tài liệu vật lý 11 chuyên bắc giang

Nghiên cứu hoạt động tư duy của HS trong quá trình giải BTVL, từ đó sử dụng cách phân loại BTVL từ đơn giản đến phức tạp, theo các cấp độ : Bài tập cơ bản, bài tập dành cho học sinh khá,

Mục lục Trang

Phần mở đầu

1 Lí do chọn đề tài 2

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Giả thuyết khoa học 3

5 Đối tượng nghiên cứu 3

6 Phương pháp nghiên cứu 3

Phần nội dung: Chương 1: Lí luận về bài tập Vật lí 4

Chương 2: Xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập phần Từ trường lớp 11 THPT trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi 15

Chủ đề 1: Xác định cảm ứng từ của dòng điện 15

Chủ đề 2: Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện 40

Chủ đề 3: Lực Lorentz 64

Chủ đề 4: Cảm ứng điện từ 110

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm 174

Phần kết luận 179

Tài liệu tham khảo 181

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhân loại đang ở thế kỷ XXI - thế kỷ mà tri thức, kĩ năng của con người được coi là yếu tố quyết định sự phát triển xã hội Những phẩm chất và năng lực về tính tự lực, tính tích cực hoạt động, sự tư duy sáng tạo của con người cần phải được rèn luyện và bồi dưỡng ngay từ khi còn học ở trường phổ thông

Để đáp ứng mục tiêu này, trong những năm qua, nền giáo dục nước ta có nhiều đổi mới: từ đổi mới chương trình, đổi mới sách giáo khoa, đến đổi mới phương pháp giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng giáo dục

Trong dạy học vật lí, có thể nâng cao chất lượng học tập và phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS bằng nhiều biện pháp, phương pháp khác nhau Thuộc

số đó, phương pháp tư duy giải bài tập vật lí (BTVL) là một phương pháp dạy học

có tác dụng tích cực đến việc giáo dục và phát triển HS, đồng thời cũng là thước đo đánh giá thực chất sự nắm vững kiến thức, kĩ năng vật lí của họ

Mặt khác, số lượng bài tập trong sách giáo khoa và trong các sách bài tập, tài liệu nâng cao là rất nhiều Điều này gây khó khăn cho nhiều GV trong việc lựa chọn bài tập ra cho HS Vì vậy, cần phải có một sự lựa chọn, phân loại, sắp xếp lại các bài tập theo một hệ thống tối ưu phù hợp với chương trình cải cách giáo dục mới và thời gian dành cho HS ở lớp học cũng như ở nhà

Hơn nữa, trong các công trình đã có về BTVL gần như chưa có công trình nào nghiên cứu việc xây dựng phương pháp giải hệ thống bài tập nâng cao nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi trong các kì thi HSG tỉnh, HSG Quốc gia và ôn thi đại học – cao đẳng

Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi chọn đề tài :

“ Biên soạn tài liệu bồi dưỡng HSG và ôn thi đại học, cao đẳng góp phần nâng cao chất lượng dạy và học phần Từ trường trong chương trình vật lý THPT ’’

nhằm giúp HS nắm vững kiến thức cơ bản và phát triển năng lực tư duy vật lý để

chủ động, tự lực giải quyết vấn đề

2 Mục đích nghiên cứu

Phân loại và xây dựng một cách thích hợp hệ thống bài tập phần Từ trường ” trong chương trình Vật lý phổ thông từ đó đưa ra phương pháp giải nhằm phát huy tính tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi, ôn thi đại học – cao đẳng

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

3.1 Nghiên cứu hoạt động tư duy của HS trong quá trình giải BTVL, từ đó sử dụng cách phân loại BTVL từ đơn giản đến phức tạp, theo các cấp độ : Bài tập cơ bản, bài tập dành cho học sinh khá, giỏi, bài tập dành cho học sinh giỏi; chia làm nhiều dạng : loại bài tập về Cơ – Từ, Điện - Từ, bài tập thực nghiệm và cách hướng dẫn

HS tìm lời giải BTVL có hiệu quả

3.2 Điều tra cơ bản tình hình dạy học về bài tập phần từ trường ở lớp 11 THPT 3.3 Xác định một hệ thống bài tập phần từ trường giúp HS thông qua giải nó mà nắm vững kiến thức cơ bản, rèn luyện được kĩ năng, kĩ xảo giải BTVL và phát triển được năng lực giải quyết vấn đề

3.4 Đề ra cách sử dụng hệ thống bài tập phần từ trường trong hai loại tiết học phổ biến về vật lí: nghiên cứu tài liệu mới, luyện tập giải bài tập

3.5 Thực nghiệm sư phạm nghiên cứu hiệu quả của nội dung hệ thống bài tập, của những đề xuất về việc sử dụng nó và của việc hướng dẫn HS giải BTVL theo các

sơ đồ định hướng trong quá trình dạy học phần từ trường Đối chiếu kết qủa thực nghiệm với kết quả điều tra ban đầu, rút ra kết luận khả năng sử dụng hệ thống bài tập trong việc bồi dưỡpg học sinh giỏi ở các trường THPT

4 Giả thuyết khoa học

Khi dạy học phần từ trường lớp 11 THPT, nếu GV lựa chọn được hệ thống bài tập thích hợp, đưa ra được phương pháp giải chung, khái quát và coi trọng việc hướng dẫn HS tự lực, tích cực hoạt động tư duy trong quá trình giải BTVL thì chất lượng nắm vững kiến thức cơ bản của HS được nâng cao, đồng thời góp phần phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho họ

5 Đối tượng nghiên cứu

5.1 Hoạt động của HS khá, giỏi trong khi giải BTVL, của GV trong việc hướng dẫn hoạt động ấy

5.2 Hệ thống bài tập và phương pháp giải bài tập phần từ trường lớp 11 THPT

6 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng là phân tích lí luận, nghiên cứu thực tiễn (điều tra, phỏng vấn), thực nghiệm sư phạm kết hợp các phương pháp khác, như điều tra cơ bản bằng kiểm tra viết, quan sát, trò chuyện

Để đưa ra cách phân loại BTVL dựa vào hoạt động tư duy của HS trong quá trình tự lực giải quyết vấn đề và cách GV hướng dẫn họ giải bài tập, đề tài đã nghiên cứu những cơ sở lí luận về BTVL Đồng thời, qua điều tra thực trạng nắm vững kiến thức của HS, xem xét thực tiễn sử dụng bài tập của GV, việc giải bài tập của HS mà đề xuất hệ thống bài tập phần từ trường và nêu ra cách sử dụng nó, cách hướng dẫn giải từng loại BTVL, rồi tiến hành thực nghiệm sư phạm nghiên cứu hiệu quả thực tế của nó

sử dụng trong các tiết học theo các mục đích khác nhau:

- Ôn tập những kiến thức đã học, củng cố, mở rộng, đào sâu những kiến thức cơ bản của bài giảng

- Phương tiện hình thành và rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vận dụng kiến thức vào thực tiễn

- Hình thành kiến thức mới (kể cả cung cấp các kiến thức thực tiễn)

- Phát triển tư duy vật lí

- Kiểm tra, đánh giá kiến thức, kĩ năng và kĩ xảo; đặc biệt là giúp phát triển trình độ

- Giáo dục tư tưởng, đạo đức, kĩ thuật tổng hợp và hướng nghiệp

2 Phân loại BTVL

2.1 Phân loại BTVL trong các tài liệu phương pháp giảng dạy

Bảng 1 Phân loại BTVL trong các tài liệu phương pháp giảng dạy

BÀI TẬP VẬT LÍ

Theo nội

dung

Theo mục đích dạy học

Theo mức độ khó dễ

Theo đặc điểm

và PPNC vấn

đề

Theo P.thức giải hay P.thức cho điều kiện

Theo hình thức lập luận logic

Kiểm tra

Đơn giản

Phức tạp

Phối hợp

Định tính

Định lượng

Bằng lời

Tính toán

Thực ngh

Đồ thị

Dự đoán hiện

tg

Giải thích hiện

tg

Tổng hợp

Nghiên cứu (tại sao?)

Thiết

kế (làm thế nào?)

Đơn giản

Phức tạp

Tập dượt

Tổng hợp

2.2 Các bước chung nhất khi giải BTVL

2.2.1 Hoạt động của HS khi giải bài tập vận dụng kiến thức

1 Nghiên cứu đầu bài: Đọc đầu bài, tìm hiểu ý nghĩa của các thuật ngữ mới, quan trọng; nắm vững đâu là cái đã cho, cái phải tìm; tóm tắt đầu bài bằng những kí hiệu quen dùng

2 Nhận biết hiện tượng nêu lên trong bài tập thuộc lĩnh vực kiến thức nào

6 Trình bày lời giải tức là trình bày lập luận theo một trình tự tối ưu (chặt chẽ, hợp lí, gắn gọn)

2.2.2 Hoạt động của HS khi giải bài tập hình thành kiến thức mới

Trong khi nghiên cứu những tính chất, mối quan hệ mới của các sự vật hiện tượng cần phải áp dụng các phương pháp nhận thức khoa học, phương pháp nghiên cứu vật lí như thực nghiệm, mô hình, tương tự, suy diễn lí thuyết Trong quá trình nghiên cứu của HS đều chứa đựng hai hoạt động sau:

1 Dùng suy luận logic hay biến đổi toán học để đi từ những tính chất, quan hệ bên trong đã biết của sự vật, hiện tượng đến những biểu hiện bên ngoài

có thể quan sát, đo lường được trong thiên nhiên Hoặc ngược lại, từ những điều quan sát được suy ra những tính chất, mối quan hệ bên trong của sự vật, hiện tượng (chủ yếu suy luận thuộc loại quy nạp)

2 Quan sát, đo lường để thu thập tài liệu, tìm lời giải đáp ở thiên nhiên Muốn vậy, phải biết phân biệt những yếu tố chính, phụ của hiện tượng nghiên cứu Việc xây dựng được chúng là kết quả nghệ thuật sư phạm của GV, ở chỗ đề

ra một hay một hệ thống bài tập làm cho HS:

- Thực sự cảm thấy có vướng mắc nào đó về lí thuyết hay thực tiễn

- Hiểu rõ vấn đề chủ yếu do GV nêu ra hay diễn giải được vấn đề ấy

- Mong muốn giải quyết vấn đề đó và có khả năng giải quyết được

2.3 Một cách phân loại BTVL dựa vào mức độ phức tạp của hoạt động tư duy của HS trong quá trình tìm kiếm lời giải Khái niệm bài tập cơ bản (BTCB), bài tập phức hợp (BTPH)

2.3.1 Một cách phân loại khác về BTVL

2.3.2 Đặc điểm của BTCB và BTPH

- BTCB là một khái niệm tương đối với mỗi một kiến thức cơ bản về vật

lí mà HS mới học Khi nói đến BTCB về một kiến thức nào đó là chỉ nói đến yếu tố mới cần vận dụng trong việc giải bài tập mà trước khi học kiến thức ấy

- Theo mục đích nhận thức của bài tập, có thể phân nó thành hai loại: Vận dụng kiến thức đã biết; tìm kiếm thông tin ở tự nhiên Dựa vào đặc điểm hoạt động tư duy của HS, lại có thể chia từng loại BTCB thành nhiều kiểu, phân kiểu khác nhau:

1 BTCB vận dụng kiến thức đã học bao gồm hai kiểu bài tập dự đoán hiện tượng và giải thích hiện tượng Hai kiểu này lại được chia thành các phân kiểu khác: Lập luận logic; Thực hiện các phép biến đổi toán học; Sử dụng đồ thị; Đo lường các đại lượng vật lí; Có nội dung lí thuyết; Có nội dung thực tế

2 BTCB tìm kiếm thông tin ở tự nhiên

- Quan sát;

- Phân tích một hiện tượng phức tạp ra những hiện tượng đơn giản;

- Tác động vào tự nhiên để tìm những điều kiện chi phối hiện tượng và khống chế nó;

- Tìm những mối quan hệ giữa những cái đo được, quan sát được để xác lập những tính chất, những mối quan hệ bên trong của sự vật, hiện tượng biểu thị bằng các đại lượng, quy tắc, định luật vật lí;

- Xác lập mối quan hệ nhân quả giữa các hiện tượng, đại lượng vật lí

Để giải BTPH, cần sử dụng một chuỗi lập luận logic, nhiều công thức và biểu thức toán học, nhiều phương tiện khác nhau (thí nghiệm, tính toán, đồ thị suy luận, ) Vì thế có thể quy một BTPH về các kiểu, phân kiểu BTCB trên Bất kì loại BTVL nào - dù là BTCB hay BTPH - khi giải cũng phải phân tích hiện tượng nêu lên trong bài tập Nghĩa là phải căn cứ vào điều kiện cụ thể của đầu bài mà vận dụng kiến thức đã biết để xem xét hiện tượng ấy thuộc loại hiện tượng nào đã học, tuân theo những quy luật nào đã biết Nói cách khác, người giải phải sử dụng lập luận logic để tìm ra quy tắc, định luật, công thức, phương

trình để sau đó mới tính toán, đo lường, Như vậy trong mỗi bài tập theo hình thức logic đều có yêu cầu hoặc là dự đoán hiện tượng (từ những tiền đề khái quát- quy tắc, định luật, đã biết, rút ra kết luận trong những điều kiện cụ thể của bài tập), hoặc giải thích hiện tượng (chỉ ra nguyên nhân của hiện tượng nêu trong bài tập ở các quy tắc, định luật vật lí, đã học)

3 Mối quan hệ giữa nắm vững kiến thức và giải BTVL

3.1 Khái niệm về kiến thức, kĩ năng, kĩ xảo vật lí

Kĩ năng bao giờ cũng xuất phát từ kiến thức, dựa trên kiến thức Còn kĩ xảo là hành động mà những phần hợp thành của nó do luyện tập mà trở thành tự động hoá Kĩ xảo là mức độ cao của sự nắm vững kĩ năng

Những kiến thức vật lí có thể được chia làm các nhóm:

1) Khái niệm (hiện tượng, đại lượng vật lí);

2) Định luật, nguyên lí;

3) Thuyết;

4) Phương pháp nghiên cứu;

5) Ứng dụng trong sản xuất, đời sống

Những kĩ năng cơ bản về vật lí được chia thành các nhóm:

1) Quan sát, đo lường, sử dụng các dụng cụ và máy đo phổ biến;

2) Giải BTVL;

3)Vận dụng các kiến thức vật lí để giải thích những hiện tượng đơn giản, những ứng dụng phổ biến của vật lí trong sản xuất và đời sống;

4) Sử dụng các thao tác tư suy logic và các phương pháp nhận thức vật lí

Những kĩ xảo chủ yếu đối với vật lí chia làm hai nhóm:

Sự nắm vững kiến thức có thể phân biệt ở ba mức độ: biết, hiểu, vận dụng được

- Biết một kiến thức nào đó nghĩa là nhận ra được nó, phân biệt được nó với các kiến thức khác Đây là mức độ tối thiểu HS cần đạt trong học tập

- Hiểu một kiến thức là gắn được kiến thức ấy vào những kiến thức đã biết, đưa được nó vào trong hệ thống vốn kinh nghiệm của bản thân Xác lập được mối quan hệ giữa nó với hệ thống kiến thức khác và vận dụng được trực tiếp kiến thức ấy vào những tình huống quan thuộc dẫn đến có khả năng vận dụng nó một cách linh hoạt, sáng tạo

- Vận dụng kiến thức ấy vào việc giải quyết các nhiệm vụ của thực tiễn nghĩa là phải tìm được kiến thức thích hợp trong vốn kiến thức đã có để giải quyết một nhiệm vụ mới Chính trong lúc vận dụng, quá trình nắm vững kiến thức thêm sâu sắc, càng làm cho những nét bản chất, mới của kiến thức được bộc lộ; càng làm cho quá trình nắm kiến thức thêm tự giác, sáng tạo; làm cho giữa kiến thức lí thuyết và kiến thức thực tiễn có mối liên hệ bên trong sâu sắc Ngoài ra trong khi vận dụng kiến thức, những thao tác tư duy được trau dồi, củng cố và một số kĩ năng, kĩ xảo được hình thành, hứng thú học tập của HS được nâng cao

3.3 Mối quan hệ giữa nắm vững kiến thức và giải BTVL

Chất lượng nắm vững từng kiến thức bước đầu thể hiện ở chất lượng giải các BTCB về một đề tài, chương, phần của chương trình phản ánh chất lượng nắm vững những kiến thức và các mối quan hệ của chúng trong đề tài, chương, phần đó với nhau và vận dụng chúng trong những tình huống phức tạp, mới

4 Phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong hoạt động giải bài tập của

HS

4.1 Khái niệm về năng lực

4.2 Mối quan hệ giữa phát triển năng lực và nắm vững kiến thức, kĩ năng,

kĩ xảo

4.3 Tiêu chuẩn phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong khi giải BTVL

Năng lực giải quyết vấn đề của HS được hình thành và phát triển trong hoạt động giải BTVL Để đánh giá sự phát triển năng lực giải quyết vấn đề của

HS trong khi giải BTVL, chúng tôi dựa vào các tiểu chuẩn sau:

1) Xác định chính xác vấn đề cần giải quyết, những cái đã cho và cái phải tìm;

2) Nhanh chóng phát hiện ra cái quen thuộc đã biết, cái mới phải tìm trong khi giải mỗi BTVL

3) Phác thảo, dự kiến những con đường chung (giải pháp) có thể có từ đầu đến cuối trước khi tính toán, xây dựng lập luận cụ thể;

4) Hoàn thành công việc theo từng giải pháp đã dự kiến trong một thời gian ngắn, chọn lựa trong số đó giải pháp tối ưu;

5) Nhanh chóng qua một số ít bài, tự rút ra một sơ đồ định hướng giải các bài tập cùng loại;

6) Chuyển tải được sơ đồ định hướng hành động giải các BTPH thuộc loại nào đó sang sơ đồ định hướng giải các kiểu, phân kiểu BTPH khác

5 Sơ đồ định hướng giải BTVL

5.1 Các loại sơ đồ định hướng (SĐĐH) giải BTVL

5.1.1 SĐĐH khái quát giải BTVL bao gồm các giai đoạn (bước) và yêu cầu khi giải bất kì BTVL nào Trên cơ sở xem xét chúng, có thể đưa ra một trong những phương án khả dĩ của sơ đồ này bao gồm những giai đoạn, hành động sau:

1) Nghiên cứu đầu bài:

- Đọc kĩ đầu bài;

- Mã hoá đầu bài bằng những kí hiệu quen thuộc;

- Đổi đơn vị của các đại lượng trong cùng một hệ thống thống nhất (thường là trong hệ SI);

- Vẽ hình hoặc sơ đồ

2) Phân tích hiện tượng, quá trình vật lí và lập kế hoạch giải:

- Mô tả hiện tượng, quá trình vật lí xảy ra trong tình huống nêu lên trong đầu bài;

- Vạch ra các quy tắc, định luật chi phối hiện tượng, quá trình ấy;

- Dự kiến lập luận, biến đổi toán học cần thực hiện nhằm xác lập được mối quan hệ giữa cái đã cho và cái phải tìm

3) Trình bày lời giải:

- Viết phương trình của các định luật và giải hệ phương trình có được để tìm ẩn số dưới dạng tổng quát, biểu diễn các đại lượng cần tìm qua các đại lượng

Cần tạo cho HS có thói quen giải tất cả các BTVL theo SĐĐH này, điều này càng đặc biệt quan trọng khi giải các bài tập không theo một SĐĐH cụ thể nào

5.2.1 SĐĐH hành động là một bản chỉ dẫn về việc hoàn thành những hành động cần thiết (có thể không cần sắp xếp theo một trật tự chặt chẽ) nhằm giải một loại BTVL nào đó để có triển vọng thu được kết quả

Các SĐĐH hành động chính là sự cụ thể hoá của SĐĐH khái quát đối với mỗi đề tài, chương, phần của giáo trình vật lí

5.3.1 Algorit thao tác xuất hiện đầu tiên trong toán học Nó được hiểu là một bản chỉ dẫn bao gồm các thao tác được xác định một cách rõ ràng, chính xác và chặt chẽ, trong đó chỉ rõ cần thực hiện những thao tác nào và theo trình tự nào

để đi đến kết quả

5.2 Tác dụng của giải bài tập theo SĐĐH trong dạy học

5.2.1 Đa số các SĐĐH được sử dụng trong dạy học vật lí là SĐĐH hành động.Trong loại này, những chỉ dẫn là những phương hướng chung tìm kiếm lời giải bài tập, do vậy tạo điều kiện cho HS có thói quen xác định phương hướng

và cách thức hành động trước khi bắt tay vào hành động cụ thể

5.2.2 Việc giải bài tập theo SĐĐH (cả BTCB lẫn BTPH) chuẩn bị cho giải bài tập sáng tạo Bởi lẽ trong quá trình giải các bài tập mẫu theo nó, những thao tác

tư duy và kĩ năng giải bài tập của HS được hình thành, đồng thời họ sẽ thực hiện các thao tác ấy ở mức tự động hoá khi chuyển từ việc giải bài tập mẫu sang giải bài tập sáng tạo

5.2.3 Giải bài tập theo SĐĐH làm giảm bớt khó khăn trong quá trình nắm vững

kĩ năng giải bài tập và cho phép dạy mọi đối tượng HS (chứ không chỉ riêng HS chọn) giải từng loại, kiểu bài tập

5.2.4 Giải bài tập theo SĐĐH tạo cho HS có thói quen lập luận và hành động chặt chẽ, chính xác

Tuy nhiên, không thể coi việc giải bài tập theo các loại SĐĐH là vạn năng, mà chỉ là bước đầu tiên hình thành kĩ năng giải BTVL nói chung để dần chuyển sang giải các bài tập sáng tạo (không theo mẫu) Trong khi giải các bài tập có phần sáng tạo, HS vẫn sử dụng những SĐĐH, nhưng điều đó được thực hiện một cách tự động hoá

5.3 Yêu cầu của các algorit thao tác và SĐĐH giải BTVL

5.4 Xây dựng và đưa SĐĐH hành động giải BTVL vào dạy học

6 Hướng dẫn HS suy nghĩ tìm kiếm lời giải BTVL

Căn cứ vào hoạt động tư duy của HS trong quá trình giải BTVL và cách phân loại mới về BTVL, có thể đưa ra các SĐĐH hành động chủ yếu hướng dẫn

HS tự lực suy nghĩ tìm kiếm lời giải mỗi BTVL, đặc biệt là BTCB mà họ mới gặp lần đầu

6.1 Giải BTCB

6.1.1 Giải BTCB nhằm vận dụng kiến thức

6.1.1.1 Giải BTCB có nội dung lí thuyết:

6.1.1.2 Giải BTCB có nội dung thực tế

6.1.2 Giải BTCB tìm kiếm thông tin ở tự nhiên trong khi hình thành kiến thức mới

6.2 Giải BTPH

Tư tưởng chủ đạo của việc giải BTPH đối với đại đa số HS là tìm cách quy nó về các BTCB đã biết, đã được giải thành thạo và giải phối hợp chúng Việc hướng dẫn HS giải loại BTVL này trải qua các giai đoạn chủ yếu sau:

1) Nghiên cứu đầu bài để xác định loại hiện tượng đề cập trong đầu bài (thuộc lĩnh vực kiến thức nào đã học? diễn biến ra sao? có yếu tố nào quen thuộc, mới lạ? ) Có hai khả năng:

- Hiện tượng gồm nhiều giai đoạn hay nhiều hiện tượng thành phần đơn giản xảy ra nối tiếp nhau (hoặc đầu bài cho rõ ràng các giai đoạn, hoặc do khi

mô tả lại hiện tượng, người giải phát hiện ra) Mỗi một giai đoạn, hiện tượng đơn giản tuân theo một hay nhiều quy tắc, định luật xác định

- Hiện tượng cùng một lúc bị chi phối bởi nhiều nguyên nhân, tuân theo nhiều quy tắc, định luật vật lí

2) Áp dụng SĐĐH hành động để xác định những hành động cần thực hiện (liên tưởng tới các định nghĩa, quy tắc, định luật chi phối diễn biến hiện tượng)

3) Thực hiện các hành động theo SĐĐH hành động để chuyển về các BTCB và giải chúng (theo những SĐĐH đã được luyện tập trong qúa trình giải các BTCB) để thu được đáp số

Cần lưu ý rằng BTPH được hướng dẫn giải nói trên là BTPH vận dụng kiến thức và SĐĐH hành động giải nó đã được rút ra Khi giải các BTPH cùng loại, kiểu, người giải tự rút ra nhận xét về yếu tố mới lạ trong đó để áp dụng cho

các bài tương tự; Còn với BTPH thuộc một loại, kiểu nào đó mới gặp lần đầu, người giải buộc phải áp dụng SĐĐH khái quát để giải nó, sau đó tự khái quát để rút ra SĐĐH hành động giải các bài cùng loại, kiểu

6.3 Tác dụng của cách phân loại mới về BTVL

Cách phân BTVL làm BTCB và BTPH là một cách phân loại chú ý đúng mức đến mức độ phức tạp của hoạt động tư duy của HS trong quá trình giải BTVL Nó giúp HS ngay từ đầu định hướng cách suy nghĩ của mình trong quá trình tìm kiếm lời giải mỗi BTVL, đồng thời định hướng GV lựa chọn và hướng dẫn HS giải các BTVL về từng đề tài cụ thể

7 Sử dụng bài tập trong các tiết học vật lí

Giải BTVL là một bộ phận hợp thành của đa số các tiết học như nghiên cứu tài liệu mới (NCTLM), luyện tập, ôn tập, kiểm tra Nó có thể chiếm một phần hoặc toàn bộ tiết học Đồng thời, nó không những được sử dụng trong các tiết học trên lớp mà cả trong chương trình ngoại khoá Trong các hình thức ấy, BTVL được sử dụng nhiều hơn cả hai loại tiết học phổ biến là NCTLM và luyện tập giải bài tập

7.1 Tiết học NCTLM

7.1.1 Bài tập đề xuất vấn đề

7.1.2 Bài tập giải quyết vấn đề

a) Giải thích - minh họa; b) Tái hiện; c) Trình bày nêu vấn đề; d)Tìm tòi từng phần (ơrixtic); e)Nghiên cứu Chúng lại được phân làm hai nhóm: Tái hiện; Sáng tạo Tìm tòi từng phần thuộc nhóm sáng tạo, là PPDH trong đó giáo viên tổ chức cho học sinh tham gia giải quyết từng bước tìm tòi xây dựng bài làm, chia nó thành những bài tập phụ, vạch ra các bước tìm tòi, còn học sinh thì thực hiện các bước ấy PPDH được thể hiện dưới ba hình thức:

1) Đưa HS tuần tự tiến tới việc giải quyết tự lực các vấn đề bằng cách sơ

bộ dạy cho họ hoàn thành từng bước việc giải quyết, từng giai đoạn nghiên cứu, hình thành cho em các kĩ năng;

2) Chia BTPH thành một loạt các bài tập bộ phận, BTCB Mỗi bài tập ấy giúp tiến dần một cách dễ dàng tới việc giải quyết BTPH ban đầu;

3) Tổ chức đàm thoại ơrixtic, bao gồm một loạt câu hỏi liên hệ lẫn nhau, mỗi câu hỏi là một bước trên con đường dẫn tới việc giải quyết vấn đề

7.1.3 Bài tập củng cố

7.2 Tiết học luyện tập giải bài tập

Trong tiết học này, có hai hình thức chủ yếu tổ chức làm việc của lớp: GV hay một HS giải bài tập trên bảng để toàn lớp theo dõi; HS tự lực giải bài tập

Hình thức đầu được áp dụng khi GV hướng dẫn giải các bài tập loại mới gặp lần đầu, hoặc khi cần giới thiệu SĐĐH giải loại bài tập mới GV phải trình bày cho các em hiểu rõ từng thao tác, hành động và trật tự của chúng để tạo điều kiện giải các bài tập cùng loại

Hình thức sau thường được dùng để rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo và kiểm tra kết quả học tập của HS Tính độc lập, tích cực của họ phụ thuộc rất nhiều vào mức độ phức tạp của bài tập Vì thế, những bài tập đề ra phải vừa sức, đủ phức tạp và gây hứng thú cho từng HS - nghĩa là ra bài tập phân hoá, theo hai cách: Phân hoá về mặt chất lượng; Phân hoá về mặt số lượng

Kết luận chương I

Giải BTVL là một trong những hình thức luyện tập chủ yếu và được tiến hành nhiều nhất Do vậy các BTVL có tác dụng cực kì quan trọng trong việc hình thành, rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vận dụng và tìm tòi kiến thức cho HS Chúng được sử dụng trong các tiết học theo các mục đích khác nhau

Cách phân BTVL làm BTCB và BTPH là một cách phân loại chú ý đúng mức đến mức độ phức tạp của hoạt động tư duy của HS trong quá trình giải BTVL

Để giải BTPH, cần sử dụng một chuỗi lập luận logic, nhiều công thức và biểu thức toán học, nhiều phương tiện khác nhau (thí nghiệm, tính toán, đồ thị suy luận, ) Vì thế có thể quy một BTPH về các kiểu, phân kiểu BTCB trên Bất kì loại BTVL nào - dù là BTCB hay BTPH - khi giải cũng phải phân tích hiện tượng nêu lên trong bài tập Đa số các SĐĐH được sử dụng trong dạy học vật lí là SĐĐH hành động Việc giải bài tập theo SĐĐH (cả BTCB lẫn BTPH) chuẩn bị cho giải bài tập sáng tạo Vì trong quá trình giải các bài tập mẫu, những thao tác tư duy và kĩ năng giải bài tập của HS được hình thành, đồng thời HS sẽ thực hiện các thao tác ấy ở mức tự động hoá khi chuyển từ việc giải bài tập mẫu sang giải bài tập sáng tạo Nhưng không thể coi việc giải bài tập theo các loại SĐĐH là vạn năng, mà chỉ là bước đầu tiên hình thành kĩ năng giải BTVL nói chung để dần chuyển sang giải các bài tập sáng tạo

Chính trong lúc hiểu và vận dụng để giải các bài tập nâng cao, những thao tác tư duy được trau dồi, củng cố và một số kĩ năng, kĩ xảo được hình thành, quá trình nắm vững kiến thức thêm sâu sắc, càng làm bộc lộ những nét bản chất của kiến thức; hình thành quá trình nắm kiến thức của HS một cách tự giác, sáng tạo

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG II X Y D NG VÀ S D NG H TH NG BÀI TẬP PHẦN T

T Ư NG L P 11 THPT T ONG VI C B I DƯ NG HỌC SINH GI I CHỦ ĐỀ 1: XÁC ĐỊNH CẢM ỨNG T CỦA DÒNG ĐI N

I Kiến thức cơ bản

I.1 Định nghĩa: Véc tơ cảm ứng từ d B 

do một phần tử dòng điện Id  l

gây ra tại điểm M, cách phần tử một khoảng r là một véc tơ là một véc tơ được xác định:

( 3 )

4

o Idl r dB

+ Phương vuông góc với mặt phẳng dựng bởi hai véc tơ ( Id;  )

+ Chiều, sao cho theo thứ tự d  ,r , d B 

lập thành một tam diện thuận

4

o Idl dB

+ μ là độ từ thẩm của môi trường

(với chân không μ = 1, không khí μ  1)

+ Đơn vị (T): đọc là tesla

Hoặc có thể xác định chiều của véc tơ d B 

theo quy tắc cái định ốc: “ Cho đinh ốc

quay theo chiều của sự biến đổi định hướng

từ Id  l

sang r 

, thì chiều tiến của cái đinh ốc

là chiều của véc tơ cảm ứng từ d B 

”

I.2 Các trường hợp cụ thể

1.2.1 Cảm ứng từ do dòng điện trong dây

dẫn thẳng dài vô hạn gây ra tại điểm cách dây một khoảng r :

r là khoảng cách từ điểm xét đến dây dẫn (m)

I là cường độ dòng điện trong khung dây dẫn (A)

R là bán kính của khung dây (m)

B là cảm ứng từ tại tâm của khung dây (T)

N là số vòng dây của khung

I.2.3 Cảm ứng từ do dòng điện trong ống dây rất dài: B 0nI  4  107nI

Trong đó:

I là cường độ dòng điện trong ống dây (A)

n là số vòng dây trên đơn vị chiều dài (vòng/m)

B là cảm ứng từ trong ống dây (T)

Chú ý: Từ trường trong ống dây là từ trường đều

I.2.4 Cảm ứng từ gây bởi dòng điện trong đoạn dây dẫn

thẳng gây ra tại điểm cách dây một khoảng R:

0

(cos cos ) 4

M

I B

R



I.2.5 Cảm ứng từ gây bởi dòng điện trong dây dẫn tròn

gây ra tại điểm trên trục vòng dây, cách tâm vòng dây

một khoảng h:

2o m2 3/2

) R h ( 2

P B

Với P m I S I S n . là véc tơ mômen từ, S S n. là véc

tơ diện tích, n là véc tơ pháp tuyến của khung (có

hướng cùng với chiều dòng điện theo qui tắc đinh ốc)

I.2.6 Nguyên lý chồng chất từ trường

- Véc tơ cảm ứng từ gây bởi nhiều dòng điện :

     





n 1

i in

r

r l Id 4

S

S B dS cos (1.9)

- Định lý Ôxtrôgratxki - gaox : B d S 0

kin S

i i)

C (

I l d

H  

(1.11)

II Phương pháp giải bài tập

a) Căn cứ vào chiều của dòng điện và vị trí của điểm khảo sát, xác định phương, chiều của vectơ cảm ứng từ Bur tại điểm khảo sát bằng quy tắc nắm tay phải (hoặc qui tắc đinh ốc)

b) Tính độ lớn cảm ứng từ của đề bài (xét dòng điện thẳng, hay dòng điện tròn, dòng điện chạy trong ống dây) Khi tính toán số phải chú ý đến đơn vị đo các đại lượng (I đo bằng ampe; r, R đo bằng mét; n đo bằng số vòng dây trên 1 m chiều dài; B đo bằng tesla (T) Cần lưu ý rằng, thực tế giá trị của B không lớn

c) Nếu có nhiều dòng điện thì lần lượt tìm cảm ứng từ (phương, chiều, độ lớn)

do từng dòng điện gây ra tại điểm ta xét Sau đó áp dụng nguyên lí chồng chất, tìm cảm ứng từ tổng hợp (phương, chiều, độ lớn)

d) Ngoài bài toán thuận nêu trên còn có bài toán : Biết B

Hình 1.6

Hình 1.5

II.1 Các dạng bài tập cơ bản

Bài số 1 Hai dây dẫn dài, đặt song song trong không khí, cách nhau d = 20 cm,

có dòng điện cùng chiều, cường độ I = 2 A chạy qua Tính cảm ứng từ tại điểm :

a) M cách đều mỗi dây 10 cm

b) N cách đều mỗi dây 20 cm

Hướng dẫn giải

a) Hai dây dẫn cách nhau 20 cm, M cách đều mỗi dây một khoảng 10 cm, như vậy M nằm chính giữa hai dây Trên hình 1.5 các dây dẫn đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ

+ do cả hai dòng điện gây ra : BurM  Bur1M  Bur2M

Dùng quy tắc nắm tay phải, ta thấy B 1M

ur

và B 2M

ur ngược hướng nhau nên BurM  0.rVậy : BurM  0.r

b) Trong mặt phẳng qua N vuông góc với các dây dẫn, cắt dây dẫn tại O1, O2, ta

có tam giác O1NO2 đều (Hình 1.6) Lí luận tương tự như trên, ta có :

Bài số 2 Một dây dẫn thẳng dài, ở khoảng giữa được uốn

thành vòng tròn, bán kính R = 20 cm như hình 1.7

Dòng điện qua dây dẫn có cường độ I = 1 A Tìm cảm ứng từ tại tâm O của vòng tròn

Bài số 3 Một dây dẫn có vỏ bọc cách điện, dài L = 300 m, được quấn đều thành

ống dây có độ dài l = 80 cm, đường kính d = 20 cm Cường độ dòng điện qua

ống dây là 0,5 A Tính cảm ứng từ trong ống dây

b) Cảm ứng từ tại N bằng 10-6T Tính khoảng cách từ N đến dòng điện

2 Một ống dây thẳng (xôlênôit) chiều dài 20cm, đường kính 2cm Một dây dẫn

có vỏ bọc cách điện dài 300m được quấn đều theo chiều dài ống Ống dây không

có lõi và đặt trong không khí Cường độ dòng điện đi qua ống dây dẫn là 0,5A Tính cảm ứng từ trong ống dây

ĐS: 0,015T

3 Một dây dẫn đường kính tiết diện d = 0,5mm được bọc bằng một lớp cách

điện mỏng và quấn thành một ống dây (xôlênôit) Các vòng của ống dây được

quấn sát nhau Cho dòng điện có cường độ I = 0,4A đi qua ống dây Tính cảm ứng từ trong ống dây

ĐS: 0,001T

II.2 Các dạng bài tập dành cho học sinh khá

Bài số 1 Hai dây dẫn thẳng dài vô hạn đặt song song với nhau trong không khí,

cách nhau một khoảng d = 10cm Hai dòng điện chạy trong hai dây dẫn cùng chiều có cường độ dòng điện I1 = I2 = I = 2,4A Tính cảm ứng từ tại điểm M cách hai dây các khoảng tương ứng là r1 = 8cm, r2 = 6cm

Hướng dẫn giải

- Gọi B1 và B2 lần lượt là cảm ứng từ của từ trường do dòng điện I1, I2 gây ra tại điểm M Áp dụng quy tắc đinh ốc, ta xác định được chiều của các vec tơ cảm ứng từ như hình 1.8

Áp dụng công thức tính cảm ứng từ gây ra bởi dây

08 , 0

4 , 2 10 2 10

06 , 0

4 , 2 10 2 10

Bài số 2 Hai dây dẫn thẳng dài vô hạn đặt song song với nhau, cách nhau

khoảng d = 8cm, có các dòng điện I1 = 2A; I2 = 3A chạy qua, ngược chiều nhau Xác định vị trí có cảm ứng từ tổng hợp bằng không

+ Độ lớn: B1 = B2

Áp dụng công thức, ta có:

1 7 1

1 7

1

2 10 2 10

.

2

R R

I

2 7 2

2

7

2

3 10 2 10

.

2

R R

I

1 2 2 7 1



R

R R

Nhận xét: Trong từ trường do hai dây dẫn thẳng song song có dòng điện chạy

qua, tập hợp những điểm có cảm ứng từ tổng hợp bằng không là một đường thẳng song song với hai dây dẫn và:

+ nằm trong khoảng giữa hai dây dẫn nếu hai dòng điện cùng chiều;

+ nằm ngoài khoảng giữa hai dây dẫn nếu hai dòng điện ngược chiều

Bài số 3 Một vòng dây dẫn hình tròn được đặt thẳng đứng song song với cảm

ứng từ B0 của Trái đất Tai tâm vòng dây có một kim nam châm nhỏ quay tự do quanh trục thẳng đứng qua tâm vòng dây Khi cho dòng điện cường độ I qua vòng dây thì kim nam châm quay góc α = 30o Phải quay vòng dây quanh trục thẳng đứng qua tâm góc β bao nhiêu để kim nam châm lại nằm trong mặt phẳng của vòng dây

dây tạo từ trường B I vuông

góc với mặt phẳng của nó Kim nam châm quay và có vị trí cân bằng hướng theo

BB0 B I (hình vẽ 1.10)

Ta có:

3 tan

0

B B

- Sau khi quay vòng dây góc β, nếu vị trí cân bằng mới của kim nam châm nằm trong mặt phẳng của vòng dây thì từ trường tổng hợp BB0B I bây giờ có phương nằm trong mặt phẳng vòng dây

0

1 sin sin

3

I I

Bài số 4 Ba dây dẫn thẳng dài vô hạn đặt song song với nhau và cách đều nhau

một đoạn a = 10 cm, có các dòng điện cùng chiều chạy qua với cường độ : I1 = I2

= I3 = I = 10 A

a) Xác định lực tác dụng lên một đoạn dây dài 1 m của mỗi dây dẫn

b) Phải đặt một dây dẫn thẳng dài thứ tư ở đâu và dòng điện chạy qua nó phải

có chiều và cường độ như thế nào để bốn dây dẫn đó nằm cân bằng khi không giữ chúng ? Bỏ qua tác dụng của trọng lực

Hướng dẫn giải

a) Áp dụng công thức tính lực tương tác giữa hai dây dẫn thẳng song song dài vô hạn mang dòng điện Xét bài toán trong mặt phẳng vuông góc với ba dây dẫn như trên hình 1.12 Ta thấy mỗi dây dẫn trong số ba dây dẫn đó, dây dẫn mang dòng điện I3 chẳng hạn chịu tác dụng của các lực hút (vì các dòng điện cùng chiều) F , F 1 2

Hình 1.14

Tương tự, lực tác dụng lên dây dẫn thứ nhất có độ lớn bằng F12, có phương AO

và có chiều hướng về O; lực tác dụng lên dây thứ hai có độ lớn bằng F12, có phương BO và có chiều hướng về O

b) Muốn cho cả bốn dây dẫn nằm cân bằng thì trước hết dây dẫn thứ tư phải song song với ba dây ban đầu và phải đi qua O để ba lực do ba dây I1, I2, I3 tác dụng lên dây thứ tư mang dòng điện I4 cân bằng nhau (ba lực đó có phương OA,

OB, OC có độ lớn bằng nhau và có chiều hướng về phía A, B, C hoặc hướng ngược lại, tuỳ thuộc vào chiều của dòng I4) Bây giờ ta chỉ cần xét điều kiện cân bằng của một trong bốn dây I1, I2, I3, dây mang dòng điên I3 chẳng hạn, do tác dụng của ba dây dẫn còn lại (dây mang dòng I1, I2, I4) Khác với trường hợp câu a) ngoài lực urF 12  Fur1  Fur2 dây I3 còn chịu tác dụng của lực F 4

ur

do dây dẫn thứ tư mang dòng điện I4 Hiển nhiên là F 4

ur phải cân bằng với F 12

ur nghĩa là F4 phải có chiều hướng ra xa O và có độ lớn F4 = F12 Muốn vậy dòng điện I4 phải ngược chiều với các dòng điện I1, I2, I3 và có độ lớn sao cho (hình 1.13)

Như vậy muốn cho bốn dây dẫn nằm cân bằng thì dây

dẫn thứ tư phải đặt song song với ba dây trên, đi qua

tâm O của tam giác ABC, mang dòng điện I4 ngược

chiều với các dòng I1, I2, I3 và có độ lớn : I4  I1  I2  I3  10 A

Bài số 5 Cho hai dòng điện cùng cường độ I1 = I2 = 4 A chạy trong hai dây dẫn thẳng dài vô hạn, chéo nhau và vuông góc với nhau trong chân không ; khoảng cách đường vuông góc chung MN = 2 cm Xác định

cảm ứng từ tại trung điểm của đường vuông góc chung

ấy

Hướng dẫn giải

Chọn mặt phẳng hình vẽ là mặt phẳng chứa dây dẫn

mang dòng I1 và vuông góc với dây dẫn mang dòng I2

(Hình vẽ 1.14), điểm P là trung điểm của đường vuông

Hình 1.13

góc chung MN : PM = PN = 1 cm Tại điểm P, vectơ cảm ứng từ B 1

45o (nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng hình vẽ) và có độ lớn :

a) I1, I2 cùng chiều với nhau và ngược chiều I3, I4

b) I1, I2, I3 ngược chiều với I4

c) Bur  0.

Bài tập củng cố:

1 Hai dây dẫn thẳng dài đặt song song, cách nhau khoảng 2a trong không khí,

có các dòng điện I1 = I2 = I cùng chiều đi qua Mặt phẳng P vuông góc với hai dây và cắt hai dây tại A1, A2 O là trung điểm A1A2 Trục tọa độ Ox nằm trong mặt phẳng P và vuông góc với A A (Hình 1.15)

a) Xác định vectơ cảm ứng từ tổng hợp tại O

b) Xác định vectơ cảm ứng từ tổng hợp tại M trên Ox với OM = x

c) Xác định vị trí điểm M trên Ox có cảm ứng

từ cực đại Tính giá trị cực đại này

d) Đặt một dây dẫn thứ ba có dòng điện I3 đi

qua, song song với hai dây trên và đi qua O

c x a

x I B

2 2 7

)

; 10 2 )

;

10 4 )

; 0

2 Hai dòng điện thẳng dài vô hạn, I1 = 10A, I2 = 30A vuông góc nhau trong không khí Khoảng cách ngắn nhất giữa chúng là 4cm Tính cảm ứng từ tại điểm cách mỗi dòng điện 2cm

10.10 T

3 Hai dây dẫn thẳng song song dài vô hạn đặt cách nhau d = 14cm trong không

khí Dòng điện chạy trong dây I1 = I2 = I = 1,25A Xác định vectơ cảm ứng từ tại

M cách mỗi dây R = 25cm trong trường hợp hai dòng điện:

a) Cùng chiều; b) Ngược chiều

ĐS: a) B//O1O2; 1,92.10-6T; b) BO1O2; 0,56.10-6T

4 Hai dây dẫn thẳng song song dài vô hạn đặt cách nhau d = 8cm trong không

khí Dòng điện chạy trong hai dây là I1 = 10A, I2 = 20A và ngược chiều nhau Tìm cảm ứng từ tại:

a) O cách mỗi dây 4cm b) M cách mỗi dây 5cm

ĐS: a) BO = 15.10-5T; b) BM = 9,9.10-5T

5 Vòng dây tròn có R = 3,14cm có dòng điện I = 0,87A đi qua và đặt song song

với các đường cảm ứng của một từ trường đều có B0 = 10-5T Xác định vecto cảm ứng từ tại tâm O của vòng dây

ĐS: B = 2.10-5

T; 60o

6 Hai vòng dây tròn bán kính R = 10cm có tâm trùng nhau đặt vuông góc nhau

Cường độ trong hai dây I1 = I2 = I = 2A TìmB tại tâm O của hai vòng dây

7 Hai dây dẫn thẳng dài vô hạn đặt song song trong không khí cách nhau d =

6cm có các dòng I1 = 1A, I2 = 4A đi qua Định vị trí những điểm có cảm ứng từ tổng hợp bằng 0 Xét hai trường hợp:

a) I1, I2 cùng chiều b) I1, I2 ngược chiều

ĐS: a) 1,2cm; 4,8cm b) 2cm; 8cm

8 Dây dẫn mảnh, thẳng dài có dòng I = 10A đi qua đặt vuông góc với đường

cảm ứng từ của từ trường đều có B0 = 5.10-5T Tìm những điểm có cảm ứng từ tổng hợp bằng không

ĐS: Trên đường thẳng song song với dây, cách dây 4cm, trong mặt phẳng chứa

và vuông góc với B0

9 Ba dây dẫn thẳng song song dài vô hạn cùng nằm trong mặt phẳng, hai dây

liên tiếp cách nhau đoạn a = 6cm, cường độ I1 = I2 = I, I3 = 2I Dây I3 nằm ngoài

I1, I2 và dòng I3 ngược chiều I1, I2 Tìm vị trí M có cảm ứng từ tổng hợp bằng không

ĐS: M trên đường thẳng song song 3 dây, trong khoảng dây 1 và 2, cách dây

giữa 2cm

10 Ba dòng điện thẳng song song như hình 1.16: I1

= I3 = I, I2 = I/2, O1O2 = O2 O3 = a, dòng I2 ngược

chiều với I1, I3 Tìm trên trục O2x vuông góc với mặt

phẳng chứa 3 dây những điểm có B = 0

ĐS: O2M  a 3 / 3

11 Một vòng dây dẫn, bán kính R = 10cm nằm trong mặt phẳng thẳng đứng Ở

tâm vòng dây ta đặt một kim nam châm nhỏ có thể quay tự do quanh một trục thẳng đứng trên một mặt chia độ Ban đầu kim nam châm theo phương Nam – Bắc của từ trường Trái đất, mặt phẳng vòng dây song song

với trục kim (Hình 1.17)

a) Cho dòng điện I = 4A qua dây, kim nam châm quay góc α

= 45º Tìm cảm ứng từ BĐ của từ trường Trái đất tại nơi thí

nghiệm

b) Khi dòng điện I1 qua dây, α1 = 60º Tính I1

12 Một dây dẫn thẳng đặt nằm ngang song song với B0 của Trái Đất, B0 = 2,5.10-5T Dưới dây là một kim nam châm nhỏ đặt song song với dây cách dây R

= 2cm Kim có thể quay quanh trục thẳng đứng Tìm góc quay của kim khi cho dòng điện I = 1,4A =

3

5 , 2

A qua dây

ĐS: 30º

13 Một vòng dây dẫn tròn bán kính R = 10cm có dòng I = 3,2A = 10/π (A) đi

qua Vòng dây đặt thẳng đứng song song với B0 của Trái Đất, B0 = 2.10-5T Tại tâm vòng dây, treo một kim nam châm nhỏ Tìm góc quay của kim nam châm khi ngắt dòng I

ĐS: 45º

14 Một xôlênôit dài l = 20cm gồm N = 100 vòng nằm ngang trong không khí,

trục ống vuông góc với B0 của Trái Đất, B0 = 2.10-5T Trong lòng ống có treo một kim nam châm, khi có dòng I chạy qua xôlênôit, kim lệch góc α = 45º Tìm

I Cho 1 /   0 , 32

ĐS: I = 32mA

15 Vòng dây dẫn tròn đặt thẳng đứng, song song với B0 của Trái Đất Tại tâm vòng dây treo một kim nam châm nhỏ Khi cho dòng I qua vòng dây, kim quay góc α = 30º Hỏi phải quay vòng dây quanh trục thẳng đứng qua tâm một góc β bao nhiêu để kim nam châm lại nằm trong mặt phẳng vòng dây

35 tan

arcsin 



II.3 Các dạng bài tập dành cho học sinh giỏi

Bài số 1 Cho dòng điện cường độ I chạy qua dây dẫn được uốn thành một đa

giác đều n cạnh, nội tiếp trong đường tròn bán kính R Xác định cảm ứng từ tại tâm O của đa giác Xét trường hợp n =  Cho biết khi x  0 thì tan x 1

x  Hướng dẫn giải

Cảm ứng từ do mỗi cạnh của đa giác gây ra tại tâm O đều có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đa giác, có cùng chiều và có cùng độ lớn :

đa giác (nếu dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, thì B





(tức là đúng bằng cảm ứng từ do dòng điện tròn gây ra tại tâm)

Bài số 2 Hai vòng dây dẫn giống nhau có cùng bán kính R được đặt song song,

có trục trùng nhau và 2 tâm O1, O2 cách nhau một đoạn O1O2 = a

1 Cho R = 10cm, a = 20cm Xác định cảm ứng từ tại O1, O2 và tại trung điểm O của O1O2 trong hai trường hợp :

a) Dòng điện chạy trên các vòng dây có cường độ I1 = I2 = 3A và cùng chiều b) Dòng điện chạy trên các vòng dây có cùng cường độ I1 = I2 = 5A và ngược chiều nhau

2 Bây giờ giả sử dòng điện chạy trên các dây có cùng cường độ I và cùng chiều

Mô tả các biến thiên khả dĩ theo tỉ số a

Rcủa cảm ứng từ B tại một điểm M bất kì trên đoạn O1O2 với OM = x Tỉ số a

R phải có trị số bằng bao nhiêu để đảm bảo

từ trường là đều (B có trị số gần như không thay đổi) tại lân cận điểm O Cho

3 / 2 2 2

IR

1,35.10 T a

R 4

2 2 3 / 2

1, 7.10 T

Trên hình 5 có chỉ ra 3 loại biến thiên khả dĩ của B theo x :

a) Các vòng dây rất gần nhau : B có một cực đại duy nhất tại O (với x = 0) (Tới giới hạn và với hai vòng dây trùng nhau, B biểu diễn từ trường của chỉ một vòng trên đó có cường độ 2I chạy Khi đó quả thực B có một cực đại tại O (Hình (1.18a)

b) Các vòng dây ở xa nhau : B có 2 cực đại, ở lân cận O1 và O2, còn tại O là một cực tiểu (Tới giới hạn người ta thấy liên tiếp, khi đi dọc theo trục xx' của

các vòng dây, lần lượt từ trường của vòng dây này, rồi đến từ trường của vòng dây kia) (Hình 1.18b)

c) Trường hợp trung gian : điểm O là “trung điểm của

phần ngang” của đường cong B(x) : ở lân cận điểm x = 0,

B biến thiên theo x chỉ với bậc 4 của x ; khi đó có thể thoả

mãn điều kiện “đều” tối đa của B Để tìm tỉ số a

R thoả mãn điều kiện đó ta thấy :

Ta thấy BM không phụ thuộc vào x (từ trường là đều) khi 4a2 – R2 = 0  2a = R Tức là khi điểm O cách tâm 2 vòng dây một khoảng bằng bán kính vòng dây, thì

BM không phụ thuộc vào x, ta nói rằng các vòng dây ở vị trí Hem-hôn-xơ (Helmholtz)

Bài số 3 Trong số những thành công đầu tiên mà Am - pe đã đạt được khi đoán

nhận hiện tượng từ, có việc tính từ trường B sinh ra bởi dây dẫn có dòng điện chạy qua và so sánh nó với cách nhận định của Bi-ô Xa- va Một trường hợp riêng rất lí thú là trường hợp của một sợi dây rất dài có dòng điện chạy qua bị bẻ gập lại thành hai nửa đường thẳng hợp thành chữ “V”, với nửa góc ở đỉnh là (Hình 1.19) Theo cách tính của Am - pe thì độ lớn của từ trường ở một điểm P cho trước nằm trên trục của chữ “V”, và ở phần ngoài của nó, cách đỉnh một khoảng d thì tỉ lệ với tan

2



Công trình của Am - pe sau này đã nằm trong lí thuyết điện từ của Mác-xoen và được toàn thế giới công nhận Dựa vào những

hiểu biết hiện đại của điện từ học, hãy :

a) Xác định phương và chiều của vectơ cảm ứng

d) Để đo từ trường, ta đặt tại P một kim nam châm nhỏ có momen quán tính I và momen lưỡng cực từ ; nó dao động quanh một điểm cố định trong mặt phẳng chứa phương của B

ur

Tính chu kì của các dao động nhỏ của kim ấy như một hàm của B

Hình 1.19

Trong cùng điều kiện Bi-ô và Xa-va lại cho rằng từ trường tại P (viết theo kí hiệu hiện đại) có dạng B(P) = 0

2

i d

 

 , trong đó 0 là độ từ thẩm của chân không Các ông này dự định kiểm tra hai dự đoán nói trên (của Am-pe và của Bio - Xa-va) bằng thí nghiệm, bằng cách đo chu kì dao động của kim nam châm phụ thuộc theo khung dây dẫn hình chữ “V” Với một vài giá trị , thì sự sai khác là quá nhỏ để có thể đo được một cách dễ dàng

e) Nếu như để có thể phân biệt được hai dự đoán về từ trường nói trên, thì đối với chu kì dao động T của kim nam châm tại P ta cần phải có sự sai khác ít nhất

là 10% nghĩa là T1 > 1, 1T2 (T1 là chu kì tính theo dự đoán của Am-pe, T2 là chu

kì tính theo dự đoán của Bi- ô và -va), hãy chỉ rõ ta phải chọn nửa góc đỉnh  của chữ “V” trong khoảng nào để có thể kết luận về sự đúng - sai của hai

dự đoán nói trên

Hướng dẫn giải

a) Thành phần của cảm ứng từ B

ur

do mỗi nhánh của chữ “V” đóng góp, có cùng chiều với cảm ứng từ của dòng điện thẳng dài vô hạn đặt trùng với nhánh đó Với chiều dòng điện là chiều mũi tên như trên hình 7 theo quy tắc đinh ốc, cảm ứng từ của cả hai nhánh đều vuông góc với mặt xy và hướng theo chiều dương của trục z (Hình 1.20) (mặt phẳng xy chứa chữ “V”)

c) Cảm ứng từ tại điểm P' cũng tính như trên nhưng góc  thay bằng ( )

và chiều dòng điện đổi ngược Vậy cảm ứng từ B

Có thể tính B theo cách thứ hai trong câu 2 và thu được kết quả tương tự

d) Momen cơ học (lực từ) tác dụng lên kim nam châm đặt tại P tính theo công thức : Mr   [ B]r r trong đó r là momen từ của kim nam châm

- Khi cân bằng M = 0, kim nam châm nằm theo phương củaB

ur

Nếu đẩy nó ra khỏi vị trí cân bằng từ một góc nhỏ , momen cơ học M

uur

sẽ kéo nó trở lại vị trí cân bằng, ta có : M = - BsinB

- Áp dụng phương trình chuyển động quay của vật rắn ta có :

e) Ta tính độ lớn của chu kì T của dao động của kim nam châm theo công

thức tính cảm ứng từ BA của Am-pe mà ta đã tìm được (kí hiệu chu kì này là

TA), và theo công thức tính cảm ứng từ BBX của Biô - Xava (Kí hiệu chu kì này

  

Theo điều kiện để phân biệt 2 công thức : T1 > 1,10 T2, do đó :

1,052 1,2

Bài số 4 Một vòng dây hình tròn bán kính R = 10cm, đường kính tiết diện dây d

= 0,1mm, được đặt nằm ngang trong một từ trường đều có cảm ứng từ B

ur

hướng thẳng đứng Cho dòng điện I = 10A chạy qua vòng dây

a) Tính lực căng F đặt lên vòng dây do tác dụng của từ trường khi B = 0,2T b) Với giá trị nào của cảm ứng từ B thì vòng dây sẽ bị lực từ kéo đứt Cho biết giới hạn bền của dây là  b 2,3.10 N / m 8 2

(Đề thi chọn đội tuyển học sinh giỏi quốc gia tham dự Olimpic Vật lí quốc tế, năm 1999)

ur tác dụng lên đoạn AB có phương là trục đối xứng On

uur

của AB Xét một đoạn dây rất nhỏ dl trên AB, lực từ dQ tác

b) Lập luận tương tự như trên ta tìm được lực từ tác dụng

lên nửa vòng dây, đoạn ABC chẳng hạn, lực này là lực

kéo F tác dụng lên vòng dây : F = 2BIR

Kí hiệu Bb là cảm ứng từ làm vòng dây bị kéo đứt, lực kéo F phân phối trên 2 tiết diện thẳng ở hai đầu A, C của nửa vòng dây ta xét, do đó :

Fb = b.2S

2

d 2B IR 2.

Bài số 5 Một vòng dây tròn tâm O, bán kính a và có trục Oz có dòng cường độ I

chạy qua Một điểm chạy P của vòng dây có vị trí xác định bởi góc φ Hãy biểu thị dưới dạng tích phân từ trường tạo ra tại một điểm M của trục Ox rất xa vòng

a  ) Hãy thực hiện một phép khai triển có giới hạn theo u = a

x của tích

Hình 1.21

phân và thu được phần chính của từ trường B M( ) Hãy kiểm tra xem trường này

có đúng là trường do lưỡng cực từ tại cùng điểm đó không

Điều này đúng đối với trường hợp của lưỡng cực

Bài số 6 Một đĩa dẫn có tâm O và có bán kính R quay với vận tốc góc không

đổi quanh trục Oz của nó Đĩa mang một điện tích toàn phần q được phân bố với mật độ điện mặt toàn phần (kể cả 2 mặt) 0

khoảng cách từ tâm tới điểm P của đĩa

1 Tìm giá trị của 0 theo q và R Tính mômen từ của đĩa

2 Tìm biểu thức của từ trường tạo ra bởi 1 phân bố như thế tại

1 Xét phần tử có dạng vành khăn như hình 1.23 mà trong đó có thể coi δ  const

δδ.dS

dq

2 0

2 0

.Kπ.δ.rdr .2π

1 R

0 2

2 0

R

r 1 d R

r 1 K π.δ

R

0

2 1 2

2 2

0

R

r1.2

.Kπ.δ

2 2 2

0

.R2π

Q1

1.K2π

Qδ

dq

.r.πT

dq.r

dI.πdP

2 2

2 R

0

2 m

Rr1

.dr.rπ.ωδ.r πω

2π

.r.dr2πδ

.r πω

2π

dq

P

Bài tập củng cố:

1 Một dây dẫn ABCD mang dòng điện I = 10A, gồm hai

đoạn thẳng BA,CD và đoạn uốn cong thành một cung tròn

BC bán kính r =10m với góc ở tâm bằng 900

(Hình 1.24) Xác định cảm ứng từ tại tâm O

2 Cho dòng điện cường độ I chạy qua một đa giác đều n

cạnh, nội tiếp trong đường tròn bán kính R Xác định cảm

ứng từ tại tâm O của đa giác Xét trường hợp n  ∞

3 Hai vòng dây dẫn song song đồng trục giống hệt nhau, cùng bán kính R và có

tâm cách nhau một khoảng O1O2 = a, mang dòng điện I cùng chiều

a Xác định cảm ứng từ tổng hợp tại O1,O2 và O (trung điểm của O1O2)

b.Tìm tỷ số a/R để cảm ứng từ tại O gần như không đổi

4 (Đề thi Quốc tế năm 96 Nauy)

Hai dây dẫn thẳng không có từ tính C+

và C- cách điện với nhau và mang dòng

Hình 1.24

điện I theo chiều dương và chiều âm của trục Oz

Tiết diện của dây dẫn được giới hạn bởi các đường

tròn đường kính d trên mặt phẳng Oxy (phần gạch

chéo hình 1.25), các tâm cách nhau một khoảng

d/2.Tiết diện của mỗi dây có diện tích

2

12   18 d Dòng điện trên mỗi dây dẫn phân

bố đều theo tiết diện Xác định từ trường B(x, y)

trong không gian giữa hai dây

5 Một đĩa kim loại bán kính R, mang điện tích được phân bố đều với mật độ

mặt σ (trên cả hai mặt), quay với vận tốc góc ω không đổi quanh trục Oz của nó Tính từ trường tại điểm M nằm trên trục cách tâm một khoảng z

6 Một hình trụ dài, giả sử vô hạn, có bán kính R và được tích điện đều theo thể

tích với mật độ ρ, quay với vận tốc góc không đổi xung quanh trục Oz của nó Môi trường xung quanh có cùng tính chất từ với chân không và không có điện tích bề mặt Tính từ trường tại một điểm bất kì

7 vòng dây tròn tâm O, bán kính R, có dòng điện I chạy qua Xét từ trường tại

một điểm M nằm trong mặt phẳng vòng dây cách tâm O một khoảng OM = r <<

8 Một quả cầu bán kính R được phủ bởi một số lớn các vòng

dây N (Hình 1.26), có cùng dòng điện cường độ I cùng chiều

chạy qua Tính cảm ứng từ tại tâm O của quả cầu trong các

trường hợp:

1 Các vòng dây được ghép sát với nhau

2 Các mặt phẳng của N vòng dây cách đều nhau theo trục Oz (các vòng

không nối với nhau)

9 Một hình trụ rỗng, vô hạn, có tiết diện tròn bán kính a, có dòng điện mật độ

đều trên bề mặt (song song với các đường sinh của trụ) chạy qua và cường độ tổng hợp bằng I

Hình 1.25

Hình 1.26

1 Xác định từ trường tại điểm M cách trục hình trụ một khoảng r

2 Tìm lại kết quả trên bằng cách sử dụng đến trường tĩnh điện tạo ra bởi mặt hình trụ hình trụ ảo mang một điện tích có

mật độ đều trên bề mặt mà ta sẽ xác định

10 Tính cảm ứng từ tại điểm O, là tâm của

hình chữ nhật ABCD, trong hai trường hợp

sau: Mỗi nửa vòng tròn có bán kính a

(Hình 1.27) Đặt DA = BC = 2l Cường độ

dòng bằng I

11 Cho một đường đinh ốc bán kính R và

bước ốc a, có một dòng điện I chạy qua Tính từ trường tại điểm M nằm trên trục

Oz của đinh ốc xác định bởi các toạ độ θ1, θ2 là góc hợp bởi các véctơ MP1, MP2

với trục Oz Hãy bình luận kết quả

12 1 Một cuộn dây tròn tâm O, có trục ox và có bán kính R, mang N vòng dây,

có cường độ I chạy qua Bỏ qua bề dày của các vòng dây Biết cảm ứng từ là B

và có hướng dọc theo Ox Hãy biểu thị y = B/B0 theo u = x/R Vẽ đồ thị y(u) và đặt vào đó các điểm uốn

2 Hai cuộn dây giống như trên, có tâm O1, O2 và có một dòng điện cùng chiều, cường độ I chạy qua, được bố trí trên cùng một trục Cx (C là trung điểm của

O1O2 (O1O2 = R) Hãy tính BC Biểu diễn y = B/BC theo ξ = CM/R = z/R Vẽ y(ξ)

3 Hãy thực hiện một phép khai triển có giới hạn theo ξ của y ở lân cận của ξ =

0 Hỏi trong miền nào từ trường là không đổi sai kém một phần nghìn dọc theo trục? Kết luận

13 Một lỗ hổng hình trụ, trục O’z có tiết diện tròn bán kính r, đã được khoét ở

trong một hình trụ đặc trục Oz, bán kính R ở bên ngoài lỗ hổng, trụ có một dòng điện không đổi với mật độ dòng đều j chạy qua Xác định từ trường tại các điểm nằm trên đường thẳng OO’ Cho OO’ = a

14 Một dòng điện cường độ I chạy trong một sợi dây thẳng, có tiết diện không

đáng kể trùng với nửa trục Oz (z < 0) Tới O, dòng chạy trên bề mặt của một cái đĩa tâm O bán kính a, rồi chạy trên bề mặt của một hình trụ dẫn rỗng trục Oz, có bán kính a, và bề dày không đáng kể

1 Xác định biểu thức của từ trường tại mọi điểm trong không gian

Hình 1.27

2 Hãy xác minh các hệ thức đi qua (tính liên tục hoặc bất liên tục) của từ trường

15 Một đường đồng trục (được mô hình hoá dạng hình trụ) được thực hiện với

một vật liệu dẫn mà các tính chất từ tương đương với các tính chất từ của chân không Một hình trụ dẫn đặc ở bên trong, có trục Oz và bán kính a, được bao quanh bởi hình trụ thứ 2 đồng trục có bán kính trong b1, bán kính ngoài b2 Không gian giữa hai trụ dẫn là chân không Vật dẫn trung tâm có dòng điện cường độ I chạy qua theo Oz, và trở về nhờ vật dẫn ở bên ngoài Các mật độ khối giả sử là đều Hãy tính từ trường tạo bởi sự phân bố trên tại mọi điểm trong không gian

17 Hai lớp phẳng song song mỗi lớp có bề

dày b và ngăn cách nhau bởi một khẽ hở

dày 2a, lần lượt có các dòng khối đều và

ngược chiều nhau + j và - j chạy qua như

hình 1.28 Tính từ trường tạo ra bởi phân

bố này tại mọi điểm trong không gian

18 Hai hình trụ 1, 2 dài vô hạn, có cùng

bán kính R, có các trục song song và có 2 tâm cách nhau một khoảng 2d < 2R mang các dòng khối đều chạy qua: j1 = + j, j2 = - j Xác định từ trường trong miền chung của hai hình trụ (phần này không có dòng)

19 Hai vòng dây dẫn mảnh giống nhau hình tròn bán kính R = 10cm được đặt

đồng trục sát nhau, cách nhau d = 1mm Mỗi vòng dây mang dòng điện I = 10A Tính lực tương tác giữa 2 vòng dây

20 Một electron có điện tích – e, khối lượng m, trong mô tả cổ điển, vạch ra một

quỹ đạo tròn trục Oz, bán kính r xung quanh hạt nhân coi là chất điểm tại O Thừa nhận rằng mômen động lượng của electron đối với trục Oz là: LZ =

2

h



 , trong đó h là hằng số Plăng Hãy tính mômen từ liên kết với chuyển động trên quỹ đạo đó của electron

21 Một quả cầu tích điện đều trên bề mặt, có điện tích toàn phần q

và có bán kính R, quay với vận tốc góc không đổi ω quanh trục Oz

(hình vẽ 1.29) Hãy xác định mômen từ của phân bố dòng liên kết

22 Mômen từ nội tại của một electron, liên kết vơi “spin” của nó, về

giá trị tuyệt đối bằng M = μB =

m 2

e

(μB là manhêton Bohr) giả sử

electron có thể biểu diễn bằng một viên bi có bán kính r0 =

2 2 0 4

e mc

1

e hc

thức của vận tốc góc ω theo m, c, α và h, biểu thức vận tốc của một điểm trên xích đạo Nêu nhận xét

23 Để đo thành phần nằm ngang BH của từ trường Trái Đất người ta dùng một kim nam châm thử coi như một lưỡng cực từ có mômen M có thể quay dễ dàng quanh một trục thẳng đứng Kim được đặt tại tâm O của một cuộn dây phẳng gồm N vòng dây tròn mỗi vòng có bán kính R (bỏ qua tiết diện của dây), nằm trong một mặt phẳng thẳng đứng và được cung cấp bởi một dòng điện không đổi cường độ I điều chỉnh được Các chuyển động quay của kim có thể đo trên vòng tròn chia độ, độ 0 ứng với vị trí kim nằm trong mặt phẳng của cuộn dây

1 phương pháp 1: Biết rằng người ta có thể chọn mặt phẳng của cuộn dây, hãy

nêu ra một phép đo BH Thí nghiệm được thực hiện với BH nằm trong mặt phẳng của cuộn dây Khi cưòng độ dòng điện đi từ giá trị 0 đến giá trị I thì kim nam châm quay một góc α Xác định BH

2 Phương pháp 2: Dùng những dụng cụ trên, nhưng lần này vị trí mốc của kim

nam châm (hay VTCB) là vị trí vuông góc với mặt phẳng của cuộn dây Gọi BC

là từ trường của cuộn dây Giả sử giá trị của I sao cho BC < BH CMR: VTCB của kim nam châm không bị thay đổi bởi sự có mặt của một dòng điện I như thế trong cuộn dây và chu kì của các dao động nhỏ của kim quanh VTCB phụ thuộc vào chiều của dòng điện trong mạch Gọi T,T’ là các chu kì của các dao động đối với hai chiều Hãy CMR: B H T' 22 T' 22 B C

CHỦ ĐỀ 2: L C T TÁC D NG LÊN D Y DẪN MANG DÒNG ĐI N

được xác định như sau:

+ Điểm đặt : tại gốc của d lo

 + Phương: vuông góc với mặt phẳng hợp bởi (n 

,d  lo)

+ Chiều : sao cho ba véc tơ d  lo, n, d F o

lập thành một tam diện thuận

3 o o o o

r

r l Id l d I 4 F d

* Lực tương tác từ giữa hai dây dẫn thẳng song song có dòng điện chạy qua:

- Hai dây dẫn có dòng điện chạy qua sẽ tương tác lực từ lên nhau Nếu hai dòng điện cùng chiều thì chúng hút nhau, nếu hai dòng điện ngược chiều thì chúng đẩy nhau

- Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có chiều dài l:

d

I I l

d

I I

2

I1, I2 là dòng điện qua các dây dẫn;

d là khoảng cách giữa hai dây dẫn;

l là chiều dài mỗi dây dẫn

* Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều:

- Độ lớn: FBI l .sin B I;

- Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện I và cảm ứng từ B;

- Chiều: tuân theo quy tắc bàn tay trái

I.2 Mô men lực từ tác dụng lên khung dây dẫn kín: