CHUYÊN đề cảm ỨNG điện từ bồi DƯỠNG học SINH GIỎI lớp 11, 12

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Lời giới thiệu Vật lý môn học gắn liền với tượng đời sống kĩ thuật ngày Nó mơn học khó trừu tượng, sở tốn học Bài tập vật lý đa dạng phong phú Bồi dưỡng học sinh giỏi nói chung bồi dưỡng học sinh giỏi mơn vật lí nói riêng cho kỳ thi tuyển học sinh giỏi vấn đề cấp quản lý, giáo viên trực tiếp giảng dạy quan tâm, trăn trở Đây công việc hàng năm, khó khăn thường nhiều thuận lợi, có ý nghĩa trường THPT Kết thi học sinh giỏi số lượng chất lượng tiêu chí quan trọng, phản ánh lực, chất lượng dạy học trường, giáo viên học sinh Thực trạng trình độ nhận thức học sinh THPT chưa cao, đặc biệt học sinh vùng nông thôn, trung du phân phối thời gian cho học tập so với lượng kiến thức SGK thiếu thốn sách tham khảo nên việc nhận dạng phân loại, tổng hợp dạng toán để xác định cách giải tốn khó khăn phần lớn học sinh Trong trình dạy học chuyên đề bồi dưỡng HSG vật lý 11, 12 dạy phần “Cảm ứng điện từ”, nhận thấy em gặp khó khăn làm tập phần Đa số em làm tốn bản, mang tính chất vận dụng cơng thức trứ hiểu rõ tượng, chất làm toán mang tích chất phức tạp Trong q trình dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi, để giải tốn phần đòi hỏi em phải có tính vận dụng cao Chính thế, người giáo viên phải làm để tìm phương pháp, phân loại tập tốt nhằm tạo cho học sinh niềm say mê u thích mơn học giúp học sinh việc phân loại dạng tập hướng dẫn cách giải đơn giản nhanh nhất, xác cần thiết cho hình thức thi chọn học sinh giỏi Vật lí Việc làm có lợi cho học sinh thời gian ngắn nắm dạng tập, nắm phương pháp giải từ phát triển hướng tìm tòi lời giải cho dạng tương tự Để giải vấn đề bước vào nghiên cứu đề tài “CHUYÊN ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 11, 12” Tên sáng kiến: “CHUYÊN ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 11, 12” Tác giả sáng kiến: - Họ tên: Nguyễn Văn Tuấn - Địa tác giả sáng kiến: Trường THPT Đồng Đậu - Số điện thoại: 0965.761.978 E_mail: nguyentuan.ly@gmail.com Chủ đầu tư tạo sáng kiến: Nguyễn Văn Tuấn Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Ôn thi học sinh giỏi Vật lý lớp 11, 12 cấp tỉnh Ngày sáng kiến áp dụng lần đầu: 15/8/2019 Mô tả chất sáng kiến: I - MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ LÝ THUYẾT Từ thông Φ qua diện tích S đặt từ trường B tính cơng thức Φ = B.S cosα Trong đó: • B cảm ứng từ từ trường (T); • S tiết diện khung dây (m2); • ( ) α = B; n góc hợp đường sức từ pháp tuyến mặt phẳng khung dây; • Φ từ thơng (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 thông sinh 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 - Biểu thức: ec = ∆Φ ∆t Trong đó: • ΔΦ: độ biến thiên từ thơng thời gian Δt; • ec: suất điện động cảm ứng khung dây Suất điện động cảm ứng xuất đoạn dây chuyển động từ trường 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 Tự cảm - Độ tự cảm ống dây: L = Φ N2 = 4π 10 − S I 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) - Suất điện động tự cảm: Etc = L ∆Φ ∆t - Năng lượng từ trường ống dây: W = L.I II – PHÂN LOẠI BÀI TẬP TRONG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Bài tập xác định chiều dòng điện cảm ứng 1.1 Phương pháp giải tập: * Áp dụng định luật Len-xơ chiều dòng điện cảm ứng: Gọi: B cảm ứng từ từ trường ban đầu; Bc cảm ứng từ từ trường dòng điện cảm ứng sinh - Nếu Φ tăng cảm ứng từ Bc ngược chiều với chiều cảm ứng từ B - Nếu Φ giảm cảm ứng từ Bc chiều với chiều cảm ứng từ B * Các bước xác định chiều dòng điện cảm ứng: - Xác định chiều từ trường ban đầu B - Xét từ thông Φ (số đường sức từ) qua tiết diện khung dây tăng hay giảm - Dựa vào định luật Len-xơ để xác định chiều Bc - Áp dụng quy tắc đinh ốc để xác định chiều dòng điện cảm ứng 1.2 Ví dụ: Ví dụ 1: 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? 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: Ic sinh từ trường có cảm ứng từ Bc chiều với B - 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 vòng dây chuyển động lên phía M P 1.3 Bài tập củng cố: Bài Một thí nghiệm bố trí hình vẽ C A R G Hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng mạch C N Q chạy biến trở xuống Bài Một nam châm đưa lại gần vòng dây hình vẽ Hỏi dòng điện cảm ứng vòng dây có chiều vòng dây chuyển động phía nào? S N 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 loại xuất dòng điện cảm ứng có chiều vòng kim loại chuyển động sao? K Bài tập xác định suất điện động cảm ứng cường độ dòng điện cảm ứng 2.1 Phương pháp giải tập: - Áp dụng công thức tính từ thơng: Φ = NB.S cos α 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 2.2 Ví dụ: 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 r = 2,1Ω Tìm suất điện động cảm ứng trung bình cuộn dây dòng điện chạy cuộn dây khoảng thời gian 0,1s: a) cảm ứng từ từ trường tăng đặn lên gấp đôi b) cảm ứng từ từ trường giảm đặn đến Giải: C1 a) Ta có: Φ1 = BS ; Φ = BS ⇒ ∆Φ = Φ − Φ1 = BS B C2 Ví dụ S = πR2 = 3,14.0,12 = 0,0314 (m2) ⇒ ΔΦ = 0,2.0,0314 = 6,28.10-3 (Wb) - Suất điện động cảm ứng: ec = N ∆Φ 6,28.10 −3 = 100 = 6,28 (V) ∆t 0,1 e 6,28 c - Dòng điện chạy cuộn dây là: I = r = 2,1 ≈ (A) b) Ta có: Φ1 = BS ; Φ = ⇒ ∆Φ = Φ − Φ1 = − BS S = πR2 = 3,14.0,12 = 0,0314 (m2) ⇒ ΔΦ = - 0,2.0,0314 = 6,28.10-3 (Wb) - Suất điện động cảm ứng: ec = N ∆Φ 6,28.10 −3 = 100 = 6,28 (V) ∆t 0,1 e 6,28 - Dòng điện chạy cuộn dây là: I = rc = 2,1 ≈ (A) E1 B E2 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 E1 hình vng hình Mạch đặt từ trường B vng góc với mặt phẳng hình vng hướng sau hình vẽ, B tăng theo thời gian theo quy luật B = kt, k = 16T/s Tính cường độ dòng điện chạy mạch B EC E2 Giải: Ví dụ Do B tăng nên mạch xuất suất điện động E c; dòng điện cảm ứng Ec sinh phải có chiều cho từ trường sinh ngược chiều với từ trường B Suất điện động cảm ứng Ec biểu diễn hình vẽ: Ec = ∆Φ ∆( BS ) ∆B ∆( k t ) = = S = S = k S ∆t ∆t ∆t ∆t 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 (A) R Ví dụ 3: Cuộn dây kim loại (có điện trở suất ρ = 2.10 -8Ωm), N = 1000 vòng, đường kính d = 10cm, tiết diện dây S = 0,2mm có trục song song với B từ trường Tốc độ biến thiên từ trường 0,2T/s Lấy π = 3,2 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 (V) ∆t ∆t ∆t ∆t a) Nối hai đầu cuộn dây với tụ điện hiệu điện hai tụ suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây: U = e c = 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 (Ω) S S 0,2.10 − - Cường độ dòng điện cảm ứng xuất cuộn dây là: I= ec 1,6 = = 0,05 (A) R 32 - Công suất nhiệt cuộn dây là: Q = I2.R = 0,052.32 = 0,08 (W) Ví dụ 4: Vòng dây dẫn diện tích S = 1m đặt từ trường có B 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 Giải: Suất điện động cảm ứng xuất nửa vòng dây biểu diễn hình vẽ E  S ∆ B  ∆Φ S  S ∆B S ∆( k t ) E1 = E2 = =  = = = k = 0,3 (V) ∆t ∆t ∆t ∆t M C1 × + Q × B E2 × N + C2 - × P Gọi hiệu điện hai đầu tụ U1, U2 Ta có: UMQ + UQP = UMN + UNP ⇒ −U1 + E2 = − E1 + U ⇒ U1 + U = E1 + E2 = 0,6(V ) - Theo định luật bảo tồn điện tích, ta lại có: Q1 = Q2 ⇒ C1U1 = C2U2 ⇒ U1 = 2U2 Giải hệ phương trình: U1 + U = 0,6 U1 = 0,4(V ) ⇒  U1 = 2U U = 0,2(V ) Điện tích tụ: Q1 = Q2 = 0,4 (μC) 2.3 Bài tập củng cố: Bài Vòng dây tròn bán kính r = 10cm, điện trở R B = 0,2Ω đặt nghiêng góc 30º với B , B = 0,02T hình Xác định suất điện động cảm ứng, độ lớn chiều dòng điện cảm ứng vòng thời gian Δt = 0,01s, từ trường: Bài a) Giảm từ B xuống đến không b) Tăng từ không lên B Bài Trong hình vẽ Oc cách điện quay quanh trục qua O vng góc với mặt phẳng hình vẽ Tại đầu c có gắn kim loại mảnh ab b c Cho biết ac = cb, ab = Oc = R α = 60º Khi hệ a nói quay quanh O với tốc độ góc ω (theo α chiều kim đồng hồ) người ta đặt vào hệ từ × × × × × trường đều, vecto cảm ứng từ B có hướng vng góc với mặt phẳng hình vẽ hướng phía sau Hãy tìm biểu thức hiệu điện U hai đầu a b × × × × × × × × × × × × × × × Bài O × × × × × × × × × × 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 vng góc với B Tính suất điện động cảm ứng trung bình cuộn dây Bài Vòng dây đồng (ρ = 1,75.10 -8Ωm) đường kính d = 20cm, tiết diện S = 5mm2 đặt vng góc với B từ trường Tính độ biến thiên ΔB/Δt cảm ứng từ dòng điện cảm ứng vòng dây I = 2A Bài Cuộn dây N = 1000 vòng, diện tích vòng S = 20cm có trục song song với B 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 Bài Vòng dây dẫn diện tích S = 100cm 2, 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 Bài Trên hai cạnh AB CD khung dây dẫn hình vng cạnh a = 0,5m, điện trở tổng cộng R = Ω , người ta mắc hai nguồn điện E1 = 10V, E2 = 8V; điện trở hai nguồn không hình vẽ bên Mạch điện đặt từ trường có vectơ cảm ứng từ ur B vng góc với mặt khung dây hướng sau hình vẽ, độ lớn B tăng theo thời gian theo quy luật B = 16t B A +r E u BE D C Tính cường độ dòng điện mạch? Hướng dẫn giải - Vì cảm ứng từ tăng B nên từ thông qua mạch tăng mạch suất suất điện động cảm ứng EC, dòng điện cảm ứng sinh có chiều cho từ trường sinh ngược chiều với từ trường ngồi ur B đó, dòng điên cảm ứng có chiều DCBAD - Độ lớn suất điện động cảm ứng là: EC = ∆Φ ∆ (16t.S) = = 16S = 4V ∆t ∆t 10 - Khi chuyển động, suất điện động cảm ứng Ec bằng: π E c = Blvsin( − α) = Blv.cos α = u c - Điện tích tụ điện là: q = Cu c = CBlv.cos α - Cường độ dòng điện qua là: - Lưc từ tác dụng lên thanh: i= ∆q ∆v = CBl.cos α = CBl.cos α.a ∆t ∆t F = Bil = CB2 l2 a.cos α - Từ định luật II Newtơn ta có: P sin α − Fcos α = ma ⇒ a = - Vậy gia tốc chuyển động MN là: a= mg sin α m + CB2 l cos α mg sin α m + CB2 l cos α Câu 13: Một vòng có đường kính d, khối lượng m điện trở R rơi vào từ trường từ độ cao lớn Mặt phẳng vòng ln nằm ngang vng góc với ur B Tìm vận tốc rơi vòng B thay đổi theo độ cao h theo quy luật B = B0 (1 + αh) Coi gia tốc trọng trường không đổi bỏ qua sức cản môi trường Hướng dẫn giải - Khi vòng tròn rơi đều, động vòng tròn khơng đổi nên độ giảm vòng tròn nhiệt lượng vòng tròn tỏa - Suất điện động cảm ứng suất vòng tròn bằng: - Suy ra: - Vì Ec = ∆ (BS) = ∆t ∆(B0 (1 + αh) ∆h πd = v ⇒ Ec = B0 α v ∆t ∆t πd ) = πd B α ∆h ∆t Ec = ∆Φ ∆t ( v vận tốc rơi vòng tròn) - Cường độ dòng điện vòng tròn là: I= E c πd B0 αv = R 4R - Theo định luật bảo toàn lượng , ta có: mgh = I2Rt với h =v t 31 - Ta suy ra:  πd B0 αv  16mgR mgv = I R ⇔ mgv =  R⇒v= 2 ÷ ÷ π d B0 α  4R  - Vậy vận tốc rơi vòng v= 16mgR π2 d B02α Câu 14: Một hệ thống dây dẫn đặt nằm ngang hình O vẽ Thanh Hz ln trượt cạnh Ox, Oy ur ⊕ B αα vng góc với đường phân giác OH, Hz tiếp xúc với Ox Oy M N Góc xOy = 2α (như hình vẽ bên) Vận tốc M N H chuyển động Hz không đổi v Các dây dẫn làm chất, tiết diện có điện trở r cho đơn vị dài Bỏ qua điện trở tiếp xúc x y M, N Hệ thống đặt từ trường thẳng đứng, có cảm ứng từ B Khi Hz trượt Ox, Oy, xác định chiều cường độ dòng điện cảm ứng chạy qua MN? Hướng dẫn giải - Suất điện động cảm ứng xuất MN: Ec = Blv - Điện trở toàn mạch: R = (2OM + MN)r Với sin α = MN MN l ⇒ OM = = 2OM 2sin α 2sin α - Suy điện trở toàn mạch là: ( l = MN)  l    R = + l ÷r = l  + 1÷r  sin α   sin α  - Cường độ dòng điện chạy dây dẫn MN là: I= Ec Bvsin α = R (1 + sin α)r (-) - Theo quy tắc bàn tay phải ta xác định chiều dòng điện cảm ứng qua MN có chiều từ M đến N ur ⊕ B (+) k k M N Câu 15: Một kim loại MN chiều dài ℓ, khối lượng m, treo nằm ngang lò xo giống nhau, hệ số đàn hồi lò xo 32 k Hệ đặt từ trường ur B hướng vng góc với mặt phẳng hình vẽ Khi đứng cân bằng, người ta phóng vào dòng điện có cường độ I thời gian t ngắn Hỏi MN rời khỏi vị trí cân đoạn A lớn bao nhiêu? ( Bỏ qua dịch chuyển AB thời gian t) Hướng dẫn giải - Độ dãn x0 lò xo MN vị trí cân xác định công thức: mg = 2kx ⇒ x = mg 2k - Trong thời gian phóng điện, chịu tác dụng lực từ F = BIℓ Sau thời gian t, đạt vận tốc v xác định định luật II Niu tơn: F=m v BIl t ⇒v= t m - Vì ta bỏ qua dịch chuyển thời gian t, nên bỏ qua tác dụng dòng điện cảm ứng thời gian - Thanh xuống tới vị trí thấp nhất, cách vị trí cân đoạn A - Ta quy ước vị trí thấp mơc trọng trường Ta tính A nhờ định luật bảo tồn lượng: 1  mg   mg m  mv + k  + mgA = k  + A÷ ⇒ A = v ÷ 2  2k   2k 2k  - Thay v vào biểu thức A ta được: A= BIl t 2mk - Nếu phóng điện theo chiều ngược lại, dịch chuyển lên phía đoạn Câu 16*: Một vòng dây dẫn đường kính d đặt từ trường có cảm ứng từ ur B song song với trục qua tâm O vòng dây Hai kim loại mảnh có đầu gắn với truc qua tâm O vòng dây vng góc với tiếp xúc điện với tạo O 33 Ban đầu hai sát vào nhau, sau đứng yên quay quanh O với tốc độ góc ω Tính cường độ dòng điện qua hai ray qua vòng dây sau thời gian t Cho biết điện trở đơn vị dài kim loại vòng dây r Bây cho hai quay với tốc độ góc ω ω2 ( ω1> ω2 ) Tìm diệu điện hai đầu Xét hai trường hợp: Hai quay chiều hai quay ngược chiều nhau? Hướng dẫn giải - Trước hết ta tính suất điện động xuất kim loại quay mặt phẳng vng góc với từ trường theo cơng thức ( tính độ lớn): Ec = ∆Φ ∆S =B ∆t ∆t - Với ΔS diện tích mà quét thời gian Δt Kí hiệu ω vận tốc góc ℓ chiều dài Trong khoảng thời gian Δt quay góc Δφ = ω.Δt quét diện tích: - Từ ta suy ra: Ec = BR ω Bd ω = ∆S = πl l2 ∆ϕ = ω.∆t 2π (OB = R = d/2) - Hai đoạn mạch BCA (chiều dài BCA = ℓ 1) BDA (chiều dài BDA = ℓ với ℓ1 + ℓ2 = 2πR) mắc song song với nhau, có dòng điện I I2 chạy qua Kí hiệu I dòng điện chạy qua hai thanh, áp dụng định luật Ôm ta có:  U AB = I1 ( l 1r) = I ( l r)   U AB = E c − I2Rr  I = I1 + I  - Với ℓ1 = Rωt; ℓ2 = 2πR - ℓ1 = 2πR - Rωt; R = d/2 - Từ ta tìm được: I= Bωd ωt  ωt  ; I1 = 1 − I; I = I ÷ 2π  ωt   2π   + ωt − ÷r 2π   2 34 - Ở hai có xuất hai suất điện động cảm ứng: E c1 = Bω1R Bω2 R ;E c2 = 2π 2π a - Hai nguồn nguồn điện tương đương điện động là: E b = E c1 − E c2 = E c1 E c2 mắc xung đối; nguồn có suất BR Bd (ω1 − ω2 ) = (ω1 − ω2 ) 2π - Lập luận tương tự phần 1, ta có: I= Bω0 d ωt  ω t ;I1 =  − ÷I; I = I 2π  2π     + ω0 t − ÷r 2π   ω02 t - Hiệu điện là: ( Với ω0 = ω1 − ω2 )  dr   dr  U1 = E c1 − I  ÷; U1 = E c2 − I  ÷  2 2 b Kết tương tự câu a ω0 = ω1 + ω2 Câu 17*: Một khung dây dẫn hình vng cạnh a, có khối lượng m điện trở R, ban đầu nằm mặt phẳng thẳng đứng xOy ( Các cạnh song song với trục Ox Oz), từ trường có vec tơ cảm ứng từ ur B hướng theo trục Oy vng góc vơi Oxz có độ lớn B biến thiên theo tọa độ z (trục Oz hướng thẳng đứng xuống dưới) theo quy luật B = B0 – kz ( B0 k số) Truyền cho khung với vận tốc ban đầu v0 theo phương ngang Ox khung chuyển động mặt phẳng xOy Người ta thấy sau thời gian khung đạt vận tốc không đổi v Hãy tính v0 xem từ thơng gửi qua khung tính theo cơng thức Φ = a2B Với B cảm ứng từ tâm O khung Hướng dẫn giải - Ở thời điểm t tâm O khung có tọa độ z Từ thông gửi qua khung dây bằng: Φ = a B = a (B0 + kz) 35 - Suất điện động cảm ứng suất khung (do vị trí khung, tức tọa độ z biến đổi theo thời gian) là: Ec = − ∆Φ ∆z = −a k = −a kv z ∆t ∆t - Với vz thành phần vận tốc r v khung theo phương Oz Dòng điện cảm ứng xuất khung có cường độ: I= E c a kv z = R R có chiều hình vẽ ( áp dụng định luật Len – xơ) Xét lực từ tác dụng lên khung ta thấy: Các lực từ uu r F2 uu r F4 tác dụng lên cạnh BC AD triệt tiêu Còn lực điện từ tác dụng lên cạnh AB CD điện từ r F ur F1 tác dụng lên khung có độ lớn: thẳng đứng lên Ngoài lực điện từ u r P ur F3 r F có hướng ngược hợp lực F = F3 − F1 = (B3 − B1 )Ia = k 2a vz R hướng khung chịu tác dụng trọng lực Do hợp lực tác dụng lên khung u r r P -F , có độ lớn P – F Hợp lực hướng xuông dưới, làm cho khung chuyển động xuống Sau thời gian khung đạt vận tốc khơng đổi v, đó: P = F ⇒ mg = - Độ lớn vận tốc v là: r uu r uu r v = v0 + v z → v = v02 + v z2 Suy ra: m 2g R k 4a8 v0 = v − v z2 = v − k 2a vz mgR ⇒ vz = R k a - Chú ý: Cũng tính v cách áp dụng định luật bảo toàn lượng Cụ thể khung đạt đến vận tốc không đổi v Tức v z khơng đổi động khung dây khơng đổi nữa; độ biến thiên (trọng trường) nhiệt lượng dòng điện I tỏa R Tức mgv z ∆t = RI ∆t Thay vào đó: I= E c a kv z = R R ta tìm kết Câu 18*: Một đĩa kim loại hình tròn, bán kính R, bề dày d (d> ∆t(R + r) L R+r L - Đại lượng mạch: τ= τ= - Điều kiện: E L ∆i − =I R + r R + r ∆t L R+r nghĩa i khơng biến thiên Lúc phải , có thứ nguyên thời gian gọi số thời gian L 0,01 = = 1, 25.10−3 (s) R+r ∆i >> 1, 25.10−3 (s) Ví dụ 4: Một cuộn dây dài ℓ = 20cm, gồm 200 vòng L1 dây, đường kính d = 2cm, tiết diện dây S = 0,1mm2, điện trở suất ρ = 1,72.10−8 Ωm Mắc cuộn dây vào nguồn điện khơng đổi có suất điện động E = 10V K R1 E 40 hình vẽ bên, điện trở R = 5Ω; điện trở nguồn, dây nối khóa K khơng đáng kể Ban đầu khóa K vị trí Sau dòng điện ống dây ổn định, người ta đảo nhanh khóa K từ vị trí sang vị trí Tìm nhiệt lượng tỏa điển trở R1? Hướng dẫn giải - Điện trở độ tự cảm cuộn dây: R =ρ l0 Nπd =ρ = 2,16Ω S0 S0 L = µ0 N S πd = µ0 N = 0,079mH l l - Áp dụng kiến thức bổ xung ta tìm cường độ dòng điện chạy qua R khóa K vị trí 2: - Với I0 = ε R ∞ ∫ Q = R1i dt = i = I0 e − R + R1 t L Từ tìm nhiệt lượng tỏa điện trở R1: R1LE = 0,59mJ 2R (R1 + R) - Chú ý: Có thể tìm kết phương pháp áp dụng định luật bảo toàn lượng R Ví dụ 5: Hai cuộn dây siêu dẫn (có điện trở 0) mắc song song, có độ tự cảm L L2 nối qua điện trở R với nguồn điện có suất điện động E, điện trở r (như hình vẽ bên) Đóng K Tìm cường L1 L2 K E, r độ dòng điện ổn định cuộn dây cường độ dòng điện mạch chính? Bỏ qua hỗ cảm cuộn dây Hướng dẫn giải - Tại thời điểm bất kì, hiệu điện hai đầu A, B hai cuộn dây Ngày sau đóng K cuộn dây có xuất suất điện động tự cảm: 41 E tc1 = −L ∆I1 ∆I ;E tc2 = − L ∆t ∆t - Vì cuộn dây siêu dẫn (có điện trở khơng) nên theo định luật Ơm ta có: L ∆I1 ∆I = L ⇒ L1∆I1 = L ∆I ∆t ∆t (1) - Ở thời điểm ban đầu, chưa đóng K, dòng điện bằng Do cường độ dòng điện ổn định hai cuộn dây I 1, I2 theo (1) ta có: L1I1 = L I (2) - Mặt khác áp dụng định luật Ơm cho tồn mạch: - Ngồi ta có: E = I(R + r) I = I1 + I - Từ (2), (3), (4) ta tìm được: (3) (4) I= L2 L1 E E E ;I1 = ;I = R+r L1 + L R + r L1 + L R + r Ví dụ 6**: Trong mạch hình vẽ bên cuộn dây K1 K2 có độ cảm L1 L2( điện trở khơng đáng kể), pin có suất điện động E điện trở r Ban đầu hai khóa mở Người ta đóng K1 dòng L1 đạt giá trị L1 E, r L2 I0 đóng khóa K2 Tính giá trị cuối I1 I2 ( Khi ổn định) dòng i i2 chạy qua hai cuộn dây Xét trường hợp đồng thời đóng hai khóa, tính I1 I2 Hướng dẫn giải - Dòng i1 tăng từ đến I0 (lúc t = t0) Lúc t > t0 ta có dòng i1(t) i2(t) chạy ngược chiều mạch ngồi (hình 5.25) Vì dòng tăng nên cuộn có suất điện động tự cảm: − L1 di1 dt −L2 di dt Áp dụng định luật Kiếc xốp cho đoạn mạch ta có: - Suy ra: ngược chiều L1 di1 di − L2 = dt dt L1i1 (t) − L 2i1 (t) = st 42 - Cho t = t0 ta có: L1I0 = const suy ra: L1i1 (t) − L 2i (t) = L1I0 - Khi t lớn i1 i2 có giá trị ổn định I1 I2, nên ta có: L1I1 − L I = L1I0 (1) E r (2) Với - Từ (1) (2) tìm được: I1 = I1 + I = L1I0 L1I0 L2E L1E + ;I = − L1 + L r(L1 + L ) r(L1 + L ) L1 + L - Nếu đồng thời đóng hai khóa có nghĩa I0 = 0, nên ta có: I1 = L2E L1E ;I = r(L1 + L ) r(L1 + L ) 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 Bài Ống dây có chiều dài l = 31,4cm, gồm N = 1000 vòng, diện tích vòng dây S = 10cm2, có dòng I = 2A qua 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 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 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 43 Bài Cho ống dây dài 60cm, đường kính 3cm, có 2500 vòng dây 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 a) Tính cường độ dòng điện I b) Tính cơng suất nhiệt Những thông tin cần bảo mật: Không Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: - Về giáo viên cần đầu tư thời gian nhiều tìm hiểu soạn nhiều dạng tập phương pháp giải tập chuyên đề cảm ứng điện từ ôn thi học sinh giỏi Vật lý lớp 11, 12 Giáo viên phải dạy ôn thi đại học môn lý dạy ôn thi học sinh giỏi lý 11, 12 cấp tỉnh - Về học sinh cần phải có học lực để giải số tốn khó 10 Đánh giá lợi ích thu dự kiến thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả theo ý kiến tổ chức, cá nhân tham gia áp dụng sáng kiến lần đầu, kể áp dụng thử (nếu có) theo nội dung sau: - Đề tài thầy cô giáo dạy vật lý lớp 12 nhà trường sử dụng để hướng dẫn học sinh ôn thi học sinh giỏi lý 11, 12 cấp tỉnh ôn thi THPT QG kết đạt giải cao - Đa số học sinh nắm dạng tập phương pháp giải, biết vận dụng tốt phương pháp vào việc giải tập chuyên đề cảm ứng điện từ ôn thi học sinh giỏi Vật lý lớp 11, 12 - Kỹ giải tập tự luận trắc nghiệm khách quan học sinh cải thiện đáng kể, đảm bảo độ xác nhanh 44 - Phát huy rèn luyện khả vận dụng kiến thức, tính tích cực, tư sáng tạo học sinh việc giải tập vật lý hay khó 11 Danh sách cá nhân tham gia áp dụng áp dụng sáng kiến lần đầu: Số Tên tổ chức/cá nhân TT Địa Phạm vi/Lĩnh vực áp dụng sáng kiến Nguyễn Thị Thu Hà THPT Đồng Đậu Ôn thi học sinh giỏi Vật lí lớp 11, 12 ơn thi THPT QG 2019, 2020 Phạm Văn Nam THPT Đồng Đậu Ôn thi học sinh giỏi lý lớp 11, 12 ôn thi THPT QG 2018, 2019 Trần Văn Tuấn THPT Đồng Đậu Ôn thi THPT QG 2018, 2019 Trịnh Hồng Minh THPT Đồng Đậu Dạy chuyên đề Vật lý học sinh lớp 11 năm 2019 Nguyễn Đức Thụ THPT Đồng Đậu Ôn thi THPT QG 2018 – 2019 Nguyễn Thị Luận Ôn thi THPT QG 2018 - 2019 Yên Lạc, ngày tháng … năm 2020 Thủ trưởng đơn vị (Ký tên, đóng dấu) Yên Lạc, ngày … tháng … năm 2020 Tác giả sáng kiến (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Tuấn 45 ...vào nghiên cứu đề tài “CHUYÊN ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 11, 12 Tên sáng kiến: “CHUYÊN ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 11, 12 Tác giả sáng kiến: -... dòng điện cảm ứng: Gọi: B cảm ứng từ từ trường ban đầu; Bc cảm ứng từ từ trường dòng điện cảm ứng sinh - Nếu Φ tăng cảm ứng từ Bc ngược chiều với chiều cảm ứng từ B - Nếu Φ giảm cảm ứng từ Bc... dòng điện mạch? Hướng dẫn giải - Vì cảm ứng từ tăng B nên từ thông qua mạch tăng mạch suất suất điện động cảm ứng EC, dòng điện cảm ứng sinh có chiều cho từ trường sinh ngược chiều với từ trường