SKKN Các bài tập điển hình về hiện tượng cảm ứng điện từ

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: "CÁC BÀI TẬP ĐIỂN HÌNH VỀ HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ" 1 PHẦN I . ĐẶT VẤN ĐỀ I.1. Lý do lựa chọn đề tài : Trong quá trình dạy học môn Vật lý, các bài tập vật lý có tầm quan trọng đặc biệt. Hiện nay để thực hiện tốt chương trình giáo khoa và dạy học theo phương pháp đổi mới có hiệu quả thì việc hướng dẫn học sinh biết phân loại, nắm vững phương pháp và làm tốt các bài tập sẽ góp phần không nhỏ vào việc thực hiện thành công mục tiêu giảng dạy cũng như kiểm tra chính xác mức độ hiểu kiến thức của học sinh. Từ học là một phần không thể thiếu của Vật lý. Trong chương trình THPT, từ học được giảng dạy ở Vật lý lớp 11. Tuy nhiên, mảng kiến thức chính này hiện nay chưa có được sự quan tâm thỏa đáng với tầm quan trọng của nó từ phía học sinh và ngay cả từ phía giáo viên dạy Vật lý vì nhiều lý do. Thứ nhất, từ học là một phần kiến thức khó và mang tính trừu tượng cao với nhiều quy tắc và suy luận vì vậy gây cảm giác mơ hồ cho người học, điều này dễ nhận thấy nhất khi giảng dạy chương “Cảm ứng điện từ”. Thứ hai, lượng kiến thức về từ học không được sử dụng nhiều trong kỳ thi tuyển sinh vào các trường Đại học và Cao đẳng, điều này khiến cả người dạy và người học không có hứng thú với việc tìm tòi và tiếp thu những kiến thức này. Để phần nào giúp các học sinh của mình cảm thấy dễ dàng tiếp nhận kiến thức về từ học, đặc biệt là hiện tượng cảm ứng điện từ, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài: “Các bài tập điển hình về hiện tượng cảm ứng điện từ’’. Với đề tài này tôi hi vọng sẽ làm cho học sinh mình thấy sự logic, rõ ràng và thú vị về hiện tượng cảm ứng điện từ qua hệ thống bài tập. I.2. Nhiệm vụ của đề tài: 2 - Giúp học sinh có cái nhìn khái quát về hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ đó hiểu rõ bản chất của hiện tượng này ở các trường hợp cụ thể qua các tình huống mà bài tập đưa ra và định hướng được cách giải nhanh chóng. - Củng cố, bồi đắp hứng thú học tập, nâng cao khả năng tự học và tự nghiên cứu của học sinh. I.3. Phương pháp nghiên cứu: Khi đã xác định được vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu tôi đã sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp điều tra giáo dục - Phương pháp quan sát sư phạm - Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh - Phương pháp mô tả, mô phỏng bằng thí nghiệm ảo - Các phương pháp thực nghiệm trong giảng dạy vật lý. I.4. Cách thức nghiên cứu: - Xử lý tài liệu giáo khoa và tài liệu tham khảo. Sưu tập các thí nghiệm về các hiện tượng cảm ứng điện từ mà bài tập đề cập đến. - Hệ thống hóa tài liệu và đưa vào giảng dạy. Sau đó kiểm tra đánh giá mức độ nhận thức của học sinh PHẦN II . GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Hệ thống bài tập cảm ứng điện từ có thể chia làm bốn dạng bài tập sau: 3 II.1. BÀI TẬP XÁC ĐỊNH CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG II.1.1. Tóm tắt lý thuyết: * Từ thông Φ qua diện tích S đặt trong từ trường đều B được tính bởi công thức: α cos SB=Φ Trong đó: • B là cảm ứng từ của từ trường (T); • S là tiết diện khung dây (m 2 ); • ( ) nB;= α là góc hợp bởi các đường sức từ và pháp tuyến của mặt phẳng khung dây; • Φ là từ thông (Wb). * Hiện tượng cảm ứng điện từ: - Điều kiện: Khi có sự biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. - Định luật Len-xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. II.1.2. Phương pháp giải bài tập: * Áp dụng định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng: Gọi: B là cảm ứng từ của từ trường ban đầu; c B là cảm ứng từ của từ trường do dòng điện cảm ứng sinh ra. - Nếu Φ tăng thì cảm ứng từ c B ngược chiều với chiều của cảm ứng từ B . - Nếu Φ giảm thì cảm ứng từ c B cùng chiều với chiều của cảm ứng từ B . 4 * Các bước xác dịnh chiều dòng điện cảm ứng: - Xác định chiều của từ trường ban đầu B . - Xét từ thông Φ (số đường sức từ) qua tiết diện khung dây tăng hay giảm. - Dựa vào định luật Len-xơ để xác định chiều của c B . - Áp dụng quy tắc đinh ốc để xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Ví dụ: Cho hệ thống như hình vẽ: Nam châm chuyển động lên phía trên theo phương thẳng đứng, xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây. Dưới tác dụng của lực từ, vòng dây có thể chuyển động theo chiều nào? Giải: - Từ trường do nam châm sinh ra đi qua vòng dây sẽ tạo ra một từ thông qua vòng dây. - Khi nam châm ra xa vòng dây, số đường sức qua tiết diện vòng dây là giảm. Do đó, từ thông qua vòng dây có độ lớn giảm dần và trong vòng dây xuất hiện dòng điện cảm ứng I c . - Áp dụng định luật Len-xơ ta thấy: I c sinh ra từ trường có cảm ứng từ c B cùng chiều với B . - Theo quy tắc đinh ốc, ta suy ra đòng điện I c có chiều như hình vẽ. - Dòng điện cảm ứng Ic khiến vòng dây có tác dụng như một nam châm mà mặt trên là mặt Nam, mặt dưới là mặt Bắc. Do đó, vòng dây bị nam châm hút. Vậy vòng dây có thể chuyển động lên phía trên. II.1.3. Bài tập củng cố: Bài 1. Một thí nghiệm được bố trí như hình vẽ. 5 R M P N Q A C G Bài 1 Hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng trong mạch C khi con chạy biến trở đi xuống. Bài 2. Một nam châm đưa lại gần vòng dây như hình vẽ. Hỏi dòng điện cảm ứng trong vòng dây có chiều như thế nào và vòng dây sẽ chuyển động về phía nào? Bài 3. Một vòng dây kim loại treo trên sợi dây mảnh song song với mặt cắt của một cuộn dây. Cuộn dây được mắc vào mạch điện như hình vẽ. Khi khóa K đóng thì trong vòng kim loại xuất hiện dòng điện cảm ứng có chiều như thế nào và vòng kim loại chuyển động ra sao? II.2.BÀI TẬP XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ CƯỜNG ĐỘ CỦA DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG II.2.1. Tóm tắt lý thuyết: * Định luật Faraday về cảm ứng điện từ: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch điện tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch. * Biểu thức: t e c ∆ ∆Φ = Trong đó: • ΔΦ là độ biến thiên từ thông trong thời gian Δt; • e c : là suất điện động cảm ứng của khung dây. II.2.2. Phương pháp giải bài tập: 6 S N K - Áp dụng công thức tính từ thông: α cos SNB =Φ . Từ đó tính ΔΦ. - Áp dụng định luật Faraday để tính suất điện động cảm ứng. - Kết hợp với công thức định luật Ohm cho toàn mạch để tìm cường độ dòng điện cảm ứng. Ví dụ 1: Một cuộn dây phẳng có 100 vòng, bán kính mỗi vòng dây là 0,1m. Cuộn dây được đặt trong từ trường đều, mặt phẳng cuộn dây vuông góc với các đường cảm ứng từ. Lúc đầu cảm ứng từ của từ trường có giá trị 0,2T. Cuộn dây có điện trở là r = 2,1Ω. Tìm suất điện động cảm ứng trung bình trong cuộn dây và dòng điện chạy trong cuộn dây nếu trong khoảng thời gian 0,1s: a) cảm ứng từ của từ trường tăng đều đặn lên gấp đôi. b) cảm ứng từ của từ trường giảm đều đặn đến 0. Giải: a) Ta có: BSBSBS =Φ−Φ=∆Φ⇒=Φ=Φ 1221 2; S = πR 2 = 3,14.0,1 2 = 0,0314 (m 2 ) ⇒ ΔΦ = 0,2.0,0314 = 6,28.10 -3 (Wb). - Suất điện động cảm ứng: 28,6 1,0 10.28,6 .100. 3 == ∆ ∆Φ = − t Ne c (V) - Dòng điện chạy trong cuộn dây là: 3 1,2 28,6 ≈== r e I c (A) b) Ta có: BSBS −=Φ−Φ=∆Φ⇒=Φ=Φ 1221 0; 7 S = πR 2 = 3,14.0,1 2 = 0,0314 (m 2 ) ⇒ ΔΦ = - 0,2.0,0314 = 6,28.10 -3 (Wb). - Suất điện động cảm ứng: 28,6 1,0 10.28,6 .100. 3 == ∆ ∆Φ = − t Ne c (V) - Dòng điện chạy trong cuộn dây là: 3 1,2 28,6 ≈== r e I c (A) Ví dụ 2: Một dây dẫn chiều dài l = 2m, điện trở R = 4Ω được uốn thành một hình vuông. Các nguồn E 1 = 10V, E 2 = 8V, r 1 = r 2 = 0, được mắc vào các cạnh hình vuông như hình. Mạch được đặt trong một từ trường đều. B vuông góc với mặt phẳng hình vuông và hướng ra sau hình vẽ, B tăng theo thời gian theo quy luật B = kt, k = 16T/s. Tính cường độ dòng điện chạy trong mạch. Giải: Do B tăng nên trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động E c ; dòng điện cảm ứng do E c sinh ra phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra ngược chiều với từ trường ngoài B . Suất điện động cảm ứng E c được biểu diễn như hình vẽ: ( ) ( ) )(4 4 . . . 2 V l kE Sk t tk S t B S t BS t E c c =       = = ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆ ∆Φ = 8 E 1 E 2 B Ví dụ 2 E C E 1 E 2 B Vì trong mạch: E c + E 2 > E 1 nên dòng điện trong mạch sẽ có chiều ngược kim đồng hồ. Cường độ dòng điện trong mạch có giá trị: 5,0 12 = −+ = R EEE I c (A) Ví dụ 3: Cuộn dây kim loại (có điện trở suất ρ = 2.10 -8 Ωm), N = 1000 vòng, đường kính d = 10cm, tiết diện dây S = 0,2mm 2 có trục song song với B của từ trường đều. Tốc độ biến thiên của từ trường là 0,2T/s. Lấy π = 3,2. a) Nối hai dầu cuộn dây với tụ điện có điện dung C = 1μF. Tính điện tích của tụ điện. b) Nối hai đầu cuộn dây với nhau. Tính cường độ dòng cảm ứng và công suất nhiệt trong cuộn dây. Giải: - Ta có: Φ 1 = B 1 .S; Φ 2 = B 2 .S ⇒ ΔΦ = Φ 2 – Φ 1 = (B 2 – B 1 ).S = ΔB.S - Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây là: 6,12,0. 4 1,0 .2,3.1000. 4 . 22 == ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆ ∆Φ = t Bd NS t B N t SB N t Ne c π (V) a) Nối hai đầu cuộn dây với tụ điện thì hiệu điện thế giữa hai bản tụ bằng suất điện động cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây: U = e c = 1,6 (V). Điện tích của tụ là: q = C.U = 10 -6 .1,6 = 1,6.10 -6 (C) = 1,6 (μC) b) Nối hai đầu cuộn dây với nhau, ta được một mạch điện kín. - Điện trở của cuộn dây là: 32 10.2,0 1,0.2,3.1000 .10.2 6 8 ==== − − S dN S l R π ρρ (Ω) - Cường độ dòng điện cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây là: 9 C 1 C 2 B . Ví dụ 4 05,0 32 6,1 === R e I c (A) - Công suất nhiệt trên cuộn dây là: Q = I 2 .R = 0,05 2 .32 = 0,08 (W) Ví dụ 4: Vòng dây dẫn diện tích S = 1m 2 đặt trong một từ trường đều có B vuông góc với mặt phẳng vòng dây. Hai tụ điện C 1 = 1μF, C 2 = 2μF được mắc nối tiếp trong vòng dây ở vị trí xuyên tâm đối. Cho B thay đổi theo thời gian B = kt, k = 0,6T/s. Tính hiệu điện thế và điện tích của mỗi tụ. Giải: Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên mỗi nửa vòng dây được biểu diễn như hình vẽ. ( ) 3,0 2 . . . 2 . 2 2 . 21 == ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆       ∆ = ∆ ∆Φ == S k t tkS t BS t S B t EE (V) Gọi hiệu điện thế hai đầu mỗi tụ là U 1 , U 2 . Ta có: U MQ + U QP = U MN + U NP )(6,0 2121 2121 VEEUU UEEU =+=+⇒ +−=+−⇒ - Theo định luật bảo toàn điện tích, ta lại có: Q 1 = Q 2 ⇒ C 1 U 1 = C 2 U 2 ⇒ U 1 = 2U 2 . Giải hệ phương trình: ( ) ( )    = = ⇒    = =+ VU VU UU UU 2,0 4,0 2 6,0 2 1 21 21 10 C 1 C 2 B . E 1 E 2 - + - + × × × × M N P Q [...]... thanh đồng thẳng ứng song cách nhau khoảng l = 50cm từ trường B nằm ngang M hình, B = 0,2T Bỏ qua điện trở các thanh và điện trở tiếp Cho a) Tính suất điện động cảm ứng trong MN b) Tính lực điện từ, chiều và độ lớn dòng điện cảm ứng c) Tính R II.4 BÀI TẬP VỀ HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM II.4.1 Tóm tắt lý thuyết: * Độ tự cảm của một ống dây: L= Φ N2 = 4π 10 − 7 S I l Trong đó: • I là cường độ dòng điện chạy trong.. .Điện tích của mỗi tụ: Q1 = Q2 = 0,4 (μC) B II.2.3 Bài tập củng cố: Bài 1.Vòng dây tròn bán kính r = 10cm, điện trở R = đặt nghiêng góc 30º với B, 0,2Ω B = 0,02T như hình Xác định Bài 1 suất điện động cảm ứng, độ lớn và chiều dòng điện cảm ứng trong vòng nếu trong thời gian Δt = 0,01s, từ trường: a) Giảm đều từ B xuống đến không b) Tăng đều từ không lên B Bài 2 Trong hình vẽ Oc là một thanh cách điện. .. (A) • Φ là từ thông qua tiết diện ống dây (Wb) • L là hệ số tự cảm (H) * Suất điện động tự cảm: 21 song N như xúc Bài 8 g = 10m/s2 B Etc = L ∆Φ ∆t * Năng lượng từ trường của ống dây: W= 1 2 L.I 2 II.4.2 Phương pháp giải bài tập: - Áp dụng các công thức lien quan đến hiện tượng tự cảm: Độ tự cảm, suất điện động tự cảm, năng lượng từ trường - Kết hợp với các công thức của các định luật về dòng điện không... độ biến thiên ΔB/Δt của cảm ứng từ khi dòng điện cảm ứng trong vòng dây I = 2A 11 Bài 5 Cuộn dây N = 1000 vòng, diện tích mỗi vòng S = 20cm 2 có trục song song với B của từ trường đều Tính độ biến thiên ΔB của cảm ứng từ trong thời gian Δt = 10 -2s khi có suất điện động cảm ứng Ec = 10V trong cuộn dây Bài 6 Vòng dây dẫn diện tích S = 100cm 2, điện trở R = 0,01Ω quay đều trong từ trường đều B = 0,05T,... trung bình trong vòng và điện lượng qua tiết diện vòng dây nếu trong thời gian Δt = 0,5s, góc α = (n; B ) thay đổi từ 60º đến 90º II.3 BÀI TẬP VỀ MẠCH ĐIỆN CÓ SUẤT ĐIỆN ĐỘNG TẠO BỞI ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG II.3.1 Tóm tắt lý thuyết: * Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên đoạn dây chuyển động trong từ trường đều: Ec = Bl.v.sinα Trong đó: • B là cảm ứng từ của từ trường đều (T); • l là... phân dạng bài, không hệ thống hóa mà chỉ đưa bài tập sau khi đã tóm tắt toàn bộ nội dung của chương và mô phỏng các hiện tượng ngay trong bài tóm tắt Lớp thứ hai (11C3) tôi dạy theo phương pháp trên với bài tập được phân loại rõ ràng, hiện tượng mô phỏng cụ thể ở từng bài toán Kết quả nhận thấy như sau: - Lớp 11C12: Trong thời gian học rất nhiều học sinh nói rằng hiện tượng này khó hiểu, gặp bài tập tỏ... trong một từ trường đều kéo B đặt A thẳng ứng (B = Bài 5 0,4T) Bỏ qua điện trở ray và thanh AB Tìm cường độ dòng điện cảm ứng qua R Bài 6 Cho mạch điện trong từ trường giống như bài trên Vận tốc chuyển động của thanh AB là v = 10m/s, điện trở R = 150Ω, cường độ dòng điện cảm ứng I = 0,2A Bỏ qua ma sát Tìm lực kéo tác dụng lên AB B B Bài 7 Cho hệ thống như hình vẽ, thanh kim loại 20cm, khối lượng m... phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 90 o hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó II.3.2 Phương pháp giải bài tập: 12 - Áp dụng công thức về suất điện động tạo bởi đoạn dây chuyển động trong từ trường - Kết hợp với công thức của các định luật về dòng điện. .. a) Tính từ thông qua mỗi vòng dây b) Tính suất điện động tự cảm trong xôlênôit khi ngắt dòng điện trong thời gian 0,1s Từ đó suy ra độ tự cảm của cuộn dây c) Giải lại bài toán khi xôlênôit có lõi, độ từ thẩm của lõi là μ = 500 23 Δt = Bài 3 Trong một mạch điện có độ tự cảm L = 0,6H, có dòng điện cường độ giảm đều đặn từ I = 0,2A đến 0 trong khoảng thời gian 0,2 phút Tính suất điện động tự cảm của mạch... đường sức từ, trên thanh MN xuất hiện một suất điện động cảm ứng: ( ) ec = B.l.v sin B; v = B.l.v cos α Khi đó, tụ được tích điện: q = C.u = C.ec = B.C.l.v.cosα - Thanh MN chuyển động có gia tốc nên suất điện động cảm ứng trên thanh MN thay đổi theo thời gian, tức là điện tích của tụ có sự thay đổi Như vậy trong mạch xuất hiện dòng chuyển dời các điện tích giữa hai bản tụ, tức là xuất hiện dòng điện Cường . dễ dàng tiếp nhận kiến thức về từ học, đặc biệt là hiện tượng cảm ứng điện từ, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài: Các bài tập điển hình về hiện tượng cảm ứng điện từ ’. Với đề tài này tôi hi vọng. thú vị về hiện tượng cảm ứng điện từ qua hệ thống bài tập. I.2. Nhiệm vụ của đề tài: 2 - Giúp học sinh có cái nhìn khái quát về hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ đó hiểu rõ bản chất của hiện tượng. ban đầu; c B là cảm ứng từ của từ trường do dòng điện cảm ứng sinh ra. - Nếu Φ tăng thì cảm ứng từ c B ngược chiều với chiều của cảm ứng từ B . - Nếu Φ giảm thì cảm ứng từ c B cùng chiều