Sử dụng bài tập đồ thị vào bài học ôn tập chơng Cảm ứng điện từ ở lớp 11THPT Phạm Xuân Thiệu CH16 PPGD Vật lý Khoa sau đại học 1. Đặt vấn đề Ôn tập là một khâu không thể thiếu trong quá trình dạy học. Ôn tập là quá trình củng cố kiến thức thêm vững chắc, lâu bền trong trí nhớ học sinh, để các em có thể vận dụng vào giải bài tập hoặc ứng dụng trong thực tế đời sống, là cơ sở để học sinh tiếp thu kiến thức mới. Ôn tập còn giúp học sinh đào sâu mở rộng, hệ thống hóa kiến thức trên cơ sở đó từng b ớc hoàn thiện kiến thức và kỹ năng của mình. Để việc ôn tập cho học sinh đạt kết quả đòi hỏi giáo viên phải biết lựa chọn các phơng pháp, các bài tập thích hợp, hớng dẫn học sinh ôn tập. Tùy theo nội dung của chơng trình, mục tiêu đào tạo và những yêu cầu cụ thể mà vận dụng những hình thức ôn tập khác nhau. Trong chơng cảm ứng điện từ chúng ta cũng có thể biểu diễn các đại l- ợng bằng đồ thị, thông qua đồ thị có thể rút ra mối quan hệ hữu cơ giữa các đại lợng, mặt khác cũng thấy đợc ý nghĩa vật lý của các đại lợng đó. Phần lớn học sinh quen với việc biểu diễn các đại lợng bằng các công thức còn bằng đồ thị thì cha thành thạo và cách đọc đồ thị cũng cha chính xác. Vì vậy ở chơng này giáo viên có thể dùng bài tập đồ thị trong tiết ôn tập. 2. Một số bài tập đồ thị sử dụng trong tiết ôn tập chơng cảm ứng điện từ trong SGK vật lý 11 Loại 1: Cho dạng đồ thị, yêu cầu mô tả hiện tợng xảy ra trong mạch, xác định chiều dòng điện cảm ứng, tính các đại lợng đặc trng Với lọai bài tập này học sinh phải nhớ đợc điều kiện xảy ra hiện tợng cảm ứng, các công thức xác định từ thông, suất điện động cảm ứng. Ví dụ 1: Một khung dây dẫn hình vuông cạnh a, điện trở R đợc đặt trong từ trờng đều (hình 1). Gọi là từ thông gửi qua diện tích giới hạn của khung dây. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của theo thời gian nh hình vẽ (hình2). Cho biết: t 1 = 0,1s, t 2 = 0,2s, t 3 = 0,3s, a = 10cm, R = 5, 1 = 1Wb, 2 = 2Wb a. Căn cứ vào đồ thị cho biết hiện tợng cảm ứng điện từ xảy ra trong khoảng thời gian nào? Xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch? 1 A B C D + B (Wb) 2 1 0 t 1 t 2 t 3 t(s) Hỡnh 1 Hỡnh 2 I(A) t(10 -3 s) 4030 20 100 Hình 3 -1 1 b. Giã sử nguyên nhân của sự biến thiên của là do sự biến đổi của cảm ứng từ B. Xác định độ biến thiên của cảm ứng từ của từ trờng trong khoảng thời gian từ t 2 đến t 3 . c. Xác định cờng độ dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch trong khoảng thời gian từ t 2 đến t 3 . Giải: a. - Trong khoảng thời gian từ 0 đến t 1 từ thông tăng đều từ 0 đến giá trị 1 , trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Từ trờng do dòng điện cảm ứng sinh ra ngợc chiều với từ trờng ban đầu do đó dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch phải có chiều từ B đến A. - Từ t 1 đến t 2 từ thông qua mạch không đổi, không có dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch. - Từ t 2 đến t 3 từ thông qua mạch giảm đều từ 2 về 1 , trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng, cảm ứng từ do dòng điện cảm ứng sinh ra phải có chiều cùng chiều với từ trờng ban đầu do đó chiều dòng điện cảm ứng là từ A đến B. b. Ta giả sử véctơ n cùng chiều với véctơ B diện tích khung dây S = a 2 = 100cm 2 = 10 -2 m 2 Độ biến thiên cảm ứng từ là: )(10 2 21 T S B = = Dấu - chứng tỏ cảm ứng từ của từ trờng giảm. c. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch V t e 10= = Cờng độ dòng cảm ứng xuất hiện trong mạch là A R e I 2== . Ví dụ 2: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên theo thời gian của cờng độ dòng điện I chạy qua một ống dây nh hình3 (Giá trị âm của I là dòng điện trong ống có chiều ngợc lại). ống dây có độ tự cảm L = 20mH. Dựa vào đồ thị khảo sát hiện t- ợng tự cảm xuất hiện trong ống dây. Xác định suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây trong khoảng thời gian từ 10.10 -3 s đến 20.10 -3 s? Giải: Trong các khoảng thời gian từ 0 đến 10.10 -3 s và 20.10 -3 s đến 30.10 -3 s cờng độ dòng điện qua ống dây không đổi, trong mạch không xảy ra hiện t- ợng tự cảm, e c = 0. 2 B(T) 4 0 2 4 6 8 10 12 t(10 -2 )s Hình 4 Trong các khoảng thời gian từ 10.10 -3 s đến 20.10 -3 s và 30.10 -3 s đến 40.10 -3 s cờng độ dòng điện qua ống dây biến thiên do đó trong mạch xuất hiện dòng điện tự cảm. - Suất điện động tự cảm V t I Le c 4= = . Loại 2. Cho dạng đồ thị của một đại lợng nào đó, yêu cầu xác định các đại lợng khác, vẽ đồ thị các đại lợng khác Ví dụ 3: Một khung dây hình vuông cạnh 0,2m đặt trong từ trờng. Véctơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Cảm ứng từ của từ trờng biến thiên theo thời gian đợc biểu diễn bằng đồ thị nh hình vẽ. Dựa vào đồ thị biểu diễn sự biến thiên của từ thông gửi qua tiết diện khung dây, biến thiên của Sđđ cảm ứng xuất hiện trong khung dây theo thời gian. Giải: - Giả thiết véctơ pháp tuyến n của mp khung dây cùng chiều với véctơ B - Tiết diện của khung dây là S = 4. 10 -2 m 2 . - ở thời điểm t 1 = 0 từ thông 1 = 0, ở thời điểm t 2 =2.10 -2 s từ thông = B.S = 16.10 -2 Wb. Trong hoảng thời gian từ t 1 đến t 2 cảm ứng từ tăng đều từ giá trị 0 đến B = 4T do đó từ thông tăng đều từ 0 đến , suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung là V t e 8 10.2 10.16 2 2 == = Trong khoảng thời gian từ t 2 = 2.10 -2 s đến t 3 = 4.10 -2 s cảm ứng từ không đổi do đó từ thông không thay đổi, bằng 0,16Wb. Suất điện động cảm ứng trong mạch e = 0 (Hiện tợng cảm ứng điện từ không xảy ra) Trong khoảng thời gian từ t 3 = 4.10 -2 s đến t 4 = 6.10 -2 s cảm ứng từ giảm đều từ giá trị B = 4T về 0 do đó từ thông giảm đều từ về 0. Lúc này dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch nhng đổi chiều do đó suất điện động e = - 8V. Trong khoảng thời gian từ t 4 = 6.10 -2 s đến t 3 = 8.10 -2 s cảm ứng từ không đổi do đó từ thông không thay đổi, bằng 0. Do đó Sđđ e = 0. Sau đó sự biến thiên của từ thông, của suất điện động lại lặp lại nh cũ. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của chúng nh hình vẽ 3 Đề xuất: - thông qua bài tập này chúng ta thấy rằng có thể cho đồ thị của từ thông yêu cầu vẽ đồ thị của suất điện động cảm ứng hoặc ngợc lại. - Có thể cho đồ thị biểu diễn sự biến thiên của cảm ứng từ qua khung dây yêu cầu học sinh nhận xét hiện tợng cảm ứng từ xãy ra khi nào. Ví dụ 4: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên theo thời gian của cờng độ dòng điện I chạy qua ống dây nh hình 7. Độ tự cảm của ống dây là L = 0,2H. Dựa vào đồ thị trên hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự biến thiên theo thời gian của suất điện động tự cảm trong ống dây? Giải: từ 0 đến 4s dòng điện chạy trong ống dây tăng đều từ 0 đến 4A, trong ống dây xuất hiện dòng điện tự cảm, Sđđ tự cảm V t I Le c 2,0= = . Trong khoảng thời gian từ 4s đến 6s dòng điện trong ống không đổi, e c = 0 (hiện tợng tựu cảm không xãy ra). Trong khoảng từ 6s đến 8s dòng điện chạy trong ống dây giảm đều từ 4A về 0, trong ống dây xuất hiện dòng điện tự cảm nhng đổi chiều, do đó Suất điện động tự cảm có giá trị âm e c = -0,4V. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của suất điện động tự cảm nh hinh 8 3. Kết luận: Qua một số bài tập trên đây chúng ta thấy rằng bài tập đồ thị củng rất đa dạng, quan trọng trong dạy học, việc chọn bài tập nào trong tiết ôn tập để giúp học sinh hệ thống, khắc sâu đợc kiến thức của phần đó, chơng đó là nghệ thuật của mỗi giáo viên. Ngoài những bài tập tinh toán thông th- ờng, giáo viên cũng nên quan tâm đến mảng bài tập đồ thị, vì ở một số phần, t(10 -2 ) (Wb) 16.10 - 2 0 2 4 8 10 126 t(10 -2 ) 0 2 4 8 10 12 6 e(v) Hình 5: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của từ thông theo thời gian Hình 6: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của Sđđ theo thời gian 4 Hình 7 I(A) 4 0 2 4 86 t(s) t(s) 0 2 4 86 e(v) 0,2 -0,4 Hình8 chơng bài tập đồ thị cũng có những đóng góp nhất định trong việc hình thành, củng cố và mở rộng kiến thức cho học sinh. Trong giới hạn bài nay chỉ xét đến việc sử dụng bài tập đồ thị trong chơng Cảm ứng điện từ ở lớp 11THPT Tài liệu tham khảo 1. Lơng Duyên Bình (chủ biên), Vật lý 11, NXB giáo dục (2007) 2. Lơng Duyên Bình (chủ biên), Bài tập vật lý 11, NXB giáo dục (2007) 3. Vũ Thanh Khiết (chủ biên), Bài tập vật lý 11,NXB Giáo dục (2000) 4. Lơng Duyên Bình (chủ biên), Sách giáo viên vật lý 11, NXB giáo dục (2007) 5. Vũ Thanh Khiết Vũ Quang, Tài liệu giáo khoa chuyên vật lý (vật lý 11) NXB Giáo dục 6. Bùi Quang Hân (chủ biên), Giải toán vật lý 11 (tập 1), NXB Giáo dục (2000) 7. Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), Bài tập vật lý 11 nâng cao, NXB Giáo dục, (2000) 5 . điện động cảm ứng trong mạch e = 0 (Hiện tợng cảm ứng điện từ không xảy ra) Trong khoảng thời gian từ t 3 = 4.10 -2 s đến t 4 = 6.10 -2 s cảm ứng từ giảm đều từ giá trị B = 4T về 0 do đó từ. t 3 từ thông qua mạch giảm đều từ 2 về 1 , trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng, cảm ứng từ do dòng điện cảm ứng sinh ra phải có chiều cùng chiều với từ trờng ban đầu do đó chiều dòng điện. biến đổi của cảm ứng từ B. Xác định độ biến thiên của cảm ứng từ của từ trờng trong khoảng thời gian từ t 2 đến t 3 . c. Xác định cờng độ dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch trong khoảng