cooccoccciiioiiciioniiiiioetiiisii2S21611601661303614635583515555886486835886855358 8

2.3 Thiết kế mô hình máy phát điện xoay ChIGU c cccccccscccsscsseesseesseessesseesseeene 9

2.3.1 Công cụ vẽ sử dụng trong thiết kỀ -2- 22 ©t+Sse+s++xzzxezserzzrxrcverceee 9

2.3.2 Hình dạng và cầu tạo chung của mô hìnhh: - c5: 55sc5sc55sec5 102.3.3 Thiết kế các chỉ tiết cu thé của mô Wirth oo cceccecccseceesseesseecseeveessvessveenee 11

2.4 Chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều ccccccssesssesssesssessessteeseeeneen l4

2.4.1 Thiết bị chế tạo và gia công các chỉ tiết của mô hình - 14

2.4.2 Quá trình chế tạo, gia công các chỉ tiết của mô MIAN -:-52 l4

2.4.3 Quá trình lắp ráp hoàn thiện mô hình, - 2-5255 sz£+sz£vszcvse- 17

CHƯƠNG 3: KET QUA NGHIÊN CỨU 2-22 k2 E£SE£EEE+EEcEEezxerzkrrzerree 20

3.1 Nguyên lý hoạt động: - - - 5 HH ng ng Hung ng 20

3.2 Kiểm tra tinh năng, độ chính xác của học cụ ccsiee 25

3.3 Kết quả khảo sát lấy ý kiến từ giáo viên về học cụ . e csc 28

CHƯƠNG 4: UNG DỰNG MÔ HÌNH MAY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIEU VÀO DẠY

CHU DE ĐIỆN TỪ CUA MON KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP 9 32

4.2 Kế hoạch bài dạy minh họa sử dụng mô hình máy phát điện xoay chiều 33

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, .2-©22c©5ecSsevcsercsrrrsrrrserrsrrrsrrrrrrrscrsrcrrrc.vv 2

1Ì 8 äRRẶHẶ A 52

TÀI LIEU THAM KHAO

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan dé tai khóa luận tot nghiệp nay là kết qua nghiên cứu của cá

nhân tôi với sự hướng dân khoa học của TS Nguyên Lâm Duy Các số liệu và tài liệu

được trích dan trong đề tai là trung thực Kết qua nghiên cứu này không trùng với bat

cứ công trình nghiên cứu nào đã được công bô trước đó.

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thanh phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2024

Sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Minh Thiện

LOI CÁM ON

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Sư phạm Khoa học tự nhiên với đề tài “Thiết

kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dung trong dạy học chủ đề Điện từcủa môn Khoa học tự nhiên lớp 9” là thành quả của việc đúc kết các kiến thức lý thuyết

và kĩ năng thực hành trong quá trình học tập bón năm tại trường Đại học Sư phạm

Thành phổ Hồ Chỉ Minh với sự hướng dan, quan tam và giúp đỡ tan tình cua các thay

cô, bạn bè và người thân trong gia đình Những điều đó đã tạo nên động lực giúp em cóthé vượt qua các rào can, khó khăn trong quá trình thực hiện dé tai Qua đây, em xinkính gửi lời cam ơn chân thành đến những người đã giúp đỡ, đồng hành với em trong

qua trừnh học tập và thực hiện khóa luận tot nghiệp.

Xin trân trọng kính gửi đến thay Nguyễn Lâm Duy lời cam ơn chân thành và sâu

sắc nhất Cảm ơn thay đã quan tâm và hướng dan tận tình cho em từ những buổi trao

đổi dau tiên về khóa luận tốt nghiệp Trong quá trình thực hiện đề tài, thay là người hỗ

trợ cho em vé mặt kiến thức và giải đáp tat cả các thắc mắc, giúp em định hướng được

chính xác mình cân phải làm gì

Em xin chân thành cảm ơn đến thay Nguyễn Hoàng Long đã tận tình hướng dan

và hồ trợ cho em rất nhiều về mặt kĩ thuật Nhờ thay chỉ dẫn mà em có thé sử dụng cácthiết bị kĩ thuật nh máy in 3D, máy cất laser, Đây là những thiết bị vô cùng quan

trọng dé em có thé tạo ra được sản phẩm khóa luận của mình.

Em xin cảm ơn các thây cô khoa Vat Lý, khoa Hoa học, trường Dai học Sư Pham

Thành pho Hỗ Chí Minh và các thay cô giáo viên trường THCS Câu Kiệu, THCS Tran

Bội Cơ, THCS Đọc Lap, THPT-THCS Lương Thé Vinh, THCS Nguyễn Trung Trực đã

tạo điều kiện giúp đỡ em thực hiện tốt dé tài của mình.

Xin chân thanh cam on!

Thanh phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2024

Sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Minh Thiện

DANH MUC HINH ANH

Hình 1.1 Mơ hình máy phát điện 1 chiều, 2 chiều của thương hiệu VIETVALUE [§].6

Hình 1.2 Động cơ điện - máy phát điện mini MS59 [6] àcàeehiiiee 6

Hình 1.3 Mơ hình máy phát điện xoay chiều quan sát của VIETVALUE [9] 7

Hình 2.1 Phác thao sơ lược về ý tưởng thiết kế học cụ trên Paint - 10

Hình 2.2 Mơ tả hình dang và cau tao chung của hoe Cụ He, 10

Hình 2.3 Hộp mica 3D cĩ kích thước 154x 108X130 MM .S.c<<ce<ecee 1] Hình 2.4 Mat trên/dưới 3D cĩ kích thước I54x10§xŠ mm 5S {55552 ll Hình 2.5 Mat bên 3D cĩ kích thước 154xX130x5S MM 0 ee ceeeesseeeseeeseeeseeeeeeeeeeees 12

Hình 2.6 Mặt bên đục lỗ di dây 3D cĩ kích thước 154x130x5 mm - 12

Hình 2.7 Mặt trước/sau 3D cĩ kích thước 104X130xX5 mm - 5-55 555 5 << < << << 12

Hình 2.8 Khung quay 3D được ghép từ hai nửa uc share 13

Hình 2.9 Khung sắt/lõi sắt của khung dây -.2- 22 cczZcrxzcersstresrrresrcrseee 13

Hình 2.10, Chân cài thanh quét 3D, ng ng nry 13

Hình 2.11 Bao trục nối vành khuyên 3D cccccccsscesssesssesssesssesssesssesssesssecssecssecssecsseenses 14Hình 2.12 Sử dung phan mềm light burn và máy cắt laser CO» dé tạo hộp 14

Hình 2.13 Sản phẩm hộp mica trong suốt đã được PAP c.scesssesssesssessseessesssecsseesseenses 15 Hình 2.14 Hệ thơng trục quay, khung quay vả cuộn đây -2 -ce-ccsec- 15 Hình 2.15 Hai vành khuyên gắn lên bao trục va được ngăn cách nhau 15

Hình 2.16 Bộ phận cơ EOD'GDAIHQG ỢÏL:::ic::cc::2222222201221165110221621163012312253832935558853832g83358032 16 Hình 2.17 Hình dang và cầu tao của tay đUây s-ss sc2sscczccxecrxcxerssrrsrrrecrvee l6

Hình 2.1§ Một số hinh anh về các phiên bản đầu tiên của học cụ a) Học cụ ở gĩc nhìn

từ phải sáng trái b) Đèn chi sáng khi ta thực hiện quay nhanh c) Lỗi bị xoay giữa trục

quay và khung quay d) Tính thâm mĩ chưa tốt của học Cụ .cccccccccreccrvee 18

Hình 2.19 Một số hình anh mới nhất về học cu mơ hình máy phát điện xoay chiêu a)

Bộ gĩp điện sau khi cải tiền b) Học cụ ở gĩc nhìn từ trên xuống c) Học cụ ở gĩc nhìn

từ bên phải sang trái d) Học cụ ở gĩc nhìn từ trái sang phải <c<<<<c<< 19

Hình 3.1 a) Vị trí chuẩn bị là cham đỏ ở hướng 3 gid b) Sơ đồ thé hiện một vịng quay

360° theo cùng chiều kim đồng hồ của khung dây quanh từ trường của hai nam châm

S4i153:18310941188400335053318i953518398811035683972518530383119581781508130543363190614888/8ã990835833328916333839082819838351988€ 21

Hình 3.2 Giải thích nguyên li tạo ra dịng điện cảm ứng ở giai đoạn Ì 22

Hình 3.3 Quy tắc năm tay phai .ccseecseecseecseecssessecssesssesssssneesneesneesneenncenneesneesneesecs 22

Hình 3.4 Giải thích nguyên li tạo ra dòng điện cam ứng ở giai đoạn 2 23

Hình 3.5 Quá trình luân phiên đồi chiều của dòng điện cảm ứng trong cuộn đây khi

qHUãY:G12RH/(Ì(HHỜNE:::s-::::::s::c:ci:ici222022211212201212122913522912235655143568333538893536535959386539525328355ã2 24

Hình 3.6 Hai đèn led xanh và đỏ mắc song song ngược cực phát sáng luân phiên nhau.

a) Trong qua trình |: đèn xanh sang b) Trong quá trình 2: đèn đỏ sáng 27

Hình 3.7 a) Đèn led xanh và đỏ mắc nối tiếp phát sáng cùng lúc khi thực hiện quay b)

Đèn led xanh và đó mắc ong song củng cực phát sáng cùng lúc khi thực hiện quay 27

Hình 4.1 Vị trí chuẩn bị (góc nhìn từ trên xuống và góc nhìn từ sau tới trước) TN1 39

Hình 4.2 Thao tác thực hiện ở bước 2 TÌN| ch SH ke, 39

Hình 4.3 Thao tác thực biện ở bước 3 TNÍ : :: : ‹cccccccccccccoccccccccccoceoooe 40

Hình 4.4, Bước 2 tiễn hành quay TND scisssssssssesssesssosssosssoessossssesssesssonssosssossresssssssesseee 42 Hình 4.5 Cau tạo mô hình máy phát điện sử dụng khung đây quay quanh từ trường ở HD3 a) Cau tạo chung của học cụ b) Cau tạo bộ phận cô góp của học cụ 44

Hình 4.6 Sơ đồ cau tạo của máy phát điện 22s rezercserrssrrrserrrseee 44

a, Cuộn day dẫn quay quanh từ trường b Nam châm quay trong cuộn day dẫn 44

DANH MUC BANG BIEU

Bảng 2.1 Vật liệu — giá thành của các chỉ tiết trong học CU .cscesccssscssecsseecsseceseenseee §

Biểu đồ 3.1 Kết qua khảo sát đánh giá của giáo viên về tính ứng dụng của học cụ trong

day học môn Khoa học tự nhin << HT nọ TH To Tà Hưng nườ 29

Biểu đồ 3.2 Kết quả đánh giá của giáo viên về một số tiêu chí của học cụ 30

Biéu dé 3.3 Kết qua ý kiến, góp ý của giao viên nhằm cải tiễn học cụ 31

MO DAU

1 LY DO CHON DE TAI

Chương trình giáo duc phô thông 2018 được xây dựng dựa trên quan điểm đảm bảo

phát triển phẩm chat và năng lực của người học thông qua nội dung giáo dục với những

kiến thức kĩ năng cơ bản, thiết thực, hiện đại: hài hoà đức, trí, thẻ mĩ; chú trọng thực

hành vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học đẻ giải quyết van đẻ trong học tập và đời sông

[3] Khoa học tự nhiên la môn học mang ban chất thực nghiệm, nội dung gần gui voiđời sống hằng ngày của học sinh Vì vậy, thực hành, thí nghiệm trong phòng thực hành

và phòng học bộ môn, ở thực địa và các cơ sở sản xuất có vai trò, ý nghĩa quan trọng va

là hình thức dạy học đặc trưng của môn học này [2].

Thực tế cho thấy phương pháp dạy học sử dụng thí nghiệm trong môn Khoa học tựnhiên nói chung va mạch nội dung Nang lượng và sự biến đồi nói riêng còn nhiều hạn

ché trong việc áp dụng tại các trường phô thông với các lí do có the xảy ra như: chưa có

điều kiện trang bị hết các dụng cụ, mô hình thí nghiệm ở tất cả các nội dung đạy học;giáo viên chưa khai thác hết tiềm năng day học của một số mô hình, dụng cụ thí nghiệm

đã có; [10] Do đó giáo viên cần phải tích cực, sáng tao trong việc tự thiết kế và chế

tạo các dụng cụ, thiết bị sử dụng trong dạy học thí nghiệm môn Khoa học tự nhiên đề

làm chủ và thực hiện có hiệu quả khi áp dụng phương pháp dạy học này vảo môn học

[4] [12].

Chủ đẻ Điện từ thuộc mạch nội dung Năng lượng và sự biến đôi trong môn Khoa học

tự nhiên lớp 9 Theo yêu cầu can đạt của chương trình, sau khi hoản thanh chủ đề này

học sinh phát trién được các năng lực khoa học tự nhiên vẻ hiện tượng cảm ứng điện từ;

nguyên lý tạo ra dòng điện xoay chiều; và tác dụng của dong điện xoay chiêu Thực tế,năng lượng điện nói chung là một nguồn năng lượng rất phô biến, hau hết các hộ giađình ở Việt Nam đều sử dụng điện đầu vào là điện xoay chiều của điện lực nhà nước

Nguồn điện này chủ yếu được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và dầu khí thông

qua các nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, nếu việc khai thác nhiên liệu quá mức có thểgây ra các hệ quả xâu ảnh hưởng đến môi trường Do đó ngoài những yêu cầu cần đạt

của chương trình môn Khoa học tự nhiên, tôi cho rằng khi học về chủ đề nay, học sinh

nên được tham gia các hoạt động, thí nghiệm có thé đảm bảo mục tiêu phát triển pham

chất yêu nước: ' Tích cực, chủ động tham gia các hoạt động bảo vệ thiên nhiên” Bên cạnh đó, học sinh cũng cần được ôn tập vẻ năng lực mắc mạch điện đơn gián đã học ở chủ đề Điện trong chương trình Khoa học tự nhiên lớp 8.

Chính vì các lí đo trên, tôi mạnh đạn chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy

phát điện xoay chiều sử dung trong day học chủ dé Điện từ của môn Khoa học tự nhiên

lớp 9” làm dé tài khóa luận tốt nghiệp của mình

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Thiết kế và chế tạo được mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học thí nghiệm chủ dé Điện từ ở môn Khoa học tự nhiên lớp 9 Mô hình sản pham đảm bảo được các tiêu chuẩn cơ bản như: khoa học - kĩ thuật, sw phạm, kinh tế và thâm mĩ Đặc

biệt về mặt sư phạm, khi sử dụng trong dạy học chủ đề Điện từ bảo đảm được một sốyêu cầu cần đạt của chương trình Khoa học tự nhiên ve chủ dé nay, cu thé là:

1 Thực hiện thi nghiệm dé rút ra được: Khi SỐ đường sức từ xuyên qua tiết điện của

cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây đó xuất hiện dòng điện cảm ứng.

2 Thực hiện thi nghiệm đẻ nêu được nguyên tắc tạo ra dong điện xoay chiều (dong

điện luân phiên đôi chiều)

Ngoài ra, kết quả học tập còn đảm bảo mục tiêu về ôn tập năng lực mắc mạch điện

đơn giản đã được học ở lớp 8; và đảm bảo về pham chat yêu nước “Tich cực, chủ động

tham gia các hoạt động bảo vệ thiên nhiên" như đã trình bay ở phan trên.

3 PHAM VI NGHIÊN CỨU

Chủ đề Điện từ ở môn Khoa học tự nhiên lớp 9;

Các học cụ mô hình máy phát điện xoay chiều hiện có trên thị trưởng trong nước về

chủ đề Điện từ.

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu về các phần mềm

thiết kế, gia công; nghiên cứu các tải liệu chương trình, sách giáo khoa, phương pháp

day học va tài liệu về chủ đẻ Điện từ

Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: thu thập ý kiến từ giảng viên hướng dẫn, giảng viên trong trường, giáo viên ở các trường phỏ thông dé cập nhật và điêu chỉnh sản phẩm.

Phương pháp thực nghiệm: kiêm tra hoạt động, hiệu quả của học cụ.

5 ĐÓNG GOP CUA DE TAI

Kết quả nghiên cứu của dé tài sẽ góp phan phát triển nguôn thiết bị, dung cu day hoc

trong chủ dé Điện từ lớp 9 nói riêng và trong môn Khoa học tự nhiên nói chung Đồng

thời dé tài này sẽ là cơ sở cho các dé tải nghiên cứu vẻ thiết kế và chế tạo dụng cụ thí

nghiệm trong day học môn Khoa học tự nhiên ở tương lai Ngoài ra, dé tai còn mang ý nghĩa làm lôi cuỗn các giáo viên Khoa học tự nhiên về van đề chủ động, sáng tạo và làm chủ phương pháp, kế hoạch day học thông qua việc tự thiết kế và chế tạo dụng cụ thí

nghiệm cho môn học Qua đó đề tài đóng góp vào quá trình đôi mới, phát triển chương

trình giáo dục phô thông theo hướng mo.

6 CÁU TRÚC CỦA ĐÈ TÀI

Đề tài có cầu trúc gồm các nội dung sau:

Mở dau.

Chương | Tổng quan.

Chương 2 Thiết kế và chế tạo học cụ.

Chương 3 Kết quả nghiên cứu

Chương 4 Ung dụng mô hình máy phát điện xoay chiêu vào dạy chủ đề điện từ

của môn khoa học tự nhiên lớp 9.

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TONG QUAN

1.1 Cơ sở của việc thiết kế va chế tạo dung cu thí nghiệm sử dung trong day học

môn Khoa học tự nhiên

Khoa học tự nhiên có bản chất thực nghiệm Chính vì vậy, phương pháp dạy học sử

dụng thí nghiệm là đặc trưng của môn học này Sử dụng thí nghiệm giúp học sinh tiếp cận nội dung kiến thức một cách trực quan và sinh động, ngoài ra phương pháp nảy còn giúp học sinh phát trién các năng lực, phâm chat theo đúng định hướng đôi mới của giáo

dục hiện nay Từ đó học sinh có thê rèn luyện được tư duy va các kĩ năng dé vận dụng

được vao đời sống thực tế Day học sứ dụng thí nghiệm trong môn Khoa học tự nhiên

mang lại cho học sinh các giá trị nôi bật sau [1] [4] [7]:

1 Tính trực quan, sinh động: Thí nghiệm là phương tiện trực quan giúp học sinh

dễ dàng tiếp cận các lý thuyết trừu tượng thông qua việc quan sát trực tiếp các hiện

tượng hoặc các quá trình biến đôi khoa học Điều này giúp học sinh hình dung rõ hơn

vẻ lý thuyết, đồng thời còn giúp học xác định các van đề hay nhiệm vụ học tập trong

bài.

2 Kĩ năng thực hành: Thí nghiệm giúp rẻn luyện ki năng, kĩ xảo thực hanh của

học sinh: từ cách học sinh sử dụng dụng cụ, thực hiện các bước thí nghiệm, đến VIỆC

quan sát hiện tượng, ghi chép lại kết quả và cuối cùng là đưa ra kết luận Đây là những

kĩ nang không chỉ can thiết trong học tập ma còn rất quan trọng trong đời sông thực tế

3 Năng lực giải quyết vấn đề và tư duy khoa học: Thông qua thí nghiệm, học sinh

có cơ hội tìm hiểu, khám phá, đặt câu hỏi vả tìm kiếm câu trả lời Từ đó, hoạt động nhận

thức của học sinh tích cực hơn Điều này giúp học sinh rèn luyện tư duy khoa học và

phát trién năng lực giải quyết van đề một cách hiệu quả

4 Kết nói lý thuyết với thực tế: Thí nghiệm có vai trò là phương tiện đảm bảo tính

phù hợp giữa lý thuyết và thực tiễn Thông qua hoạt động thực hành, thí nghiệm, họcsinh có thê hiện thực hóa những kiến thức lý thuyết đã học dựa trên các thao tác thực

hành Điều nay góp phan làm cho những lý thuyết đơn thuần trở nên thiết thực và gần

gũi với thực tiền.

Bên cạnh các điểm nỗi bật trên, việc sử dụng thí nghiệm cần được bảo đảm an toàn.

Khi thực hiện thí nghiệm, việc đảm bảo an toàn cho học sinh là vô cùng quan trọng.

Giáo viên cần hướng dẫn học sinh cách sử dụng dụng cụ, hóa chất đúng cách, đồng thời giáo đục học sinh vẻ tầm quan trọng của việc tuân thủ các quy định an toàn trong thực

hành.

Một thứ không thẻ thiểu khi nói về phương pháp dạy học sử dụng thí nghiệm khi áp

dụng ở môn Khoa học tự nhiên đó là dụng cụ thí nghiệm Đây là các phương tiện ma

giáo viên sử dụng trong hoạt động dạy học, thí nghiệm Học sinh sẽ thực hiện thao tác

lên đó đề quan sát các hiện tượng các quá trình biến đôi dé ghi nhận lại kết quả và phân

tích các kết quá đó dé đưa ra những kết luận về nội dung kiến thức đang tìm hiểu Dựa

vao những dụng cụ thí nghiệm, giáo viên sẽ tô chức các hoạt động học phù hợp dé hoc

sinh thực hành nhằm đạt được thành phan năng lực tìm hiểu tự nhiên tương ứng Do đó,

khi giáo viên tự tạo ra một dụng cụ dạy học thí nghiệm không những phải nghiên cứu kĩ

về mục đích sử dụng trong bai giảng, ma còn phải hiểu biết về quy trình thiết kế và chếtạo ra nó, xác định được mục đích về tính năng mà sản phẩm phải đáp ứng được Ngoài

ra, giáo viên cần phải hiểu biết về các vật liệu được sử dụng trong quá trình thực hiện

chế tạo.

Trong quá trình thiết kế và chế tạo, ta cần chú ý những tiêu chí về sản phẩm dụng cụ

thí nghiệm [11]:

1 Các tiêu chí về mặt sư phạm: Dung lượng và chiều sâu của thông tin chứa đựng

trong học cụ phải phù hợp với chương trình môn Khoa học tự nhiên; dam bảo tính khoa

học và tính chính xác khi sử dụng; đảm báo tính trực quan; đáp ứng được các yêu cầu giáo dục tư tưởng, chỉnh trị, giáo dục lao động, giáo dục thâm mĩ; tạo ra được điều kiện thuận lợi để giáo viên sử dụng các phương pháp dạy học đa đạng và các hình thức dạy

học tiên tiền, nâng cao tính độc lập tự chủ, sáng tạo ở học sinh

2 Các tiêu chí về kinh tế - kĩ thuật - xã hội: Sử dụng vật liệu và quy trình kĩ thuật

tiễn bộ trong sản xuất, chế tao; đảm bao phù hợp với đặc điểm văn hóa, dân tộc; dam

bảo khởi động nhanh, tin cậy, bên chắc; đảm bảo tính thâm mi và kĩ thuật; đơn giản,

thuận tiện khi đóng gói, chuyên cho; giá thành hợp lí.

3 Các tiêu chí về khoa học lao động: Phù hợp về kích thước, hình dáng, trọnglượng, điện tích làm việc đối với đặc điểm chức năng và tam vóc của giáo viên va học

sinh; đảm bảo an toàn và vệ sinh khi sử dụng: sử dụng đơn giản, thuận tiện, dé lắp rap,

điều chỉnh, bật tắt, kiểm tra, theo dõi vận hành; dé đọc, dễ nhận ra các đôi tượng, việc

sắp xếp các đối tượng, mảu sắc của phông nên, độ tương phản, độ nét của các chữ cái

v.v tất cả đều phải thích hợp.

Những yêu tô trên tạo nên cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo dụng cụ thí nghiệm sử

dung trong day học môn Khoa học tự nhiên.

1.2 Tông quan các mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học đã

có trên thị trường trong nước

Một số bộ thí nghiệm mô hình máy phát điện xoay chiêu đùng trong đạy học đã có

trên thị trường như:

- Mô hình máy phát điện 1 chiều, 2 chiều của thương hiệu VIETVALUE (Hình

1.1) với mức giá 609.000 đồng.

Hình 1.1 Mô hình máy phát điện 1 chiều, 2 chiều của thương hiệu VIETVALUE [8].

- Bộ thí nghiệm động cơ điện - may phát điện mini MSS9 (Hình 1.2) có giá

850.000 đông.

Hình 1.2 Dong cơ điện - máy phát điện mini MS59 [6].

- Bộ mô hình máy phát điện xoay chiều quan sát của VIETVALUE (Hình 1.3) có giá 1.090.000 đông.

a

“4084 v9

9941917 +34

Hình 1.3 Mô hình máy phát điện xoay chiều quan sát của VIETVALUE [9]

Các mô hình máy phát điện này đều đảm bảo tốt các yêu cầu cần đạt trong chủ đề

điện từ môn Khoa học tự nhiên 9 Ngoài ra, chúng có thẻ linh hoạt tạo ra được đòng điện

xoay chiều hay dong điện một chiều thy vào cau hình mà ta chọn ở bộ góp điện Bên

cạnh các điểm mạnh kẻ trên, các mô hình này có kích thước và trọng lượng tương đối lớn cùng với việc giá thanh của mỗi bộ sản phâm Ia khá cao.

CHƯƠNG 2: THIET KE VÀ CHE TẠO HỌC CỤ

2.1 Cơ sở thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử

dung trong day học chủ đề điện từ của môn Khoa học tự nhiên

Trong nội dung đề tài này, tôi sẽ thực thiết kế và chế tạo một mô hình máy phát điện xoay chiều với mục tiêu đảm bảo được việc ứng dụng học cụ vào dạy học thí nghiệm chủ dé Điện từ môn Khoa học tự nhiên 9 Một số tiêu chí của mô hình cần đặt ra trước

khi thực hiện dé tài đó lả: học cụ có giá dé tiếp cận hơn những mô hình đã có trên thị

trường: có tính thâm mỹ đạt mức khá trở lên; nhỏ gọn và để dàng mang theo; thao tác

thực hiện đơn giản và để học cách sử dụng: có sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường

va có thé sử dụng lâu dài; dé dang quan sát được hoạt động và hiện tượng khi thực hiện

thí nghiệm Đó là các tiêu chí đề tôi dựa vào nhằm lựa chọn các dụng cụ (vật liệu) và

thiết kế chế tạo mô hình

2.2 Dụng cụ (vật liệu)

Bảng 2.1 thẻ hiện các chỉ tiết/bộ phận của học cụ được mua hoặc tận dụng và xử lí từ

những đồ đã có sẵn

Bảng 2.1 Vật liệu — giá thành của các chỉ tiết trong học cụ

Tên chỉ tiết Vật liệu

Dau kep ca sauLõi sắt của khung dây

2.3 Thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều

2.3.1 Công cụ vẽ sứ dụng trong thiết kế

Dầu tiên, ta sử dụng công cụ paint được tích hợp sẵn trên Windows để vẽ phácthảo ý tưởng sơ khai về học cụ (Hình 2.1)

Đề có thé hoàn thiện việc thiết kế cấu tạo tổng quan của học cụ và thực hiện việc chỉ tiết hóa bộ phận/chỉ tiết cấu tạo nên mô hình máy phát điện thì chúng ta cần sử dụng các phan mém vẽ 3D như Solidworks và Tinkercad.

Hai dén led mắc song song \ Trục quay

Nam cham

Hình 2.1 Phác thảo sơ lược về Ý tương thiết ké học eu trên Paint

2.3.2 Hình dạng và cầu tạo chung của mô hình Hình dang và cau tạo chung của học cụ được vẽ trên phần mềm Solidworks như

song song ngược Cực hai vành khuyên và

hai chéi quét dé dan

Hình 2.2 Mô ta hình dang va cầu tạo chung của học cụ

2.3.3 Thiết kế các chỉ tiết cụ thể của mô hình

Các chi tiết cụ thé được vẽ bằng phần mềm Tinkercad như sau:

- Đầu tiên là việc thiết kế hộp mica (Hình 2.3) gồm các chỉ tiết nhỏ:

+ Mat trên/dưới được vẽ như Hình 2.4.

+ Mặt bên được vẽ như Hình 2.5.

+ Mat bên có hai lỗ di dây ra từ chéi quét được vẽ như Hình 2.6.

+ Mặt trước/sau được vẽ như Hình 2.7.

Mỗi tam nhỏ đều có các khớp gai với kích thước là 5x5x10 mm Việc thiết

kế hộp mica cần phải chú ý về bề rộng của hộp vừa phải, để khi lắp hai nam châm ở hai

mặt bên sẽ tạo ra được khoảng cách thích hợp giữa mặt trong của hai nam châm với khung quay trong quá trình quay Khoảng cách nay được xem là tôt khi nó lớn hơn vừa

đủ so với đường chéo của khung quay dé không xảy ra va chạm trong quá trình hoạt

động Diệu này có lợi ích khác là tạo ra được từ trường mạnh cho học cụ (hai nam châm

đặt khác cực càng gần thì từ trường tạo ra giữa chúng càng lớn)

Hình 2.3 Hộp mica 3D có kích thước 154x108x130 mm.

Hình 2.4 Mat trên/dưới 3D có kích thước 154x108x5 mim.

- Khung quay được thiết kế như Hình 2.8 Dé ghép được hai nửa khung quay lại

với nhau tôi đã dùng một khung sắt (Hình 2.9), ta khoét lỗ mặt trên và dưới cùng tiếtđiện với khung quay hoan chỉnh Ngoài ra, lỗi sắt còn có tác dụng làm tăng từ trường

xung quanh cuộn dây.

Hình 2.8 Khung quay 3D được ghép từ hai nữa.

Hình 2.9 Khung sat/léi sắt của khung đây.

- Hai chân cài thanh quét (Hình 2.10) dé cỗ định và kéo căng hai thanh quét

nhằm lam tăng sự tiếp xúc giữa hai thanh quét và hai vành khuyên, từ đó làm tăng hiệu

quả sản sinh dòng điện cảm ứng ra ngoài.

Hình 2.10 Chân cài thanh quét 3D.

- Bao trục (Hình 2.11) được thiết kế với dạng hình trụ có đường kính lỗ trong3mm vừa vừa trục quay, mặt ngoài có hai rãnh dé đi đầu cuộn dây và đuôi cuộn đây qua

đó Hai vành khuyên lúc này được ghép với hai đầu của bao trục và tiếp xúc được với

day dẫn của cuộn dây.

Hình 2.11 Bao trục nối vành khuyên 3D.

2.4 Chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều

2.4.1 Thiết bị chế tạo và gia công các chỉ tiết của mô hình

Đề thực hiện chế tạo được các chỉ tiết của mô hình máy phát điện xoay chiều, chúng ta can sử dụng phan mềm Ultimaker Cura để kết nói với máy in 3D và thực hiện

in các chỉ tiết này Bên cạnh đó, đề chế tạo được hộp mica — khung đỡ của mô hình,

chúng ta phải sử dụng phan mềm Lightburn dé kết nối với máy cắt laser CO; và thực

hiện việc cắt tạo hình cho các mặt của bộ khung học cụ

Ngoài ra, quá trình chế tao và gia công hết tat cả các chỉ tiết của mô hình cân phải

sử dụng thêm các dụng cụ kĩ thuật khác có thê kê đến như: máy han chi; súng bắn keo:

2.4.2 Quá trình chế tạo, gia công các chỉ tiết của mô hình Quá trình chế tao và gia công các chỉ tiết dién ra như sau:

- Cất laser dé tạo nên hộp khung của học cụ (Hình 2.12 và 2.13)

Hình 2.12 Sứ dung phan mém light burn và máy cắt laser CO› để tạo hộp.

Hình 2.13 Sản phẩm hộp mica trong suốt đã được ráp.

Hình 2.14 Hệ thống trục quay, khung quay và cuộn đây.

- Ghép hai nửa của khung quay vào lõi sắt tạo thành khung quay, sau đó dùngtrục quay xuyên qua hai lỗ ở hai đầu khung quay Từ đây, ta quân 460 vòng đây đồng

có đường kính 0,2 mm (300g) dé được cấu tạo như Hình 2.14

- Sau khi in bao trục xong, ta gắn 2 vành khuyên (được làm từ ông đồng dẫn khícủa máy lạnh) vào hai đầu của nó (Hình 2.15) Chú ý rằng cần phải ngăn cách hai vànhkhuyên bằng một vòng nhựa để khi các thanh quét tiếp xúc với vành khuyên trong lúcquay có thé bị xê dịch nhưng không chạm nhằm qua vành khuyên khác

Hình 2.15 Hai vành khuyên gắn lên bao trục và được ngăn cách nhau

- Khi bộ 2 chân cải của bộ phận quét được in xong, ta dan chang xuống mặt trêncủa miếng đáy hộp bằng súng bắn keo Sau đó, ta thực hiện chế tạo bộ phận quét vànhkhuyên băng vật liệu vỏ lon và lò xo bút bi Tiếp theo, chúng ta cô định bộ quét vào

chân cài sao cho sự tiếp xúc giữa bộ quét và vành khuyên là tốt nhất nhằm tăng hiệu quảdẫn điện ra ngoài Lò xo ở đây có tác dụng tạo lực đàn hdi kéo phan chối quét tiếp xúc

trực tiếp với vành khuyên xuống đề tăng hiệu quả tiếp xúc, tăng tính dẫn điện Bên cạnh

đó, lò xo còn đóng vai trò là vật dẫn điện liên kết giữa phần trên và dưới của bộ quét

Quá trình thực hiện này cho ra sản phâm bộ góp điện như Hình 2.16.

Hình 2.17 Hình dang và cau tạo của tay quay.

Hình 2.18 thé hiện một số hình ảnh của các phiên bản đầu tiên của học cụ Những

phiên bản nảy có các nhược điểm như:

- Có tính thảm mi chưa tốt và chưa có sự gọn gàng trong việc đi day

- Hoạt động quay của khung quay và hệ thông trục quay chưa đồng bộ vì khungquay được in từ nhựa còn trục quay thì lại làm bằng thép nên khả năng ma sát giữa

chúng chưa tốt.

- Bộ phận quét vành khuyên có dạng nguyên miếng thăng đứng được quanquanh vành khuyên và dùng đây rút để buộc lại Khi đó, sự tiếp xúc giữa bộ phận quét

và vành khuyên không tốt, làm ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn điện ra ngoài của học cụ.

- Trong quá trình quay, trục quay bị xê dịch dọc theo phương của nó do lúc này

những bộ phận quay bên trong mô hình được đệm bằng một lò lò xo nhỏ nhằm ngăn

cách với mặt trước và sau của hộp mica Điều nảy có mục đích hạn chế việc xê địch trong quá trình quay làm giảm kha năng tiếp xúc giữa bộ phận quét và vành khuyên.

Tuy nhiên, vì 2 lò xo này có tính dan hoi nên mục đích trên không đạt được hiệu quả

Nhận xét: học cụ vẫn có khả năng phát điện tuy nhiên hiệu quả của nó không được

ôn định và phải thực hiện quay rất nhanh Kết quả nay do các nhược điểm kẻ trên.

a) Học cụ ở góc nhìn từ phải sáng trai b) Đèn chi sáng khi ta thực hiện quay nhanh.

c) Lỗi bị xoay giữa trục quay và khung quay d) Tỉnh thẩm mĩ chưa tốt của học cụ

Đề khắc phục các nhược điểm trên nhằm hoàn thiện chất lượng học cụ, trong qua

trình lắp ráp tôi đã có những thay đôi, xử lí các bộ phận đang gặp van đề Đó là:

- Cắt bớt dây dẫn điện ra ngoài sao cho phần còn lại vừa đủ và gọn gàng Loại

bỏ những phần tiết thừa như bong bóng bọc nam châm, keo thừa,

- Sử dụng keo 502 và một ít xốp mút dé tạo sự kết dính tốt giữa trục quay va khung dây Việc này giúp chuyển động quay của khung đây và trục quay đồng bộ nhau.

- Cắt bỏ phan giữa của thanh quét cũ và thay thé bằng một lò xo bút bi dé kết

nói giữa phần quét vành khuyên ở trên và phan cài vào chân cài ở đưới Việc này giúp

tăng sự tiếp xúc giữa bộ phận quét và vành khuyên (lợi dụng tính đàn hôi của 16 xo) từ

đó làm tăng hiệu quả dẫn điện ra ngoài.

- Thay thé hai lò xo ở đầu và cudi trục quay bằng hai ống nhựa có chiều đàitương ứng được lay từ vỏ của bút hết mực Do vật liệu này không có tính đàn hồi nên

trong quá trình quay: trục quay mang khung quay và bộ 2 hai vành khuyên hạn chế được

sự xê dịch theo phương của trục Từ đó cải thiện được việc tiếp xúc của bộ phận quét và

vành khuyên, làm tăng hiệu quả sinh ra dòng điện.

- Bên cạnh những cải tiền trên, chúng ta cần tăng cường từ trường của học cụbằng cách lắp thêm hai nam châm đen ở hai bên Việc làm này giúp tạo ra từ trường lớnhơn va tăng số lượng đường sức từ xung quanh cuộn day của học cụ Từ đó mô hình

máy phát điện có thẻ tạo ra dòng điện với suất điện động cảm ứng lớn hơn, dẫn đến

người sử dụng có thé quan sát hiện tượng dé dang hơn mà không cần phải quay thật

nhanh như các phiên bản trước.

Hình 2.19 Một số hình ảnh mới nhất về học cụ mô hình máy phát điện xoay chiếu.

a) Bộ góp điện sau khi cải tiền b) Học cụ ở góc nhìn từ trên xuong c) Học cụ ở gác nhìn từ bên phải sang trái d) Học cụ ở góc nhìn từ trái sang phải.

CHƯƠNG 3: KÉT QUÁ NGHIÊN CỨU

3.1 Nguyên lý hoạt động

Học cụ mô hình máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng

điện từ Khi tay quay chuyên động, lúc nay trục quay và cuộn day dan được quan trên khung dây cũng chuyên động quay quanh từ trường do hai nam châm tạo ra Do đó, các đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dây biến thiên liên tục và sinh ra dòng điện cảm ứng luân phiên đồi chiều - dòng điện xoay chiều.

Ứng với mỗi chuyên động quay của cuộn dây ở các vị trí khác nhau, dòng điện cảm

ứng được tạo ra sẽ có chiêu khác nhau Trong quá trình cuộn đây thực hiện 1 vòng quay360° theo cùng chiều kim đồng hồ từ vị trí chuan bị chuyên động quay của nó bao gồm

4 giai đoạn và mỗi giai đoạn sẽ diễn ra với góc quay là 90° Dé giải thích cụ thé chiều

của déng điện cảm ứng sinh ra ở mỗi giai đoạn quay khác nhau, ta quy ước: vị trí Ốc của

tay quay được đánh dấu chấm đỏ là điểm khảo sát dé ta theo đối chuyên động của cuộn

đây Tại vị tri chuẩn bị: điểm khảo sát ở hướng 3 giờ trên đồng hồ, với điêu kiện khi

quan sắt theo phương thang đứng chiều từ trên xuống thì khung quay phải có các mũi

tên chỉ chiên quan day của cuốn day.

b)

Hình 3.1 a) Vị trí chuẩn bị là cham đó ở hướng 3 giờ b) Sơ đô thể hiện một vòng quay

360° theo cùng chiêu kim dong hé của khung dây quanh từ trường của hai nam châm.

+ Quá trình 1: Trong quá trình điểm khảo sát chuyển động quay từ điểm 3 giờ đến

diém 6 giờ theo chiêu kim đồng hồ, cuộn dây cũng quay theo chiều nay Số đường sức

từ do từ trường của hai nam châm tạo ra ( có chiều từ phải sang trái) xuyên qua tiết

điện của cuộn đây tăng dan trong quá trình quay Theo định luật Lenzt, lúc nảy trong

cuộn đây xuất hiện dong điện cảm ứng (/-) sao cho từ trường mà nó sinh ra (2) chống

lại nguyên nhân sinh ra nó, ma nguyên nhân đó là do số đường sức từ của B Xuyên qua

tiết điện của cuộn day tăng lên, tức là /„ phải có các đường sức từ hướng về phía ngược

lại (từ trái qua phải) đẻ chống lại từ trường của B gây ra Dựa vào chiều của các đường

sức của Bẹ và sử dụng quy tắc nắm tay phải ta dé dàng xác định được dấu của các cực

của nguồn điện tại 2 đầu cuộn day đề nó có thé cho chiều dòng điện cảm ứng cần thiết.

Dòng điện này có chiều ngược lại so với chiêu quần đây trong cuộn dây, nó chạy từ đuôi

cuộn day đến dau cuộn dây Mà đầu cuộn dây được nỗi với vành khuyên trong, đuôi

cuộn day được nối với vành khuyên ngoài Do đó trong giai đoạn quay từ vị trí chuẩn

bị (3 giờ) đến vị tri 6 giờ theo chiều kim đông hồ (quá trình 1) thì dong điện cảm ứng

chạy từ vành khuyên ngoài qua các thiết bị điện khác rồi về lại vành khuyên trong (khi

mạch kín) Nói đơn giản thi lúc này vành khuyên ngoài là cực dương, vành khuyên trong

là cực âm Vậy nếu ta mắc hai đèn led song song ngược cực nhau, theo quy ước: Vành

khuyên ngoài (dẫn điện ra bằng đây đỏ) nôi với: cực đương đèn xanh và cực âm đèn đỏ

Vành khuyên trong (dan điện ra bằng đây đen) nỗi với: cực âm đèn xanh và cực đương

đèn đỏ thì trong quá trình tay quay từ vị trí chuân bị (3 giờ) đến điểm 6 giờ theo chiềukim đồng hồ sẽ có hiện tượng đèn xanh sáng còn đèn đỏ thì không sáng Qua day, ta có

thẻ giải thích được chi tiết tại sao ở thí nghiệm | trong kế hoạch bài day minh họa bên

dưới lại có cách chuẩn bị và có hiện tượng như vậy.

Hình 3.2 Giải thích nguyén lí tạo ra dong điện cảm ứng ở giai đoạn Ì.

Quy tắc nắm tay phải được dùng dé xác định chiều của đòng điện khi biết chiều của các đường sức từ đối với cuộn day dan (Hình 3.3) phát biêu như sau: Nắm bản tay phải

sao cho chiều từ mu bàn tay đến các ngón tay chỉ chiều các đường sức từ, lúc này ngón

cái choãi ra 90° chỉ chiều của dong điện [5]

Chiều các đường sức từ

B

^

Chiều dòng điện

Hình 3.3 Quy tắc nắm tay phải.

+ Quá trình 2: Khi ta quay điểm khảo sát từ vị trí 6 giờ đến vị trí 9 giờ theo chiều

kim đông hé, cuộn day cũng quay theo chiều nảy Số đường sức từ do từ trường của hai

nam châm tạo ra (Z có chiều từ trái sang phải) xuyên qua tiết điện của cuộn đây giảm

dan trong quá trình quay Theo định luật Lenzt, lúc nay trong cuộn day xuất hiện dòng