Mục tiêu của đề tài là Bồi dưỡng cho học sinh về phương pháp, kỹ năng giải bài tập. Qua đó học sinh nâng cao khả năng tư duy, sáng tạo và hình thành nhiều cách giải khác nhau. Cùng chia sẻ với đồng nghiệp và các em học sinh kinh nghiệm, cũng như các dạng bài tập về hiện tượng cảm ứng điện từ. Bản thân rèn luyện chuyên môn nhằm nâng cao nghiệp vụ sư phạm.
BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN 1. LỜI GIỚI THIỆU 1.1. Lí do chọn đề tài Bồi dưỡng học sinh giỏi nói chung, bồi dưỡng học sinh giỏi mơn vật lí nói riêng cho các kỳ thi tuyển học sinh giỏi là vấn đề ln được các cấp quản lý, các giáo viên trực tiếp giảng dạy quan tâm, trăn trở. Đây là cơng việc hàng năm, khó khăn thường nhiều hơn thuận lợi nhưng rất có ý nghĩa đối với các trường THPT. Kết quả thi học sinh giỏi số lượng và chất lượng là một trong các tiêu chí quan trọng, phản ánh năng lực, chất lượng dạy và học của các trường, của giáo viên và học sinh. Thực trạng trình độ nhận thức của học sinh THPT chưa cao, đặc biệt là đối với học sinh vùng nơng thơn, trung du phân phối thời gian cho học tập cịn ít so với lượng kiến thức của SGK và thiếu thốn sách tham khảo nên việc nhận dạng và phân loại, tổng hợp các dạng bài tốn để xác định được cách giải của bài tốn là hết sức khó khăn đối với phần lớn học sinh. Trong q trình dạy học và bồi dưỡng HSG vật lý 11, 12 khi dạy chương chương V: Cảm ứng điện từ, tơi nhận thấy các em đều gặp khó khăn trong khi làm bài tập phần này. Đa số các em chỉ có thể làm được các bài tốn cơ bản, mang tính chất vận dụng cơng thức chứ ít khi hiểu rõ bản chất và làm được những bài tốn mang tích chất phức tạp. Trong q trình dạy học những học sinh khá giỏi, để giải được các bài tốn về phần này địi hỏi các em phải có tính vận dụng cao. Vậy làm thế nào để học sinh có thể giải được các bài tốn về hiện tượng cảm ứng điện từ? Để giải quyết vấn đề trên tơi bước vào nghiên cứu đề tài “Vận dụng hiện tượng cảm ứng điện từ trong một số bài tốn phức tạp”. Để từ đó giúp các em học sinh có cái nhìn tổng qt hơn về hiện tượng cảm ứng điện từ và khơng cịn cảm thấy khó khăn khi gặp dạng tốn này 1.2. Mục đích nghiên cứu Bồi dưỡng cho học sinh về phương pháp, kỹ năng giải bài tập. Qua đó học sinh nâng cao khả năng tư duy, sáng tạo và hình thành nhiều cách giải khác nhau Cùng chia sẻ với đồng nghiệp và các em học sinh kinh nghiệm ,cũng như các dạng bài tập về hiện tượng cảm ứng điện từ Bản thân rèn luyện chun mơn nhằm nâng cao nghiệp vụ sư phạm 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu *Đối tượng nghiên cứu Các dạng bài tốn về hiện tượng cảm ứng điện từ có trong đề thi học sinh giỏi *Phạm vi nghiên cứu Bám sát nội dung, chương trình giáo dục phổ thơng, có sự mở rộng phù hợp với nội dung thi học sinh giỏi tỉnh 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu Đề xuất, tuyển chọn các bài tốn trong đề thi học sinh giỏi Đưa ra một số nhận xét, hướng nghĩ chủ quan có hệ thống về cách tiếp cận lời giải trong các bài tốn điển hình 1.5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý luận Thu thập, nghiên cứu hệ thống lại các tài liệu Phân tích, đề xuất phương án giải quyết bài tốn Thực nghiệm sư phạm qua cơng tác ơn luyện thi học sinh giỏi lớp 12 năm học 2019 – 2020 1.6. Thời gian nghiên cứu: Năm học: Từ tháng 9 năm 2018 đến tháng 9 năm 2019 Số tiết giảng dạy : 8 tiết (được dạy trong các tiết học ơn thi HSG) 1.7. Điểm mới trong kết quả nghiên cứu SKKN này đã hệ thống tóm tắt những nội dung chính khi nghiên cứu các bài tốn về hiện tượng cảm ứng điện từ SKKN này cịn đưa ra nhiều bài tốn mẫu và các bài tập tương tự nhằm mục tiêu giúp học sinh rèn luyện kỹ năng tính tốn và phát triển tư duy trước mỗi bài tốn Qua SKKN này, học sinh sẽ tích lũy hình thành kinh nghiệm cho bản thân để có thể sáng tạo ,có hướng tư duy tốt hơn khi giải bài tốn tổng hợp, nâng cao hơn ***************** Với mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu đã nêu ở trên, đề tài “Vận dụng hiện tượng cảm ứng điện từ trong một số bài tốn phức tạp” chỉ đề cập đến các dạng tốn phức tạp như đề tài đã nêu ra. Mặc dù rất nhiệt huyết với đề tài được rút ra từ kinh nghiệm giảng dạy của bản thân nhưng vẫn cịn rất nhiều hạn chế, vậy mong q thầy cơ góp ý kiến để tơi có thể hồn thiện chun đề, cũng như phương pháp giảng dạy của mình được tốt hơn. 2. TÊN SÁNG KIẾN “Vận dụng hiện tượng cảm ứng điện từ trong một số bài tốn phức tạp” 3. TÁC GIẢI SÁNG KIẾN Họ và tên: Phạm Văn Nam Địa chỉ tác giả sáng kiến: Trường THPT Đồng Đậu – Yên Lạc – Vĩnh Phúc Số điện thoại: 0989742720 E_mail: Namdd1987@gmail.com 4. CHỦ ĐẦU TƯ TẠO RA SÁNG KIẾN Họ và tên: Phạm Văn Nam Địa chỉ tác giả sáng kiến: Trường THPT Đồng Đậu – Yên Lạc – Vĩnh Phúc Số điện thoại: 0989742720 E_mail: Namdd1987@gmail.com 5. LĨNH VỰC ÁP DỤNG SÁNG KIẾN Lĩnh vực sáng kiến: Ơn tập cho học sinh giỏi lớp 11 và 12 Vấn đề mà sáng kiến giải quyết: học sinh vận dụng được hiện tượng cảm ứng điện từ trong một số bài tốn phức tạp. NGÀY SÁNG KIẾN ĐƯỢC ÁP DỤNG LẦN ĐẦU HOẶC ÁP DỤNG THỬ Ngày 15 tháng 09 năm 2018 7. MƠ TẢ BẢN CHẤT SÁNG KIẾN 7.1. Kiến thức liên quan a. Từ thơng Từ thơng Φ qua một diện tích S, giới hạn bởi một vịng dây kín phẳng C, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ ur B là một đại lượng có biểu thức: Φ = BScos α (Đơn vị là Wb (Vêbe)) ur r Với α là góc hợp bởi giữa vectơ cảm ứng từ B và pháp tuyến n của mặt S b. Hiện tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng cảm ứng điện từ là sự xuất hiện dịng điện cảm ứng trong mạch kín khi từ thơng qua mạch đó biến đổi. Suất điện động sinh ra dịng điện cảm ứng trong mạch điện kín là suất điện động cảm ứng Khi có sự biến đổi từ thơng qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất điện suất điện động cảm ứng Dịng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thơng biến thiên, nếu từ thơng ngừng biến thiên thì dịng điện cảm ứng cũng tắt Định luật Lenxơ: Dịng điên cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại ngun nhân đã sinh ra nó c. Suất điện động cảm ứng Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dịng điện cảm ứng trong mạch kín, nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thơng qua mạch và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy: EC = − ∆Φ ∆t (dấu trừ thể hiện định luật Lenxơ) + Nếu mạch kín có N vịng dây thì E C = − N ∆Φ ∆t + Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong đoạn dây dẫn chiều dài ℓ r ur chuyển động với vận tốc v trong từ trường có cảm ứng từ B bằng: EC = Bvlsin α ur r ur r Với B và v cùng vng góc với đoạn dây và α là góc hợp bởi B và v Sự xuất điện của suất điện động cảm ứng trong đoạn dây đó tương đương với tồn tại của một nguồn điện trên đoạn dây đó. Nguồn điện này có suất điện động bằng EC và có hai cự dương và âm được xác định bằng quy tắc bàn tay phải d. Hiện tượng tự cảm Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dịng điện trong mạch đó gây ra Suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm. Suất điện động tự cảm xuất hiện trong mạch, khi đó xảy ra hiện tượng tự cảm, có biểu thức: EC = −L ∆I ∆t Trong đó ∆I là độ biến thiên cường độ dịng điện trong mạch trong thời gian ∆t L là hệ số tự cảm ( hay độ tự cảm) của mạch có giá trị tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của mạch, có đơn vị là henri (H) Từ thơng tự cảm qua mạch có dịng điện I: Φ = LI Độ tự cảm của ống dây dài là: L = 4π10−7 N S l Năng lượng từ trường của ống dây dẫn có độ tự cảm L và có dịng điện I chạy qua: W= LI 7.2. BÀI TẬP MẪU VÀ CĨ LỜI GIẢI Câu 1: Trên hai cạnh AB và CD của một khung dây dẫn hình vng cạnh a = 0,5m, điện trở tổng cộng R = 4 Ω , người ta mắc hai nguồn điện E1 = 10V, E2 = 8V; điện trở trong của hai nguồn bằng khơng như hình vẽ bên. Mạch điện được đặt trong một từ ur trường đều có vectơ cảm ứng từ B vng góc với mặt khung dây B A + u r B D E1 E2 C và hướng ra sau hình vẽ, độ lớn của B tăng theo thời gian theo quy luật B = 16t Tính cường độ dịng điện trong mạch? Hướng dẫn giải Vì cảm ứng từ tăng B nên từ thơng qua mạch tăng và trong mạch suất hiện suất điện động cảm ứng EC, dịng điện cảm ứng sinh ra có chiều sao cho từ trường ur do nó sinh ra ngược chiều với từ trường ngồi B và do đó, dịng điên cảm ứng có chiều DCBAD Độ lớn của suất điện động cảm ứng là: EC = ∆Φ ∆ (16t.S) = = 16S = 4V ∆t ∆t Cường độ dịng điện trong mạch có chiều DCBAD và có độ lớn: I= E C + E − E1 = 0,5A R ur B Câu 2: HSG Vĩnh Phúc năm 2011 – 2012: Hai thanh ray có điện trở khơng đáng kể được ghép song song với nhau, cách nhau một khoảng l trên R mặt phẳng nằm ngang. Hai đầu của hai thanh l r v được nối với nhau bằng điện trở R. Một thanh kim loại có chiều dài cũng bằng l, khối lượng m, điện trở r, đặt vng góc và tiếp xúc với hai thanh. Hệ thống đặt trong một từ ur trường đều B có phương thẳng đứng như hình vẽ bên. 1. Kéo cho thanh chuyển động đều với vận tốc v a. Tìm cường độ dịng điện qua thanh và hiệu điện thế giữa hai đầu thanh. b. Tìm lực kéo nếu hệ số ma sát giữa thanh với ray là μ 2. Ban đầu thanh đứng n. Bỏ qua điện trở của thanh và ma sát giữa thanh với ray. Thay điện trở R bằng một tụ điện C đã được tích điện đến hiệu điện thế U0. Thả cho thanh tự do, khi tụ phóng điện sẽ làm thanh chuyển động nhanh dần. Sau một thời gian, tốc độ của thanh sẽ đạt đến một giá trị ổn định v gh. Tìm vgh? Coi năng lượng hệ được bảo tồn. Hướng dẫn giải 1. Suất điện động cảm ứng: E = Blv a. Cường độ dịng điện: I = Blv R+r Hiệu điện thế hai đầu thanh: U=I.R= BlvR R+r 2 Lực từ cản trở chuyển động: Ft = B.l.I = B l v R+r 2 Lực kéo: F = Ft + Fms = B l v + μmg R+r 2. Khi thanh chuyển động ổn định thì gia tốc của nó bằng 0 cường độ dịng điện trong mạch bằng 0 hiệu điện thế trên tụ bằng suất điện động cảm ứng: U = E = Blvgh Bảo tồn năng lượng: 1 1 1 CU 02 = CU + mvgh hay CU 02 = CB2l2 v gh2 + mvgh2 2 2 2 Ta suy ra được: vgh = U C CB l + m 2 u r B Câu 3: Một khung dây dẫn hình trịn đồng tâm O đặt trong từ trường đều B = 0,005T, đường sức từ vng góc với mặt phẳng khung dây. Thanh kim loại OM dài C ℓ = 50cm, quay quanh điểm O và đầu M của thanh ln A O M D ln tiếp xúc với khung dây. Điểm C của khung dây được nối với đầu O của thanh kim loại qua một ampe kế. Chiều quay của thanh kim loại OM và chiều của đường sức từ như hình vẽ bên a. Hãy chỉ ra chiều dịng điện cảm ứng qua các dây dẫn C1M và C2M? b. Sợi dây dẫn làm khung làm khung có tiết diện như nhau và có điện trở R = 0,05 Ω Hỏi khi thanh kim loại OM quay từ điểm 1 đến điểm 2 thì số chỉ của ampe kế thay đổi theo thế nào? Hỏi số chỉ của ampe kế khi đầu M của thanh đi qua điểm D? Cho biết thanh OM quay đều với tốc độ góc là 2 vịng/giây Hướng dẫn giải a. Khi thanh kim loại quay thì thanh kim loại đóng vai trị u r B như một nguồn điện Theo quy tắc bàn tay phải ta xác định được đầu O của thanh là cực âm, đầu M là cực dương của nguồn điện đó. C A i1 M D O ∆α M’ Do đó các dịng điện i1, i2 có chiều như đã chỉ trên hình i2 vẽ bên M b Giả sử thanh OM quay được một góc nhỏ là ∆α Khi đó thanh OM đã qt được một diện tích bằng hình MOM’ (như hình vẽ). Vì ∆α nhỏ nên cung trịn MM’ cũng nhỏ. Do đó ta có thể coi hình MOM’ là hình tam giác. Diện tích của hình tam giác này là: S = 1 l(l∆α) = l ∆α 2 Từ thơng mà thanh qt được tương ứng với diện tích đó là: Φ = BScos α = Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất điện trong thanh OM là: ec = Vì thanh OM quay đều nên ∆Φ ∆α = Bl ∆t ∆t ∆α = ω Do đó ec = Bl2 ω ∆t Gọi cung C1M là β thì cung C2M là 2π − β Gọi điện trở của cung C1M và C2M lần lượt là R1 và R2. Khi đó ta có R1 = R R β;R = (2π − β) 2π 2π Khi đó cường độ dịng điện tương ứng là: i1 = ec R1 Cường độ dịng điện qua Ampe kế là: i = i1 + i = ;i = ec R1 + ec R2 ec R2 = π2 e c Rβ(2π − β) Bl ∆α Khi đầu M của thanh kim loại gần điểm 1 thì β rất nhỏ, gần điểm 2 thì 2π − β cũng rất nhỏ, khi đó i rất lớn. Do tính chất đối xứng của khung dây nên ta có thể suy luận ra rằng khi đầu M tiến lại gần D thì i giảm dần, ra xa D thì i tăng dần Vậy khi M đến đúng điểm D thì i cực tiểu. Khi đó β = π Do đó ta có: i ct = 4π e c Rπ = ec R = 2Bl ω = 0,63A R Câu 4: Một ống dây dài 40cm, đường kính 4cm có 400 vịng dây quấn sát nhau Ống dây mang dịng điện cường độ I = 1A a. Hãy tính cảm ứng từ và năng lượng tù trường trong ống dây? b. Tính từ thơng qua ống dây? c. bây giờ ngắt ống dây khỏi nguồn điện. Hãy tính suất điện động cảm ứng trong ống dây. Coi rằng từ thơng qua ống dây giảm đều từ giá trị ban đầu đến 0A trong khoảng thời gian 0,01s Hướng dẫn giải a Cảm ứng từ bên trong ống dây là: B = 4π.10−7 nI = 4π.10−7 N I = 0,00126T l Năng lượng từ trường trong ống dây bằng: W= 10 B V = 107 (4π10−4 ) 0, = 31,6.10 −5 J 8π 8π b. Từ thông qua ống dây bằng: Φ = NBScos α = 632.10−6 Wb c Từ thông giảm đều từ giá trị 632.10−6 Wb đến 0 trong khoảng thời gian 0,01s nên suất điện động cảm ứng xuất hiện trong ống dây có độ lơn là: 10 Khi đóng K, trong mạch có hiện tượng tự cảm. Suất hiện động tự cảm bằng −L ∆i ∆t Định luật Ơm cho tồn mạch: E − L ∆i = (R + r)I ∆t 1. Trước khi đóng K (t> � ∆i >> L R+r L Đại lượng τ = của mạch: τ = L R+r , có thứ nguyên là thời gian được gọi là hằng số thời gian L 0,01 = = 1, 25.10−3 (s) R+r Điều kiện: ∆i >> 1, 25.10−3 (s) Câu 21: Một cuộn dây dài ℓ = 20cm, gồm 200 vịng dây, L1 đường kính d = 2cm, và tiết diện của dây S0 = 0,1mm2, điện trở suất ρ = 1,72.10−8 Ωm Mắc cuộn dây vào một nguồn điện khơng đổi có suất điện động E = 10V như trên hình vẽ bên, K R1 E điện trở R1 = 5Ω; điện trở trong của nguồn, của dây nối và khóa K khơng đáng kể. Ban đầu khóa K vị trí 1. Sau khi dịng điện trong ống dây đã ổn định, người ta đảo rất nhanh khóa K từ vị trí 1 sang vị trí 2. Tìm nhiệt lượng tỏa ra trên điển trở R1? Hướng dẫn giải 29 Điện trở và độ tự cảm của cuộn dây: R =ρ l0 Nπd =ρ = 2,16Ω và L = µ0 N S = µ0 N πd = 0,079mH S0 S0 l l Áp dụng kiến thức bổ xung ta tìm được cường độ dịng điện chạy qua R1 khi khóa K ở vị trí 2: i = I0e − Với I0 = ε R Q = R1i dt = R + R1 t L Từ đó tìm được nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R1: R1LE = 0,59mJ 2R (R1 + R) Chú ý: Có thể tìm được kết quả này bằng phương pháp áp dụng định luật bảo tồn năng lượng R Câu 22: Hai cuộn dây siêu dẫn (có điện trở bằng 0) mắc song song, có độ tự cảm là L1 và L2 nối qua điện trở R với nguồn điện có suất điện động E, điện trở trong r (như hình vẽ bên). Đóng K. Tìm cường độ L1 L2 K E, r dịng điện ổn định trong các cuộn dây đó và cường độ dịng điện trong mạch chính? Bỏ qua sự hỗ cảm giữa các cuộn dây Hướng dẫn giải Tại thời điểm bất kì, hiệu điện thế giữa hai đầu A, B của hai cuộn dây như nhau. Ngày sau khi đóng K trong các cuộn dây có xuất hiện các suất điện động tự cảm: E tc1 = −L ∆I1 ∆I ;E tc2 = − L ∆t ∆t Vì các cuộn dây là siêu dẫn (có điện trở bằng khơng) nên theo định luật Ơm ta có: 30 L ∆I1 ∆I = L � L1∆I1 = L ∆I ∆t ∆t (1) Ở thời điểm ban đầu, khi chưa đóng K, các dịng điện bằng bằng 0. Do đó khi cường độ dịng điện ổn định trong hai cuộn dây và bằng I1, I2 thì theo (1) ta sẽ có: (2) L1I1 = L I Mặt khác áp dụng định luật Ơm cho tồn mạch: E = I(R + r) và ngồi ra ta cũng có: I = I1 + I (3) (4) L2 L1 E E ;I2 = L1 + L R + r + L2 R + r E Từ (2), (3), và (4) ta tìm được: I = R + r ;I1 = L Câu 23**: Trong mạch ở hình vẽ bên các cuộn dây có độ K1 K2 cảm L1 và L2( điện trở khơng đáng kể), pin có suất điện động E và điện trở trong r. Ban đầu hai khóa mở. Người ta L1 đóng K1 và khi dịng L1 đạt giá trị I0 thì đóng khóa K2. Tính E, r L2 các giá trị cuối cùng I1 và I2 ( Khi đã ổn định) của các dịng i1 và i2 chạy qua hai cuộn dây. Xét trường hợp đồng thời đóng hai khóa, tính I1 và I2. Hướng dẫn giải Dịng i1 tăng từ 0 đến I0 (lúc t = t0). Lúc t > t0 ta có các dịng i1(t) và i2(t) chạy ngược chiều nhau trong mạch ngồi (hình 5.25). Vì các dịng tăng nên trong các cuộn có các suất điện động tự cảm: −L1 di1 dt và −L2 di dt cũng ngược chiều nhau. Áp dụng định luật Kiếc xốp cho đoạn mạch ngồi ta có: L1 di1 di − L2 = dt dt Suy ra: L1i1 (t) − L2i1 (t) = st Cho t = t0 ta có: L1I0 = const suy ra: L1i1 (t) − L2i (t) = L1I0 Khi t đã rất lớn rồi thì i1 và i2 có các giá trị ổn định I1 và I2, nên ta có: 31 L1I1 − L I = L1I0 (1) E r (2) Với I1 + I2 = L1I0 L1I0 L2E L1E + ;I = − r(L1 + L ) r(L1 + L ) L1 + L + L2 Từ (1) và (2) tìm được: I1 = L Nếu đồng thời đóng cả hai khóa thì có nghĩa là I0 = 0, nên ta có: I1 = L2 E L1E ; I2 = r(L1 + L ) r(L1 + L ) Câu 24: Một vòng tròn chất dẫn điện bán kính a, đặt từ trường có cảm ứng từ ka v z B= R ω1 vng góc với mặt phẳng của vịng. Có hai thanh kim loại quay quanh trục đi qua tâm O của vịng với tốc độ góc ω1 , ϕ ur B O a ω2 ω2 (ω1 > ω2) và tiếp xúc với vịng trịn (hình vẽ bên); thanh và vịng trịn được làm từ kim loại đồng chất và có điện trỏ suất ρ trên một đoen vị chiều dài. Xác định cương độ của dịng điện qua mạch khi góc giữa hai thanh π bằng Cho rằng sự tiếp xúc điện giữa thanh và vịng rất tốt Hướng dẫn giải Khi các thanh quay nó cắt các đường sức từ, vì vậy xuất hiện các suất điện động cảm ứng: e1 = ω1a B ω a 2B và e2 = 2 Biểu diễn các nguồn trog mạch ta được sơ đị như hình 5.53. Điện trở của các thanh: r1 = r2 = ρa Điện trở các phần của đường tròn: R1 = R 1R + R2 Theo định luật Ơm ta có: E1 − E = I(r1 + r2 ) + I R 32 πρa và R = 3πρa 8(E − E ) Từ đây ta có: I = (16 +1 3π)ρ2 a = 4aB(ω1 − ω2 ) (16 + 3π)ρ Câu 25: (HSG LỚP 12 TỈNH VĨNH PHÚC NĂM 2018) Hai M N thanh dẫn điện dài có điện trở khơng đáng kể được đặt thẳng đứng cách nhau 10cm trong một từ trường đều, cảm ứng từ ur B B=0,2T có hướng như hình bên. Người ta đặt gác lên hai đầu trên của hai thanh dẫn một thanh kim loại MN dài 10cm có khối lượng 2g và điện trở 0,5 Phía dưới MN, một thanh D kim loại CD có điện trở 0,5 có thể trượt dọc theo hai thanh C dẫn và ln tiếp xúc với hai thanh dẫn ở hai đầu C và D a. Kéo CD chuyển động thẳng đều xuống dưới với vận tốc v= 5m/s. Tính cường độ dịng điện trong mạch và lực từ tác dụng lên thanh MN b. Phải kéo thanh CD chuyển động với tốc độ nhỏ nhất là bao nhiêu và theo chiều nào để thanh MN bị đẩy rời khỏi hai thanh đỡ? Hướng dẫn giải a. Suất điện động cảm ứng của CD: E = B.l.v =0,1V Cường độ dòng điện chạy từ N đến M : I = E/R = 0,1 A Lực từ tác dụng lên MN: F = B.I.l = 0,002(N) b. Để MN có thể bị đẩy rơi thì lực từ phải hướng lên nên dịng điện phải chạy từ M đến N. Do đó CD phải chuyển động lên trên Mặt khác, ta phải có: F ≥ P B(Blv/R)l ≥ mg Suy ra vmin = 50m/s Câu 26**: Trên mặt bàn nằm ngang nhẵn có một khung Bz x O dây dẫn hình chữ nhật cạnh là a và b, khối lượng m Khung được đặt trong một từ trường vng góc với mặt 33 v0 a b y bàn và phụ thuộc vào tọa độ x theo định luật: B z = B0 ( 1 – αx), trong đó B0 và α là hằng số (hình bên). Khung dây chuyển động theo hướng của trục Ox với vận tốc đầu v0. Bỏ qua độ tự cảm của khung dây. Điện trở của khung dây là R. Hãy tính khoảng cách xa nhất ℓ mà khung dây có thể đạt tới (so với vị trí ban đầu) Hướng dẫn giải Ở thời điểm ban đầu khung có vận tốc v 0. Khi chuyển động, trong khung sẽ xuất hieẹn dịng điện cảm ứng do đó có lực tác dụng làm cho vận tốc của khung thay đổi Ta có: v = dx dt Khi khung chuyển động trong các đoạn dây 12 và 34 xuất hiện các suất điện động cảm ứng (hình 5.540 ta có: E12 = avB và E34 = avBx (ở đây Bx và Bx+b là cảm ứng từ x và x+b) Cường độ dòng điện trong mạch là: I = E α.a.b.B0 = v R R Lực điện từ tác dụng lên các đoạn dây 12 và 34 của khung dây là: α.a b.B0 v.Bx + b R α.a b.B0 F34 = a.I.Bx = v.Bx R F12 = aIBx + b = Hợp lực tác dụng lên khung dây là: F = F12 − F34 = α.a b.B0 α a b B02 v(Bx + b − Bx ) = − R R Theo định luật II Newtơn ta có: F = ma = m α a b B02 v α a b B02 α a b B02 dv =− � dv = − vdt = − dx dt R mR mR Khi khung dừng lại vận tốc của nó giảm từ v0 đến 0, cịn x tăng từ 0 đến ℓ. Ta có: 34 l � dx = − mR (αabB0 ) mRv v0 dv � l = � (αabB ) Câu 27**: Trong cùng mặt phẳng với một dây dẫn I thẳng dài vơ hạn mang dịng điện I = 40A người ta đặt hai thanh kim loại song song với dây dẫn, cách dây dẫn một đoạn x0 = 1cm và cách nhau ℓ = 0,5cm (hình bên) Một đoạn x0 A ℓ B r v dây dẫn AB dài ℓ được đặt tiếp xúc điẹn với 2 thanh. Tìm hiệu điện thế xuất hiện giữa hai đầu dây AB khi cho AB trượt tịnh tiến trên hai thanh với vận tốc khơng đổi v = 3m/s. Hướng dẫn giải Vì đoạn dây AB chuyển động trong từ trường của dịng điện I nên trên đoạn dây AB sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng. Vì mạch điện hở nên suất điện động cảm ứng từ ε0 bằng hiệu điện thế U giữa hai đầu dây. Sau thời gian t kể từ lúc bắt đầu chuyển động, từ thơng qt bởi đoạn dài dx của dây (đoạn này cách dây dẫn mang dịng điện một đoạn x) bằng: dΦ = BdS = x0 +l bởi cả đoạn dây AB là: Φ = dΦ = x0 Suy ra: U = εc = − µ0 I x +l vt ln 2π x0 µ0 I vtdx và từ thơng qt 2πx x +l dΦ µ I = v ln = 9,7.10 −6 V dt 2π x0 Câu 28**: Một đĩa kim loại bán kính R = 25cm quay quanh trục của nó với vận tốc góc ω = 1000 vịng/phút. Tìm hiệu điện thế xuất hiện giữa tâm đĩa và một điểm trên mép đĩa trong hai trường hợp sau: a. Khi khơng đặt đĩa trong từ trường ur b. Khi đĩa quay trong từ trường B vng góc với đĩa và có độ lớn B = 0,01T Hướng dẫn giải 35 Chọn hệ quy chiếu gắn với Trái Đất a Do qn tính các electron tự do trong đĩa văng ra mép đĩa, kết quả là mép đĩa tích điện âm, cịn tâm đĩa tích điện dương. Khi đạt trạng thái ổn định, giữa tâm và mép đĩa có hình dạng một hiệu điện thế U, các electron chuyển động trịn đều với vận tốc góc bằng ω do tác dụng của lực hướng tâm ( bằng mω 2r) cân bằng với lực điện Công lực điện từ tâm mép đĩa bằng: R −eU = − mω2 r.dr = − Suy ra: U = mω R 2e mω2 R 2 = 2.10−9 V b ur Do có từ trường B nên electron cịn chịu tác dụng của lực Lorenxơ có độ lớn ur bằng evB, lực này có chiều tùy thuộc vào chiều của B Khi đạt trạng thái ổn định ta có: Lực điện từ = lực Lorenxơ mω2r = eωrB mω2r Thế nhưng số hạng mω2r rất nhỏ so với eωrB, nên ta có: Lực điện = eωrB R Do đó: −eU = − e ω rB.dr = − eωBR BωR �U= = 0,033V 2 Câu 29: Hai khung dây được tạo thành từ một loại dây dẫn nhau chuyển động cùng một vận tốc với một dây dẫn đặt thẳng đứng có dịng điện chạy qua. Khung 1 là một hình vng, khung hai hình vng hình vẽ Các hình vng có kích thước bằng nhau. Khi khoảng cách giữa các ε1 I ε3 b ε2 ε4 ε5 a khung với dây dẫn thẳng là b = 2a (a là cạnh của khung) thì tỉ số các cường độ dòng điện qua khung 1 và qua khung 2 bằng bao nhiêu? 36 Hướng dẫn giải ur Ta biểu diễn cảm ứng từ B do dòng điện thẳng gây ra tại một điểm cách dây là x dưới dạng: Bx = A x (trong đó A là hằng số) Xét khung dây 1, suất điện động cảm ứng trong các đoạn dây là E1 và E2 ta có: A a.A.v Av v= = b 2a A Av E = a.B' v = a v= b+a E1 = a.B.v = a Cường độ dịng điện trong khung 1 là: I1 = Theo hình 5.23 ta có: E3 = E1 = E1 E �Av Av �1 Av = = − = R 4r � � �2 �4r 24r qA1v Av Av 2Av ; E4 = E2 = ;E = = b + 2a Av Av 2Av + − E + E − E Từ đó ta suy ra: I = = = Av 2R 8r 96r I Tỉ số giữa các dòng điện là: I1 =4 Câu 30: Hai thanh ray dẫn điện dài nằm song R P M song với nhau, khoảng cách giữa hai thanh ray là ℓ = 0,4m. MN và PQ là hai thanh dẫn điện song r ur v song với nhau và được gác tiếp xúc điện lên hai C B ray, vng góc với hai ray (hình 1). Điện trở của MN và PQ đều bằng r = Q N 0,25Ω, điện trở R = 0,5Ω, tụ điện C = 20µF ban Hình 1 đầu chưa tích điện, bỏ qua điện trở hai thanh ray và điện trở chỗ tiếp xúc. Tất cả hệ thống được đặt trong một từ ur trường đều có vectơ B vng góc với mặt phẳng hình vẽ, chiều đi vào trong, độ lớn B = 0,2T. Cho thanh MN trượt sang tái với vận tốc v = 0,5m/s, thanh PQ trượt sang phải với vận tốc 2v a. Tìm cơng suất tỏa nhiệt trên điện trở R? b. Tìm điện tích của tụ, bản tích điện dương mắc vào điểm nào? Hướng dẫn giải a 37 Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mỗi thanh dẫn MN và PQ là: E 1 = Bvl ; E2 = 2Bvl Hai suất điện động này mắt nối tiếp với nhau E1 + E2 3Blv = R + 2r R + 2r �3Blv � −3 Công suất tỏa nhiệt trên R là: P = I R = � �R = 7, 2.10 W R + 2r � � Cường độ dịng điện trong mạch là: I = b Điện tích trên tụ C là: Q=CU MN = C ( E1 − Ir) = C ( Bvl − 3Blv r ) = 2.10 −7 C R + 2r Cực dương nối với điểm N 7.3. BÀI TẬP TỰ GIẢI Câu 1: Một sợi dây dẫn đồng nhất, tiết diện ngang S0 = 1 M mm2, điện trở suất được uốn thành một vịng trịn kín, bán kính r = 25 cm. Đặt vịng dây nói trên vào một từ trường đều sao cho các đường sức từ vng góc với mặt r +B V N phẳng vịng dây như hình vẽ bên. Cảm ứng từ của từ trường biến thiên theo thời gian B = kt, với t tính bằng đơn vị giây (s) và a) Tính cường độ dịng điện cảm ứng trong vịng dây b) Tính hiệu điện thế giữa hai điểm bất kì trên vịng dây c) Nối vào giữa hai điểm M, N trên vịng dây một vơn kế (có điện trở rất lớn) bằng một dây dẫn thẳng có chiều dài như hình vẽ. Tính số chỉ của vơn kế Câu 2: Trên một mặt phẳng nghiêng góc α = 450 với mặt phẳng ngang có hai dây dẫn thẳng song song, điện trở khơng đáng kể nằm dọc N R theo đường dốc chính của mặt phẳng nghiêng như hình vẽ bên. Đầu trên của hai dây dẫn ấy nối với điện v M α trở R = 0,1Ω. Một thanh 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 38 khơng ma sát trên hai dây dẫn ấy.Mạch điện đặt trong một từ trường đều, cảm r ứng từ B có độ lớn B = 1T có hướng thẳng đứng từ dưới lên trên a. Thanh kim loại trượt xuống dốc.Xác định chiều dịng điện cảm ứng chạy qua R b. Chứng minh rằng lúc đầu thanh kim loại chuyển động nhanh dần đến một lúc chuyển động với vận tốc khơng đổi.Tính giá trị của vận tốc khơng đổi ấy.Khi đó cường độ dịng điện qua R là bao nhiêu ?Cho g = 10 m/s2 C Câu 3: Hai thanh kim loại song song, thẳng đứng, một đầu nối với tụ C. Một đoạn dây dẫn AB, độ dài ℓ, khối lượng m, tì vào hai thanh kim loại, tự do trượt khơng ma sát xuống dưới và ln A ur B B ln vng góc với hai thanh kim loại đó. Tồn bộ hệ thống đặt ur trong một từ trường đều có vecto cảm ứng từ B vng góc với mặt phẳng của hai thanh kim loại như hình vẽ bên. Bỏ qua điện trở của mạch a. Tính gia tốc a của AB và cho biết sự biến đổi năng lượng trong mạch? b. Bây giờ đặt hai thanh kim loại nghiêng với mặt phẳng nằm ngang một ur góc α Độ lớn và chiều của cảm ứng từ B vẫn như cũ. Ban đầu AB được thả từ vị trí cách đầu dưới của thanh kim loại một đoạn d. Tìm thời gian để AB bắt đầu rời khoir thanh kim loại và vận tốc của AB khi đó? ĐS: a = mgsin α 2dmgsin α ; v = 2 m + CB l sin α m + CB2 l2 sin α Câu 4: Một thanh kim loại MN, chiều dài ℓ, điện trở R, khối lượng m = 100g, đặt vng góc với hai thanh ray song E song nằm ngang và nối với nguồn điện có suất điện động ,r E . Hệ thống được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ ur B hướng thẳng đứng xuống dưới và có độ lớn B. hệ số r v ur B N M ma sát giữa thanh MN và các thanh ray bằng µ Bỏ qua điện trở các thanh ray, 39 điện trở tại các chỗ tiếp xúc. Mơ tả chuyển động của thanh MN? Giải thích vì sao thanh MN chuyển động sang trái với gia tốc biến đổi nhưng sau đó lại chuyển động với vận tốc khơng đổi. Tính vận tốc đó? Câu 5: Hai thanh kim loại đặt song song thẳng đứng, điện trở khơng đáng kể, hai đầu trên được khép kín bằng một nguồn điện có suất điện động E và điện trở trong r = 0,2 Ω Một đoạn dây dẫn AB có khối lượng m = 10g, dài ℓ = 20cm, điện trở R = 2 Ω , A E ,r ur B B trượt khơng ma sát theo hai thanh kim loại đó (AB ln ln vng ur góc với từ trường đều B , có B = 0,01T a. Giả xử nguồn điện có suất điện động E = 1V và thanh AB đi xuống Hãy xác định vận tốc của thanh AB khi đạt giá trị khơng đổi v0? b. Nguồn điện phải có suất điện động bao nhiêu để thanh AB đi lên với vận tốc v0 như phần a? Câu 6: Một đoạn dây dẫn thẳng AB có chiều dài ℓ = 20cm được treo nằm ngang bằng hai dân dẫn mảnh, nhẹ thẳng đứng chiều dài L = 40cm. Dây được đặt trong một từ trường đều thẳng đứng, B = 0,1T. kéo lệch dây AB để dây treo hợp với phương thẳng đứng một góc α0 rồi thả nhẹ. Tìm biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong thanh AB khi dây treo lệch góc α so với phương thẳng đứng và suy ra suất điện động cực đại trên dây AB? Bỏ qua mọi ma sát 7.4. KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CỦA SÁNG KIẾN Áp dụng trong các buổi dạy bồi dưỡng học sinh giỏi mơn vật lí lớp 11, 12 tại trường THPT Đồng Đậu. Kết quả học sinh nắm vững kiến thức và kĩ năng, có khả năng vận dụng vào linh hoạt trong bài giải. Các em học sinh thấy hứng thú hơn với nội dụng kiến thức về hiện tượng cảm ứng điện từ Sáng kiến có thể áp dụng trong q trình dạy bồi dưỡng học sinh giỏi mơn Vật Lí lớp 11, 12 khối trung học phổ thơng trong cả nước 40 Kết luận: Để đạt được hiệu quả cao trong cơng tác dạy bồi dưỡng học sinh giỏi ở mơn Vật Lí lớp 11, 12 gây hứng thú cho học sinh học mơn Vật Lí lớp 11 giáo viên phải thường xun nâng cao trình độ chun mơn, nghiệp vụ. Để nâng cao được chun mơn, nghiệp vụ người giáo viên phải khơng ngừng học hỏi, tự học, tự bồi dưỡng nâng cao kiến thức và trình độ hiểu biết xã hội của mình, trong q trình giảng dạy đổi mới phương pháp giảng dạy, kiểm tra, đánh giá, thường xun TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Sách giáo khoa vật lí 11 nâng cao – nhà xuất bản giáo dục 2. Sách giáo khoa vật lí 10 cơ bản – nhà xuất bản giáo dục 3. Tuyển tập các bài tốn cơ bản và nâng cao vật lí 11 nhà xuất bản đại học quốc gia 4. Đề thi HSG tỉnh Vĩnh Phúc 8. NHỮNG THƠNG TIN CẦN ĐƯỢC BẢO MẬT (nếu có) Khơng 9. CÁC ĐIỀU KIỆN CẦN THIẾT ĐỂ ÁP DỤNG SÁNG KIẾN 9.1. Đối với giáo viên Giáo viên giảng dạy mơn Vật Lí lớp 11 các trường THPT trên tồn quốc Thời gian thực hiện dạy bồi dưỡng học sinh giỏi lớp 11 và 12 Sách giáo khoa và sách giáo viên Vật Lí lớp 11 Một số tài liệu tham khảo khác 9.2. Đối với học sinh Học sinh học khá giỏi và học sinh u thích mơn Vật Lí lớp 11 các trường THPT trên tồn quốc 10. ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH THU ĐƯỢC HOẶC DỰ KIẾN CÓ THỂ THU ĐƯỢC DO ÁP DỤNG SÁNG KIẾN THEO Ý KIẾN CỦA TÁC GIẢ VÀ THEO Ý KIẾN CỦA TỔ CHỨC, CÁ NHÂN ĐÃ THAM GIA ÁP DỤNG SÁNG KIẾN 41 10.1. Đánh giá lợi ích thu được hoặc dự kiến có thể thu được do áp dụng sáng kiến theo ý kiến của tác giả Khi áp dụng sáng kiến này trong q trình soạn, giảng mơn Vật Lí lớp 11, để tìm được những bài tập hay, chứng minh đơn giản. Tơi thấy bản thân cũng phải đầu tư hơn cho chun mơn của mình, và ln tìm tịi các bài tập mới để lồng ghép vào bài giảng Khi áp dụng sáng kiến này vào các bài giảng mơn Vật Lí trong q trình bồi dưỡng học sinh giỏi, trường THPT Đồng Đậu. Tơi nhận thấy học sinh học tập hứng thú hơn, sơi nổi bàn luận về các vấn đề có liên quan đến nội dung bài học, học sinh chịu khó đọc sách và sưu tầm kiến thức để viết bài thu hoạch hơn Sau khi áp dụng sáng kiến vào việc bồi dưỡng học sinh giỏi trường THPT Đồng Đậu tơi thấy các em học sinh khơng cịn gặp khó khăn trong việc vận dụng kiến thức vào việc giải các bài tập liên quan nữa. Qua đó thấy các em tự tin hơn, u thích mơn học hơn, say mê với Vật Lí hơn Sau khi áp dụng sáng kiến lợi ích thu được là góp cơng vào kết quả kì thi HSG lớp 12 năm học 2019 – 2020 của trường THPT Đồng Đậu đã có học sinh đạt giải khuyến khích HSG cấp tỉnh 10.2. Đánh giá lợi ích thu được hoặc dự kiến có thể thu được do áp dụng sáng kiến theo tổ chức, cá nhân Khi áp dụng sáng kiến này trong q trình soạn, giảng mơn vật lí lớp 11, tất cả các giáo viên trong nhóm Lí trường THPT Đồng Đậu đều nhận thấy được tăng cường các kĩ năng: sưu tầm tài liệu, trau dồi kiến thức, làm việc nhóm Khi áp dụng sáng kiến này vào các bài giảng mơn vật lí tại trường THPT Đồng Đậu. Chúng tơi nhận thấy học sinh học tập hứng thú hơn với chuyên đề cảm ứng điện từ nhất là các em trong đội tuyển HSG cấp tỉnh 11 DANH SÁCH NHỮNG TỔ CHỨC, CÁ NHÂN ĐÃ THAM GIA ÁP DỤNG THỬ Số TT Tên tổ chức cá nhân Phạm Văn Nam Địa chỉ Phạm vi/Lĩnh vực áp dụng sáng kiến Giáo viên mơn Lí trường THPT Đồng Đậu 42 Vật lí 11 Nguyễn Đức Thụ Giáo viên mơn Lí trường THPT Đồng Đậu Vật lí 11 Nguyễn Văn Tuấn Giáo viên mơn Lí trường THPT Đồng Đậu Vật lí 11 Trần Văn Tuấn Giáo viên mơn Lí trường THPT Đồng Đậu Vật lí 12 Nguyễn Thị Thu Hà Giáo viên mơn Lí trường THPT Đồng Đậu Vật lí 12 Trịnh Hồng Minh Giáo viên mơn Lí trường THPT Đồng Đậu Vật lí 12 n Lạc, ngày tháng năm 2020 Hiệu trưởng (Ký tên, đóng dấu) Yên Lạc, ngày 15 tháng 02 năm 2020 Tác giả sáng kiến (Ký, ghi rõ họ tên) Phạm Văn Nam 43 ... b.? ?Hiện? ?tượng? ?cảm? ?ứng? ?điện? ?từ ? ?Hiện? ?tượng? ?cảm? ? ứng? ?điện? ?từ là sự xuất? ?hiện? ?dịng? ?điện? ?cảm? ?ứng? ?trong? ?mạch kín khi? ?từ thơng qua mạch đó biến đổi. Suất? ?điện? ?động sinh ra dịng? ?điện? ?cảm ứng? ?trong? ?mạch? ?điện? ?kín là suất? ?điện? ?động? ?cảm? ?ứng. .. ? ?cảm? ?là? ?hiện? ?tượng? ?cảm? ? ứng? ?điện? ?từ ? ?trong? ?một? ?mạch? ?điện? ?do chính sự biến đổi của dịng? ?điện? ?trong? ?mạch đó gây ra Suất? ?điện? ?động được sinh ra do? ?hiện? ?tượng? ?tự ? ?cảm? ?gọi là suất? ?điện? ?động tự cảm. Suất? ?điện? ?động tự? ?cảm? ?xuất? ?hiện? ?trong? ?mạch, khi đó xảy ra? ?hiện? ?tượng? ?tự ... ứng? ?trong? ?mạch? ?điện? ?kín là suất? ?điện? ?động? ?cảm? ?ứng Khi có sự biến đổi? ?từ? ?thơng qua mặt giới hạn bởi? ?một? ?mạch? ?điện? ?kín thì? ?trong mạch xuất? ?điện? ?suất? ?điện? ?động? ?cảm? ?ứng Dịng? ?điện? ?cảm? ? ứng? ?chỉ tồn tại? ?trong? ?thời gian từ