1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Tiểu luận: Phân tích và triển khai chương trình Vật lý phổ thông

24 136 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Tiểu luận: Phân tích và triển khai chương trình Vật lý phổ thông trình bày về nhiệm vụ nghiên cứu của chương từ trường, lịch sử phát triển khoa học nghiêm cứu về kiến thức từ học, sơ đồ logic (graph) kiến thức chương từ trường, chuẩn kiến thức kĩ năng chương từ trường, phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức chương từ trường. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC TIỂU LUẬN  PHÂN TÍCH VÀ TRIỂN KHAI CHƯƠNG TRÌNH  VẬT LÝ PHỔ THƠNG                Học viên: Vương Thị Huế                                                   Lớp: QH – 2015 – S LL& PP giảng dạy Vật lí                          Giảng viên: TS. Lê Thị Thu Hiền Hà Nội 10/2016 PHẦN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ĐIỂM Bằng số Bằng chữ                                                             Hà Nội, ngày …. tháng …. Năm 2016 Giảng viên TS. Lê Thị Thu Hiền MỤC LỤC I. Nhiệm vụ nghiên cứu của chương từ trường…………………………… II. Lịch sử phát triển khoa học nghiêm cứu về kiến thức từ học III. Sơ đồ logic (graph) kiến thức chương từ trường IV. Chuẩn kiến thức, kĩ năng chương từ trường V. Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức chương từ trường 1. Nhìn lại kiến thức THCS 2. Phân tích mạch logic của kiến thức, cấu trúc chương từ trường 3. Xác định những khó khăn trong dạy học chương từ trường 4. Đề xuất những lưu ý trong việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh; đề xuất  phương pháp và hình thức dạy học các kiến thức chương từ trường VI. Kết luận V. Tài liệu tham khảo TỪ TRƯỜNG I Nhiệm vụ của chương từ trường Từ trường là một phần trong Điện từ học, nghiên cứu từ trường về phương diện tác  dụng lực. Cụ thể, chương này trình bày những vấn đề lực từ tác dụng lên một đoạn  dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên một hạt mang diện chuyển động, qui tắc xác  định chiều của lực từ, từ trường của dòng điện thẳng, dòng điện tròn Phần kiến thức chƣơng " Từ trường" nghiên cứu những vấn đề về từ trường do các hạt  điện tích chuyển động và các nam châm gây ra, cụ thể: Từ trƣờng của nam châm, từ  trường của dòng điện, từ trường của Trái đất, tác dụng của từ trường lên dây dẫn có  dòng điện, tác dụng của từ trường lên hạt điện tích chuyển động II Lịch sử phát triển của khoa học nghiên cứu về từ học  Từ học là một ngành được ứng dụng trong cuộc sống con người từ rất sớm mà đầu tiên  là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại. Ở Hy Lạp, lịch sử ghi nhận những đối thoại về từ  học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến 545 trước cơng ngun song song với  việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá thiên nhiên) cho một số mục đích khác  nhau[1] Ở phương Đơng, Trung Hoa là nơi sớm nhất sử dụng các đá nam châm làm kim  chỉ nam để chỉ phương Nam­Bắc từ thời đại của Chu Cơng (thời đại nhà Chu, 1122 ­ 256  trước Cơng ngun), và cuốn sách chính thức ghi lại việc sử dụng các đá nam châm là  cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tơn Tẫn) vào thế kỷ thứ 4 trước cơng ngun    Alexander Neckham là người châu Âu đầu tiên mơ tả về la bàn và việc sử dụng la bàn  cho        việc định hướng vào năm 1187. Vào năm 1269, Peter Peregrinus de Maricourt viết  cuốn Epistola de magnete, được coi là một trong những luận thuyết đầu tiên về nam  châm và la bàn. Năm 1282, các tính chất của các nam châm và la bàn khơ được thảo luận  bởi Al­Ashraf, một nhà vật lý, thiên văn, địa lý người Yemeni  Cuốn sách khảo cứu chi tiết đầu tiên về các hiện tượng là   cuốn DeMagnete,MagneticisqueCorporibus, et de Magno Magnete Tellure (On the Magnet  and Magnetic Bodies, and on the Great Magnet the Earth) của William Gilbert xuất bản  năm 1600 ở Anh Quốc. Cuốn sách thảo luận về nhiều thí nghiệm điện từ do ơng xây  dựng, đồng thời giả thiết về từ trường của Trái Đất, ngun nhân gây ra sự định hướng  Nam­Bắc của các la bàn Tương tác giữa dòng điện và từ trường lần đầu tiên được phát hiện và mơ tả bởi Hans  Christian Oersted, một giáo sư Đại học Copenhagen (Đan Mạch). Ơng đã phát hiện ra  việc kim la bàn bị lệch hướng khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện. Thí nghiệm này  được coi là bước ngoặt trong lịch sử ngành từ học, và được đặt tên là Thí nghiệm  Oersted. Sau Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các cơng  trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và từ trường như André­Marie Ampère, Carl  Friedrich Gauss, Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản về từ  học cũng như từ trường James Clerk Maxwell đã tổng hợp các lý thuyết về từ trường, điện trường, và quang  học để phát triển thành lý thuyết tổng qt về trường điện từ. Vào năm 1905, Albert  Einstein đã sử dụng những định luật này để xây dựng lý thuyết tương đối hẹp Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học được phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra các vật  liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mơ về hiện tượng từ dựa trên các lý  thuyết của cơ học lượng tử và vật lý chất rắn như lý thuyết vi từ học, lý thuyết về  đơmen từ, vách đơmen, vật liệu sắt từ, tương tác trao đổi, phản sắt từ,  Đi kèm với nó  là sự phát triển của nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của  vật liệu. Cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, ngành mới spintronics ra đời dựa trên những  thành tựu của từ học và điện tử học III Sơ đồ kiến thức chương từ trường IV Chuẩn kiến thức, kĩ năng Kiến thức ­ Nêu được từ trường tồn tại ở đâu và có tính chất gì ­ Nêu được các đặc điểm của đường sức từ của thanh nam châm thẳng, của nam  châm chữ U, của dòng điện thẳng dài, của ống dây có dòng điện chạy qua ­ Phát biểu được định nghĩa và nêu được phương, chiều của cảm ứng từ tại một  điểm của từ trường. Nêu được đơn vị đo cảm ứng từ ­ Viết được cơng thức tính cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường gây bởi  dòng điện thẳng dài vơ hạn và tại một điểm trong lòng ống dây có dòng điện  chạy qua ­ Viết được cơng thức tính lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện chạy  qua đặt trong từ trường đều ­ Nêu được lực Lo­ren­xơ là gì và viết được cơng thức tính lực này Kĩ năng ­ Vẽ được các đường sức từ biểu diễn từ trường của thanh nam châm thẳng, của  dòng điện thẳng dài, của ống dây có dòng điện chạy qua và của từ trường đều ­ Xác định được độ lớn, phương, chiều của vectơ cảm ứng từ tại một điểm trong  từ trường gây bởi dòng điện thẳng dài và tại một điểm trong lòng ống dây có  dòng điện chạy qua ­ Xác định được vectơ lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện  chạy qua được đặt trong từ trường đều ­ Xác định được cường độ, phương, chiều của lực Lo­ren­xơ tác dụng lên một  điện tích q chuyển động với vận tốc  trong mặt phẳng vng góc với các đường  sức của từ trường đều V Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức chương từ trường 1. Nhìn lại kiến thức THCS 2. Phân tích mạch logic của kiến thức, cấu trúc chương từ trường Chương “Từ trường” gồm hai nhóm kiến thức chính: các khái niệm, đại lượng đặc trưng  của từ trường và các dạng lực từ, vận dụng chúng để giải quyết các bài tốn. Để xây dựng  khái niệm từ trường, ta có thể làm một số thí nghiệm đơn giản ngay tại lớp để HS có thể  quan sát. Đồng thời GV cũng có thể đưa ra những hình ảnh trực quan sinh động từ Website  đã thiết kế sẵn. Đặc biệt trong phần này, có minh hoạ hình ảnh của các electron chuyển  động trong dây dẫn kim loại chịu tác dụng của lực Lorentz 3. Xác định nhữ TỪ TRƯỜNG 1 Tương tác từ Các hiện tượng liên quan tới tương tác  từ đã được lồi người sớm phát hiện.  Người  ta nhận thấy các một số mẫu  quặng có khả năng  hút được các vật  nhỏ bằng sắt. Khơng  những vậy, các  mẫu quặng này còn hút và đẩy lẩn nhau  Ban đầu chúng được gọi là "đá  nam  châm'', đó thực chất là các nam châm  tự nhiên mà ngày nay chúng ta đã biết.  Sự   tương tác giữa các nam châm được  gọi  là tương tác từ.      Năm 1600, nhà bác học Gin­bơt  (William Gillbert, 1540 – 1603) đã trình  bày những  cơ sở ban đầu của điện học  và từ học đầu tiên. Gin­bơt đã chế tạo  một nam châm mà ơng  gọi là “terralla”  và nghiên cứu tác dụng của một kim  nam châm với “terralla”. Ơng thấy  rằng  có sự tác dụng từ giữa chúng. Gin­bớt  cũng nghiên cứu các hiện tượng điện  một cách  có hệ thống. Khi khảo sát các  hiện tượng điện và từ, ơng đã đi đến kết  luận rằng chúng  hết sức khác nhau và  khơng có gì liên quan với nhau. Như  vậy, Gin­bơt đã thấy tương tác  điện và  tương tác từ là hai loại tương tác khác  nhau, song ơng chưa thấy mối quan hệ  giữa  các hiện tượng điện và từ.   1820, nhà vật  lý người Đan  Mạch Ơ­xtét (Han  Christian Oersted,  1777­1851) phát  hiện dòng điện và nam  châm có tương tác với nhau. Ơng  thấy  rằng nếu đặt một dây dẫn ở  cạnh  một  kim nam châm rồi cho dòng diện  chạy  qua dây dẫn thì kim nam châm sẽ  quay   lệch đi. Khi đổi chiều dòng điện  chạy  qua, kim nam châm lệch theo  chiều  ngược lại Như vậy, thực nghiệm cho thấy  có sự tương tác giữa dòng điện với nam  châm,  giữa hai dòng điện với nhau, giữa  các nam châm, các tương tác đó gọi  chung là tương tác  từ Một điều hết sức lưu ý là mặc dù  giữa các hiện tượng điện và từ có mối  liên hệ  với nhau nhưng tương tác từ có  bản chất khác với tương tác điện.  Tương tác điện xuất  hiện khi có các  điện tích và phụ thuộc vào vị trí, độ lớn  của các điện tích đó. Tương tác từ  chỉ  xuất hiện khi có các dòng điện và phụ  thuộc vào các dòng điện đó Chính xác hơn, tương tác từ xuất  hiện khi các điện tích chuyển động và  phụ thuộc  vào tính chất của chuyển  động đó. Giữa các dòng điện có tương  tác từ vì dòng điện là các  dòng điện  tích chuyển động. Giữa nam châm với  dòng điện có tương tác từ vì trong nam   châm cũng có những dòng điện mà Am­ pe gọi là dòng điện ngun tố. Ngày  nay, dòng điện  phân tử được hiểu là  dòng điện do vận động nội tại của các  hạt mang điện trong ngun  tử và hạt  nhân gây ra. Bản chất và quy luật của  vận động nội tại này chỉ có thể được  làm  rõ trong khn khổ cơ học lượng  tử.  Cũng cần nói thêm rằng, mặc dù  tương tác điện và tương tác từ là hai loại  tương tác nhưng  sau này Mắc­xoen  (James Clerk Maxell, 1831 ­ 1879) đã  thống nhất được hai loại tương tác  này  và gọi chung là tương tác điện từ. Lực  tương tác từ là một phần của lực tương  tác  điện từ giữa các hạt tích điện chuyển  động 2 Từ trường Khi xét tương tác từ, người ta quan tâm tại sao hai dây dẫn mang dòng điện khơng  chạm với nhau mà lại có thể tương tác với nhau? Khơng gian quanh một dòng  điện có gì  biến đổi khơng? Theo quan điểm tương tác xa, dòng điện I1 sẵn  có những khả năng tác dụng lên dòng  I2 ở xa nó, khơng cần truyền tương tác. Khi dòng điện I2  xuất  hiện, dù ở  xa thì dòng điện I1  ngay lập tức tác dụng lên  dòng I2. Khơng gian xung quanh khơng có sự biến đổi và khơng  tham gia vào q trình tương tác  Quan điểm tương tác gần được Pha­ra đây nêu  lên và sau đó được Moắc­xoen hồn  thiện . Theo đó, sở dĩ hai dòng điện tương tác với nhau vì xung quanh  dòng điện tồn tại một  dạng vật chất đặc biệt đó chính  là  từ trường. Dòng điện I2 nằm trong từ trường tạo bởi   dòng điện I1 nên chiệu tác dụng lực gây bởi dòng điện  này. Ngược lại dòng điện I2 tác dụng  lên dòng điện  I1  cũng thơng qua từ trường của nó. Hai dòng điện I1 và I2  tương tác với nhau  thơng qua từ trường. Từ trường  ln gắn liền với dòng điện cũng như điện trường  ln   gắn liền với điện tích Vật lý học hiện đại đã xác nhận sự đúng đắn của  cách trả lời thứ hai. Vậy, từ  trường là mơi trường xung  quanh hạt mang điện chuyển động. Tính chất cơ bản  của từ  trường là có tác dụng từ lên hạt mang điện khác  chuyển động trong nó  Từ trường khơng phải chỉ là một khái niệm trừu  tượng dùng để mơ tả tương tác từ  mà là một thực thể  vật lý tồn tại khách quan giống như điện trường. Điện  tích đứng n là  nguồn gốc của điện trường tĩnh. Các  điện tích chuyển động vừa là nguồn gốc của điện   trường vừa là nguồn gốc của từ trường Nghiên cứu từ phổ của từ trường các dòng điện,  người ta nhận thấy các đường cảm  ứng từ là những đường cong khép khép kín. Mà một từ trường có các  đường sức khép kín  gọi là một trường xốy. Do đó, từ  trường là một trường xốy hay có tính chất xốy và  đây  là điểm khác nhau cơ bản giữa điện trường và từ  trường. Như ta đã biết, các đường sức  điện trường tĩnh  đi ra từ các hạt mang điện dương và đi vào các hạt  mang điện âm, chúng  là các đường cong hở. Vì vậy,  điện trường tĩnh khơng phải là một trường xốy. Trái  lại các  đường cảm ứng từ là những đường cong kín,  chúng khơng có điểm xuất phát cũng khơng có  điểm  tận cùng. Từ đó, người ta đã cho rằng trong tự nhiên  khơng tồn tại các "từ tích". Bởi  vì nếu như có các hạt  mang từ tích là nguồn gốc sinh ra từ trường (giống như  các hạt mang  điện tích đứng n là nguồn gốc sinh ra  điện trường tĩnh ) thì các đường cảm ứng từ cũng  sẽ phải xuất phát từ các loại hạt mang từ tích dương (quy  ước là "từ tích dương" chẳng  hạn) và tận cùng trên các  hạt mang từ tích âm và như vậy phải là những đường  cong hở.  Và như vậy sẽ tồn tại những nam châm đơn cực từ, song cho đến nay chưa phát hiện và chế  tạo được các nam châm đơn cực từ và giả thuyết về "từ tích" đã bị bác bỏ 3. Đường sức từ 3.1. Định nghĩa đường sức từ   Tương tự  như  đường sức điện, để  mơ tả  từ  trường một cách trực quan, người ta   dùng khái niệm đường sức từ. Đó là một mơ hình biểu diễn từ trường bằng hình học Đường sức từ là đường cong có hướng được vẽ trong từ trường sao cho hướng của   tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ tại   điểm đó.  Thực nghiệm cho thấy các nam châm thử  định  hướng   theo     đường   sức   Sự     xếp   nhiều   nam  châm thử  trong từ  trường (chẳng hạn từ  trường một  châm thẳng) cho ta hình dung về đường sức từ  của từ  trường đó. Chiều đường sức từ là chiều đi từ cực Nam  cực  Bắc  của nam  châm  thử  nằm  cân bằng trong từ  trường nam  sang  3.2 Tính chất của đường sức từ Đường sức từ có các tính chất sau: ­ Tại mỗi điểm trong từ trường, có thể vẽ được một đường sức từ đi qua và chỉ một  mà thơi; ­ Các đường sức từ  là những đường cong kín. Trong trường hợp từ  trường nam  châm,   ngồi nam châm các đường sức từ  đi ra từ  cực Bắc, đi vào   cực Nam của nam   châm; ­ Các đường sức từ khơng cắt nhau; ­ Nơi nào cảm ứng từ lớn hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ mau hơn (dày hơn), nơi   nào cảm ứng từ nhỏ hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ thưa hơn Tính chất từ thứ nhất có thể suy ra từ định nghĩa của đường sức từ. Bất kì điểm nào  trong từ  trường cũng có cảm  ứng từ, vì vậy đều có thể  vẽ  được đường cong nhận nó làm  tiếp tuyến.  Tính chất thứ hai của đường sức từ là sự thể hiện tính chất xốy của từ trường.  Tính chất thứ ba nhằm đảm bảo tính duy nhất của cảm  ứng từ tại mỗi điểm. Thật   vậy, giả sử  tại một điểm có hai đường sức cắt nhau thì ở  điểm đó phải có hai tiếp tuyến,   do đó có hai vec tơ cảm ứng từ tại điểm đó điều này mâu thuẫn với cảm ứng từ là duy nhất,  đặc trưng cho từ trường tại điểm đó.  Tính chất thứ nhất và thứ ba có vẻ như mâu thuẫn nhau theo lập luận rằng: nếu bất    điểm nào cũng có thể  vẽ  đường sức từ  đi qua thì mật độ  các đường sức từ  phải như  nhau và đều vơ hạn, khơng thể  so sánh mau hơn hay thưa hơn. Tuy nhiên cần hiểu rằng   đường sức từ chỉ là mơ hình, mau hay thưa chỉ là so sánh tương đối, việc vẽ mau hay thưa là  quy ước, do đó khơng hề có mâu thuẫn giữa tính chất thứ nhất và thứ tư 4 Khái niệm từ phổ Đường sức từ xác định như trên là dùng phương pháp tốn học thuần túy. Trong thực   tế, để xác định đường sức từ người ta dùng phương pháp thực nghiệm Dùng mạt sắt rắc đều lên một tấm mica đặt trên nam châm, gõ nhẹ tấm mica ta thấy   các mạt sắt sắp xếp một cách có trật tự  tạo thành các đường cong. Hình  ảnh các "đường   mạt sắt" thu được trong từ trường nam châm gọi là từ phổ của nam châm. Vậy, sự sắp xếp   của mạt sắt cho ta hình ảnh của đường sức từ trong khơng gian. Hình ảnh đó gọi là từ phổ Dưới đây là hình  ảnh của đường sức từ  của nam châm thẳng và nam châm hình   móng ngựa (còn gọi là nam châm chữ U)  CẢM ỨNG TỪ 1  Định luật Bi­ơ ­ Sa­va ­ La­pla­xơ Từ trường có đặc trưng là tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển động trong nó.  Đại lượng vật lý đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực là cảm ứng từ Cảm ứng từ là một đại lượng vec tơ, có vai trò tương tự như vec tơ cường độ điện  trường trong điện trường. Từ cơng thức định luật Am­pe về tương tác giữa hai phần tử  dòng điện:                                                                                 khơng chứa phần tử  , do đó chỉ phụ thuộc vào phần tử dòng điện  tạo ra từ trường  và vào   vị trí của điểm M tại đó ta đặt phần tử dòng điện   Vec tơ                                              được định nghĩa là vectơ cảm ứng từ do phần tử dòng điện tạo ra tại M. Biểu thức (2.4.1) là  cơng thức định luật Bi­ơ ­ Sa­va ­ La­pla­xơ. Nội dung định luật phát biểu như sau: Cảm ứng từ  do một phần tử dòng  điện  tạo ra tại điểm M cách phần tử  dòng điện   một khoảng r là một vectơ có: ­ ­ ­ ­ Gốc tại điểm M; Phương vng góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện   và điểm M; Chiều sao cho ba vectơ ,  và  theo thứ tự này hợp thành một tam diện thuận; Độ lớn được xác định bởi cơng thức :   (θ là góc giữa vec tơ và ) (2.4.2) Đơn vị của cảm ứng từ là T (Tesla) Thơng thường người ta nói "từ trường của " thì ta ngầm hiểu đó chỉ là cách gọi tắt,  thực ra phải nói là "cảm  ứng từ  của ". Ngồi ra, "hướng của từ  trường" ta cũng hiểu là   "hướng của vec tơ cảm ứng từ" Sau khi định nghĩa cảm ứng từ, ta có thể viết lại lực tác dụng của phần tử dòng điện   lên phần tử dòng điện như sau:                                     Biểu thức (2.4.3) cho thấy lực tác dụng lên phần tử  tỉ lệ với cảm ứng từ   do phần từ  dòng điện   gây ra tại điểm đặt   Như vậy, định luật Bi­ơ ­ Sa­va ­ La­pla­xơ chỉ cho ta tính cảm ứng từ do một phần  từ dòng điện gây ra trong khơng gian. Vậy cảm ứng từ của cả một dòng điện hoặc hệ nhiều  dòng điện gây ra tại một điểm nào đó thì xác định như thế nào? Khi đó ta phải sử dụng một  ngun lí gọi là ngun lí chồng chất từ trường 2. Từ trường của điện tích chuyển động. Tính tương đối của điện trường và từ  trường Cảm  ứng từ  do dòng điện gây ra đã được khảo sát   các mục trước. Dòng điện là  dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, từ trường của dòng điện thực chất là sự chồng   chất từ trường do các điện tích chuyển động gây ra Xét từ trường do một phần tử dòng điện  gây ra, theo định luật Bi­ơ ­ Sa­va ­ La­pla­ xơ, cảm ứng từ tại điểm M cách  vec tơ :  với  Mặt khác , trong đó  là vec tơ mật độ dòng điện,  là vận tốc chuyển động định hướng   của các điện tích,  là số hạt mang điện tự do có trong phần tử  Vì phần tử  rất bé so với r nên cảm ứng từ do các điện tích tự do này gây ra tại M là   như nhau. Từ đó, cảm ứng từ do một hạt mang điện gây ra tại M là: (2.4.6) Ở cơng thức (2.4.6), hướng của còn phụ  thuộc vào dấu của điện tích e của hạt. Kết quả  này thu được từ việc khảo sát cảm ứng từ của  đoạn dây dẫn đứng n có dòng điện chạy qua,  do đó, vận tốc  ở đây là vận tốc tương đối của   hạt mang điện chuyển động với người quan sát  [4]. Vì vậy, có thể  thấy từ  trường là một khái   niệm mang tính tương đối, phụ  thuộc vào hệ  quy chiếu. Giữa khái niệm điện trường và từ  trường     có   tính   tương   đối   Xung   quanh  một điện tích xác định có thể  là điện trường  đối với hệ  quy chiếu này nhưng có thể  là từ  trường đối với hệ  quy chiếu khác. Tương tự   vậy đối với khái niệm tương tác điện và  tương tác từ, chúng cũng có tính tương đối. Tương tác giữa các điện tích trong hệ quy chiếu   các điện tích đứng n là tương tác điện nhưng trong hệ quy chiếu mà các điện tích chuyển  động lại là tương tác từ. Như  vậy, nguồn gốc của tính tương đối giữa điện trường và từ  trường là do việc chọn các hệ quy chiếu gây nên Cơng thức (2.4.6) chỉ  áp dụng đối với hạt mang điện chuyển động nhỏ  so với vận  tốc ánh sáng. Trong trường hợp tổng qt, thuyết tương đối đã chứng minh được tính tương   đối của điện trường và từ  trường. Cụ  thể, trong hệ quy chiếu K 0 là hệ  quy chiếu gắn với  điện tích q, ta quan sát được điện trường  tại  là . Đối với hệ quy chiếu qn tính K, trong đó   điện tích q chuyển động với vận tốc  theo phương ox,  quan sát được từ  trường , đồng thời   cũng quan sát được điện trường . Các hệ thức liên hệ là [3] và  Trong trường hợp vận tốc  nhỏ so với vận tốc ánh sáng c, có thể viết gần đúng                                               3 Cảm ứng từ của những dòng điện trong mạch có hình dạng đơn giản Để tính cảm ứng từ của một dòng điện có hình dạng bất kỳ cần vận dụng định luật   Bi­ơ – Sa­va ­ la­pla­xơ và ngun lý chồng chất từ trường. Theo (2.4.1), các phần tử  dòng  điện gây ra cảm ứng từ : (2.6.1)   Cảm  ứng từ  tồn phần do cả  dòng điện gây ra được tính bằng cách sử  dụng ngun lý   chồng chất từ trường   (2.6.2) 3.1 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng Xét một dây dẫn thẳng dài, có dòng điện cường độ I đi qua. Giả thiết dây dẫn có tiết   diện nhỏ  và chiều dài vơ hạn. Xác định cảm  ứng từ  gây bởi dây dẫn tại điểm P cách dây  dẫn một khoảng a.  Chia dòng điện thành các phần tử nhỏ chiều dài  (trong phép tính tích phân thay bằng  ds). Xét phần tử có tọa độ , cảm ứng từ do nó gây ra tại P là Vectơ  có độ  lớn là , phương vng góc với mặt phẳng , có chiều xác định theo quy   tắc vặn nút chai (hoặc tắc nắm tay phải) Mỗi phần tử dòng điện  có tọa độ  bất kỳ ln gây ra cảm ứng từ tại P cùng phương,  chiều với nhau. Do đó phép cộng vec tơ được thay bằng phép cộng đại số: (2.6.3) trong đó, chỉ số i dùng để phân biệt các vị trí khác nhau trên dây dẫn Việc tính tổng này thực tế  được thay bằng phép tính tích phân. Trong phép tính tích  phân, phần tử  chiều dài dây dẫn    được thay bằng vi phân chiều dài ds. Giá trị  biểu thức   (2.6.3) được tính bằng tích phân sau Đổi biến số:   Từ đó:   và  (2.6.4) Kết quả    (2.6.4) thu được khi giả  thiết dây dài vơ hạn nên cận tích phân lấy từ  0   đến . Trong trường hợp dây dài hữu hạn thì:   (2.6.5) Vậy từ  trường của dòng  điện thẳng dài vơ hạn gây ra tại điểm P cách nó một   khoảng a có: ­ ­ ­ Độ lớn , Phương vng góc với mặt phẳng chứa dây dẫn và điểm P, Chiều tn theo quy tắc nắm tay phải Trên thực tế, khơng có dòng điện thẳng dài vơ hạn mà dòng điện bao giờ cũng khép   kín và hữu hạn. Khái niệm dòng điện thẳng dài trên thực tế  được vận dụng để  tính cảm   ứng từ  tại một điểm cách dây một khoảng rất nhỏ  so với chiều dài đoạn dây dẫn được   khảo sát. Bằng thí nghiệm về từ phổ và sự định hướng của các nam châm thử ta có thể xác   định được hình dạng và chiều của các đường sức từ của từ trường do dòng điện thẳng dài   gây ra. Hình vẽ dưới đây cho thấy điều đó 10 3.2 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn tròn Xét dòng điện có cường độ I, chạy trong dây dẫn mảnh hình tròn bán kính R (gọi tắt   là khung dây tròn). Ta xác định cảm  ứng từ  gây tại một điểm M trên trục của khung dây   tròn, cách tâm của vòng tròn một khoảng h.  tử. Cảm ứng từ do mỗi phần tử gây ra tại M có độ lớn , phương, chiều biểu diễn như hình   vẽ.  Ta có nhận xét cứ  hai phần tử   đối xứng nhau qua tâm khung dây có độ  lớn bằng   nhau. Cảm  ứng từ tổng hợp của từng cặp phần tử đối xứng có phương nằm trên trục đối   xứng của khung. Vì vậy, cảm ứng từ tổng hợp của cả khung dây tròn gây ra tại M cũng có  phương như trên. Từ đó Vì các phần tử dòng điện cách cách điểm M khoảng r khơng đổi, góc  giữa trục khung dây  và cảm ứng từ  do các phần tử dòng điện gây ra tại M cũng như nhau nên (2.6.6) Mặt khác ,  nên (2.6.6) được viết lại (2.6.7) Thay giá trị  vào (2.6.7) (2.6.8) Khi h = 0, tức là M nằm tại tâm khung dây, cảm ứng từ có độ lớn (2.6.9)  Cơng thức (2.6.9) xác định cảm ứng từ tại tâm khung dây tròn Chiều của cảm ứng từ qua mặt phẳng khung dây xác định theo quy tắc cái đinh ốc 2:  đặt đinh ốc vng góc với mặt phẳng khung dây, xoay cái đinh ốc theo chiều dòng điện thì   chiều tiến của đinh ốc chỉ chiều cảm ứng từ qua khung dây Để khảo sát hình dạng và sự phân bố của các đường sức từ, ta dùng thí nghiệm tạo  từ  phổ và sự  định hướng của nam châm thử. Dưới đây là hình ảnh các đường sức từ  và từ  phổ của khung dây tròn. Các đường sức từ móc vòng qua khung dây, đường sức từ qua tâm   khung dây có dạng đường thẳng, đường sát khung dây gần tròn 11 3.3 Cảm ứng từ của dòng điện trong ống dây dẫn thẳng Tiến hành tương tự  như  mục (2.6.1) và (2.6.2), chia  ống dây thành từng đoạn nhỏ,  chiều dài , mỗi đoạn nhỏ  có  khung dây tròn. Cảm  ứng từ do mỗi đoạn ống dây gây ra tại  điểm M nằm trên trục ống dây, cách phần tử   một khoảng l là Sử dụng kết quả (2.6.10) sau đó lấy tổng trên tồn ống dây sẽ thu được độ  lớn cảm ứng từ  tại điểm M trên trục ống dây thẳng  (2.6.11) trong đó n là số vòng dây trên một đơn vị dài (mật độ dài) Cơng thức (2.6.11) thể hiện cảm  ứng từ phụ thuộc vào vị trí điểm M trong ống dây   Nếu ống dây có kích thước bé so với chiều dài (gọi là ống dây dài), cảm ứng từ tại trục ống   dây là (2.6.12) Chiều của cảm ứng từ trong ống dây xác định theo quy tắc cái đinh ốc 2: đặt đinh ốc  dọc theo ống dây, xoay cái đinh ốc theo chiều dòng điện thì chiều tiến của đinh ốc chỉ chiều  cảm ứng từ trong ống dây Cơng thức (2.6.12) cho thấy từ trường trong  ống dây dài là đều. Dùng thí nghiệm từ  phổ xác nhận được sự đúng đắn của nhận xét này Nếu ống ống dây khơng đủ dài hoặc mật độ dài n bé thì từ  trường trong ống   dây gần đều. Hình vẽ  dưới đây mơ tả  hình dạng và sự  phân bố  các đường sức từ  xung   quanh ống dây tròn 12 4 Từ trường đều Thật vậy, theo định nghĩa đường sức từ, nếu các đường sức từ khơng phải là các đường  thẳng song song thì cảm ứng từ khơng thể cùng phương. Nếu các đường sức từ khơng cách  đều nhau thì độ lớn cảm ứng từ theo quy ước sẽ khác nhau. Trong thực tế, các đường sức  song song và cách đều nhau; đồng nghĩa, vectơ cảm ứng điên từ tại mọi điểm đó như nhau.  Vì vậy, khi đưa ra khái niệm điện trường đều dựa trên hai cơ sở hoặc đường sức từ hoặc  vectơ cảm ứng điện từ.  Từ trường có cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là từ trường đều. Từ trường  đều có các đường sức là các đường thẳng song song và cách đều nhau. Có thể tạo ra từ  trường đều giữa các nam châm. Nếu các cực khác tên càng nằm gần nhau và mặt phẳng của  các đầu mút của nam châm càng  lớn thì từ trường càng đều. Từ phổ của một nam châm  hình chữ U cho thấy các “đường mạt sắt” ở giữa hai cực của nam châm là các đường gần  như song song với nhau và cách nhau khá đều. Từ đó, có thể coi từ trường trong khoảng  giữa hai cực nam châm hình chữ U là từ trường đều.     5 Ngun lý chồng chất từ Điện trường tn theo ngun lý chồng chất điện trường. Từ  trường cũng tn theo   ngun lý chồng chất. Ngun lí này có nội dung như sau: ­ Vectơ cảm ứng từ  do một dòng điện bất kỳ tạo ra tại một điểm M bằng tổng các   vectơ cảm ứng từ  do tất cả các phần tử nhỏ của dòng điện ấy tạo ra tại điểm ấy ­ Nếu từ trường do nhiều dòng điện tạo ra thì  Vận dụng cơng thức (2.4.1), (2.4.4) và (2.4.5) ta có thể xác định cảm ứng từ của hệ  dòng điện gây ra tại một điểm bất kì điểm trong khơng gian   Ngun lí chồng chất trường là một ngun lí phổ biến khi nghiên cứu các trường  lực. Thực chất ngun lí này là một hình thức khác của một ngun lí đã được thừa nhận  rộng rãi trong cơ học Niu­tơn đó là ngun lí độc lập của các lực tác dụng  LỰC TỪ 13 1 Lực từ Lực từ  tác dụng lên một phần tử mạch điện  đặt trong từ trường có vectơ cảm ứng   từ được xác định bởi cơng thức  (2.7.1) Đây là cơng thức Am­pe về  lực tác dụng của từ  trường lên dòng điện.Lực     có   phương vng góc với  và  , có chiều liên hệ với  và   theo quy tắc vặn nút chai : Quay cán  vặn nút chai từ   đến, vặn nút chai tiến theo chiều của lực   Ngồi ra quy tắc bàn tay trái cũng được dùng để xác định chiều  : Đặt bàn tay trái sao  cho đường cảm  ứng từ  xun qua lòng bàn tay, chiều dòng điện đi từ  cổ  tay đến các ngón   tay, thì chiều của ngón tay cái mở ra 900 là chiều của lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện Lực này có độ lớn :   = I.B sin α trong đó α là góc hợp bởi vectơ  và Trường hợp nếu đoạn dòng điện thẳng, chiều dài l, khơng đổi về hướng và độ  lớn,   đặt trong từ trường đều  thì cơng thức tính lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện I là : F = I.B.l.sin α (2.7.2) trong đó, α là góc hợp bởi  và chiều dòng điện Đây là cơng thức Am­pe về  lực từ  tác dụng lên đoạn dòng điện thẳng đặt trong từ  trường đều 14 2 Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song 15 2.1 Đặc điểm Giả sử có hai dòng điện thẳng song song cách nhau một đoạn r  và dòng điện cócườn g độ ,  thì lực tác dụng giữa chúng                                           Hai dòng điện này hút nhau nếu chúng cùng chiều và đẩy nhau nếu chúng ngược  chiều 16 2.2. Định nghĩa đơn vị Ampe Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng dài vơ hạn được dùng để định nghĩa đơn vị  cơ bản về điện trong hệ SI, đó là đơn vị của cường độ dòng điện  ampe Nếu trong cơng thức (2.7.4) lấy I1 = I2=I, d=1m, F=2.10­7N, l=1m, thì I=1A Vậy, ampe là cường độ  dòng điện của một dòng điện khơng đổi, khi chạy qua hai   dây dẫn thẳng, song song, dài vơ hạn, có tiết diện nhỏ khơng đáng kể, đặt trong chân khơng  cách nhau 1 m, thì gây trên mỗi mét của mỗi dây dẫn một lực là 2.10­7N 17 3 Lực Lo­ren­xơ Lực từ có tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện chạy qua. Mà dòng điện chính là   dòng chuyển dời có hướng của các điện tích tự do bên trong nó. Vậy các điện tích tự  do có  chịu tác dụng của lực từ khơng? Nếu có thì phương của lực từ này tính như thế nào?   Thực nghiệm đã chứng minh các điện tích chuyển động chịu tác dụng lực của từ  trường. Chẳng hạn, sử dụng thí nghiệm có sơ đồ  như  hình vẽ  có thể  chứng minh được sự  tồn tại lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động Khi cho dòng điện qua vòng dây Hem­hơn và sợi dây đốt ở  bên trong bình thủy tinh,   trong bình xuất hiện một vòng tròn sáng màu xanh nằm trong mặt phẳng vng góc với   đường sức từ của vòng dây Hem­hơn. Hiện tượng được giải thích như sau:   Do bị  đốt nóng, sợi dây đốt phát xạ  nhiệt các electron. Các electron này chuyển  động và va chạm với các phân tử khí trong bình. Khi va chạm, các electron iơn hóa các phân   tử khí và làm phát quang. Vậy vòng tròn sáng trong bình cho biết quỹ đạo của electron trong   từ trường. Electron khơng chuyển động thẳng mà chuyển động tròn chứng tỏ từ trường tác   dụng lực lên electron Biểu   thức     lực       nhà   bác   học   Lo­ren­xơ   (Lorentz)   xác   định   từ   thực  nghiệm nên được gọi là lực Lo­ren­xơ. Vậy, hạt mang điện chuyển động trong từ  trường   chịu tác dụng của lực gọi là lực Lo­ren­xơ, xác định bởi cơng thức Trong đó, q là điện tích của hạt, là vận tốc của hạt,   là cảm ứng từ Từ cơng thức lực Lo­ren­xơ, độ lớn của lực là  f =  v B sin α, (2.8.2)   với α là góc hợp bởi  và    Phương của lực Lo­ren­xơ  xác định bằng thực nghiệm có phương vng góc với  mặt phẳng chứa vectơ vận tốc của hạt mang điện và vectơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát Chiều của lực Lo­ren­xơ  được xác định theo quy tắc bàn tay trái : Đặt bàn tay trái  duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ xun vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón   tay cái chỗi ra 900 chỉ chiều của lực Lo­ren nếu hạt mang điện dương (q> 0) và chỉ  chiều   ngược lại nếu hạt mang điện âm. Trong trường hợp q> 0 quy tắc này trùng với quy tắc bàn   tay trái xác định lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Và thực chất quy tắc này  cũng có thể  hiểu là quy tắc bàn tay trái với chú ý chiều dòng điện theo quy  ước là chiều  chuyển động của điện tích dương.  Có thể tìm được biểu thức của lực Lo­ren dựa vào cơng thức Am­pe Xét lực tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng dài l, có cường độ  dòng điện I chạy   qua. Theo cơng thức Am­pe, lực này có biểu thức  . Trong đó                                            với  là vec tơ mật độ dòng điện, S là tiết diện vật dẫn, n0 là mật độ hạt mang điện  tự do trong  vật dẫn,   là vận tốc của chuyển động của các hạt mang điện tích dương (nếu hạt mang   điện tích âm thì hướng ngược lại), q là điện tích của hạt Lực tác dụng viết lại   , với S.= V là thể tích đoạn dây dẫn. Mặt khác,  N= S n 0 là số  hạt mang điện tự dòng điện trong đoạn dây dẫn đó. Vì đoạn dây dẫn ta xét rất nhỏ nên các   hạt mang điện trong đoạn dây dẫn là hồn tồn tương đương nhau. Từ  đó, lực từ tác dụng   lên một hạt mang điện có điện tích q chuyển động với  trong từ trường có cảm ứng từ  là :                      Như  vậy cơng thức lực Lo­ren­xơ có thể  xây dựng từ  cơng thức lực từ  tác dụng lên đoạn  dây dẫn có dòng điện chạy qua đứng n trong từ trường, khi đó  là vận tốc trung bình của   chuyển động định hướng của điện tích. Tuy nhiên, biểu thức mà tác dụng thu được của lực   Lo­ren­xơ đúng cho mọi điện tích chuyển động và  là vận tốc riêng của chuyển động đó Lưu ý rằng, trên đây chỉ  là mơ hình để  từ  cơng thức Am­pe dẫn đến cơng thức lực  Lo­ren­xơ, còn lực Lo­ren­xơ áp dụng được với từng điện tích riêng lẻ  chuyển động trong   từ trường. Ngay cả khi vật dẫn khơng có dòng điện thì những hạt mang điện trong vật dẫn  chuyển  động  nhiệt  hỗn  loạn vẫn có  lực  Lo­ren­xơ  tác  dụng lên  chúng  Thế   nhưng do   chuyển động nhiệt khơng ưu tiên theo hướng nào nên lực tác dụng lên từng điện tích riêng   biệt cũng khơng có phương ưu tiên. Kết quả là lực tác dụng tổng hợp lên vật dẫn cũng bằng   khơng 3. Khó khăn trong q trình dạy học chương từ trường ­ Khó khăn khi giải thích khái niệm từ trường, định nghĩa về từ trường rất trừu tượng,  khơng thể quan sát được bằng mắt người, khơng thể cầm nắm được ­ Khi dạy về đường sức từ, do các đường sức từ khơng thể quan sát trực tiếp bằng mắt  thường được nên học sinh khó hình dung ­ Sử dụng các quy tắc nắm tay phải, bàn tay trái để xác định cảm ứng từ B và lực từ  4. Đề xuất những lưu ý trong việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh; đề xuất  phương pháp và hình thức dạy học các kiến thức chương từ trường ­ Để  khắc phục những  khó khăn  trong việc  xây  dựng  một số  kiến thức chương “Từ  trường” chúng tơi đề xuất một số  phương án sau: + Trong phần lực Lorentz, có thể đưa thêm một số ứng dụng của lực Lorentz + Tìm hiểu những quan niệm có trước của HS, phân tích sự đúng sai của các quan niệm để  tìm ra những cách thích hợp giúp HS tiếp cận kiến thức + Khai thác những quan niệm có trước của HS để  tổ  chức tốt hoạt động xây dựng kiến   thức mới và vận dụng kiến thức đã xây dựng được cho các em + Thiết kế hệ thống câu hỏi đúng, chính xác về nghĩa vật lý và gắn kết được vấn đề  cần   tìm tòi với quan niệm có trước của HS để làm bộc lộ chúng + Đặt HS vào vị trí trung tâm của hoạt động dạy học. Khuyến khích học tập hợp tác + Tổ chức dạy học kiến tạo trong sự phối hợp, kết hợp hài hòa các phương pháp dạy học   và đặc biệt chú trọng tới phương pháp thực nghiệm VI  Kết luận Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thơng là việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗi   giáo viên. Qua việc xác  định và phân tích những kiến thức cơ  bản trong phần “Từ  trường” đã giúp bản thân hiểu rõ các kiến thức đó một cách sâu sắc hơn. Từ  đó, một  phần nâng cao kiến thức của bản thân, một phần làm tài liệu tham khảo khi giảng dạy   phổ thơng sau này. Qua đó, có thể giúp học sinh nắm vững kiến thức của phần này, giải   thích được một số  hiện tượng trong cuộc sống, hiểu được những  ứng dụng cũng như  tác hại của các hiện tượng đó trong kĩ thuật và đời sống.  VII Tài liệu tham khảo  Nguyễn Thị Thu Thảo, Luận văn Thạc sĩ Giáo dục học: Vận dụng Triz xây  dựng hệ thống bài tập sáng tạo dùng cho dạy học Vật lý phần “Từ trường và cảm  ứng điện từ” lớp 11 trung học phổ thơng nhằm bồi dưỡng tư duy sáng tạo cho học  sinh, trường đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Đinh Thị Phương Thanh,  Luận văn Thạc sĩ Giáo dục học: Thiết kế website  hỗ trợ dạy học hai chương “Từ trường” và “Cảm ứng điện từ” lớp 11 (Cơ bản)  nhằm nâng cao tính tích cực, tự lực và sáng tạo cho học sinh , trường đại học sư  phạm thành phố Hồ Chí Minh   Võ Quang Danh, ngiên cứu chương trình vật lí phổ thơng, phân tích chương  từ trườn ... Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học được phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra các vật liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mơ về hiện tượng từ dựa trên các lý thuyết của cơ học lượng tử và vật lý chất rắn như lý thuyết vi từ học, lý thuyết về ... và đặc biệt chú trọng tới phương pháp thực nghiệm VI  Kết luận Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thơng là việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗi   giáo viên. Qua việc xác  định và phân tích những kiến thức cơ... điện tích q chuyển động với vận tốc  trong mặt phẳng vng góc với các đường  sức của từ trường đều V Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức chương từ trường 1. Nhìn lại kiến thức THCS 2. Phân tích mạch logic của kiến thức, cấu trúc chương từ trường

Ngày đăng: 15/01/2020, 10:27

Xem thêm:

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

Mục lục

    4 3.1. Định nghĩa đường sức từ

    5 3.2 Tính chất của đường sức từ

    6 4 Khái niệm từ phổ

    7 1 Định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ

    8 2. Từ trường của điện tích chuyển động. Tính tương đối của điện trường và từ trường

    9 3.1 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng

    10 3.2 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn tròn

    11 3.3 Cảm ứng từ của dòng điện trong ống dây dẫn thẳng

    14 2 Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song

    16 2.2. Định nghĩa đơn vị Ampe

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w