Sáng kiến kinh nghiệm: hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm phần từ trường dạy học vật lý thpt

- Từ việc phân tích, đánh giá tình trạng thiết bị thí nghiệm trên, tôi nhậnthấy rằng, để giảng dạy chương này tốt hơn, hấp dẫn và đạt hiệu quả hơn thìchúng ta cần thiết kế, chế tạo thêm

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Vật lí học là môn khoa học thực nghiệm nên một trong những khâu quantrọng của quá trình đổi mới phương pháp dạy học Vật lí là phải tăng cường cáchoạt động thực nghiệm của học sinh trong quá trình học tập Vì vậy, việc đưa thínghiệm vào dạy học để học sinh tiếp cận với con đường nghiên cứu khoa học vàhiểu sâu sắc các kiến thức Vật lí là hết sức cần thiết và có ý nghĩa vô cùng tolớn Bởi thông qua thí nghiệm, học sinh sẽ được rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo, giáodục tổng hợp, hình thành tư duy sáng tạo và tinh thần làm việc tập thể

Trong chương trình vật lí phổ thông, chương từ trường được đưa vàogiảng dạy ở lớp 11 Tuy nhiên, các thí nghiệm ở chương này chỉ được trang bị ởmức độ tối thiếu, còn rất nhiều ứng dụng khác mà sách giáo khoa không đưa vàohoặc đưa vào chỉ ở mức độ thông báo Việc dạy học theo phương pháp truyềnthống làm cho học sinh chưa hiểu được con đường thành kiến thức một cáchđúng đắn, chính điều này làm cho việc hiểu kiến thức của học sinh chưa sâu sắc

và thiếu bền vững

Chính vì những lý do trên, với mong muốn góp phần vào việc đổi mới,nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học môn Vật lí ở trường phổ thông, tôichọn đề tài: “Hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm dùng để dạy họcphần từ trường trong chương trình vật lí phổ thông”

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu để hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm dùng đểdạy học chương từ trường trong chương trình vật lí phổ thông Qua đó, giúp giáoviên chủ động đưa thí nghiệm vào giảng dạy để nâng cao chất lượng dạy học

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Một số dụng cụ thí nghiệm dùng để dạy học trong chương từ trường

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp thực hành thí nghiệm

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Là cơ sở khoa học để định hướng việc đưa thí nghiệm vào giảng dạy

trong chương trình vật lí mạnh mẽ và hiệu quả hơn

- Giúp giáo viên có một nguồn tài liệu tham khảo về cách thiết kế, chế tạothí nghiệm dùng để dạy học vật lí trong chương từ trường

PHẦN 2: NỘI DUNG 2.1 Đánh giá tình trạng thiết bị thí nghiệm chương từ trường

- Hiện nay, các trường trung học phổ thông đều được trang bị các dụng cụthí nghiệm tối thiểu cho việc dạy học chương này, gồm có bộ thí nghiệm về xácđịnh lực từ, bộ thí nghiệm xác định thành phần nằm ngang của trái đất (la bàntang) và một số dụng cụ thí nghiệm khác Nhìn chung, các dụng cụ thí nghiệmphục vụ cho việc dạy học chương này còn rất thiếu Ngoài hai bộ thí nghiệmtrên thì các trường cũng chỉ có một số thanh nam châm thẳng, chữ U và kimnam châm, các mạt sắt

- Nhiều thí nghiệm quan trọng như: thí nghiệm tương tác giữa hai dòngđiện thẳng song song cùng chiều và ngược chiều, tương tác giữa nam châm vàdòng điện, máy phát điện một chiều thì hầu hết các trường đều không đượctrang bị

- Từ việc phân tích, đánh giá tình trạng thiết bị thí nghiệm trên, tôi nhậnthấy rằng, để giảng dạy chương này tốt hơn, hấp dẫn và đạt hiệu quả hơn thìchúng ta cần thiết kế, chế tạo thêm một số dụng cụ thí nghiệm biểu diễn khácnhư thí nghiệm tác dụng của nam châm lên dòng điện, thí nghiệm tương tác giữahai dòng điện thẳng Chính vì vậy, tôi đề xuất phương án để thiết kế, chế tạomột số dụng cụ thí nghiệm từ những vật liệu đơn giản, rẻ tiền, dễ tìm trong đờisống nhằm giảng dạy hiệu quả hơn

2.2 Hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số dụng cụ thí nghiệm chương từ trường

2.2.1 Thí nghiệm tác dụng dòng điện lên kim nam châm

- Mục đích thí nghiệm:

Kiểm nghiệm sự tác dụng của dòng điện lên kim nam châm.

- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm:

Bước 1: Cắt bỏ phần đáy của chai nhựa 1,5l và lấy phần còn lại của chai.

Dùng khoan để khoan hai lỗ trên đường kính của chai, hai lỗ này cách mép chỗ cắt đi khoảng 1cm

Bước 2: Luồn sợi dây đồng

khoảng 50cm vào hai lỗ trên, bẻ phần hai

bên sợi dây đồng dọc theo thân chai và

dùng băng dính cố định lại Hai đầu sợi

dây được nối với hai dây dẫn qua máy

biến thế (cắm vào nguồn một chiều)

Bước 3: Cắt hai miếng xốp thành

hình chữ V và đặt chai nhựa lên hai khối

xốp này theo hướng Bắc - Nam, đảm bảo

Hình 1: Thí nghiệm dòng điện tác dụng lên kim nam châm

chai ở vị trí nằm ngang cố định Đặt kim nam châm nằm song song phía dướidây dẫn sao cho cách dây khoảng 1cm

- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm:

Bật công tắc của biến thế nguồn DC, quan sát thí nghiệm ta thấy kim namchâm bị lệch khỏi vị trí ban đầu Nếu tăng cường độ dòng điện lên thì góc lệchcủa kim nam châm càng lớn Nếu đổi chiều dòng điện thì kim sẽ lệch theo chiềungược lại Vậy, dòng điện qua dây dẫn đã tác dụng lực lên kim nam châm làmkim nam châm bị lệch khỏi vị trí ban đầu

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì xung quanh dây dẫn sẽ có một từtrường Từ trường của dòng điện xung quanh dây dẫn đã tác dụng lên kim namchâm, lực tương tác từ này đã làm kim nam châm bị lệch đi khỏi vị trí ban đầu.Kim nam châm sẽ định hướng theo hướng của từ trường tổng hợp giữa từ trườngcủa dòng điện và từ trường trái đất Khi dòng điện càng lớn thì lực tương tác từlớn nên góc lệch càng lớn Nếu đổi chiều dòng điện thì chiều từ trường dòngđiện cũng thay đổi, dẫn đến hướng lực tác dụng lên nam châm cũng thay đổitheo, điều này làm cho kim nam châm sẽ quay theo chiều ngược lại

- Lưu ý:

Do dây dẫn có điện trở nhỏ nên trong quá trình làm thí nghiệm không nên

để dòng điện qua dây trong thời gian dài

2.2.2 Thí nghiệm tác dụng của nam châm lên dòng điện

- Mục đích thí nghiệm:

Kiểm nghiệm sự tác dụng của nam châm lên dòng điện

- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm:

Bước 1: Đục một lỗ trên nắp chai

nhựa và luồn qua nó đoạn dây đồng dài

10cm Đoạn dây đồng phía trong nắp chai

nhựa bẻ lại thành vòng tròn nhỏ, đầu còn

lại nối với dây dẫn qua biến thế nguồn Lấy

một đoạn dây đồng dài khoảng 20cm, một

đầu để tự do đầu còn lại móc vào vòng tròn

trên và cũng uốn thành vòng tròn để nó có

thể chuyển động tự do trên vòng tròn thứ

nhất

Bước 2: Trên chai nhựa này, đục một

Hình 2: Thí nghiệm nam châm tác dụng lên dòng điện trong dung dịch CuSO 4

lỗ cách đáy chai nhựa khoảng 7cm Luồn một đoạn dây đồng vào bên trong lỗnày dài khoảng 5cm, sau đó bẻ cong phần dây còn nằm ngoài chai và nối nó vớidây dẫn qua máy biến thế

- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm:

Cho 250ml dung dịch CuSO4 vào chai nhựa sao cho nó ngập hai đoạn dâyđồng trên Bật công tắc nguồn điện và cho dòng điện qua dây dẫn, quan sátthấy: nếu không đưa nam châm lại gần dây dẫn thì dây dẫn vẫn nằm yên, cònnếu cho nam châm chuyển động lại gần hoặc đưa ra xa dòng điện thì thấy dâydẫn cũng chuyển động bên trong dung dịch Vậy, nam châm đã tác dụng lực lêndòng điện làm cho dây dẫn chuyển động qua lại bên trong chai nhựa

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Khi đóng mạch điện thì có một dòng điện chạy qua sợi dây đồng, dòngđiện này đặt trong từ trường của nam châm (khi đưa nam châm lại gần dây dẫn).Chính vì vậy, dòng điện sẽ chịu tác dụng của lực từ làm cho dây dẫn chuyểnđộng qua lại (một đầu sợi dây đồng để tự do)

- Lưu ý:

- Có thể thay nam châm loa bằng thanh nam châm thẳng.

- Từ trường nam châm phải mạnh mới có thể làm dây dẫn chuyển động

2.2.3 Thí nghiệm tạo từ phổ trong không gian của thanh nam châm thẳng

- Mục đích thí nghiệm:

Minh họa hình ảnh từ phổ của thanh nam châm thẳng trong không gian

ba chiều

- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm:

Bước 1: Cho 1g mạt sắt vào trong chai

nhựa, sau đó cho 0,5ldầu ăn vào trong chai

(không đổ dầu ăn đầy chai nhựa mà chiếm

khoảng 80% thể tích của chai)

Bước 2: Lồng thanh nam châm vào

trong ống nhựa và đưa ống nhựa vào trong

chai Ở đầu trên của ống nhựa dùng cây kim

xỏ qua đường kính ống nhựa để giữ cho ống

nhựa ở vị trí thẳng đứng cách đáy chai

khoảng 5 cm

Hình 3: Hình ảnh từ phổ trong không gian

- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm:

Lắc nhẹ chai nhựa để cho các mạt sắt chuyển động bên trong chai Quansát các mạt sắt thấy chúng sắp xếp thành những đường cong bên trong chai Ởhai đầu thanh nam châm các mạt sắt định xứ là nhiều nhất, còn ở giữa thanh namchâm là ít nhất Sự sắp xếp của các hạt mạt sắt như trên gọi là hình ảnh từ phổcủa thanh nam châm thẳng trong không gian

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Khi các hạt mạt sắt đặt trong từ trường thì dưới tác dụng của từ trườngcác mạt sắt bị từ hóa và chúng biến thành những nam châm nhỏ Các nam châmnày sẽ định hướng dọc theo các đường sức từ của thanh nam châm Sự sắp xếpcủa các mạt sắt cho ta biết hình ảnh đường sức từ của thanh nam châm Hìnhảnh đó gọi là từ phổ

- Lưu ý:

+ Có thể thay dầu ăn bằng glycerin.

+ Nếu không có thanh nam châm ta có thể dùng các viên nam châm, rồighép lại với nhau

2.2.4 Thí nghiệm tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song

- Mục đích thí nghiệm:

Kiểm nghiệm sự tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song với tínhchất: hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, hai dòng điệnthẳng song song ngược chiều thì đẩy nhau

 Phương án 1: Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song được tạo ra

từ hai nguồn điện

- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm:

Bước 1: Dùng dùi sắt có đường kính

1mm đã nung đỏ để dùi vào mỗi chai nhựa 4

lỗ, 2 lỗ ở gần miệng chai và 2 lỗ ở gần đáy

chai sao cho khoảng cách giữa chúng khoảng

20cm và đường nối 2 lỗ vuông góc với chai

Đổ hạt ngô vào bên trong chai để chai luôn ở

vị trí thẳng đứng

Bước 2: Cắt dây điện từ thành 4 đoạn,

mỗi đoạn dài khoảng 30cm, cạo bỏ lớp cách

điện ở đầu mỗi đoạn, tiếp tục tạo 2 đoạn dây

Hình 4: Thí nghiệm tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song (phương án 1)

điện nhỏ dài khoảng 30cm Sau đó, ta nối 6 đoạn dây trên thành 2 dây dẫn theothứ tự: dây điện từ - dây điện – dây điện từ

Bước 3: Luồn 2 dây dẫn trên vào 4 lỗ của mỗi chai nhựa.

- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm:

+ Sau khi luồn hai dây dẫn vào hai chai nhựa, ta sẽ điều chỉnh dây dẫn đểtạo ra một đoạn dây dẫn dài 30cm song song với trục chai nhựa và cách trục củachai khoảng 7cm Hai đầu của dây được nối với máy biến thế, ta cũng làm tương

tự đối với chai nhựa còn lại

+ Đặt hai chai nhựa trong mặt phẳng thẳng đứng sao cho hai đoạn dây dẫnsong song cách nhau 1cm và hai đoạn dây này cùng đồng phẳng.

+ Bật công tắc nguồn của hai máy biến thế và cho dòng điện vào dây dẫn, ta

có thể điều chỉnh cách cho chiều dòng điện chạy vào dây dẫn và độ lớn dòngđiện mà hai dây dẫn có thể hút nhau hoặc đẩy nhau Nếu cho chiều dòng điệnchạy từ trên xuống thì thấy hai dòng điện hút nhau, nếu đổi một trong hai chiềudòng điện thì hai dòng điện đẩy nhau

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Khi đặt 2 dây dẫn song song nhau rồi

cho dòng điện chạy qua thì mỗi dây dẫn sẽ

tạo ra một từ trường có như hình bên Dòng

điện này đặt trong từ trường của dòng kiện

kia nên hai dòng điện tương tác với nhau

Vận dụng quy tắc bàn tay trái xác định lực từ

tác dụng lên mỗi dòng điện, thấy rằng khi hai Hình 5: Minh họa TN sự tương tác giữa hai dòng điện

thẳng

dòng điện cùng chiều thì lực từ tác dụng lên hai dòng điện sẽ hướng vào nhauhay hai dòng điện cùng chiều thì hút nhau Còn khi hai dòng điện ngược chiềuthì lực từ tác dụng lên mỗi dòng điện hướng ra xa nhau hay hai thì hút nhau

 Phương án 2: Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song được tạo ra

từ một nguồn điện

- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm:

Cách chế tạo DCTN ở phương án

này cũng tương tự như cách chế tạo

DCTN ở phương án 1 Tuy nhiên, Ở

phương án này, vì ta chỉ sử dụng một

nguồn điện nên ta phải nối hai đầu tự do

của dây dẫn ở mỗi chai lại với nhau, sau

đó ta nối với nguồn điện

- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí

Hình 6: Thí nghiệm tương tác giữa

1

F

nghiệm: hai dòng điện thẳng song song

+ Khi cho dòng điện vào hai dây dẫn thì tùy theo cách nối mà hai dòngđiện có thể hút nhau hoặc đẩy nhau

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Cách giải thích thí nghiệm ở phương án này cũng tương tự như trongphương án 1 đã nêu trên

 Phương án 3: Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song trong mặt

phẳng nằm ngang

- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm:

Trong phương án này, ta cũng chỉ sử

dụng một nguồn điện Ở đây ta sử dụng

một dây dẫn dài khoảng 1m Vì vậy, cách

nối để tạo thành một dây dẫn theo thứ tự:

dây điện từ - dây diện – dây điện từ - dây

điện – dây điện từ và phải bố trí sao cho

hai đoạn dây diện phải nằm song song cách

nhau 1cm trong mặt phẳng nằm ngang

- Tiến hành TN và kết quả thí nghiệm:

Hình7: Thí nghiệm tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song (phương án 3)

+ Nối hai đầu của dây dẫn trên vào nguồn điện và cho dòng điện tăng dầnlên thì ta thấy hai dòng điện đẩy nhau

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Cách giải thích thí nghiệm ở phương án này cũng tương tự như trongphương án 1 đã nêu trên

- Lưu ý:

+ Do đoạn dây dẫn được chọn làm thí nghiệm ngắn nên điện trở dây rấtnhỏ Vì vậy, trước khi thực hiện thí nghiệm cần xác định điện trở của dây trước

để đảm bảo dòng điện không làm cháy cầu chì của máy biến thế

+ Vì thí nghiệm này rất khó quan sát do lực tương tác giữa hai dây dẫn

điện qua dây nhỏ thì hiện tượng hầu như không xảy ra nên trong quá trình làmthí nghiệm ta cần phải tăng cường độ dòng điện lên và chính điều này dễ làmcháy cầu chì máy biến thế Để hạn chế điều này ta cần mắc thêm ampe kế đểtheo dõi độ lớn dòng điện qua máy biến thế.

+ Việc giữ để chai nhựa luôn ở vị trí thẳng đứng có nhiều cách, có thể cốđịnh vị trí chai, hoặc cho đất hoặc cát biển vào bên trong chai Trong các thínghiệm này, tôi dùng hạt ngô là vì nó sạch và không bị rơi ra ngoài qua các lỗluồn dây dẫn

+ Việc chọn loại dây dẫn để làm thí nghiệm là cực kỳ quan trọng, quyếtđịnh nhất trong thí nghiệm này Bởi nếu chọn dây không phù hợp thì hiện tượngkhông xảy ra Vì vậy, nên chọn hai loại dây dẫn sao cho đoạn dây được chọn đểquan sát hiện tượng xảy ra phải mảnh và nhẹ (chọn loại dây điện không vỏ ởtrong các ruột dây điện) còn đoạn còn lại thì có thể dùng dây điện từ loại

đó, cố định khối gỗ này lên bảng gỗ nhờ keo

dính sao cho khối gỗ này lệch 30 0so với

phương nằm ngang trong mặt phẳng khối gỗ

Bước 2: Khoan một lỗ nhỏ chính giữa

trên khối gỗ thứ hai và luồn qua lỗ này là một

ốc vít sao cho phần nhô ra khoảng 1,5cm và

tiếp xúc với dải kim loại bằng sắt Sau đó, đặt Hình 8: Thí nghiệm mạch

chuông điện (phương án 1)

nó song song với khối gỗ thứ nhất, cách khối gỗ thứ nhất khoảng 1cm và cố định

nó trên bảng gỗ bằng keo dính Trên ốc vít này ta nối một đoạn dây dẫn dài10cm

Bước 3: Tương tự, khoan một lỗ nhỏ trên khối gỗ thứ ba và luồn qua nó

là một ốc vít, để phần nhô ra khoảng 2cm Sau đó, dùng dây điện từ quấn nhiềuvòng trên phần nhô ra của ốc vít này để làm nam châm điện Làm sạch lớp cáchđiện ở hai đầu dây, một đầu để tự do, đầu còn lại nối với ốc vít của bảng gỗ thứnhất Cố định khối gỗ này trên bảng gỗ bằng keo dính sao cho nó cách khối thứnhất khoảng 5cm và lệch 30 0so với khối gỗ thứ nhất

Bước 4: Đặt vỏ lon lên bảng gỗ, cách khối gỗ thứ ba khoảng 3cm, uốn

cong dải kim loại sao cho nó cách 1cm so với đáy của vỏ lon

- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm:

Dùng hai dây dẫn kẹp cá sấu, một dây nối với dây dẫn trên ốc vít thứ hai,một dây nối với đầu tự do của nam châm điện, tất cả nối với nguồn điện mộtchiều Bật công tắc nguồn của máy biến thế và điều chỉnh độ lớn dòng điện,quan sát thấy dải kim loại dao động qua lại và đập vào đáy vỏ lon làm phát ra

âm thanh, đó chính là nguyên lý làm việc của mạch chuông điện

- Giải thích kết quả thí nghiệm:

Khi bật công tắc nguồn điện lên thì trong

mạch xuất hiện một dòng điện, lúc đó cuộn dây

có lõi sắt là nam châm điện nên nó hút lá kim loại

về phía nam châm và đập vào vỏ lon làm phát ra

âm thanh Đồng thời, khi đó mạch điện bị hở nên

nam châm không hút là kim loại nữa Khi lá kim

loại trở về vị trí ban đầu thì mạch điện lại được

đóng kín, quá trình này diễn ra rất nhanh chóng

và cứ lặp đi lặp lại làm đầu gõ đập vào vỏ lon làm Hình 9: Sơ đồ mạch chuông điệnchuông kêu liên tục

Vỏ lon

Lá kim loại