Cải tiến bộ thí nghiệm về lực từ và ứng dụng vào dạy học chương từ trường môn vật lý 11

1 Mở đầu 1.1 Lý chọn đề tài Những năm gần ngành giáo dục đào tạo không ngừng đổi mới, cải cách chương trình sách giáo khoa, sách tham khảo nội dung phương pháp giảng dạy nhằm bồi dưỡng tư sáng tạo nâng cao lực tích cực, tự chủ tìm tòi xây dựng chiếm lĩnh tri thức cho Học sinh (HS) Tuy nhiên, việc dạy học vật lí trường trung học phổ thông chưa mong muốn, tình trạng phổ biến việc dạy học Giáo viên (GV) thuyết trình, thông báo, không làm thí nghiệm, HS tiếp thu cách thụ động, bắt chước Nguyên nhân tình trạng mặt thiếu thiết bị thí nghiệm thiết bị thí nghiệm có sẵn không đáp ứng yêu cầu mặt sư phạm mặt khoa học - kĩ thuật thiết bị thí nghiệm vật lí Mặt khác GV ngại sử dụng thiết bị thí nghiệm dạy học vật lí thiết bị thí nghiệm có sẵn không đảm bảo thành công tiến hành thí nghiệm biểu diễn nhiều thời gian tiến hành Kĩ sử dụng thiết bị thí nghiệm GV yếu Thực tế việc dạy học kiến thức lực từ cảm ứng từ trường phổ thông không thoát khỏi tình trạng trên, GV chưa sử dụng thí nghiệm dạy học, có sử dụng thí nghiệm việc xác định phương chiều lực từ mà không sử dụng thí nghiệm để xác định độ lớn lực từ xây dựng khái niệm cảm ứng từ B Vì HS hứng thú học tập, không phát huy tính tích cực chủ động, chiếm lĩnh kiến thức, không nắm chất khái niệm cảm ứng từ B Nguyên nhân tình trạng thiết bị thí nghiệm có sẵn dùng để dạy học kiến thức nhiều hạn chế, cho phép nghiên cứu định tính mối quan hệ phương chiều lực từ vào phương chiều dòng điện phương chiều đường cảm ứng từ Ngay thí nghiệm cung cấp cho trường phổ thông dạy theo chương trình SGK thí điểm cho phép nghiên cứu phụ thuộc độ lớn lực từ vào độ lớn dòng điện chiều dài đoạn dây dẫn trường hợp đoạn dây dẫn đặt vuông góc với đường cảm ứng từ Từ lý trên, với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí trường THPT, chọn đề tài: “Cải tiến thí nghiệm lực từ ứng dụng vào dạy học chương “Từ trường” mônVật lí 11'' 1.2 Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu giúp cho việc dạy học chương “từ trường” đặc biệt 28 “Cảm ứng từ Định luật Ampe” sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao Được dễ dàng hơn, kết xác học sinh dễ hiểu 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu việc cải tiến thí nghiệm lực từ ứng dụng vào dạy học chương từ trường môn vật lý 11 cho có hiệu nhất, tạo cảm hứng cho học sinh trình học tập tiếp thu học dễ dàng hơn, đồng thời làm tăng số lượng thiết bị thí nghiệm cho nhà trường 1.4 Phương pháp nghiên cứu Với đề tài tác giả sử dụng Phương pháp: + Phương pháp nghiên cứu sở lý thuyết + Phương pháp thực nghiệm + Phương pháp thống kê, xử lý số liệu 1.5 Điểm đề tài, sáng kiến, giải pháp Xây dựng (thiết kế, chế tạo hoàn thiện) thiết bị thí nghiệm lực từ nhằm nâng cao hiệu việc dạy học kiến thức lực từ cảm ứng từ theo SGK vật lí lớp 11 có sử dụng thiết bị thí nghiệm xây dựng theo tiến trình dạy học phát giải vấn đề nhằm kích thích tính hứng thú, phát huy tính tích cực học sinh học tập Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lý luận Sáng kiến kinh nghiệm Các thí nghiệm nghiên cứu lực từ tác dụng lên dòng điện trường hợp đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt vuông góc với đường sức từ nhiều hạn chế, chưa đáp ứng tính khoa học - kĩ thuật tính sư phạm Cụ thể là: Đối với thí nghiệm đo lực từ cân côtôn: đoạn dây dẫn nhỏ đặt lòng ống dây tạo từ trường nên HS không quan sát lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn Mặt khác thí nghiệm không cho phép xác định xác độ lớn lực từ tác dụng lên dòng điện Đối với thí nghiệm đo lực từ lực kế (bộ thí nghiệm cung cấp cho trường phổ thông dạy thí đểm): Bộ thí nghiệm cho phép xác định phương chiều độ lớn lực từ, nhiên tiến hành thí nghiệm GV nhiều thời gian cho việc mắc ampe kế để đo dòng điện chạy qua nam châm điện qua dây dẫn Việc xác định chiều dòng điện chạy qua dây dẫn qua nam châm khó khăn Cách đưa dòng điện vào dây dẫn ảnh hưởng đến độ lớn lực từ Kích thước nam châm điện nhỏ nên gây khó khăn cho HS việc quan sát GV tiến hành thí nghiệm 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Qua việc dạy học chương từ trường khó khăn giáo viên học sinh giảng dạy tiếp thu học kết thí nghiệm có độ sai số lớn, kết không rõ ràng số lượng thí nghiệm trường THPT vừa lại vừa cũ, có thiết bị sử dụng dẫn đến nhiều giáo viên gần “dạy chay“ Khi sử dụng thí nghiệm cải tiến khắc phục nhược diểm mà tác giả nêu Đồng thời tạo hứng thú cho học sinh trình nghiên cứu, tiếp thu học Từ nâng cao hiệu công tác dạy học môn vật lý 11 chương từ trường 2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp sử dụng để Hoàn thiện thí nghiệm đo lực từ lực kế (3) (2) (1) (4) Hình 1: Bộ thí nghiệm đo lực từ lực kế hoàn thiện * Cải tiến nam châm điện (1) - Tăng số vòng dây nam châm điện lên 800 vòng tăng độ rộng nam châm lên 4cm làm cho từ trường lớn - Mắc thêm biến trở ampe kế để thay đổi cường độ dòng điện đo cường độ dòng điện chạy qua nam châm - Mắc thêm đèn LED để chiều đường cảm ứng từ - Cải tiến công tắc sáu chân mắc vào nam châm để thay đổi chiều dòng điện qua nam châm làm cho chiều đường cảm ứng từ thay đổi - Hệ thống vòng dây bọc mica làm tăng độ bền học cho nam châm - Thiết kế mạch điện tử để khử dòng tự cảm đóng ngắt dòng điện chạy qua nam châm - Tất thiết bị bố trí hộp gọn nhẹ giúp thuận tiện cho việc di chuyển thí nghiệm lên lớp * Cải tiến khung dây (2), lực kế cách đưa dòng điện vào khung dây (3) - Khung dây bọc mêca làm tăng độ bền học - Trên khung dây bố trí thêm hai bóng đèn LED làm cho việc xác định chiều dòng điện chạy qua khung dây dễ dàng đỡ nhiều thời gian - Chế tạo thêm nhiều khung dây có kích thước khác có số vòng dây 100 vòng - Trên khung dây thiết kế thêm hai chốt cắm giúp thuận lợi cho việc đưa dòng điện chạy qua - Chế tạo móc lực kế để định vị khung dây đứng cân bằng, lực kế có gắn thêm hệ thống dây dẫn chốt cắm để đưa điện vào khung dây dễ dàng * Cải tiến đế đỡ thí nghiệm(4) - Đế đỡ thí nghiệm thiết kế thêm chân chỉnh thăng - Mắc thêm biến trở để thay đổi dòng điện chạy qua khung dây - Mắc thêm công tắc đổi chiều dòng điện để thuận tiện cho việc đổi chiều dòng điện chạy qua khung dây - Thiết kế mạch điện thử để khử dòng tự cảm chạy qua khung dây đóng ngắt mạch điện 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm thực Các thí nghiệm tiến hành với thiết bị thí nghiệm hoàn thiện * Thí nghiệm xác định phương chiều lực từ Mục đích thí nghiêm: - Khảo sát phương chiều lực từ phụ thuộc vào phương chiều dòng điện phương chiều đường sức từ Bố trí thí nghiệm: - Thí nghiệm bố trí hình - Sử dụng nguồn điện chiều hai biến (3A - 15V) để cung cấp dòng cho nam châm điện cho khung dây Tiến hành thí nghiệm kết quả: H×nh 2: Cách bố trí thí nghiệm đo lực từ lực kế - Cho dòng điện chạy qua khung dây 1.5 A, dòng điện chạy qua nam châm điện 0.6 A - Xác định chiều dòng điện chạy qua khung dây chiều đường sức từ thông qua đèn LED gắn sẵn khung dây nam châm - Thay đổi chiều dòng điện công tắc đổi chiều dòng điện gắn sẵn đế đỡ thí nghiệm, thay đổi chiều đường sức từ nam châm điện cách thay đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện công tắc đổi chiều dòng điện gắn sẵn nam châm điện - Quan sát chiều chuyển động khung dây, từ xác định phương chiều lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn (là cạnh khung dây đặt từ trường nam châm điện), phụ thuộc phương chiều lực từ vào phương chiều dòng điện phương chiều đường sức từ Những lưu ý tiến hành thí nghiệm: - Đặt cạnh khung dây lòng nam châm điện - Cho dòng điện cực đại chạy qua khung dây 1.5 A - Hiệu điện cực đại đặt vào nam châm điện 12V * Thí nghiệm nghiên cứu khảo sát phụ thuộc độ lớn lực từ vào cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát phụ thuộc độ lớn lực từ vào cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn chiều dài l đoạn dây dẫn không đổi ( F ~ I ) Bố trí thí nghiệm: - Thí nghiệm bố trí hình Tiến hành thí nghiệm kết quả: - Cho dòng điện chạy qua nam châm điện 0.6 A - Dùng khung dây có chiều dài cạnh đặt từ trường l = 10 cm Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua khung dây đọc độ lớn lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn lực kế ta bảng kết thí nghiệm đây: l = 10cm, số vòng dây n = 100vòng Lần thí I (A) F (N) F/I nghiệm 50 0.03 0.0006 100 0.06 0.0006 150 0.09 0.0006 200 0.12 0.0006 - Từ bảng kết thí nghiệm ta rút kết luận F ~ I Những lưu ý tiến hành thí nghiệm: - Đặt cạnh khung dây lòng nam châm điện - Cường độ dòng điện qua đoạn dây dẫn AB cường độ dòng điện qua vòng dây x 100 - Sau khung dây chịu lực từ tác dụng chuyển động xuống phía dưới, phải kéo lực kế để khung dây vị trí ban đầu, sau đọc độ lớn lực từ tác dụng lên dòng điện lực kế - Không thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm * Thí nghiệm nghiên cứu phụ thuộc độ lớn lực từ vào chiều dài đoạn dây dẫn Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát phụ thuộc độ lớn lực từ vào chiều dài đoạn dây dẫn cường độ dòng điện I chạy qua đoạn dây dẫn không đổi ( F ~ l ) Bố trí thí nghiệm: - Thí nghiệm bố trí hình Tiến hành thí nghiệm kết quả: - Cho dòng điện chạy qua nam châm điện 0.6 A - Thay đổi đoạn dây dẫn có chiều dài khác cách thay đổi khung dây có kích thước khác nhau, cho dòng điện chạy qua khung dây 1A đọc độ lớn lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn lực kế ta bảng kết thí nghiệm đây: I = 100A, số vòng dây n = 100vòng Lần thí l (cm) F (N) F/l nghiệm 0.036 0.006 0.048 0.006 10 0.060 0.006 - Từ bảng kết thí nghiệm ta rút kết luận F ~ l Những lưu ý tiến hành thí nghiệm: - Đặt cạnh khung dây lòng nam châm điện - Không thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm - Sau khung dây chịu lực từ tác dụng chuyển động xuống phía dưới, phải kéo lực kế để khung dây vị trí ban đầu, sau đọc độ lớn lực từ tác dụng lên dòng điện lực kế * Thí nghiệm khảo sát thương số F/Il khác với từ trường khác Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát thương số F/Il khác với từ trường khác nam châm điện Bố trí thí nghiệm: - Thí nghiệm bố trí hình Tiến hành thí nghiệm kết quả: - Thay đổi từ trường nam châm điện cách thay đổi dòng điện chạy qua nam châm điện - Thay đổi chiều dài đoạn dây dẫn cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn, đo lực từ tương ứng thấy ứng với từ trường khác nam châm điện thương số F/Il số - Giữ nguyên tích Il, thay đổi từ trường khác nhau, đo lực từ tương ứng thấy độ lớn lực từ thay đổi - Từ kết thí nghiệm ta rút kết luận: Thương số F/Il số ứng với từ trường khác thương số đặc trưng cho từ trường phương diện tác dụng lực Những lưu ý tiến hành thí nghiệm: - Đặt cạnh khung dây lòng nam châm điện - Cường độ dòng điện qua đoạn dây dẫn AB cường độ dòng điện qua vòng dây x 100.Sau khung dây chịu lực từ tác dụng chuyển động xuống phía dưới, phải kéo lực kế để khung dây vị trí ban đầu, sau đọc độ lớn lực từ tác dụng lên dòng điện lực kế - Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm biến trở phía sau hộp nam châm Những ưu điểm hạn chế thí nghiệm sau hoàn thiện *Ưu điểm - Bộ thí nghiệm gọn nhẹ hơn, xác, dễ thao tác tốn thời gian tiến hành lớp, giúp GV mau chóng đưa kiến thức cho HS - Bộ thí nghiệm có tính thẩm mĩ cao, giá thành rẻ nhiều so với thí nghiệm có trường phổ thông thị trường dễ dàng trang bị nhiều thí nghiệm cho trường phổ thông để sử dụng làm thí nghiệm thực tập HS * Hạn chế - Bộ thí nghiệm không cho phép làm thí nghiệm nghiên cứu phụ thuộc độ lớn lực từ vào góc α Kết luận, kiến nghị 3.1 Kết luận Bộ thí nghiệm cải tiến trở thành phương tiện giúp Học sinh xây dựng, củng cố kiến thức, phát huy tính tích cực, kích thích hứng thú học tập Học sinh HS đón nhận cách thích thú, điều thể qua hoạt động tích cực HS học lớp Thiết bị thí nghiệm chế tạo cho phép nghiên cứu phương chiều lực từ, mà độ lớn lực từ trường hợp Ưu điểm thiết bị thí nghiệm làm cho HS hiểu rõ ý nghĩa vật lí khái niệm cảm ứng từ Thiết bị thí nghiệm chế tạo tạo điều kiện để tổ chức dạy học kiến thức lực từ cảm ứng từ theo kiểu dạy học phát giải vấn đề Tiến trình dạy học soạn thảo có tác dụng nâng cao tính tích cực học tập HS Thiết kế, chế tạo hoàn thiện thiết bị thí nghiệm lực từ đáp ứng yêu cầu mặt khoa học - kĩ thuật sư phạm thiết bị thí nghiệm biểu diễn Tạo hứng thú hiệu cao hoạt động dạy GV hoạt động học HS dạy học kiến thức lực từ cảm ứng từ theo SGK vật lí lớp 11 3.2 Kiến nghị Qua đây, mong muốn cấp quản lí giáo dục Trung học phổ thông tạo điều kiện tập huấn cho giáo viên dạy môn Thực hành thí nghiệm Vật lý nhiều nữa, đồng thời tăng cường bổ sung trang thiết bị thí nghiệm thực hành cho nhà trường Phổ thông giúp cho việc giáo dục nhiều nội dung thực hành thiết thực có hiệu việc giảng dạy môn vật lý nói riêng môn Khoa học tự nhiên khác nói chung Thanh Hóa, ngày 20 tháng năm 2017 Tôi xin cam đoan SKKN viết, XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ không chép nội dung người khác Bùi Bá Xuân Tài liệu tham khảo [1] Sách giáo khoa Vật lý 11 Nhà xuất giáo dục năm 2008 Mục lục Mục Trang 2.1 2.2 2.3 Nội dung Mục lục ……………………………………………………… Mở đầu ……………………………………………………… Lí chọn đề tài …………………………………………… Mục đích nghiên cứu ………………………………………… Đối tượng nghiên cứu ……………………………………… Phương pháp nghiên cứu …………………………………… Những điểm SKKN ………………………………… Nội dung sáng kiến kinh nghiệm …………………………… Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm …………………… Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp sử dụng để 2.4 giải vấn đề …………………………………………… Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trường ……………… Kết luận, kiến nghị …………………………………………… Kết luận ……………………………………………………… Kiến nghị …………………………………………………… Tài liệu tham khảo 7 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 3.1 3.2 1 1 2 2 10 11 ... sát lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn Mặt khác thí nghiệm không cho phép xác định xác độ lớn lực từ tác dụng lên dòng điện Đối với thí nghiệm đo lực từ lực kế (bộ thí nghiệm cung cấp cho trường. .. lý 11 chương từ trường 2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp sử dụng để Hoàn thiện thí nghiệm đo lực từ lực kế (3) (2) (1) (4) Hình 1: Bộ thí nghiệm đo lực từ lực kế hoàn thiện * Cải tiến nam... dạy chay“ Khi sử dụng thí nghiệm cải tiến khắc phục nhược diểm mà tác giả nêu Đồng thời tạo hứng thú cho học sinh trình nghiên cứu, tiếp thu học Từ nâng cao hiệu công tác dạy học môn vật lý 11