Đề tài “Hệ thống các bài tập cảm ứng điện từ ứng dụng bồi dưỡng HSG môn Vật Lí 11 và 12” nhằm giúp các em học sinh có cái nhìn tổng quát hơn về bài tập cảm ứng điện từ và không còn cảm thấy khó khăn khi gặp dạng toán này.
BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Lời giới thiệu 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 phần 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 đơn giản. Đây là một dạng bài tốn khó và phức tạp. Vậy làm nào để học sinh có thể giải được các bài tốn khó về cảm ứng điện từ một cách dễ dàng và đơn giản? Để giải quyết vấn đề trên tơi bước vào nghiên cứu đề tài “Hệ thống các bài tập cảm ứng điện từ ứng dụng bồi dưỡng HSG mơn Vật Lí 11 và 12”. Để từ đó giúp các em học sinh có cái nhìn tổng qt hơn về bài tập cảm ứng điện từ và khơng cịn cảm thấy khó khăn khi gặp dạng tốn này 2. Tên sáng kiến: “Hệ thống các bài tập cảm ứng điện từ ứng dụng bồi dưỡng HSG mơn Vật Lí 11 và 12” 3. Tác giả sáng kiến Họ và tên: Nguyễn Thị Thu Hà Địa chỉ tác giả sáng kiến: Trường THPT Đồng Đậu, Yên Lạc, Vĩnh Phúc Số điện thoại: 0988298140 E_mail: nguyenthithuhasp2@gmail.com 4. Chủ đầu tư sáng kiến. Họ và tên: Nguyễn Thị Thu Hà Địa chỉ tác giả sáng kiến: Trường THPT Đồng Đậu, Yên Lạc, Vĩnh Phúc Số điện thoại: 0988298140 E_mail: nguyenthithuhasp2@gmail.com 5. Lĩnh vực áp dụng sáng kiến Ơn tập học sinh giỏi Vật Lí 11, 12 6. Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử Ngày 01/ 01/ 2017 7. Mơ tả bản chất của sáng kiến 7. 1. Về nội dung của sáng kiến 7. 1. 1. Cơ sở lí thuyết 7. 1. 1. 1. Hiện tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín khi có sự biến đổi của từ thơng qua mạch Suất điện động cảm ứng + Trong mạch kín: Trong mạch điện kín, độ lớn của suất điện động cảm ứng được xác định bằng định luật Farađay; chiều dịng điện cảm ứng được xác định bằng định luật Lenxơ: * Điện luật Farađay: ec = − N Δφ Δt (3.1) (Δ Φ là độ biến thiên của từ thơng trong thời gian Δ t ; N là số vịng dây của mạch) * Định luật Lenxơ: Dịng điện cảm ứng có chiều sao cho từ thơng mà nó sinh ra qua mạch kín chống lại sự biến thiên của từ thơng đã sinh ra nó ur + Trong đoạn dây có chiều dài l chuyển động với vận tốc v trong từ trường B , chiều dịng điện cảm ứng trong đoạn dây được xác định bằng quy tắc “Bàn tay phải”: ( ur r ) B, v � * Độ lớn suất điện động cảm ứng: ec = Blv sin α α = � � � (3.2) * Quy tắc “Bàn tay phải”: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái chỗi ra hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón cịn lại chỉ chiều dịng điện cảm ứng trong đoạn dây đó Chú ý: Có thể coi đoạn dây dẫn như một nguồn điện thì chiều từ cổ tay đến các ngón cịn lại chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó 7. 1. 1. 2. TỰ CẢM 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 Hệ số tự cảm: L = Φ I (3.3) Suất điện động tự cảm: etc = − L Δi (3.4) Δt (Δ i là độ biến thiên của dòng điện trong mạch trong thời gian Δ t ; L là hệ số tự cảm của mạch điện) Năng lượng từ trường Năng lượng từ trường: W = Li Mật độ năng lượng từ trường: w = (3.5) W V (3.6) (V là thể tích vùng khơng gian từ trường) 7. 1. 2. Phương pháp giải bài tập 7. 1. 2. 1. Với dạng bài tập về hiện tượng cảm ứng điện từ. \ Xác định xem mạch là mạch kín hay đọan dây chuyển động Nếu là mạch kín thì: ΔΦ N là số vịng dây của mạch Δt uur ur + Chiều dòng điện cảm ứng: Áp dụng định luật Lenxơ: Bc cùng chiều với B khi + Độ lớn suất điện động cảm ứng: ec = − N uur ur Δ Φ < ; Bc ngược chiều với B khi Δ Φ > Nếu là đoạn dây chuyển động thì: ur r B, v � + Độ lớn suất điện động cảm ứng: ec = Blv sin θ , θ = � � � ur + Chiều của dòng điện cảm ứng: Áp dụng quy tắc “Bàn tay phải”: B đâm vào lịng r bàn tay, v hướng theo ngón cái chỗi ra, I cùng chiều với các ngón cịn lại Một số chú ý: ur + Từ thơng của mạch có thể biến thiên do: B biến thiên (do chuyển động tương đối giữa nam châm và vịng dây, do I trong mạch biến thiên…); S biến thiên (kéo dãn, bóp méo vịng dây…); α biến thiên (quay vịng dây…) + Trường hợp đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường có thể coi đoạn dây dẫn là một nguồn điện, do đó khi áp dụng quy tắc “Bàn tay phải” thì các ngón cịn lại chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn + Cần kết hợp với các cơng thức về định luật Ơm để xác định các đại lượng điện như l, r…: các định luật Niutơn để xác định các đại lượng cơ học như v, a, s… 7. 1. 2. 2. Với dạng bài tập về hiện tượng tự cảm. Sử dụng các cơng thức: + Hệ số tự cảm: L = Φ i + Suất điện động tự cảm: etc = − L Δi Δt + Năng lượng từ trường: W = Li + Mật độ năng lượng từ trường: w = W V (V là thể tích vùng khơng gian từ trường) Một số chú ý: + Với ống dây hình trụ * Hệ số tự cảm của ống dây: L = µµ0 n 2V B2 V * Năng lượng từ trường của ống dây: W = µµ0 B2 * Mật độ năng lượng từ trường của ống dây: w = 2µµ0 ( µ là độ từ thẩm của mơi trường trong ống dây, khơng khí: µ = 1; V = Sl : Thể tích của ống dây) + Kết hợp một số cơng thức: Φ = BS cos α ; B = µ0 nI = µ0 N I I 7. 1. 3. Bài tập vận dụng có lời giải chi tiết Bài 1: (HSG TỈNH VĨNH PHÚC 2008 2009) Thanh kim loại CD chiều dài l=20cm khối lượng m=100g đặt vng góc với hai thanh ray song song nằm ngang và nối với nguồn điện (hình 1). Hệ thống đặt trong từ trường đều B hướng thẳng đứng từ trên xuống và B=0,2T. Hệ số ma sát giữa CD và ray là k=0,1. Bỏ qua điện trở các thanh ray, điện trở tại nơi tiếp xúc và dịng điện cảm ứng trong mạch. Lấy g=10m/s2 a) Biết thanh CD trượt sang trái với gia tốc a=3m/s2. Xác định chiều và độ lớn dòng điện I qua CD b) Nâng hai đầu A, B của ray lên để ray hợp C B B U với mặt phẳng ngang góc =30o. Tìm hướng A và gia tốc chuyển động của thanh, biết thanh bắt đầu chuyển động khơng vận tốc đầu Hình 1 D HƯỚNG DẪN GIẢI a) Các lực tác dụng lên thanh như hình vẽ. Do thanh trượt sang trái nên lực F hướng sang trái. Theo quy tắc bàn tay trái, dịng điện I qua thanh sẽ có chiều từ D đến C N B A Theo định luật II Niutơn ta có: D F + Phương ngang: FFms=ma (*) Fms P + Theo phương đứng: P+N=0 Fms=kN=kmg (*) BIl –kmg=ma I m(a kg ) lB 10( A) b) Các lực tác dụng lên thanh như hình vẽ Xét trên phương Oy: N P N Fy py B Fy mg cos BIl sin Độ lớn lực ma sát trượt: Fms kN 0,2 A Fms 0,05 0,02 N y O x F Ta có: Px=mgsin =0,5N, Fx=BIlcos = 0,2 ( N ) Vì Px>Fx+Fms nên thanh CD sẽ trượt dọc theo ray đi xuống, lực ma sát là lực ma sát trượt hướng dọc theo ray đi lên P Xét theo phương Ox ta có: Px Fx Fms ma a mg sin BIl cos k (mg cos m BIl sin ) 0,47m / s Bài 2: (HSG TỈNH VĨNH PHÚC 2010 2011) Hai thanh kim loại song song, thẳng đứng có điện trở khơng đáng kể, một đầu nối vào điện trở R = 0,5Ω Một đoạn dây dẫn AB, độ dài l = 14cm , khối lượng m = g , điện trở r = 0,5Ω tì vào A hai thanh kim loại tự do trượt khơng ma sát xuống dưới và ln ln vng góc với hai thanh kim loại đó. Tồn bộ hệ thống đặt trong một từ trường đều có hướng vng góc với mặt phẳng hai thanh kim loại có cảm ứng từ B = 0, 2T Lấy g = 9,8m / s a) Xác định chiều dịng điện qua R R ur B B Hình 2 b) Chứng minh rằng lúc đầu thanh AB chuyển động nhanh dần, sau một thời gian chuyển động trở thành chuyển động đều. Tính vận tốc chuyển động đều ấy và tính UAB c) Bây giờ đặt hai thanh kim loại nghiêng với mặt phẳng nằm ur ngang một góc α = 60o Độ lớn và chiều của B vẫn như cũ. Tính vận tốc v của chuyển động đều của thanh AB và UAB HƯỚNG DẪN GIẢI I a) Do thanh đi xuống nên từ thơng qua mạch tăng. Áp dụng uuur định luật Lenxơ, dịng điện cảm ứng sinh ra Bcu ngược chiều ur B (Hình vẽ). R uuur ur Bcu B A B Áp dụng qui tắc nắm bàn tay phải, I chạy qua R có chiều từ A B. b) Ngay sau khi bng thì thanh AB chỉ chịu tác dụng của trọng lực P = mg nên thanh chuyển động nhanh dần v tăng dần. Đồng thời, do sau đó trong mạch xuất hiện dịng điện I nên thanh AB chịu thêm tác dụng của lực từ F = BIl có hướng đi lên. Mặt khác, suất điện động xuất hiện trong AB là: e = ∆Φ e Blv = Blv nên I = = ∆t R+r R+r B 2l v F= R+r Cho nên khi v tăng dần thì F tăng dần tồn tại thời điểm mà F=P. Khi đó thanh chuyển động thẳng đều. uur ur N F uur Khi thanh chuyển động đều thì: ur P1 F = mg B 2l v = mg R+r I ur urB P B1 uur B2 ( R + r )mg (0,5 + 0,5).2.10 −3.9,8 v= = = 25(m / s ) Hiệu điện thế giữa B 2l 0, 22.0,142 hai đầu thanh khi đó là: U AB = I R = Blv 0, 2.0,14.25 R = 0,5 = 0,35(V ) R+r 0,5 + 0,5 c) Khi để nghiêng hai thanh kim loại ta có hình vẽ bên: Hiện tượng xảy ra tương tự như trường hợp b) khi ta thay P bằng Psin , thay B bằng B1 với B1=Bsin Lập luận tương tự ta có: F = mg sin α ( B sin α ) l v = mg sin α R+r v= ( R + r )mg sin α (0,5 + 0,5).2.10 −3.9,8.sin 60 = = 28,87( m / s ) ( B sin α ) l (0, 2.sin 60o ) 0,14 Hiệu điện thế giữa hai đầu thanh khi đó là: U AB = I R = B sin α lv 0, 2.sin 60o.0,14.28,87 R = 0,5 = 0,35(V ) R+r 0,5 + 0,5 Bài 3: (HSG TỈNH VĨNH PHÚC 2011 2012) Hai thanh ray có điện trở khơng đáng kể được ghép song song với nhau, cách nhau một khoảng l trên mặt phẳng nằm ngang. Hai đầu của hai thanh 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 r với hai thanh. Hệ thống đặt trong một từ trường R ur l v đều B có phương thẳng đứng (hình 3). ur B 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. Hình 3 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 vgh. Tìm vgh? Coi năng lượng hệ được bảo tồn HƯỚNG DẪN GIẢI 1) Suất điện động cảm ứng: E = Blv a) Cường độ dòng 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 2l v R+r Lực kéo: F = Ft + Fms = B 2l v + μmg R+r 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: CU 02 CU 2 vgh = U 1 mv gh hay CU 02 2 CB l v gh 2 mv gh C CB l + m 2 Bài 4: (HSG TỈNH VĨNH PHÚC 2012 2013) Một dây dẫn cứng có điện trở rất nhỏ, được uốn thành khung phẳng ABCD nằm trong mặt phẳng nằm ngang, cạnh BA và CD đủ dài, song song nhau, cách nhau khoảng l = 50 cm. Khung đặt trong một từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T, đường sức từ hướng vng góc với mặt phẳng của khung (Hình 4). Thanh kim loại MN có điện trở R= 0,5 Hình 4 có thể trượt khơng ma sát dọc theo hai cạnh AB và CD. 1. Hãy tính cơng suất cơ cần thiết để kéo thanh MN trượt đều với vận tốc v=2 m/s dọc theo các thanh AB và CD. So sánh cơng suất này với cơng suất tỏa nhiệt trên thanh MN 2. Thanh MN đang trượt đều thì ngừng tác dụng lực. Sau đó thanh cịn có thể trượt thêm được đoạn đường bao nhiêu nếu khối lượng của thanh là m = 5 g? HƯỚNG DẪN GIẢI 1. Khi thanh MN chuyển động thì dịng điện cảm ứng xuất hiện trên thanh theo chiều từ M N Cường độ dịng điện cảm ứng bằng: I E R Bvl R r Khi đó lực từ tác dụng lên thanh MN sẽ hướng ngược chiều với v và có độ lớn: Ft BIl B 2l v R Do thanh MN chuyển động đều nên lực kéo tác dụng lên thanh phải cân bằng với lực từ công suất cơ (công của lực kéo) được xác định: P Fv Ft v B 2l v R Thay các giá trị đã cho ta được: P 0,5W Công suất tỏa nhiệt trên thanh MN: Pn I R B 2l v R Vậy cơng suất cơ bằng cơng suất tỏa nhiệt trên MN 2. Sau khi ngừng tác dụng lực, thanh chỉ cịn chịu tác dụng của lực từ. Độ lớn trung bình của lực này là: F Ft B 2l v 2R Giả sử sau đó thanh trượt được thêm đoạn đường S thì cơng của lực từ này là: A FS B 2l v S 2R Động năng của thanh ngay trước khi ngừng tác dụng lực là: Wđ mv Theo định luật bảo tồn NL, đến khi thanh dừng lại thì tồn bộ động năng này được chuyển thành cơng của lực từ (lực cản) nên: mv 2 Từ đó suy ra: S mvR B 2l B 2l 2v S 2R 0,08(m) 8cm Bài 5: (HSG TỈNH VĨNH PHÚC 2014 2015) Hai dây dẫn thẳng song song, điện trở không đáng kể, đặt trong mặt phẳng nằm ngang, một đầu nối vào nguồn điện E0 ( E0 = 3 V, r0 = 1,5 Ω), đầu kia nối với điện trở R = 1Ω thơng qua một khóa K. Một thanh kim loại MN có chiều dài l = 20 cm, điện trở r = 1 Ω, chuyển động dọc theo hai dây dẫn nói trên với M r ur v B E0,r0 N (hình 5) 10 K R E = U C � BLv = U C (1) …… Phương trình Định luật II Newton cho chuyển động của thanh M N P − Ft = ma � mg − BLI = ma (2) …… Với Ft là lực từ tác dung lên thanh, a là gia tốc của thanh, I là cường độ dịng điện qua mạch trong khoảng thời gian ∆t Ta có I = ∆U C ∆q =C ∆t ∆t (3) …… Từ (1) suy ra ∆U C = BL∆v thay vào (3) ta được: I = CBL ∆v = CBLa ∆t (4) …… Thay (4) vào (2) ta được: a = mg = hằng số. m + CB L2 Điều đó chứng tỏ thanh MN chuyển động nhanh dần đều b) Thanh MN trượt nhanh dần đều với vận tốc v = v0 + at = v0 + mg t (5) m + CB L2 Khi UC = UT thì tụ bị đánh thủng, khi đó vận tốc của thanh là v = UT (6)… BL Từ (5) và (6) suy ra thời gian trượt của thanh cho đến khi tụ bị đánh thủng là: t= �U T � (�m + CB L2 ) � − v0 � mg �BL Bài 16: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2012 2013) Một sợi dây dẫn đồng nhất, tiết diện ngang S0 = 1 mm2, điện M 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 V sức từ vng góc với mặt phẳng vịng dây. Cảm ứng từ của từ + trường biến thiên theo thời gian B = kt, với t tính bằng đơn vị N 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 Hình 16 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 HƯỚNG DẪN GIẢI a. Độ lớn suất điện động trong vịng dây là: r B 20 E= ∆Φ ∆ ( BS) π r ∆ ( kt ) = = ∆t ∆t ∆t l 2π r Điện trở vòng dây: R = ρ S = ρ S 0 Cường độ dòng điện cảm ứng: I = krS0 0,1.0, 25.10−6 E kπ r = = = = 0, 625A R ρ 2π r 2ρ 2.2.10−8 S0 b. Lấy hai điểm M, N trên vịng dây, chia vịng dây làm hai cung có chiều dài là l1, l2. Vịng dây tương đương với mạch kín gồm hai nguồn E1, r1 E2, r2, trong đó và E1 r1 l1 = = hay E1r2 = E2 r1 E2 r1 l2 Áp dụng định luật ơm cho cac đoạn mạch MN ta có: I= E1 + U MN E2 − U MN = r1 r2 � U MN = E2 r1 − E1r2 r1 + r2 c. Sợi dây nối vơn kế giữa M và N chia diện tích vịng dây thành hai phần S1 = S r r �π � − = � − 1� 2 �2 � S = S − S1 = π r − r �π � r �3π � �3π + � − = � � � + 1�= � �S1 �2 � �2 � �π − � Suất điện động và điện trở cung l1 , l2 có độ lớn tương ứng là: E1 = ∆Φ ∆Φ1 �3π + � = kS2 = k � S1 = kS1 và E = � ∆t ∆t �π − � r2 = 3r1 = 3πρ r r= S0 Áp dụng định luật ơm cho cac đoạn mạch MN ta có: I= E1 + U MN E2 − U MN = r1 r2 � U MN �3π + � k� S1r1 − kS1.3r1 E2 r1 − E1r2 2kS1 π −2 � � � = = = r1 + r2 4r1 π −2 21 Hay � U MN = kr 0,1.0, 252 = = 3,125.10−3 V 2 Bài 17: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2013 2014 – VỊNG 1) Một khung dây dẫn phẳng, hình vng cạnh a, r r khối lượng m, điện trở R được ném ngang từ độ cao h0 B v so với mặt đất với vận tốc v0 trong vùng có từ trường a + r với véc tơ cảm ứng từ B có phương vng góc với mặt phẳng khung dây như hình vẽ, có độ lớn phụ thuộc vào Hình 17 độ cao h so với mặt đất theo quy luật B = B 0 + k.h với B0, k là các hằng số dương (B0, k > 0). Lúc ném mặt r phẳng khung dây thẳng đứng, vng góc với B và khung khơng quay trong suốt q trình chuyển động a, Tính tốc độ cực đại mà khung đạt được b, Khi khung đang chuyển động với tốc độ cực đại và cạnh dưới của khung cách mặt đất một đoạn h1 thì mối hàn tại một đỉnh của khung bị bung ra (khung hở). Bỏ qua mọi lực cản. Xác định hướng của vận tốc khung ngay trước khi chạm đất HƯỚNG DẪN GIẢI O a, Tốc độ cực đại: Chiều dịng điện cảm ứng và lực từ tác dụng lên các cạnh của khung như hình vẽ Ta có: Ec = I C = ∆B.S k ∆h.S = ∆t ∆t r F2 y Ec k ∆h.S k a = = v y R R.∆t R IC r F1 x r +B r F4 r F3 Lực từ tổng hợp F có phương thẳng đứng hướng lên, có độ lớn F = F1 − F3 = ( B1 − B3 ).I c a = k a v y R F tăng theo vy đến khi F = P khung sẽ chuyển động đều với vận tốc v ymax trên phương thẳng đứng Khi khung chuyển động đều, thế năng giảm, động năng không đổi, xét trong khoảng thời gian ∆t , độ giảm thế năng đúng bằng nhiệt lượng tỏa ra trên khung: mgVy max ∆t = RI c ∆t 22 �ka 2Vymax � mgVymax ∆t = � � R � � mgR R∆t � Vy max = � � k a � Trên phương ngang khung chuyển động đều Vx = V0 mgR � Tốc độ cực đại của khung khi đó: V = Vy2max + V02 = � � �+ V0 ………… … �k a � b, Hướng của vận tốc ngay trước khi chạm đất: Khi chạm đất, vận tốc trên phương thẳng đứng: Vy '2 = Vy2max + gh1 ………….…… Góc hợp bởi vận tốc và phương ngang là α với: �mgR � ' � �+ gh1 Vy �k a � tan α = = V0 V0 Bài 18: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2014 2015 – VỊNG 1) Một khối kim loại hình hộp chữ nhật có dịng điện cường độ I chạy theo chiều từ N1 đến N . Khối kim loại được đặt trong ur từ trường đều có cảm ứng từ B theo hướng QM như Hình 18. Khi đó giữa M và N có một hiệu điện thế U MN nào đó. Biết MN = a, MQ = b và mật độ electron tự do trong kim loại là n Giải thích sự xuất hiện của UMN và tính UMN M1 ur B M N Q P HƯỚNG DẪN GIẢI: I P1 Hình 18 Khi dịng điện chạy qua khối kim loại, dưới tác dụng lực Lorenxơ, electron tự bị kéo sang mặt phẳng NN1P1P (theo qui tắc bàn tay trái) Do xuất điện ur trường E hướng từ M sang N. Điện trường gây lực điện ngược chiều với lực Lorenxơ lên electron cản trở tập trung electron tại mặt phẳng NN1P1P. Khi hai lực này cân bằng thì điện ur trường E đạt giá trị ổn định, khi đó giữa M và N có hiệu điện thế ổn định . (1) N1 M1 ur B M N Q P N1 I P1 Khi lực điện và lực Lorenxơ bằng nhau: e E = e Bv � E = Bv (2). Trong đó v là vận tốc chuyển động có hướng của electron 23 Xét điện lượng chuyển qua tiết diện MNPQ khoảng thời gian ∆t: ∆q = n e ab v.∆ t (3) ∆q I Theo định nghĩa: I = ∆t = n e ab v � v = n e ab (4) BI Thay (4) và (2) vào (1) ta được: U MN = n e b Bài 19: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2014 2015 – VỊNG 2) Trong mạch điện như Hình 19, khóa K được đóng trong một thời gian Δt1 nào đó, sau đó ngắt. Nguồn điện có suất điện động E, tụ điện có điện dung C, cuộn cảm có độ tự cảm L. Bỏ qua điện trở trong của nguồn và các dây nối. Tìm khoảng thời gian Δt1 biết rằng sau khi ngắt K, hiệu điện thế cực đại trên tụ điện bằng 2E HƯỚNG DẪN GIẢI: K + _ E L C Hình 19 Đóng K, tụ điện gần như lập tức tích điện với hiệu điện thế U=E cịn dịng điện qua cuộn cảm tăng dần do hiện tượng cảm ứng điện từ. Gọi dịng K điện qua cuộn cảm tại Δt1 là I. Ta có I −0 E L = E � I = ∆t1 ∆t1 L + _ E C L Hình 19 Sau khi ngắt K, tụ điện phóng điện qua cuộn cảm. Theo định luật bảo tồn năng lương khi cường độ dịng điện qua cuộn cảm bằng 0 thì hiệu điện thế giữa hai bản tụ đạt giá trị cực đại. Ta có 1 �E � C ( E ) = L � ∆t1 �+ CE 2 �L � � ∆t1 = 3LC Bài 20: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2015 2016 – VỊNG 1) Cho một dây dẫn đồng chất được uốn thành 2 vịng trịn hình hình số 8 như hình 20. M, N là 2 điểm tiếp xúc nhưng cách điện giữa hai vịng (M ở trên, N ở dưới). Vịng 1 bán kính r1, vịng 2 bán kính r2, từ trường có hướng vng góc với mặt Hình 20 phẳng vịng dây và có độ lớn tăng đều theo thời gian (B = B0.t). Nếu gấp vịng 2 vào phía trong vịng 1 thì hiệu điện thế giữa M và N tăng bao nhiêu lần. Cho điện trở trên một đơn vị chiều dài dây dẫn là ρ 24 HƯỚNG DẪN GIẢI: Điện trở của vòng 1 là R1 = 2π r1 ρ , điện trở của vòng 2 là R2 = 2π r2 ρ Suất điện động của vòng 1 và 2 là: ε1 = B0π r12 ; ε = B0π r22 Dựa trên hình vẽ, khi 2 vịng ở ngồi nhau thì dịng điện trong mạch là: 2 ε1 − ε B0π ( r1 − r2 ) B0 ( r1 − r2 ) I= = = R1 + R2 2πρ ( r1 + r2 ) 2ρ Tacó : U MN = I R2 + ε = B0 ( r1 − r2 ) 2π r2 ρ + B0π r22 = B0π r1r2 2ρ Khi 2 vịng lồng vào nhau thì biểu thức dịng điện là: 2 2 ε1 + ε B0π ( r1 + r2 ) B0 ( r1 + r2 ) I'= = = R1 + R2 2πρ ( r1 + r2 ) ρ ( r1 + r2 ) Ta có U 'MN = I '.R2 − ε = U 'MN Vậy U MN = ( B0 r12 + r22 ) 2π r ρ − B π r ρ ( r1 + r2 ) 2 = B0π r1r2 r1 − r2 r1 + r2 r1 − r2 r1 + r2 Bài 21: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2016 2017) Trên hai đường ray bằng kim loại song song nằm ngang người ta đặt một B C L thanh kim loại có khối lượng m = 1,0g và m điện trở R = 0,5ῼ. Chiều dài của thanh K khoảng cách hai đường ray Hình 21 L=10 cm, hình 21 Đường ray nằm trong một từ trường đều có cảm ứng B= 0,1 T. hướng từ hình vẽ đến mắt 25 người đọc. Hai đường ray nối với nhau bởi 1 tụ điện có điện dung C = 1,0F, được tích điện đến hiệu điện thế ban đầu U0=5,0V. Bỏ qua độ tự cảm của hệ. Sau khi đóng khóa K, thanh kim loại bắt đầu chuyển động sang phải (đi ra xa tụ điện). Hãy vẽ dấu các điện tích trên các bản tụ điện. Tính gia tốc của thanh ngay sau khi khóa K đóng. Tìm biểu thức và tính vận tốc giới hạn v ∞ của thanh nếu các đường ray là rất dài. Với giá trị nào của cảm ứng từ B vận tốc tới hạn của thanh sẽ đạt giá trị cực đại vmax? Tính giá trị cực đại vmax HƯỚNG DẪN GIẢI 1. Để thanh kim loại chuyển động sang phải, dịng điện phải có chiều như hình vẽ. Từ đó ta có dấu của các bả tụ điện 2. Ngay khi vừa đóng khóa, hiệu điện thế giữa hai bản vẫn là U0, cường độ dịng điện chạy trong thanh là I0 = U0 R Lực từ tác dụng lên thanh: F = I0 BL = Gia tốc : a = U BL R F0 U BL = = 100m / s m mR 3. Viết lại phương trình định luật II niuton ở dạng : m Δv = IBL Δt ∆q �� mΔv = BLΔq mv = BL ( q q ) = CBL ( U U ) ∆t Khi thanh đạt vận tốc tới hạn v , khơng cịn dịng qua thanh nữa, hiệu điện thế giữa Mặt khác: I = hai bản tụ điện bằng suất điện động cảm ứng U = v BL � ( m+CB2 L2 ) v = CBLU CBLU m+CB2 L2 CBLU CLU v = = 2 m 4. m+CB L +CBL2 B �v = Áp dụng bất đẳng thức cosi để xác định v max ta có: Dấu bằng xảy ra khi: �v = U0 m +CBL2 B m CBL2 = 2L mC B m m = CBL2 � B= = 0,316T B L C C = 79,1m/s m 26 Bài 22: ( HSG TỈNH QUẢNG BÌNH 2017 2018) Thanh dẫn EF có điện trở trên mỗi mét chiều dài là , chuyển động đều với vận tốc v và ln tiếp xúc với các thanh dẫn AC, AD tạo thành mạch kính. AC hợp với AD một góc , hệ thống được đặt trong từ trường đều có A ur cảm ứng từ B vng góc với mặt phẳng chứa hai thanh hình 22. Cho AC bằng L0 và bỏ qua điện trở thanh AD và AC. Tìm nhiệt lượng tỏa ra trên mạch trong thời gian thanh EF chuyển động từ A đến C theo phương vng góc với AC D E ur B r v F Hình 22 HƯỚNG DẪN GIẢI Gọi L là khoảng cách giữa hai điểm tiếp xúc của EF tại bất kỳ L = v.t.tan α Xét trong khoảng thời gian t rất nhỏ diện tích thanh qt được: ∆S = L.v.∆t Từ thơng qua S là: ∆φ = B.∆S = B.L.v.∆t = B.v t.tan α ∆t r v Suất điện động tức thời có độ lớn : ec = D E A ∆φ = B.v t.tan α ∆t ur B F Điện trở của đoạn dây dẫn giữa hai điểm tiếp xúc : R = ρ L = ρ v.t.tan α Cường độ dịng điện tức thời qua mạch : I= ec B.v = R ρ Cơng suất tỏa nhiệt tức thời trên thanh : B v t.tan α P = I R = ρ Thời điểm thanh đi hết đoạn AC là : t0 = L0 v 27 C C Cơng suất trung bình : P = B v t0 tan α 2.ρ Bài 23: ( HSG 12 TỈNH VĨNH PHÚC 2007 2008) a) Một con lắc lị xo khối lượng m (bằng điện mơi) độ cứng k treo thẳng đứng. Người ta gắn thanh dẫn với m và cho thanh k dẫn trượt khơng ma sát trên hai thanh ray kim loại song song m thẳng đứng cách nhau khoảng L. Dùng dây dẫn nối tụ C với hai thanh ray để tạo thành mạch kín. Tồn bộ hệ thống đặt trong từ trường đều B (Hình 23). Tìm chu kì dao động của hệ. Bỏ qua C điện trở thanh dẫn, các thanh kim loại, dây nối và khối lượng thanh dẫn, lị xo B Hình 23 b) Một thanh kim loại MN chiều dài ℓ, khối lượng m, được treo nằm ngang trên hai lị xo nhẹ bằng chất điện mơi, giống nhau. Hệ số đàn hồi của mỗi r lị xo đều bằng k, hệ được đặt trong một từ trường đều B (Hình 23a). Khi thanh đang đứng cân bằng, người ta phóng vào thanh một dịng điện có cường độ I, chiều từ N đến M trong thời gian τ rất ngắn M Hình 23a N *) Hỏi thanh MN có thể rời khỏi vị trí cân bằng của nó một đoạn A lớn nhất bằng bao nhiêu? (bỏ qua sự dịch chuyển của thanh trong thời gian phóng điện τ) *) Ngay sau khi phóng điện vào thanh MN, người r ta làm triệt tiêu từ trường B và thanh bắt đầu dao động điều hồ. Biết trong q trình dao động của vật, đồ thị của sự phụ thuộc vận tốc theo thời gian được biểu v (cm/s) V0 V0/2 0,1 0 V0 diễn (Hình 23b), khối lượng của thanh m = 300g. Xác t(s) Hình 23b định độ cứng k của lị xo HƯỚNG DẪN GIẢI: 28 a) ở độ lệch y, vật có vận tốc v, suất điện động cảm ứng trong mạch: E=BLv. Điện tích của tụ điện: q=C.U=C.E=CBLv dq dt dv Khi thanh dẫn đi xuống, lực từ tác dt dv dụng lên thanh dẫn hướng lên và có độ lớn: Ftừ=BIL= CB L2 dt Cường độ dòng điện trong mạch: I Theo định luật II Niutơn: mg ky CB L2 d 2u dt k u m CB L2 CBL dv dt Chu kỳ dao động: T m d2y Đặt u dt 2 y mg , ta có: k m CB L2 k b) Độ dãn của mỗi lị xo khi thanh MN ở vị trí cân bằng được xác định bởi: mg = 2kx x0 = mg Trong thời gian phóng điện, thanh chịu tác dụng của lực từ 2k F = BI l Sau thời gian , thanh đạt vận tốc v được xác định bởi định luật II Newtơn: mv F BIl (1) m v Vì bỏ qua dịch chuyển của thanh trong thời gian , nên cũng bỏ qua tác dụng của dịng cảm ứng trong thời gian này. Thanh sẽ đi xuống tới vị trí thấp nhất, cách vị trí cân bằng một đoạn A. Chọn mốc tính thế năng trọng trường tại vị trí thấp nhất áp dụng định luật bảo tồn năng lượng ta có: 2 mv2 k �mg � k �mg � + � �+ mgA = � + A � 2 �2k � �2k � A= Từ (1) và (2) v= m 2k ( 2) Tại thời điểm t = 0 v = ωA cosϕ = BI l τ 2mk � cosϕ = Vì vật dao động điều hồ, nên ω = Lúc t = 0 A=v 2k m π �ϕ=� ( 1) và Vmax= A=Vo Từ đồ thị, ta thấy: v0 > chứng tỏ vật chuyển động theo chiều dương của trục toạ độ. Liền sau đó thì vận tốc có độ lớn tăng chứng tỏ vật đang chuyển P’ động về vị trí cân bằng x0 0 k = 0, 1, 2…Lần đầu tiên v = 0 ứng với kmin = 0 ω= ωt = 5π ω= 5π 6t 2 25π ( 2) Từ (1) và (2) � k = mω = 0,3.25 π �103( N / m) 2.9 Bài 24: ( HSG 12 TỈNH VĨNH PHÚC 2013 2014) O Một hịn bi kim loại, nhỏ khối lượng m được gắn vào thanh kim loại mảnh nhẹ dài L. Thanh treo cố định O và có L thể quay dễ dàng quanh O. Trong q trình chuyển động hịn bi B ln tiếp xúc với vịng trịn kim loại. Hệ thống được mắc với m + tụ điện C tạo thành m ạch kín và đặt trong từ trường đều có véc r tơ cảm ứng từ B vng góc với mặt phẳng mạch điện. Bỏ qua ma sát và điện trở dây nối. Đưa thanh kim loại đến vị trí lệch Hình 24 khỏi phương đứng góc 0 nhỏ rồi thả nhẹ. Tìm chu kì dao động điều hịa của hịn bi C HƯỚNG DÃN GIẢI Xét tại li độ , tốc độ góc bằng ω = α ' = α L2α L2α = φ = B.S = B 2π 2 L α' q = C.eC = −C.B s = π.L2 Bảo toàn năng lượng: mgL(1 − cosα) + dα dt eC = − dφ L2α ' = − B dt m.(Lω) q + = const 2C α mL2 C2 B2 L4 mgL + (α ') + (α ') = const 2 8C Đạo hàm hai vế theo thời gian: 2α.α ' mL2 C B2 L4 mgL + 2α '.α ''+ 2α '.α '' = 2 8C α '' = − mg α = −ω2 α B2 L3C mL + B2 L3C mL + 2π T= = 2π ω mg 7. 2. 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 30 năng vận dụng vào linh hoạt trong bài giải kết quả thi học sinh giỏi đã đạt kết quả cao trong năm học 2016 – 2017, 20172018, 20192020 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 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 11,12 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 8. Những thơng tin cần được bảo mật (nếu có): khơng 9. Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến Giáo viên giảng dạy mơn Vật Lí lớp 11 các trường THPT trên tồn quốc Học sinh học khá giỏi và học sinh u thích mơn Vật Lí lớp 11,12 các trường THPT trên tồn quốc Sách giáo khoa và sách giáo viên Vật Lí lớp 11 Thời gian thực hiện dạy bồi dưỡng học sinh giỏi Một số tài liệu tham khảo khác 10. Đánh giá lợi ích thu được hoặc dự kiến có thể thu được do áp dụng sáng kiến 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 ơn thi học sinh giỏi mơn Vật Lí lớp 11,12, 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 mơi 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 31 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 Đặc biệt trong năm học 2016 – 2017 tơi bồi dưỡng + 3 em học sinh lớp 11 thi giỏi 12 kết quả cụ thể như sau: 01 giải nhì (em Lê Thị Hồi lớp – 11A1), 01 giải ba (em Phạm Thị Hào – Lớp 11A1) +2 em học sinh lớp 11 thi casio 12 kết quả cụ thể như sau:01 giải nhì ( em Lê Thị Hồi lớp 11A1), 01 giải khuyến khích( em Phạm Thị Hào – Lớp 11A1) + 6 em học sinh lớp 11 đi thi Học sinh giỏi lớp 11 , kết quả cả 6 em đạt giải cụ thể như sau: 01 giải nhất (Em Phạm Thị Hào – Lớp 11A1), 02 giải nhì (Lê Thị Hồi – Nguyễn Xn Trường Lớp 11A1), 02 giải 3 ( Nguyễn Thị Bích Giang – Phạm Văn Long Lớp 11A1), 01 giải khuyến khích (Cao Quang Thịnh – Lớp 11A1) Năm 2017 2018 tơi bồi dưỡng: +2 em tham gia thi học sinh giỏi 12 theo đề của chun kết quả cụ thể như sau: cả hai em Phạm Thị Hào và Lê Thị Hồi là học sinh lớp 12A1 đều đạt giải khuyến khích + 8 em tham gia học sinh giỏi 12 cấp tỉnh, kết quả cả 8 em đều được giải cụ thể như sau: 03 giải nhì( em Phạm Thị Hào, Phạm Văn Long, Nguyễn Xn Trường ), 03 giải ba ( Lê Thị Hồi, Nguyễn Thị Thu, Nguyễn Thị Bích Giang), 02 giải Khuyến Khích (Cao Quang Thịnh, Dương Thị Huyền) Năm 2019 2020 tơi bồi dưỡng: 3 em tham gia học sinh giỏi vượt cấp lớp 12 đạt 3 giải khuyến khích cụ thể là cá em: + Nguyễn Thị Hương lớp 11A1 + Nguyễn Tuấn Anh lớp 11A1 + Chu Lam Sơn lớp 11A1 10.2. Đánh giá lợi ích thu được hoặc dự kiến có thể thu được do áp dụng sáng kiến theo ý kiến của tổ chức, cá nhân: Khi áp dụng sáng kiến này trong q trình soạn, giảng ơn thi học sinh giỏi mơn vật lí lớp 11, 12 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 bài tốn mạch điện chứa tụ 32 11. Danh sách những tổ chức/cá nhân đã tham gia áp dụng thử hoặc áp dụng sáng kiến lần đầu Số Tên tổ chức/cá nhân TT Nguyễn Thị Thu Hà Nguyễn Đức Thụ Nguyễn Văn Tuấn Trần Văn Tuấn Phạm Văn Nam Địa chỉ Phạm vi/Lĩnh vực áp dụng sáng kiến Giáo viên mơn Lí trườngV ật lí 11 ,12 THPT Đồng Đậu Giáo viên mơn Lí trườngV ật lí 12 THPT Đồng Đậu Giáo viên mơn Lí trườngV ật lí 11,12 THPT Đồng Đậu Giáo viên mơn Lí trườngV ật lí 12 THPT Đồng Đậu Giáo viên mơn Lí trườngV ật lí 11, 12m THPT Đồng Đậu 33 Nguyễn Thị Luận , ngày tháng năm Thủ trưởng đơn vị/ Chính quyền địa phương (Ký tên, đóng dấu) Giáo viên mơn Lí trườngV ật lí 11 THPT Đồng Đậu , ngày tháng năm CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SÁNG KIẾN CẤP CƠ SỞ (Ký tên, đóng dấu) Yên Lạc, ngày 15 tháng 02 năm 2020 Tác giả sáng kiến (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Thị Thu Hà 34 ... 7. 1. 1. Cơ sở? ?lí? ?thuyết 7. 1. 1. 1. Hiện tượng? ?cảm? ?ứng? ?điện? ?từ Hiện tượng? ?cảm? ? ứng? ?điện? ?từ? ? là hiện tượng xuất hiện suất? ?điện? ?động? ?cảm? ? ứng? ? trong mạch? ?điện? ?kín khi có sự biến đổi của? ?từ? ?thơng qua mạch... thân cũng phải đầu tư hơn cho chun mơn của mình,? ?và? ?ln tìm tịi? ?các? ?bài? ?tập? ?mơi 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... thanh ray song song nằm ngang? ?và? ?nối với nguồn? ?điện? ?(hình 1).? ?Hệ? ?thống? ?đặt trong? ?từ? ? trường đều B hướng thẳng ? ?ứng? ?từ? ?trên xuống? ?và? ?B=0,2T.? ?Hệ? ?số ma sát giữa CD? ?và? ? ray là k=0,1. Bỏ qua? ?điện? ?trở ? ?các? ?thanh ray,? ?điện? ?trở tại nơi tiếp xúc? ?và? ?dịng? ?điện? ? cảm? ?ứng? ?trong mạch. Lấy g=10m/s2