Phương pháp giải các bài tập điển hình về hiện tượng cảm ứng điện từ

1.MỞ ĐẦU 1.1 Lý lựa chọn đề tài Trong q trình dạy học mơn Vật lý, tập vật lý có tầm quan trọng đặc biệt Hiện để thực tốt chương trình giáo khoa dạy học theo phương pháp đổi có hiệu việc hướng dẫn học sinh biết phân loại, nắm vững phương pháp làm tốt tập góp phần không nhỏ vào việc thực thành công mục tiêu giảng dạy kiểm tra xác mức độ hiểu kiến thức học sinh Từ học phần thiếu Vật lý Trong chương trình THPT, từ học giảng dạy Vật lý lớp 11 Tuy nhiên, mảng kiến thức chưa có quan tâm thỏa đáng với tầm quan trọng từ phía học sinh từ phía giáo viên dạy Vật lý nhiều lý Thứ nhất, từ học phần kiến thức khó mang tính trừu tượng cao với nhiều quy tắc suy luận gây cảm giác mơ hồ cho người học, điều dễ nhận thấy giảng dạy chương “Cảm ứng điện từ” Thứ hai, lượng kiến thức từ học không sử dụng nhiều kỳ thi tuyển sinh vào trường Đại học Cao đẳng, điều khiến người dạy người học khơng có hứng thú với việc tìm tòi tiếp thu kiến thức Để phần giúp học sinh cảm thấy dễ dàng tiếp nhận kiến thức từ học, đặc biệt tượng cảm ứng điện từ, chọn nghiên cứu đề tài: “ Phương pháp giải tập điển hình tượng cảm ứng điện từ’’ Với đề tài hi vọng làm cho học sinh thấy logic, rõ ràng thú vị tượng cảm ứng điện từ qua hệ thống tập 1.2 Mục đích nghiên cứu Giúp học sinh có nhìn khái qt tượng cảm ứng điện từ Từ hiểu rõ chất tượng trường hợp cụ thể qua tình mà tập đưa định hướng cách giải nhanh chóng Củng cố, bồi đắp hứng thú học tập, nâng cao khả tự học tự nghiên cứu học sinh 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng thực phương pháp học sinh lớp 11A Trường trung học phổ thông Hà Trung năm học 2016-2017 1.4 Phương pháp nghiên cứu Khi xác định vấn đề nhiệm vụ nghiên cứu sử dụng phương pháp sau: - Phương pháp điều tra giáo dục 1 - Phương pháp quan sát sư phạm - Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh - Phương pháp mơ tả, mơ thí nghiệm ảo - Các phương pháp thực nghiệm giảng dạy vật lý 1.5 Cách thức nghiên cứu - Xử lý tài liệu giáo khoa tài liệu tham khảo Sưu tập thí nghiệm tượng cảm ứng điện từ mà tập đề cập đến - Hệ thống hóa tài liệu đưa vào giảng dạy Sau kiểm tra đánh giá mức độ nhận thức học sinh NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lí luận Bộ môn vật lý đưa vào giảng dạy nhà trường phổ thông nhằm cung cấp cho học sinh kiến thức phổ thơng, bản, có hệ thống tồn diện vật lý Hệ thống kiến thức phải thiết thực, có tính tổng hợp đặc biệt phải phù hợp với quan điểm vật lý đại Để học sinh hiểu cách sâu sắc kiến thức áp dụng kiến thức vào thực tiễn sống cần phải rèn luyện cho học sinh kỹ năng, kỹ xảo thực hành như: Kỹ kỹ xảo giải tập, kỹ đo lường, quan sát … Bài tập vật lý với tư cách phương pháp dạy học, có ý nghĩa quan trọng việc thực nhiệm vụ dạy học vật lý nhà trường phổ thông Thông qua việc giải tốt tập vật lý học sinh có kỹ so sánh, phân tích, tổng hợp … góp phần to lớn việc phát triển tư học sinh Đặc biệt tập vật lý giúp học sinh củng cố kiến thúc có hệ thống vận dụng kiến thức học vào việc giải tình cụ thể, làm cho môn trở nên hấp dẫn, lôi em 2 2.2 Thực trạng vấn đề 2.2.1 Thuận lợi Trong trình giảng dạy, tìm hiểu tâm tư nguyện vọng số học sinh lớp 11 tơi biết có nhiều học sinh thích học mơn vật lí, nhiều học sinh có nguyện vọng thi vào đại học khối A đăng kí học ngành vật lí Theo cấu trúc chương trình sách giáo khoa vật lí lớp 11 trước học chương Cảm ứng điện từ, học sinh học số kiến thức như: từ tv.v Vì giáo viên giúp học sinh phát triển kiến thức lên mức cao như: Các lực học, từ trường, lực từ, dòng điện khơng đổi…Vì giáo viên giúp học sinh phát triển kiến thức lên mức cao để vận dụng giải tập cảm ứng điện từ 2.2.2 Khó khăn Là giáo viên dạy tiết tập tượng cảm ứng điện từ, thấy sách giáo khoa đề cập đến tượng cảm ứng điện từ trường hợp đơn giản với số lượng tập không nhiều tập phần đa dạng Khi gặp toán thuộc dạng vận dụng nhiều kiến thức tổng hợp, câu hỏi lạ học sinh thường lúng túng cách giải phải nhiều thời gian cho 2.3 Các biện pháp thực Trước giảng dạy tiết tập tượng cảm ứng điện từ, giáo viên yêu cầu học sinh phải ôn lại kiến thức học như: - Định luật ôm cho loại đoạn mạch - Một số lực học - Từ trường, lực từ Giáo viên nghiên cứu, phân loại dạng tập Hiện tượng cảm ứng điện từ, thiết lập số công thức tổng quát cơng thức hệ cho dạng tốn, cung cấp cho học sinh công thức thiết lập để học sinh sử dụng 2.4 Biện pháp phân loại tập thiết lập công thức theo dạng 2.4.1.Bài tập xácđịnh chiều dòngđiện cảm ứng 2.4.1.1 Tóm tắt lý thuyết * Từ thơng Φ qua diện tích S đặt từ trường Φ = B.S cos α Trong đó: B cảm ứng từ từ trường (T); S tiết diện khung dây (m2); 3 B tính cơng thức: ( ) α = B; n góc hợp đường sức từ pháp tuyến mặt phẳng khung dây; Φ từ thông (Wb) * Hiện tượng cảm ứng điện từ: - Điều kiện: Khi có biến thiên từ thơng qua diện tích giới hạn mạch điện kín mạch xuất dòng điện cảm ứng - Định luật Len-xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều cho từ trường sinh chống lại biến thiên từ thơng sinh 2.4.1.2 Phương pháp giải tập * Áp dụng định luật Len-xơ chiều dòng điện cảm ứng: Gọi: B Bc cảm ứng từ từ trường ban đầu; cảm ứng từ từ trường dòng điện cảm ứng sinh Φ - Nếu tăng cảm ứng từ Φ - Bc ngược chiều với chiều cảm ứng từ Bc Nếu giảm cảm ứng từ chiều với chiều cảm ứng từ * Các bước xác dịnh chiều dòng điện cảm ứng: - Xác định chiều từ trường ban đầu B B B Φ - Xét từ thông (số đường sức từ) qua tiết diện khung dây tăng hay giảm Bc - Dựa vào định luật Len-xơ để xác định chiều - Áp dụng quy tắc đinh ốc để xác định chiều dòng điện cảm ứng Ví dụ: Cho hệ thống hình vẽ: Nam châm chuyển động lên phía theo phương thẳng đứng, xác định chiều dòng điện cảm ứng vòng dây Dưới tác dụng lực từ, vòng dây chuyển động theo chiều nào? [1] Giải: - Từ trường nam châm sinh qua vòng dây tạo từ thơng qua vòng dây - Khi nam châm xa vòng dây, số đường sức qua tiết diện vòng dây giảm Do đó, từ thơng qua vòng dây có độ lớn giảm dần vòng dây xuất dòng điện cảm ứng Ic - Áp dụng định luật Len-xơ ta thấy: I c sinh từ trường có cảm ứng từ chiều với B Bc Hình - Theo quy tắc đinh ốc, ta suy đòng điện Ic có chiều hình vẽ - Dòng điện cảm ứng Ic khiến vòng dây có tác dụng nam châm mà mặt mặt Nam, mặt mặt Bắc Do đó, vòng dây bị nam châm hút Vậy M P vòng dây chuyển động lên phía 2.4.1.3 Bài tập củng cố R Bài Một thí nghiệm bố trí hình vẽ Hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng mạch C chạy biến trở xuống [2] A C G Hình N Q Bài Một nam châm đưa lại gần vòng dây hình vẽ Hỏi dòng điện cảm ứng vòng dây có chiều S N vòng dây chuyển động phía nào?[2] Hình Bài Một vòng dây kim loại treo sợi dây mảnh song song với mặt cắt cuộn dây Cuộn dây mắc vào mạch điện hình vẽ Khi khóa K đóng vòng kim Hình loại xuất dòng điện cảm ứng có chiều vòng kim loại chuyển động sao? [1] K 2.4.2 Bài tập xác định suất điện động cảm ứng cường độ dòng điện cảm ứng 2.4.2.1 Tóm tắt lý thuyết + Định luật Faraday cảm ứng điện từ: Độ lớn suất điện động cảm ứng mạch điện tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch ec = ∆Φ ∆t + Biểu thức: Trong đó: - ΔΦ độ biến thiên từ thông thời gian Δt; - ec: suất điện động cảm ứng khung dây 4.2.2 Phương pháp giải tập Φ = NB.S cos α - Áp dụng cơng thức tính từ thơng: Từ tính ΔΦ - Áp dụng định luật Faraday để tính suất điện động cảm ứng - Kết hợp với cơng thức định luật Ohm cho tồn mạch để tìm cường độ dòng điện cảm ứng Ví dụ 1: Một cuộn dây phẳng có 100 vòng, bán kính vòng dây 0,1m Cuộn dây đặt từ trường đều, mặt phẳng cuộn dây vng góc với đường cảm ứng từ Lúc đầu cảm ứng từ từ trường có giá trị 0,2T Cuộn dây có điện trở 5 r = 2,1Ω Tìm suất điện động cảm ứng trung bình cuộn dây dòng điện chạy cuộn dây khoảng thời gian 0,1s [3] a) cảm ứng từ từ trường tăng đặn lên gấp đôi b) cảm ứng từ từ trường giảm đặn đến Giải: a) Ta có: ⇒ Φ1 = BS ; Φ = BS ⇒ ∆Φ = Φ − Φ1 = BS với S= πR2 =3,14.0,12 = 0,0314 (m2) ΔΦ = 0,2.0,0314 = 6,28.10-3 (Wb) ec = N - Suất điện động cảm ứng: ∆Φ 6,28.10−3 = 100 = 6,28 ∆t 0,1 e 6,28 I= c = ≈3 r 2,1 - Dòng điện chạy cuộn dây là: [ Φ1 = BS ; Φ = ⇒ ∆Φ = Φ − Φ1 = − BS ] E1 (V) (A) E2 b) Ta có: với S = πR2 = 3,14.0,12 = 0,0314 (m2) ⇒ ΔΦ = 0,2.0,0314 = 6,28.10-3 (Wb) - Suất điện động cảm ứng: ∆Φ 6,28.10−3 ec = N = 100 = 6,28 ∆t 0,1 I= B Hình (V) ec 6,28 = ≈3 r 2,1 - Dòng điện chạy cuộn dây là: (A) Ví dụ 2: Một dây dẫn chiều dài l = 2m, điện trở R = 4Ω uốn thành hình vuông Các nguồn E1 = 10V, E2 = 8V, r1 = r2 = 0, mắc vào cạnh hình B vng hình Mạch đặt từ trường vng góc với mặt phẳng hình vng hướng sau hình vẽ, B tăng theo thời gian theo quy luật E1 B = kt, k = 16T/s Tính cường độ dòng điện chạy mạch.[4] Giải: Do B tăng nên mạch xuất suất điện động E c; B dòng điện cảm ứng Ec sinh phải có chiều cho từ trường B sinh ngược chiều với từ trường Suất điện động cảm ứng Ec biểu diễn hình vẽ: 6 E2 EC Ec = ∆Φ ∆( BS ) ∆B ∆( k t ) = = S = S = k S ∆t ∆t ∆t ∆t Hình l Ec = k   = 4(V ) 4 Vì mạch: Ec + E2> E1 nên dòng điện mạch có chiều ngược kim đồng hồ Cường độ dòng điện mạch có giá trị: I= Ec + E2 − E1 = 0,5 R (A) Ví dụ 3: Cuộn dây kim loại (có điện trở suất ρ = 2.10 -8Ωm), N = 1000 vòng, đường B kính d = 10cm, tiết diện dây S = 0,2mm có trục song song với từ trường Tốc độ biến thiên từ trường 0,2T/s Lấy π = 3,2.[3] a) Nối hai dầu cuộn dây với tụ điện có điện dung C = 1μF Tính điện tích tụ điện b) Nối hai đầu cuộn dây với Tính cường độ dòng cảm ứng công suất nhiệt cuộn dây Giải: ⇒ - Ta có: Φ1 = B1.S; Φ2 = B2.S ΔΦ = Φ2 – Φ1 = (B2 – B1).S = ΔB.S - Suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây là: ec = N ∆Φ ∆B.S ∆B d ∆B 0,12 = N = N .S = N π = 1000.3,2 .0,2 = 1,6 ∆t ∆t ∆t ∆t (V) a) Nối hai đầu cuộn dây với tụ điện hiệu điện hai tụ suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây: U = ec = 1,6 (V) Điện tích 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 mạch điện kín - Điện trở cuộn dây là: R = ρ l N π d 1000.3,2.0,1 = ρ = 2.10 −8 = 32 S S 0,2.10− (Ω) - Cường độ dòng điện cảm ứng xuất cuộn dây là: I= ec 1,6 = = 0,05 R 32 C1 (A) - Công suất nhiệt cuộn dây là: Q = I2.R = 0,052.32 = 0,08 (W) 7 B C2 B Ví dụ 4: Vòng dây dẫn diện tích S = 1m2 đặt từ trường có vng góc với mặt phẳng vòng dây Hai tụ điện C = 1μF, C2 = 2μF mắc nối tiếp vòng dây vị trí xuyên tâm đối Cho B thay đổi theo thời gian B = kt, k = 0,6T/s Tính hiệu điện điện tích tụ.[1] Hình Giải: Suất điện động cảm ứng xuất nửa vòng dây biểu diễn hình vẽ  S ∆ B  ∆Φ S  S ∆B S ∆( k t ) E1 = E2 = =  = = = k = 0,3 ∆t ∆t ∆t ∆t E1 M× C1 (V) Gọi hiệu điện hai đầu tụ U1, U2 Ta có: UMQ + UQP = UMN + UNP ⇒ −U1 + E2 = − E1 + U - B ×N + C2 - + ×P Q× E2 ⇒ U1 + U = E1 + E2 = 0,6(V ) - Theo định luật bảo tồn điện tích, ta lại có: ⇒ Q1 = Q2 C1U1 = C2U2 Giải hệ phương trình: ⇒ Hình U1 = 2U2 U1 + U = 0,6 U1 = 0,4(V ) ⇒  U1 = 2U U = 0,2(V ) B Điện tích tụ: Q1 = Q2 = 0,4 (μC) 2.4.2.3 Bài tập củng cố Bài 1.Vòng dây tròn bán kính r = 10cm, điện trở R = 0,2Ω B đặt nghiêng góc 30º với , B = 0,02T hình Xác định suất điện động cảm ứng, độ lớn chiều dòng điện cảm Hình ứng vòng thời gian Δt = 0,01s, từ trường × × × × × × [2] × × × × b× × a) Giảm từ B xuống đến khơng × × × c × × × b) Tăng từ khơng lên B a α Bài Trong hình vẽ Oc cách điện quay × × × × × × quanh trục qua O vuông góc với mặt phẳng hình × × × O × × × vẽ Tại đầu c có gắn kim loại mảnh ab Cho biết ac = cb, ab = Oc = R α = 60º Khi hệ nói quay đềuHình quanh O với tốc độ góc ω (theo chiều kim đồng hồ) người ta đặt vào hệ từ trường đều, vecto 8 B cảm ứng từ có hướng vng góc với mặt phẳng hình vẽ hướng phía sau Hãy tìm biểu thức hiệu điện U hai đầu a b.[1] Bài Cuộn dây có N = 100 vòng, diện tích vòng S = 300cm có trục song song với B từ trường đều, B = 0,2T Quay cuộn dây để sau Δt = 0,5s, trục B vng góc với Tính suất điện động cảm ứng trung bình cuộn dây [4] Bài Vòng dây đồng (ρ = 1,75.10-8Ωm) đường kính d = 20cm, tiết diện S0 = 5mm2 B đặt vng góc với từ trường Tính độ biến thiên ΔB/Δt cảm ứng từ dòng điện cảm ứng vòng dây I = 2A.[1] Bài Cuộn dây N = 1000 vòng, diện tích vòng S = 20cm có trục song song B với từ trường Tính độ biến thiên ΔB cảm ứng từ thời gian Δt = 10-2s có suất điện động cảm ứng Ec = 10V cuộn dây.[1] Bài Vòng dây dẫn diện tích S = 100cm2, điện trở R = 0,01Ω quay từ trường B = 0,05T, trục quay đường kính vòng dây vng góc với B Tìm cường độ trung bình vòng điện lượng qua tiết diện vòng dây thời gian Δt = 0,5s, góc ( ) α = n; B thay đổi từ 60º đến 90º.[2] 2.4.3 Bài tậpvề mạch điện có suấtđiện động tạo đoạn dây dẫn chuyển động từ trường 2.4.3.1 Tóm tắt lý thuyết * Suất điện động cảm ứng xuất đoạn dây chuyển động từ trường đều: Ec = Bl.v.sinα Trong đó: - B cảm ứng từ từ trường (T); - l chiều dài đoạn dây (m); - v tốc độ chuyển động đoạn dây (m/s); ( ) α = B; v * Quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng đường sức từ, ngón chỗi 90o hướng theo chiều chuyển động đoạn dây, đoạn dây dẫn đóng vai trò nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chiều từ cực âm sang cực dương nguồn điện 9 2.4.3.2 Phương pháp giải tập - Áp dụng công thức suất điện động tạo đoạn dây chuyển động từ trường - Kết hợp với cơng thức định luật dòng điện khơng đổi để tính đại lượng điện - Kết hợp với định luật Newton để tính đại lượng học Ví dụ 1:Dây dẫn chiều dài l = 20cm chuyển động với vận tốc v = 18km/h theo phương vng góc với đường sức từ từ trường có cảm ứng từ B = 0,5T Tính từ thơng qua diện tích mà dây quét thời gian Δt = 1s suất điện động xuất hai đầu dây.[5] Giải: - Từ thơng qua diện tích mà đoạn dây qt thời gian Δt là: ΔΦ = B.ΔS = B.l.v.Δt = 0,5.0,2.5.1 = 0,5 (Wb) - Suất điện động cảm ứng xuất hai đầu đoạn dây là: Ec = ∆Φ 0,5 = = 0,5 ∆t (V) Ví dụ 2: Một đoạn dây dẫn thẳng AB, chiều dài l = 20cm treo nằm ngang hai dây dẫn mảnh nhẹ thẳng đứng, chiều dài L = 40cm Hệ thống đặt từ trường thẳng đứng, B = 0,1T Kéo lệch AB để dây treo hợp với phương thẳng đứng góc α0 = 60o bng tay Tìm biểu thức suất điện động cảm ứng xuất AB dây treo lệch góc α so với phương thẳng đứng Bỏ qua lực cản khơng khí Từ suy suất điện động cảm ứng cực đại.[4] Giải: I - Chọn gốc vị trí đoạn dây AB dây treo có L α phương thẳng đứng - Theo định luật bảo tồn năng, ta có: A W = W0 M v β mgh + mv2 = mgh0 O ↔ B mgL(1 − cos α ) + mv2 = mgL(1 − cos α ) ⇒v= gL( cos α − cos α ) B - Suất điện động cảm ứng xuất đoạn dây AB dây treo lệch góc α so với phương thẳng đứng: ( ) Ec = B.l.v.sin β = B.l.v.sin 90o − α = Bl.v cos α 10 10 N E, r A M Hình Hình 11 11 Ec = B.l.v gL( cos α − cos α ) cos α - Suất điện động cảm ứng Ec đạt giá trị cực đại cosα = 1, tức α = (vị trí dây treo có phương thẳng đứng) Khi đó: ( Ec ) max = B.l.v gL(1 − cos α ) = 0,04 (V) Hình Ví dụ 3: Cho mạch điện hình vẽ, nguồn E = 1,5 V, r = 0,1 Ω, MN = l = 1m, B RMN = 2,9 Ω, vuông góc khung dây, hướng từ xuống, B = 0,1 T Điện trở ampe kế hai ray không đáng kể Thanh MN trượt hai đường ray.[5] a) Tìm số me kế lực điện từ đặt lên MN MN giữ đứng yên b) Tìm số ampe kế lực điện từ đặt lên MN MN chuyển động sang phải với v = m/s c) Muốn ampe kế 0, MN phải chuyển động hướng với vận tốc bao nhiêu? Giải: B a) Khi MN giữ đứng yên: N - Số ampe kế cường độ dòng điện qua đoạn dây I F MN: E, r I= E 1,5 = = 0,5 R + r 2,9 + 0,1 A (A) - Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn MN: M Hình F = I l.B.sin 90 = 0,05 o (N) Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn MN có chiều hình vẽ b) Khi MN chuyển động sang phải với v = 3m/s: - Suất điện động cảm ứng đoạn dây MN là: Ec = B.l.v.sin 90o = 0,3 B N (V) - Cường độ dòng điện qua đoạn dây MN: I= E + Ec 1,5 + 0,3 = = 0,6 R+r 2,9 + 0,1 Ec E, r I F A v M Hình (A) - Lực từ tác dụng lên đoạn dây MN: F = I l.B.sin 90o = 0,06 B (N) Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn MN có chiều hình vẽ N Ec E, r 11 11 v A Hình M I c) Để ampe kế số 0, MN phải xuất suất điện động cảm ứng Ec xung E, có độ lớn Ec = E - Trên hình vẽ, theo quy tắc bàn tay phải, ta xác định được: MN phải chuyển động sang trái - Ta có: R D Ec = E ⇒ B.l.v.sin 90o = E E v= = 15 B.l A C B B Do đó: (m/s) Ví dụ 4: Cho hệ thống hình vẽ bên, dẫn AB = l B khối lượng m trượt thẳng đứng hai ray, nằm ngang Do trọngHình lực lực điện từ, AB trượt với vận tốc v.[4] a) Tính v, chiều độ lớn dòng điện cảm ứng IC b) Khi ray hợp với mặt ngang góc α, AB trượt với vận tốc bao nhiêu? I C bao nhiêu? R Giải: C D a) Khi hệ thống đặt thẳng đứng hình vẽ: P - Ban đầu, tác dụng trọng lực , AB trượt xuống Lúc đó, từ thông qua mạch ABCD tăng, xuất + suất điện động cảm ứng Ec dòng điện cảm ứng có cường độ Ic Thanh AB có dòng điện Ic qua chịu tác dụng lực từA F từ trường B ×B B C F IC P _ B F - Để chống lại biến thiên từ thông qua mạch, lực từ có chiều Hình hướng lên - Khi AB rơi, vận tốc v tăng dần, E c, Ic F tăng dần Đến lúc đó, F = P, MN bắt đầu rơi - Dùng quy tắc bàn tay phải, ta xác định chiều dòng điện cảm ứng I c AB từ B đến A Ic = Ec B.l.v = R R - Khi AB chuyển động đều: F = P ⇒ I c B.l = mg ⇒ B l v = mg R Do đó: v= Tốc độ chuyển động AB là: - 12 12 mgR B 2l Ic = - Bl.v mg = R B.l Cường độ dòng điện cảm ứng mạch: b) Khi ray đặt nghiêng góc α so với mặt phẳng ngang: - Khi ray hợp với mặt ngang góc α, tượng xảy tương tự trên, khác hướng vận tốc AB C - Cường độ dòng điện cảm ứng: F E B.l.v '.sinα B IC I' = C = C R α R v - Khi AB chuyển động đều: F=P I’C.B.l = mg ×B P α B l v'.sinα = mg R Hình Do đó: v' = mgR B l sinα 2 - Tốc độ chuyển động AB là: - Cường độ dòng điện cảm ứng mạch: Ic = Bl.v.sinα mg = R B.l M N Ví dụ 5: Một kim loại MN nằm ngang có khối lượng m trượt khơng ma sát dọc theo hai α C ray song song, ray hợp với phương mặt phẳng ngang góc α Đầu hai ray nối với tụ điện C (hình vẽ) Hệ thống đặt từ trường thẳng đứng hướng lên Khoảng cách hai ray l Bỏ qua điện trở mạch Tính gia tốc chuyển động MN.[4] Giải: Hình Xét khoảng thời gian Δt ngắn, MN có vận tốc v (coi không đổi), gia tốc a - Khi MN trượt hai ray cắt đường sức từ, MN xuất suất điện động cảm ứng: ( ) ec = B.l.v sin B; v = B.l.v cos α Khi đó, tụ tích điện: q = C.u = C.ec = B.C.l.v.cosα 13 13 y α α C B N + Ft O x P Thanh MN chuyển động có gia tốc nên suất điện động cảm ứng MN thay đổi theo thời gian, tức điện tích tụ có thay đổi Như mạch xuất dòng chuyển dời điện tích hai tụ, tức xuất dòng điện Cường độ dòng điện mạch: I= ∆q B.C.l.∆v cos α ∆v = = BC.l cos α = BCl.a cos α ∆t ∆t ∆t - Theo định luật Len-xơ, dòng điện qua MN phải có chiều chống lại trượt MN hai ray Lực từ từ trường tác dụng lên MN có chiều hình vẽ P - Phân tích lực: trọng lực , lực từ - Theo định luật II Newton, ta có: F P + F = m.a Chiếu vectơ lên trục Ox, ta được: mg.sinα – B.I.l.cosα = m.a mg.sinα − B C.l a cos α = ma C mg sinα ⇒a= m + C.B l cos α A 2.4.3.3 Bài tập củng cố Bài Cho hệ thống hình 1, dẫn AB = l trượt B B Hình 21 B thẳng đứng khơng ma sát hai ray từ trường nằm ngang, C tụ điện Bỏ qua điện trở mạch Tính gia tốc chuyển động AB cho biết biến đổi lượng mạch.[1] 14 14 Bài Đoạn dây dẫn l = 1m chuyển động với vận tốc v = 0,5m/s theo phương hợp B với từ trường góc α = 30 o, B = 0,2T Tính suất điện động xuất dây.[2] Bài Máy bay có chiều dài l = 50m bay theo phương ngang với vận tốc v = 720km/h Biết thành phần thẳng đứng cảm ứng từ Trái đất B = 5.10-5T.[3] a) Tính hiệu điện xuất hai đầu cánh b) Có thể dùng vơn kế máy bay đo hiệu điện để suy vận tốc máy bay khơng? Vì sao? r Bài Thanh kim loại AB kéo trượt hai C1 v ray mặt phẳng nằm ngang với vận tốc v = 10m/s (hình 2) ur B Hai ray cách đoạn l = 0,5m đặt từ trường đềuC2 thẳng đứng, cảm ứng từ B Mắc hai tụ điện C 1, C2 (với C2 = × Hình Hình 22 B B R A 1,5C1) nối tiếp vào đầu hai ray Biết hiệu điện hai đầu tụ C 0,5V Tính độ lớn cảm ứng từ B.[5] Bài Thanh kim loại AB = l = 20cm kéo trượt hai ray kim loại nằm ngang (hình 3) Các ray nối với điện trở R = 1,5Ω Vận tốc B AB v = 6m/s Hệ thống đặt từ trường thẳng đứng (B = 0,4T) Bỏ qua điện trở ray AB Tìm cường độ dòng điện cảm ứng qua R Bài Cho mạch điện từ trường giống Vận tốc chuyển động AB 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.[5] B B Bài Cho hệ thống hình vẽ 4, kim loại B AB = l = 20cm, khối lượng m = 10g, vng góc với khung dây dẫn (B = 0,1T) nguồn có suất điện động điện trở E = 1,2V, r = 0,5Ω Do lực điện từ ma sát, AB trượt với vận tốc v = 10m/s Bỏ qua điện trở ray nơi tiếp xúc.[5] a) Tính độ lớn chiều dòng điện mạch, hệ số ma sát AB ray 15 15 M E, r A Hình 24 R Hình 25 B N b) Muốn dòng điện AB chạy từ B đến A, cường độ 1,8A phải kéo AB trượt theo chiều nào, vận tốc lực kéo bao nhiêu? Bài Thanh đồng MN khối lượng m = 2g trượt không ma sát với v = 5m/s B hai đồng thẳng đứng song song cách khoảng l = 50cm từ trường nằm ngang hình 5, B = 0,2T Bỏ qua điện trở điện trở tiếp xúc Cho g = 10m/s2.[3] a) Tính suất điện động cảm ứng MN b) Tính lực điện từ, chiều độ lớn dòng điện cảm ứng c) Tính R 2.4.4 Bài tập tượng tự cảm 2.4.4.1 Tóm tắt lý thuyết * Độ tự cảm ống dây: Φ N2 = 4π 10− S I l L= Trong đó: • I cường độ dòng điện chạy ống dây (A) • Φ từ thơng qua tiết diện ống dây (Wb) • L hệ số tự cảm (H) Etc = L ∆Φ ∆t * Suất điện động tự cảm: * Năng lượng từ trường ống dây: W= L.I 2 2.4.4.2 Phương pháp giải tập - Áp dụng công thức liên quan đến tượng tự cảm: Độ tự cảm, suất điện động tự cảm, lượng từ trường - Kết hợp với công thức định luật dòng điện khơng đổi để thực tính tốn Ví dụ 1: Chứng minh độ tự cảm ống dây đặt khơng khí, khơng có lõi L = µ0 N 2S N 2S = 4π 10 −7 l l là: , N số vòng dây, S diện tích tiết diện ống dây, l chiều dài ống dây Áp dụng số: Tính L với l = 10π(cm); N = 1000 vòng; S = 20cm2 Giải: 16 16 - Khi có dòng điện cường độ I qua ống dây, cảm ứng từ xuất ống dây có B = µ0 nI = µ0 độ lớn là: N I l Φ = NBS = µ0 N 2S I l - Từ thông qua ống dây là: - Khi cường độ dòng điện qua ống dây biến thiên, ống dây xuất suất điện Etc = động tự cảm có độ lớn: Etc = L - Ta lại có: ∆Φ N S ∆I = µ0 ∆t l ∆t (1) ∆I ∆t (2) L = µ0 Từ (1) (2) ta được: L = 4π 10− 2 N S N S = 4π 10 −7 l l N S 1000 = 4π 10− 2.10 −3 = 8.10 −3 l 0,1π Áp dụng: (H) Ví dụ 2: Tính lượng từ trường xơlênơit có độ tự cảm L = 0,008H dòng điện cường độ I = 2A qua Giải: W= Năng lượng từ trường: LI = 0,008.2 = 0,016 2 (J) 2.4.4.3 Bài tập củng cố Bài Tính độ tự cảm ống dây biết sau thời gian Δt = 0,01s dòng điện mạch tăng từ 1A đến 2,5A suất điện động tự cảm 30V.[1] Bài Ống dây có chiều dài l = 31,4cm, gồm N = 1000 vòng, diện tích vòng dây S = 10cm2, có dòng I = 2A qua.[3] a) Tính từ thơng qua vòng dây b) Tính suất điện động tự cảm xơlênơit ngắt dòng điện thời gian Δt = 0,1s Từ suy độ tự cảm cuộn dây c) Giải lại tốn xơlênơit có lõi, độ từ thẩm lõi μ = 500 Bài Trong mạch điện có độ tự cảm L = 0,6H, có dòng điện cường độ giảm đặn từ I = 0,2A đến khoảng thời gian 0,2 phút Tính suất điện động tự cảm mạch khoảng thời gian có dòng điện mạch.[5] 17 17 Bài Cho ống dây có độ tự cảm L = 0,05H Cường độ dòng điện I ống dây biến thiên đặn theo thời gian theo biểu thức: I = 0,04.(5 – t), trng I tính A, t tính s Tính suất điện động tự cảm xuất ống dây.[5] Bài Một ống dây dài 50cm, có 2000 vòng dây Diện tích mặt cắt ống dây 25cm2 Tính độ tự cảm ống dây Giả thiết từ trường ống dây từ trường đều.[5] Bài Cho ống dây dài 60cm, đường kính 3cm, có 2500 vòng dây [2] a) Tính độ tự cảm ống dây b) Cho biết khoảng thời gian 0,01s cường độ dòng điện chạy qua ống dây tăng đặn từ 1,5A đến 3A Tính suất điện động cảm ứng xuất ống dây Bài Cho ống dây dài, có độ tự cảm L = 0,5H, điện trở R = 2Ω Khi cho dòng điện có cường độ I chạy qua ống dây lượng từ trường ống dây W = 100J.[4] a) Tính cường độ dòng điện I b) Tính cơng suất nhiệt 2.5 Kết thực đề tài Trong trình dạy học sinh khối 11 phần kiến thức thử nghiệm với hai lớp học sinh đánh giá tương đương nhiều mặt trước dạy ( kiến thức, tư duy, điều kiện học tập, số lượng…) Lớp thứ (11A) dạy kiến thức khơng phân dạng bài, khơng hệ thống hóa mà đưa tập sau tóm tắt tồn nội dung chương mô tượng tóm tắt Lớp thứ hai (11B) dạy theo phương pháp với tập phân loại rõ ràng, tượng mô cụ thể toán Kết nhận thấy sau: Lớp 11A: Trong thời gian học nhiều học sinh nói tượng khó hiểu, gặp tập tỏ lung túng khơng biết tượng xảy nào, làm tập áp dụng trực tiếp công thức Lớp 11B: Thực thấy hứng thú giải nhanh tập, suy đoán tượng xảy đọc toán Kết kiểm tra với đối tượng kiến thức hai lớp thể qua bảng sau: Lớp 11A ( Sĩ số: 41 học sinh ) Kém G Yếu K TB SL % SL % SL % SL % SL % 4.9 12.2 15 36.6 10 24.4 21.9 Lớp 11B ( Sĩ số: 45 học sinh ) G K TB SL % SL % SL % 18 18 Yếu SL % Kém SL % 21.9 18 43.9 13 31.7 2.5 0 Sau lấy số liệu khảo sát, tơi tiến hành thêm bước hệ thống hóa lại kiến thức theo phương pháp nêu lớp 11A, kết cho thấy có thấy có tiến rõ rệt học sinh lớp Với kiểm tra sau, tỷ lệ học sinh khá, giỏi tăng lên rõ rệt thể bảng Lớp 11A ( Sĩ số: 41 học sinh – sau hệ thống hóa lại dạng tập theo phương pháp sáng kiến ) G Yếu K TB Kém SL % SL % SL % SL % SL % 17.1 20 48.8 11 26.8 7.3 0 3.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận chung Việc phân dạng tập cụ thể tương ứng với vấn đề lý thuyết việc làm quan trọng giúp học sinh nhanh tiến tạo hứng thú say mê học tập môn Vật lý Những vấn đề lý thuyết trìu tượng lại đòi hỏi hệ thống tập rành mạch, thông qua tập học sinh hiểu sâu sắc vấn đề lý thuyết nêu Với hệ thống tập chương Cảm ứng điện từ đem áp dụng vào giảng dạy nhận thấy học sinh tiến rõ rệt, em học sinh yếu khơng sai Đó mục đích mà tơi đặt 3.2 Kiến nghị Đối với nhà trường cần tạo điều kiện bổ sung nhiều sách tham khảo hàng năm để học sinh có thêm nhiều tài liệu học tập Đối với giáo viên môn sau học nên cung cấp thêm cho học sinh nhiều dạng tập liên quan đến học để học sinh có cách nhìn tổng quát kiến thức mối liên hệ kiến thức chương với Mặc dù cố gắng chắn không tránh khỏi sai sót ngồi ý muốn, mong phê bình góp ý anh chị đồng nghiệp để đề tài hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ 19 Thanh Hóa, ngày 15 tháng năm 2017 Tơi xin cam đoan SKKN viết, không chép nội dung người khác (Ký ghi rõ họ tên) 19 Dương Văn Thành 20 20 ... đầu; cảm ứng từ từ trường dòng điện cảm ứng sinh Φ - Nếu tăng cảm ứng từ Φ - Bc ngược chiều với chiều cảm ứng từ Bc Nếu giảm cảm ứng từ chiều với chiều cảm ứng từ * Các bước xác dịnh chiều dòng điện. .. vận dụng giải tập cảm ứng điện từ 2.2.2 Khó khăn Là giáo viên dạy tiết tập tượng cảm ứng điện từ, thấy sách giáo khoa đề cập đến tượng cảm ứng điện từ trường hợp đơn giản với số lượng tập khơng... Len-xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều cho từ trường sinh chống lại biến thiên từ thơng sinh 2.4.1.2 Phương pháp giải tập * Áp dụng định luật Len-xơ chiều dòng điện cảm ứng: Gọi: B Bc cảm ứng từ từ trường