Phát triển năng lực tư duy của học sinh thông qua tìm hiểu bài toán chuyển động của thanh trong từ trường phần cảm ứng điện từ

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Trong chương trình vật lý bậc trung học phổ thơng, khái niệm mối liên hệ điện từ khái niệm trừu tượng học sinh, việc tìm hiểu kiến thức từ trường, lực từ tương tác nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện ngược lại khái niệm học sinh Sự tồn từ trường xung quanh dòng điện, từ trường xung quanh nam châm tương tác từ dòng điện hay nam châm lên hạt mang điện chuyển động từ trường kiến thức trừu tượng em Ngoài quy luật tương tác, ta biết dòng điện sinh từ trường từ trường có sinh dịng điện khơng câu hỏi trừu tượng đầy thú vị học sinh Các khái niệm từ thông, biến thiên từ thông ý nghĩa từ thông việc tiếp cận kiến thức tượng cảm ứng điện từ kiến thức cần trang bị cho em bậc học Việc tiếp cận tượng cảm ứng điện từ giúp học sinh hiểu rõ trả lời câu hỏi từ trường sinh dịng điện khơng điều kiện trường sinh dòng điện Hiện tượng cảm ứng điện trang bị cho em kiến thức có biến thiên từ thơng qua diện tích mạch kín làm sinh mạch suất điện động cảm ứng đồng thời làm sinh dòng điện cảm ứng mạch Qua giúp em hiểu nguyên nhân làm sinh dòng điện cảm ứng Tuy nhiên, xét mặt lượng tượng cảm ứng điện từ xuất có biến thiên từ thơng qua mạch kín đồng nghĩa với việc xuất suất điện động cảm ứng hay xuất dịng điện cảm ứng mạch chuyển hóa dạng lượng làm sinh biến thiên từ thông qua mạch kín Hay nói khác từ trường đóng vai trò đại lượng trung gian “ máy” trung chuyển lượng từ dạng sang dạng khác Từ khái niệm tượng trừu tượng để dẫn dắt em tiếp cận, vận dụng kiến thức vào việc giải vấn đề việc làm quan trọng tỉ mỉ chi tiết đòi hỏi vai trò tương tác hoạt động dạy học phải phù hợp để đạt hiệu hoạt động cao Từ thực tế trên, thân giáo viên dứng lớp tơi tìm tịi xây dựng giúp học sinh hiểu rõ vận dụng phương pháp để giải toán liên quan đến chuyển động từ trường thông qua việc xây dựng chủ đề “PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC TƯ DUY CỦA HỌC SINH THƠNG QUA TÌM HIỂU BÀI TỐN CHUYỂN ĐỘNG CỦA THANH TRONG TỪ TRƯỜNG - PHẦN CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ- VẬT LÝ 11” 1.2 Mục đích nghiên cứu - Xây dựng hệ thống tập cách giải số toán phần cảm ứng điện từ việc vận dụng kiến thức tổng hợp học, hỗ trợ cho học sinh nắm vững kiến thức cảm ứng điện từ vận dụng kiến thức học vào giải vấn đề cụ thể, hiểu rõ kiến thức tượng cảm ứng điện từ làm sở để học sinh tìm hiểu quy luật mối liên hệ chặt chẽ điện từ - Vận dụng để giải tập cảm ứng điện từ, tập vận dụng tượng cảm ứng điện từ đề khảo sát chuyển động từ trường - Tạo động lực cho em học sinh hiểu biết vận dụng yêu thích kiến thức môn, tự tin học làm bài, đồng thời hướng học sinh tự tìm quy luật làm chuyên đề lại mơn vật lý, chí cho mơn học khác 1.3 Đối tượng nghiên cứu Xây dựng phương pháp tổng hợp để giải số toán chuyển động từ trường - phần cảm ứng điện từ - vật lý 11 1.4 Phương pháp nghiên cứu Vận dụng tổng hợp kiến thức học để tìm tịi xây dựng phương pháp giải số toán chuyển động từ trường 1.5 Những điểm sáng kiến kinh nghiệm Tiếp cận kiến thức thơng qua việc tìm hiểu chủ đề thơng qua phương pháp tự tìm tịi giải vấn đề, sở tự tiếp cận phát huy tính chủ động sáng tạo học sinh Phát huy lực làm việc theo nhóm thơng qua hoạt động nhóm nhỏ tiếp cận giải vấn đề, sở vận dụng vốn kiến thức sẵn có khả thành viên nhóm NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận a Hiện tượng cảm ứng điện từ : Qua thí nghiệm tượng cảm ứng điện từ Farađây rút kết luận tổng quát sau đây: +) Sự biến đổi từ thơng qua mạch kín ngun nhân sinh dịng điện mạch đó; dịng điện gọi dòng điện cảm ứng; +) Dòng điện cảm ứng tồn thời gian từ thơng gửi qua mạch biến thiên; +) Cường độ dịng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thơng; +) Chiều dịng điện cảm ứng phụ thuộc vào từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm Hiện tượng sinh dòng điện cảm ứng gọi tượng cảm ứng điện từ Sự xuất dịng điện cảm ứng mạch kín chứng tỏ mạch kín xuất suất điện động gọi suất điện động cảm ứng b Định luật Lenxơ Nội dung: Dịng điện cảm ứng phải có chiều cho từ trường (từ thơng) sinh có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh c Định luật Farađây Nhờ thí nghiệm Farađây người ta xác định độ lớn suất điện động cảm ứng εc Thực nghiệm cho thấy rằng: tốc độ biến thiên theo thời gian từ     xác định độ lớn εc suất điện động cảm ứng Nhà bác học  t  thông  Macxoen, sau phân tích thí nghiệm Farađây ý đến chiều dòng điện cảm ứng theo định luật Lenxơ, trình bày kết dạng tốn học:     c      (  đạo hàm  theo t) (1)  t  (1) biểu thức định luật tượng cảm ứng điện từ hay định luật Farađây Dấu (-) thể mặt toán học định luật Lenxơ ( Thật vậy, ta thấy theo định luật Lenxơ, công lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng cơng cản; để dịch chuyển mạch điện từ trường ta phải tốn công số trái dấu với cơng cản đó) Thơng thường mặt vật lý xác định chiều dòng điện cảm ứng dựa vào định luật Lenxơ, để tiện tính tốn ta cần quan tâm đến giá trị độ lớn suất điện động cảm ứng: c    t Khảo sát ví dụ mạch có dạng hình chữ nhật ABCD có cạnh  lưu động CD chuyển động với vận tốc v A D hình vẽ : Theo (1) ta có suất điện động mạch  S x c    B Bl Blv t t t  v Ta xác định chiều dịng điện cảm B C ứng dựa vào quy tắc bàn tay phải (đối với trường hợp đoạn dây dẫn chuyển động từ trường): Để lòng bàn tay phải hứng đường cảm ứng từ, ngón tay chỗi hướng theo chiều chuyển động dây dẫn, chiều từ cổ tay đến ngón tay chiều tác dụng suất điện động cảm ứng chiều dòng điện cảm ứng 2.2 Thực trạng vấn đề Khi tiến hành giảng dạy chương cảm ứng điện từ (vật lý 11), xây dựng chi tiết cho học sinh khái niệm định lượng kiến thức tượng Tuy nhiên tiến hành vận dụng cho toán cụ thể khảo sát toán chuyển động từ trường thân em chưa vận dụng chi tiết để giải toán Việc định hình hướng giải vấn đề em trừu tượng, học sinh chưa có khả xác định hướng cụ thể để áp dụng cho tốn thực tế Ví dụ tốn chuyển động có mạch nối kín, chuyển động ghép với phần tử khác mạch điện… Trên sở logic kiến thức, khó khăn thân học sinh gặp phải, để trợ giúp cho em có cơng cụ hỗ trợ đắc lực để giải toán giúp em hiểu vận dụng tốt Tôi xây dựng số giải pháp sau để hỗ trợ học sinh trình học tập 2.3 Các giải pháp sử dụng Khảo sát số toán chuyển động dẫn từ trường Bài 1: [1] Hai ray đặt nằm ngang có điện trở khơng đáng kể, đầu nối vào điện trở R Đoạn dây dẫn MN chiều dài khối lượng m đặt vng góc với hai ray Hệ thống đặt từ trường đều, cảm ứng từ vng góc với r hai có độ lớn B có chiều hình vẽ Dưới tác dụng lực F r hình vẽ làm cho chuyển động sang bên trái với vận tốc v vuông góc với Bỏ qua lực ma sát với đường ray a) Xác định tính chất chuyển động M b) Xác định cường độ dòng điện mạch   F Giải: F t B R a) Các lực tác dụng vào MN: I   Trọng lực P thẳng đứng hướng N xuống   Lực đàn hồi N ray vng góc với ray   Lực từ Ft vng góc với MN với B có chiều hình vẽ  Lúc đầu tác dụng lực F chuyển động có gia tốc, vận tốc tăng lực tác dụng lên MN tăng Dòng điện cảm ứng có  chiều từ M sang N, chiều lực từ ngược chiều với chiều lực F tác dụng lên MN Do hai ray đủ dài nên cuối lực từ cân với ngoại lực Từ lúc MN chuyển động b) Dịng điện cảm ứng có chiều từ M đến N có độ lớn tính theo cơng thức: I   c Blv với  c  t R Do đó: I  Blv R Bài 2: Một dây dẫn cứng có điện trở khơng đáng kể, uốn thành khung  ABCD nằm mặt phẳng nằm ngang,có AB CD B M B song song với nhau, cách khoảng l=0,5m, đặt từ trường có cảm ứng từ B=0,5T hướng  v D vng góc với mặt phẳng khung hình vẽ Một C N dẫn MN có điện trở R=0,5 trượt khơng ma sát dọc theo hai cạnh AB CD a) Hãy tính cơng suất học cần thiết để kéo MN trượt với vận tốc v=2m/s dọc theo AB CD So sánh công suất với công suất tỏa nhiệt MN nhận xét A b) Thanh trượt ngừng tác dụng lực Sau cịn trượt thêm đoạn đường khối lượng m=5gam? Giải: a)Khi MN chuyển động dịng điện cảm ứng xuất theo chiều MN E R Cường độ dòng điện cảm ứng bằng: I   Bvl R Khi lực từ tác dụng lên MN hướng ngược chiều với vận tốc v có độ lớn: Ft BIl  B 2l 2v R Do chuyển động nên lực kéo tác dụng lên phải cân với lực từ Vì cơng suất học (cơng lực kéo) xác định: P Fv Ft v  B 2l 2v R Thay giá trị cho nhận được: P 0,5W Công suất tỏa nhiệt MN: Pn I R  B 2l v R Công suất cơng suất học để kéo Như tồn cơng học sinh chuyển hồn tồn thành nhiệt (thanh chuyển động nên động không tăng), b) Sau ngừng tác dụng lực, chịu tác dụng lực từ Độ lớn trung bình lực là: F Ft B l v  2R Giả sử sau trượt thêm đoạn đường S cơng lực từ là: B 2l v A F S  S 2R Động trước ngừng tác dụng lực là: Wđ  mv Theo định luật bảo toàn lượng đến dừng lại tồn động chuyển thành công lực từ (lực cản) nên: Từ suy ra: S mvR 0,08(m) 8cm B 2l 2 B 2l 2v mv  S 2R điều phù hợp với định luật bảo tồn lượng Bài 3: Hai ray có điện trở không đáng kể ghép song song với nhau, cách khoảng l mặt phẳng nằm ngang Hai đầu hai nối với điện trở R Một kim loại có chiều dài l, khối lượng m, điện trở r, đặt u r B R l r v Hình ur vng góc tiếp xúc với hai Hệ thống đặt từ trường B có phương thẳng đứng (hình 3) Kéo cho chuyển động với vận tốc v a) Tìm cường độ dòng điện qua hiệu điện hai đầu b) Tìm lực kéo hệ số ma sát với ray μ Ban đầu đứng yên Bỏ qua điện trở ma sát với ray Thay điện trở R tụ điện C tích điện đến hiệu điện U Thả cho tự do, tụ phóng điện làm chuyển động nhanh dần Sau thời gian, tốc độ đạt đến giá trị ổn định v gh Tìm vgh? Coi lượng hệ bảo toàn Giải: 1) Suất điện động cảm ứng: E = Blv a) Cường độ dòng điện: I  Blv Rr Hiệu điện hai đầu thanh: U=I.R= BlvR Rr 2) Lực từ cản trở chuyển động: Ft = B.l.I = Lực kéo: F = Ft + Fms = B 2l v Rr B 2l v + μmg Rr Khi chuyển động ổn định gia tốc  cường độ dòng điện mạch  hiệu điện tụ suất điện động cảm ứng: U = E = Blvgh Bảo toàn lượng: 1 1 1 CU 02  CU  mv gh hay CU 02  CB l v gh2  mv gh2 2 2 2 C vgh = U 2 CB l  m u r B Bài 4: Hai ray có điện trở khơng đáng kể ghép song song với nhau, cách khoảng l mặt phẳng nằm ngang Hai đầu hai nối r với điện trở R Một kim R l v loại có chiều dài l, khối lượng m, điện trở r, đặt vuông góc tiếp xúc với hai Hệ thống đặt từ ur trường B có phương thẳng đứng (hình vẽ) Kéo cho chuyển động với vận tốc v a) Tìm cường độ dịng điện qua hiệu điện hai đầu b) Tìm lực kéo hệ số ma sát với ray μ Giải: Suất điện động cảm ứng: E = Blv a) Cường độ dòng điện: I  Blv Rr Hiệu điện hai đầu thanh: U=I.R= BlvR Rr b Lực từ cản trở chuyển động: Ft = B.l.I = Lực kéo: F = Ft + Fms = B 2l v Rr B 2l v + μmg Rr Bài 5:[3] Một dây dẫn thẳng có điện trở ro ứng với đơn vị O chiều dài Dây gấp thành hai cạnh góc 2α đặt B mặt phẳng ngang Một chắn dây dẫn gác 2α lên hai cạnh góc 2α nói vng góc với đường phân giác gócurnày (Hình 5) Trong khơng gian có từ trường F r với cảm ứng từ B thẳng đứng Tác dụng lên chắn lực F dọc theo đường phân giác chắn chuyển động với tốc độ v Bỏ Hình qua tượng tự cảm điện trở điểm tiếp xúc dây dẫn Xác định: 1)chiều dòng điện cảm ứng mạch giá trị cường độ dòng điện 2)giá trị lực F chắn cách đỉnh O khoảng l Giải: 1)Theo định luật Len-xơ, dòng điện cảm ứng sinh chống lại lực kéo F (nguyên nhân sinh dòng điện cảm ứng), tức lực từ trường tác dụng lên dòng điện cảm ứng xuất có chiều ngược với F => áp dụng qui tắc bàn tay trái => chiều dòng điện cảm ứng hình vẽ O B 2α I F Suất điện động cảm ứng xuất thanh: etc = B.v.2l.tanα Tổng điện trở toàn mạch: R = (2l/cosα + 2l.tanα).ro Cường độ dòng điện chạy mạch I = etc/R = B.v.sinα/[(1 + sinα).ro] 2)Thanh chạy => lực kéo F cân với lực từ tác dụng lên Lực từ tác dụng lên : F t = B.I.2l.tanα.sin90o = 2B2.v.lsinα.tanα/[(1 + sinα).ro] Bài 6: Trên mặt phẳng nghiêng B góc α = 450 với mặt phẳng ngang có R N hai dây dẫn thẳng song song, điện trở không đáng kể nằm dọc theo đường dốc mặt phẳng nghiêng v M vẽ (hình 6) Đầu hai dây dẫn nối với điện trở R = 0,1Ω Một kim loại MN = l = 10 cm điện trở r = 0,1 Ω khối lượng m = 20g  đặt vng góc với hai dây dẫn nói trên, trượt khơng ma sát hai dây Hình dẫn Mạch điện đặt từ r trường đều, cảm ứng từ B có độ lớn B = 1T có hướng thẳng đứng từ lên Lấy g = 10m/s2 a) Thanh kim loại trượt xuống dốc Xác định chiều dòng điện cảm ứng chạy qua R b) Chứng minh lúc đầu kim loại chuyển động nhanh dần đến lúc chuyển động với vận tốc khơng đổi Tính giá trị vận tốc khơng đổi Khi cường độ dịng điện qua R bao nhiêu? Giải: Khi MN trượt xuống dốc, MN xuất suất điện động cảm ứng có chiều N đến M (Quy tắc bàn tay trái) Vậy dòng điện chạy qua R theo chiều từ M đến N r Thanh MN trượt xuống dốc tác dụng P1 (nằm theo đường dốc chính) r trọng lực P : P1 = P.sinα = mg.sinα Kí hiệu v vận tốc chuyển động MN Độ lớn suất điện động cảm ứng: r r EC = B.l.v.sin( B, v ) = B.l.v.sin (900 + α) = B.l.v.cos α Trong MN xuất dòng điện cảm ứng có cường độ I : I EC Blv cos   Rr Rr Và có chiều chạy qua MN theo chiều từ N đến M ( theo quy tắc bàn tay phải) r Trong MN có dịng điện I đặt từ trường B phải chịu tác dụng r r r lực từ F , lực từ F có phương vng góc với B với MN, có chiều theo quy tắc Blv cos  B 2l 2v cos  B l  bàn tay trái, có độ lớn : F = B.I.l.sin90 =B.I.l = Rr Rr r r Thành phần F1 lực từ F (nằm dọc theo dốc chính) có cường độ: F1  F cos  B 2l v cos2  Rr r r Ta thấy F1 ngược chiều với P1 Như MN chịu tác dụng hai lực r r phương, ngược chiều : P1 kéo xuống F1 kéo lên r r Lúc đầu, vận tốc v nhỏ F < P1 hay P1 - F1>0.Lực tổng hợp F1 + P1 gây gia tốc cho MN chuyển động nhanh dần, v tăng dần kết F1 tăng dần P1 không đổi Đến giá trị vmax vận tốc cho F1 = P1 MN chuyển động với vmax không đổi B l vmax cos  ( R  r ) mg sin   mg sin  � vmax  = m/s �5, 66m / s Rr B l cos  E Blv cos  Khi cường độ dòng điện qua R : I  C  = 2A Rr Rr Khi : Lưu ý: HS nhận xét lúc F1 = P1 nên Khi cường độ dịng điện qua R : I  F F1 P1 P mg    tan   tan   A Bl Bl cos  Bl cos  Bl Bl Bài 7:[2] Một đoạn dây dẫn MN có chiều dài l = 10cm treo nằm ngang hai dây dẫn mảnh, nhẹ, thẳng đứng có chiều dài L = 0,9 m Hệ thống đặt từ trường có phương thẳng đứng hướng xuống dưới, có độ lớn B = 0,2 T Kéo MN để dây treo hợp với phương thẳng đứng góc   600 bng nhẹ Lấy g = 10 m/s2 a)Tìm biểu thức suất điện động cảm ứng suất dây MN dây treo lệch góc  so với phương thẳng đứng b)Tại vị trí suất điện động cảm ứng dây MN đạt giá trị cực đại? Tính giá trị cực đại đó? Giải: a) Chọn mốc VTCB O dây dẫn MN Theo ĐLBT ta có: mghB + mv = mghA 2 mv = mgL(1-cos  ) 2 gL(cos -cos ) => mgL( 1- cos  ) + => v = Suất điện động cảm ứng suất dây đẫn MN vị trí dây treo lệch góc  so với phương thẳng đứng :   Bvl sin(900   )  Bvlcos Hay ec  Bl gL(cos -cos ).cos Để suất điện động cảm ứng dây MN cực đại cos      00 => dây b) treo thẳng đứng Khi ec max  Bl gL(1  cos )  0, 2.0,1 2.10.0,9(1  cos600 )  0, 06(V ) Bài 8: Hai kim loại song song, có điện trở khơng đáng kể, đầu nối vào điện trở R = 1,5  Một đoạn dây dẫn AB, độ dài ℓ= 20 cm, khối lượng m = g, điện trở r = 0,5  tì vào hai kim loại tự trượt không ma sát xuống ln ln vng góc với hai kim loại Tồn hệ thống đặt mặt phẳng nghiêng từ trường có hướng vng góc với AB nằm ngang với cảm ứng từ B = 0,5 T Lấy g = 9,8 m , góc nghiêng α = 600 s2 Tính vận tốc v chuyển động AB UAB Giải: Ngay sau bng AB chịu tác dụng lực hình vẽ Phương trình u r r uur r động lực học - Suất điện động xuất AB là: ΔΦ = Bl v sinα Δt - Cường độ dòng điện I= u r F thanh: P + F + N = ma e= u u r N ur P1 I  u r B u r P uu r B1  uu r B2 e Bl v sinα = R+r R+r 2 - Lực từ tác dụng lên thanh: F = B l v sinα R+r B2 l v sinα2  mg sinα R+r (R+r)mg m �9,05 - Vận tốc AB: v = 2 B l sinα s - Khi chuyển động thì: - Hiệu điện hai đầu là: U AB = I.R = Bl vsinα R  0,393 V R+r Bài 9: [2] Hai kim loại song song, thẳng đứng có điện trở khơng đáng kể, đầu nối vào điện trở R = 0,5 Ω Một đoạn dây dẫn AB, độ dài l = 14 cm, khối lượng m = kg, điện trở r = 0,5 Ω tì vào hai kim loại tự trượt không ma sát xuống ln vng góc với hai kim loại Tồn hệ thống đặt từ trường có hướng vng góc với mặt phẳng hai kim loại có cảm ứng từ B = 0,2 T Lấy g = 9,8 m/s2 a) Xác định chiều dòng điện qua R b) Chứng minh lúc đầu AB chuyển động nhanh dần, sau thời gian chuyển động trở thành chuyển động Tính vận tốc chuyển động tính UAB Giải: 10 I Do xuống nên từ thông qua mạch tăng Áp uuu r dụng định luật Lenxơ, dòng điện cảm ứng sinh Bcu ur ngược chiều B (Hình vẽ) A R  uuu r u r Bcu B B Áp dụng qui tắc nắm bàn tay phải, I chạy qua R có chiều từ A  B Ngay sau bng AB chịu tác dụng trọng lực P  mg nên chuyển động nhanh dần  v tăng dần - Đồng thời, sau mạch xuất dòng điện I nên AB chịu thêm tác dụng lực từ F  BIl có hướng lên - Mặt khác, suất điện động xuất AB là: e  nên I  �F    Blv t e Blv  Rr Rr B 2l v Rr Cho nên v tăng dần F tăng dần  tồn thời điểm mà F = P Khi chuyển động thẳng -Khi chuyển động thì: F  mg � - B 2l v ( R  r )mg (0,5  0,5).2.103.9,8  mg � v    25(m / s) Rr B 2l 0, 22.0,142 Hiệu U AB  I R  điện hai đầu là: Blv 0, 2.0,14.25 R  0,5  0,35(V ) Rr 0,5  0,5 Bài 10: Trong mặt phẳng nghiêng α so với mặt phẳng nằm ngang, có hai kim loại cố định song song cách khoảng l, nối với điện trở R Một kim loại MN, có khối lượng m, trượt khơng ma sát hai ln vng góc với chúng Điện trở khơng đáng kể có từ trường khơng đổi b vng góc với mặt phẳng hướng lên phía Người ta thả cho MN trượt không vận tốc ban đầu a) Mô tả tượng giải thích vận tốc v MN tăng tới giá trị cực đại vmax Tính vận tốc vmax (giả thiết hai song song có chiều dài đủ lớn) b) Thay điện trở tụ điện có điện dung C Chứng minh lực cản chuyển đông tỷ lệ với gia tốc a Tính gia tốc Gia tốc trọng trường g Giải: 11  B a) Khi MN trượt xuống  tác dụng trọng lực P từ thơng qua diện tích MRN biến thiên, làm xuất suất điện động cảm MN M    Bvl , với v vận tốc trượt t R  F  Q  P MN; theo định luật Lenxơ, dòng cảm N ứng sinh có chiều từ N đến M (để có từ α trường ngược chiều với B , hình vẽ) Trong mặt phẳng nghiêng góc α, lực tác dụng lên là:   + Thành phần Q trọng lực P , Q = mgsinα  + Lực từ F có độ lớn F = BIl (tác dụng lên đoạn dây dẫn MN có dồng điện I chạy qua từ trường B )   Hai lực Q F ngược chiều  R Lúc đầu, vận tốc trượt nhỏ, nên dòng điện I   từ F BIl  Bvl lực R   B2 l v nhỏ, độ lớn F < Q; hợp lực Q - F làm chuyển động R có gia tốc vận tốc v tăng Khi v đạt giá trị v max F = Q, chuyển động đều, đó: B2l v max Rmg sin  mg sin   v max  R B2 l b) Thay R tụ điện C dịng điện cảm ứng (suất điện động cảm ứng) nạp điện cho tụ Kí hiệu q điện tích tức thời tụ điện, ta có: q = εC Lực cản lên (lực từ) F BIl Bl Nhưng dq dv B2l 2C dt dt dv a gia tốc thanh, lực cản lên là: F = B 2l2Ca tỷ lệ với a dt Để tính a ta viết phương trình chuyển động thanh: Q – F = ma → mgsinα – B2l2Ca = ma g sin   a  g sin  B 2l 2C 1 m Ta thấy gia tốc a nhỏ gia tốc trượt MN khơng có từ trường phụ thuộc vào khối lượng m Bài 11: Đầu hai kim loại thẳng, song song cách khoảng L đặt dựng đứng nối với hai cực tụ điện hình vẽ Hiệu điện đánh thủng tụ điện UB C Một từ trường có cường độ B vng góc với mặt phẳng hai Một kim loại khác AB khối lượng m trượt từ đỉnh hai  xuống với vận tốc v Hãy tìm B M  v0 N 12 thời gian trượt AB tụ điên bị đánh thủng? Giả thiết kim loại đủ dài phần mạch điện trở cảm ứng điện bỏ qua Giải: Vì bỏ qua điên trở cảm ứng điện nên điều kiện tụ bị đánh thủng suất điện động cảm ứng hiệu điện đánh thủng Gọi hiệu điện hai đầu tụ U C suất điện động cảm ứng tạo AB trượt theo hai kim loại đặt từ trường Ta có: UC = BvL (1) Phương trình chuyển động AB là: ma = mg – BLI (2) I dòng điện nạp vào tụ: I Q U C v C CBL CBLa t t t (3) Thay (3) vào (2) ta có: a mg (4) m  CB2 L2 Từ (4) ta có gia tốc AB trượt khơng đổi, vận tốc là: v v  at v0  mg t (5) m  CL2 B2 Khi UB = UC tụ bị đánh thủng, vận tốc v là: v UB (6) BL thay (6) vào (5) ta có: Thời gian kim loại trượt tụ bị đánh thủng là:  UB   v  m  CB2 L2  BL  t  mg   Bài 12:[1] Một vịng dây dẫn đường kính d đặt từ  trường có cảm ứng từ B song song với trục vòng dây Hai kim loại mảnh đầu gắn với trục qua tâm O vịng dây vng góc với mặt phẳng vòng dây; hai tiếp xúc điện với vòng dây tiếp xúc điện với O 1) Ban đầu hai sát vào nhau, sau nột đứng yên quay quanh O với vận tốc góc ω Tính cường độ dịng điện qua hai qua vòng dây sau thời gian t Cho biết điện trở đơn vị dài kim loại vòng dây dẫn r 2) Bây cho hai quay với vận tốc ω ω2 (ω1 < ω2) Tìm hiệu điện hai đầu Xét hai trường hợp: a Hai quay chiều b Hai quay ngược chiều Giải: Trước hết ta tính suất điện động xuất kim loại quay mặt phẳng vng góc với từ trường theo cơng thức (chỉ tính độ lớn): 13 c   S B t t với ΔS diện tích mà quét thời gian Δt Trong khoảng thời Δt quay góc Δφ = ω.Δt quét diện tích: l l 2t   2 S Bl2 Từ đó:  c B  t S  1) Giả sử OA đứng n, cịn OB quay với vận tốc góc ω Suất điện động cảm ứng xuất OB (và đoạn mạch BOA) bằng: c  BR 2 Bd 2  (OB = R = d/2) Hai đoạn mạch BCA (BCA = l1) BDA (BDA = l2; l1 + l2 = 2πR) mắc song song với (hình vẽ), có dịng điện I1, I2 chạy qua hai thanh, áp dụng định luật Ôm ta có: A UAB = I1(l1r) = I2(l2r); C UAB = εc – I.2Rr; D I I = I1 + I2, I1 O với l1 = Rωt; l2 = 2πR – l1 = 2πR – Rωt; R = d/2 B Từ tìm được: (ω) ● I Bd t  t  ; I1 1   I; I  I 2 t 2  2  4(2  t  )r 2 I2 2) Ở xuất suất điện động cảm ứng:  c1  B1R B R ; c  2 2 a Hai nguồn điện tương đương εc1 εc2 mắc xung đối, nguồn có suất điện động (vì ω1 > ω2):  b  c1   c  BR  1  2   Bd  1  2  Lập luận tương tự câu ta có: I B0d ;  02 t  r 4  0 t  2     t I1 1   I; 2   t I2  I 2 Với ω0 = ω1 – ω2 Hiệu điện đầu là: 14  rd  U1  c1  I ; 2  rd  U  c  I  2 b) Kết tương tự câu a, với ω0 = ω1 + ω2 Bài 13:[1] Cho mạch điện hình vẽ, nguồn E  N = 1,5V, r = 0,1Ω, MN = l = 1m, RMN = 2,9Ω, B vng  góc với khung dây, hướng từ xuống, B = 0,1T E, r EC F + Điện trở ampe kế hai ray khơng đáng kể Thanh MN trượt khơng ma sát hai đường A ray M  a) Tìm số ampe kế lực điện từ đặt lên B MN MN giữ đứng yên b) Tìm số ampe kế lực điên từ đặt vào MN kh MN chuyển động sang phải với vận tốc v = 3m/s c) Muốn ampe kế MN phải chuyển động theo hướng với vận tốc ? Giải: N a) Số ampe kế lực điện từ trường E, r  EC hợp MN giữ đứng yên: + F Số ampe kế cường độ dòng điện qua MN: I M B E 1,5  0,5(A) R  r 2,9  0,1 Lực điện từ tác dụng lên MN: F = I.l.B.sin900 = 0,05(N) b) Số ampe kế lực trường hợp MN chuyển động với vận tốc v = 3m/s N Suất điện động cảm ứng MN: E, r EC = B.l.v.sin90 = 0,3(V)  EC + Cực EC vẽ hình F Cường độ dịng điện qua MN: I E  E C 1,5  0,3  0,6(A) R r 2,9  0,1 Lực điện từ tác dụng lên MN: F = B.I.l.sin900 = 0,06(N) c) Chuyển động MN: Để ampe kế 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 M B N E, r  v M B EC 15 N E Ta có: EC = E → B.l.v.sin900 = E Suy ra: v  r E 15(m / s) Bl A M Bài 14:[3] Hai vòng dây dẫn tròn có bán kính khác đặt mặt phẳng từ trường có cảm ứng từ tăng theo thời gian B = B0 + kt ( B0, k số) Véc tơ cảm ứng từ hợp với pháp tuyến vòng dây góc  Dịng điện cảm ứng vịng dây lớn khối lượng hai vòng dây chế tạo vật liệu? Giải: + Để thuận tiện ta xét vịng có bán kính R mà khơng đưa số “1” “2” Theo điều kiện đề B  B0  kt , Bo k số + Nếu  góc khơng đổi pháp tuyến mặt phẳng vịng dây cảm ứng từ B, từ thơng gửi qua mặt phẳng khung dây là:    R ( B0  kt ) cos     R k cos t Ec R k cos   + Dòng điện chạy vòng dây: I  r r 2R m r   s  So 2RD 2 km cos  4 R D r + I  4D m +Suất điện động cảm ứng vịng dây: Ec   + Nhìn vào cơng thức ta thấy tất đại lượng đưa vào công thức hai vòng dây.Do dịng điện cảm ứng hai vịng dây giống Bài 15: [1] Cho mạch điện hình vẽ , E = 1,5V, r = 0,1Ω, MN = l = 1m, RMN = 2,9Ω, vng góc với mặt phẳng khung dây hình vẽ, có độ lớn 0,1T Bỏ qua điện trở ampe kế dây nối a)Tìm số ampe kế lực từ tác dụng lên MN giữ đứng yên b)Tìm số ampe kế lực từ tác dụng lên MN chuyển động sang phải với v = 3m/s Giải: a) * Áp dụng định luật ơm cho tồn mạch: I  E 0,5 A Rr * Lực từ tác dụng vào thanh:F = BIl = 0,1 0,5 = 0,05 N 16 b) *Khi MN dịch chuyển từ trường, đóng vai trò nguồn điện +Áp dụng qui tắc bàn tay phải ta xác định N cực dương, M cực âm *Suất điện động là: Vậy I'  EMN = Blv = 0,3 V E  E MN 1,5  0,3  0,6 A Rr *Lực từ tác dụng lên lúc là: F’ = BI’l = 0,1 0,6 = 0,06 N Bài 16:[3] Một dây dẫn có chiều dài l = 2m, điện trở R =  uốn thành hình vng Các nguồn điện có E = 10V, E2 = 8V, r1 = r2 = mắc vào cạnh hình vng hình vẽ Hệ thống đặt từ trường có phương vng góc với mặt phẳng khung dây B tăng theo thời gian theo quy luật B = kt, với k = 64 T/s E1 Tính cường độdịng điện mạch E2 u r B Giải: Khi từ trường biến đổi qua mạch mạch sinh suất điện động cảm ứng E C ΔΦ Δ(B.S) Δ(B) Δ(kt) Δt �l � - Ta có: Ec = = = S = S = S.k = S.k = � �.k = Δt Δt Δt Δt Δt �4 � 16V - Theo định luật Lenxơ chiều suất điện động cảm ứng Ec hình vẽ: - Dịng điện mạch: I = E c + E - E1 = 3,5A R E1 ur u rB E c Bc E2 Bài 17:[2] Hai ray dẫn điện dài nằm song R P song với nhau, khoảng cách hai ray M l = 0,4m MN PQ hai dẫn điện v 2v song song với gác tiếp xúc điện C lên hai ray, vng góc với hai ray (Hình vẽ ) Điện trở MN PQ r Q N = 0,25, R = 0,5, tụ điện C = 20µF ban đầu chưa tích điện, bỏ qua điện trở hai ray điện trở tiếp xúc Tất hệ thống đặt 17 r từ trường có véc tơ B vng góc với mặt phẳng hình vẽ chiều vào , độ lớn B = 0,2T Cho MN trượt sang trái với vận tốc v = 0,5m/s, PQ trượt sang phải với vận tốc 2v a) Tìm cơng suất tỏa nhiệt điện trở R b) Tìm điện tích tụ , nói rõ tích điện dương ? Giải: a) Suất điện động cảm ứng xuất dẫn MN PQ : Bản tích điện dương tụ nối phía điểm M E1 = Blv ; E2 = 2Blv E1  E2 3Blv  R  2r R  2r 2 �E1  E2 � �3Blv � P  I R  R  Công suất tỏa nhiệt R: � � � �.R �R  2r � �R  2r � 9.0, 22.0, 42.0,52 P 0,5  7, 2.103 �0, 0072(W)  0,5  0,5 Cường độ dịng điện mạch: I  b) Điện tích tụ điện C là: Q  C.U MN 3Blv � � Q  C  E1  I r   C �Blv  r � 2.107 (C ) R  2r � � Bài 18:[3] Một trượt có khối lượng m đặt hai ray nằm ngang vng góc với hai Tồn đặt từ trường với thành phần hẳng đứng cảm ứng từ B Cuộn dây dẫn có hệ số tự cảm L đựoc mắc vào đầu hai ray Khoảng cách hai ray d Vận tốc ban đầu trượt v hướng phía cuộn dây Bỏ qua điện trở ác dây dẫn coi trượt chuyển động tịnh tiến, xác định phụ thuộc vận tốc trượt vào thời gian Giải: A Áp dụng định luật ôm mạch D kín ABCDA ta có:  Ri 1   đó: R = nên 1   1 suất điện động cảm ứng AB chuyển động ● FL  B i d mà d BdS dt B.v.d.dt B.v.d suy ra: 1  dt  suất điện động tự cảm cuộn dây L:   Li B.v.d vì: 1   → Li B.v.d  i  L 1  L  v0 B C phương trình động lực học chuyển động là: 18   FL m a chiếu lên phương chuyển động ta có:  FL ma mv   B.i.d mv   B.d.i mv  mv  B.d v 0() mL Nghiệm phương trình (*) có dạng: v = v0cos(ωt +φ) Tại t = 0, v = suy ra: φ = 0, v = v0cosωt với   B2 d mL 2.4 Hiệu hoạt động Khi thực giảng dạy lớp chuyển sang phần kiến thức tượng cảm ứng điện từ, phần kiến thức tương đối trừu tượng học sinh Một mâu thuẫn lớn đặt với học sinh, em đặt câu hỏi: dòng điện sinh từ trường từ trường có sinh dịng điện khơng? Trong điều kiện từ trường sinh dịng điện? Về mặt lượng chuyển hóa dạng lượng thành lượng điện? Từ thắc mắc thơng qua tập, đặc biệt tập phần chuyển động từ trường, đến giúp em giải cách cụ thể sâu sắc Qua cách thức tiến hành theo kiểu giao việc thông qua tập lớn, học sinh chủ động tìm tịi tiếp cận thơng qua tài liệu tham khảo trợ giúp từ giáo viên tạo hiệu hoạt động cách tích cực Các nhóm giao việc định hình rõ toán tượng cảm ứng điện từ cách tổng quát Đây sở để em tiếp cận với toán phức tạp chương trình vật lí THPT chương trình vật lí bậc học cao Kết luận kiến nghị 3.1 Kết luận vấn đề Thông qua tập chuyên đề dành cho học sinh, với cách thức tiến hành hợp lí, giúp cho học sinh có cách nhìn tổng qt tượng cảm ứng điện từ Bước đầu hình thành tư học sinh cách tổng quát toán vận dụng kiến thức tượng cảm ứng điện từ, sở tạo em cách tiếp cận vấn đề tổng quát Quá trình triển khai tới lớp học sinh dược em tiếp cận chủ động kết đạt mong muốn Vấn đề tơi trình bày phần nhỏ kiến thức, góp phần không nhỏ việc giúp học sinh chiếm lĩnh tri thức, tạo cho em động lực niềm tin việc tiếp cận kiến thức vật lí mơn khoa học nói chung Do giới hạn khn khổ chương trình học, u cầu sáng kiến kinh nghiệm đưa thực tế giảng dạy Tơi mạnh dạn trình bày kinh nghiệm nhỏ thân việc trợ giúp học sinh chủ động chiếm lĩnh tri thức bậc học, mong kinh nghiệm động lực cho học sinh bước học tập để hoàn thiện dần kiến thức vật lí bậc học 19 3.2 Kiến nghị Do kiến thức dạng tổng hợp nhiều phần học, để học sinh tiếp cận có hiệu thân xây dựng dạng chủ đề nhỏ dành cho học sinh, hạn chế mặt thời gian nên mức độ vận dụng nhiều hạn chế Trên sở thực tế đề xuất khung chương trình nên dành thời lượng thích hợp để thân giáo viên học sinh tich cực chủ động tiếp cận chuyên đề chuyên sâu năm học cách chủ động Từ hoạt động dạy học thể rõ tính tích cực, chủ động sáng tạo thầy trò tiếp cận chiếm linh tri thức XÁC NHẬN CỦA ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 25 tháng năm 2020 Tơi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Phạm Văn Tuân Tài liệu tham khảo [1] Giải toán vật lý 11 – Tập – Bùi Quang Hân – NXB GD – năm 1998 [2] Bài tập vật lý sơ cấp – Tập – Vũ Thanh Khiết – NXB GD – năm 1999 [3] Phương pháp tư sáng tạo giải nhanh bồi dưỡng HSG vật lí 11 – Tập – Trịnh Minh Hiệp – NXB ĐHQG Hà Nội 2015 [4] Lý luận dạy học Vật Lí trường phổ thông - Nguyễn Văn Khải, Nguyễn Duy Chiến, Phạm Thị Mai - NXB Giáo Dục 2002 20 ... vào từ thơng gửi qua mạch tăng hay giảm Hiện tư? ??ng sinh dòng điện cảm ứng gọi tư? ??ng cảm ứng điện từ Sự xuất dòng điện cảm ứng mạch kín chứng tỏ mạch kín xuất suất điện động gọi suất điện động cảm. .. giải tập cảm ứng điện từ, tập vận dụng tư? ??ng cảm ứng điện từ đề khảo sát chuyển động từ trường - Tạo động lực cho em học sinh hiểu biết vận dụng yêu thích kiến thức môn, tự tin học làm bài, đồng... động Khi thực giảng dạy lớp chuyển sang phần kiến thức tư? ??ng cảm ứng điện từ, phần kiến thức tư? ?ng đối trừu tư? ??ng học sinh Một mâu thuẫn lớn đặt với học sinh, em đặt câu hỏi: dòng điện sinh từ