Các thí nghiệm xây dựng được đều cho phép xử lí định lượng tất cả các số liệu thu được từ hiện tượng cảm ứng điện từ; qua đó, kiểm nghiệm được các định luật về cảm ứng điện từ. Việc sử dụng các thí nghiệm mới này trong dạy học vật lí 11 sẽ giúp học sinh nghiên cứu sâu hơn các hiện tượng, định luật cảm ứng điện từ.
XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM VỚI ỐNG DÂY GHÉP NỐI MÁY VI TÍNH ĐỂ DẠY HỌC CHỦ ĐỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng Quyên Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, 136 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội Email: trinhtb@hnue.edu.vn Tóm tắt: Đóng góp Faraday tượng cảm ứng điện từ định luật tượng tảng cho cách mạng khoa học công nghệ lần thứ hai nhân loại Việc dạy học kiến thức cảm ứng điện từ, thế, đóng vai trị quan trọng chương trình vật lí phổ thơng Các thí nghiệm có trường phổ thông khảo sát tượng cảm ứng điện từ chủ yếu mặt định tính; dừng lại việc tìm hiểu ngun nhân xuất dịng điện cảm ứng xác định chiều dòng điện cảm ứng; chưa khảo sát cường độ dòng điện cảm ứng, chưa nghiên cứu định luật Faraday Việc sử dụng thí nghiệm ghép nối với cảm biến máy vi tính cho phép tự động thu thập nhiều số liệu thời gian ngắn Học sinh sử dụng phần mềm để lập bảng, đồ thị thực nghiệm; phân tích, xử lí số liệu thu từ cảm biến cách nhanh chóng xác Các kết phân tích số liệu hiển thị hình rõ ràng, khoa học có tính trực quan cao Bài báo trình bày kết nghiên cứu gần nhóm tác giả xây dựng thí nghiệm cảm ứng điện từ với ống dây ghép nối cảm biến Các thí nghiệm xây dựng cho phép xử lí định lượng tất số liệu thu từ tượng cảm ứng điện từ; qua đó, kiểm nghiệm định luật cảm ứng điện từ Việc sử dụng thí nghiệm dạy học vật lí 11 giúp học sinh nghiên cứu sâu tượng, định luật cảm ứng điện từ Từ khóa: cảm biến, cảm ứng điện từ, thí nghiệm ghép nối máy vi tính I Đặt vấn đề Kiến thức cảm ứng điện từ chương trình vật lí phổ thơng có nhiều ứng dụng quan trọng đời sống gắn liền với thực tiễn Năm 1831, nhà bác học Michael Faraday quan sát thực nghiệm thấy: dòng điện mạch điện biến đổi làm xuất dịng điện mạch thứ hai Đó sở định luật Faraday - đóng góp xuất sắc cho khoa học [4] [5] Ông khám phá phát triển kiến thức đường thực nghiệm, đó, việc sử dụng thí nghiệm dạy học chương Cảm ứng điện từ quan trọng cần thiết Các thí nghiệm phổ thơng có giúp phát xuất dịng điện cảm ứng xác định chiều dòng điện cảm ứng, nhiên số nhược điểm sau: - Chỉ định tính, chưa khảo sát độ lớn suất điện động cảm ứng Các phương án thí nghiệm dựa vào lệch kim điện kế để phát dòng điện cảm ứng dùng quy tắc nắm tay phải để xác định chiều dòng điện chạy qua ống dây [1] (Hình 1) Vì thế, phương án thí nghiệm có trường phổ thơng chưa giúp học sinh nghiên cứu định luật Faraday - Kích thước thí nghiệm lớn nên giáo viên gặp khó khăn việc di chuyển - Hiện tượng xảy nhanh không lưu lại kết quả, khơng “làm chậm” q trình để quan sát, phân tích Hình 1: Các thí nghiệm cảm ứng điện từ có trường phổ thơng Sử dụng thí nghiệm ghép nối cảm biến máy vi tính khắc phục nhược điểm nêu thí nghiệm truyền thống có mở khả thí nghiệm Cảm biến cho phép tự động hóa việc thu thập liệu thực nghiệm thời gian ngắn [8] Thiết bị ghép tương thích chuyển đổi liệu dạng tín hiệu tương tự sang liệu dạng số đưa vào máy vi tính có cài đặt phần mềm chun dụng (Hình 2) Học sinh sử dụng phần mềm để lập bảng, đồ thị thực nghiệm; phân tích, xử lí số liệu thu từ cảm biến cách nhanh chóng xác [3] Các kết phân tích số liệu hiển thị hình rõ ràng, khoa học có tính trực quan cao Hình 2: Sơ đồ nguyên lí thí nghiệm ghép nối máy vi tính [2] Chúng tơi tập trung xây dựng thực nghiệm số thí nghiệm với ống dây ghép nối cảm biến tượng cảm ứng điện từ, định luật Lenz, định luật Faraday, tượng tự cảm để sử dụng dạy học chương Cảm ứng điện từ thuộc chương trình vật lí lớp 11 THPT II Thực nghiệm kết Thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm vĩnh cửu chuyển động qua ống dây Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm xuất suất điện động cảm ứng nam châm dịch chuyển qua ống dây; kiểm nghiệm định luật Lenz, định luật Faraday Dụng cụ bố trí thí nghiệm Kết nối cảm biến hiệu điện (1) với máy tính thơng qua thiết bị ghép tương thích (2); đầu cịn lại nối với hai đầu ống dây (4) treo giá đỡ (7) Cài đặt thông số phần mềm Coach (8): tần số lấy mẫu, thời gian lấy mẫu, điều kiện bắt đầu ghi số liệu, loại đồ thị biểu diễn Móc nam châm (3) vào đầu dây vắt qua ròng rọc cố định (5), đầu dây lại treo nặng (6) (Hình 3) Hình 3: Bố trí thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm vĩnh cửu chuyển động qua ống dây Tiến hành kết thí nghiệm Thí nghiệm 1: Kiểm tra xuất suất điện động cảm ứng - Treo 01 nặng; nhấn nút khởi động phần mềm; thả tay để nam châm rơi qua lòng ống dây Cảm biến tự động ghi hiển thị số đo hiệu điện xuất hai đầu ống dây (U) theo thời gian (t) đồ thị U - t - Quan sát đồ thị U – t, nhận xét thay đổi giá trị hiệu điện trình chuyển động nam châm Kết quả: Khi nam châm dịch chuyển qua lòng ống dây, cảm biến ghi giá trị khác hiệu điện hai đầu ống dây (Hình 4) Nghĩa là: xuất suất điện động ống dây Suất điện động cảm ứng tồn trước, trong, sau nam châm chuyển động qua ống dây Hình 4: Đồ thị mơ tả hình thành biển đổi suất điện động có dịch chuyển nam châm qua ống dây Giải thích: Khi nam châm dịch chuyển so với ống dây, số đường sức từ qua diện tích vịng dây thay đổi (từ thơng biến thiên), gây suất điện động cảm ứng (hiện tượng cảm ứng điện từ) Thí nghiệm 2: Kiểm nghiệm định luật Lenz - Nhấn nút khởi động phần mềm; di chuyển nặng để cực Bắc nam châm lại gần ống dây Cảm biến ghi số liệu phần mềm tự động vẽ đồ thị U - t (trường hợp a) - Nhấn nút khởi động phần mềm; di chuyển nặng để cực Bắc nam châm xa ống dây Phần mềm tự động vẽ đồ thị U - t (trường hợp b) - So sánh đồ thị U - t hai trường hợp giải thích Kết quả: Dấu suất điện động cảm ứng thay đổi chuyển động cực Bắc nam châm so với ống dây đổi chiều (Hình 5a, 5b) (a) (b) Hình 5: Đồ thị mơ tả hình thành biển đổi suất động cảm ứng cực Bắc nam châm di chuyển: a) lại gần ống dây, b) xa ống dây Giải thích: Khi cực Bắc nam châm lại gần ống dây, số đường sức từ qua diện tích vịng dây tăng lên, từ thơng tăng lên, sinh suất điện động cảm ứng Khi cực Bắc nam châm xa, từ thông giảm đi, sinh suất điện động cảm ứng ngược dấu Dấu suất điện động cảm ứng phụ thuộc xu hướng tăng hay giảm từ thông (hệ định luật Lenz) Thí nghiệm 3: Kiểm nghiệm định luật Faraday - Treo 02 nặng lên ròng rọc giữ cho cực Bắc nam châm lòng ống dây; nhấn nút khởi động phần mềm; thả tay để 02 nặng kéo nam châm lên trên; phần mềm tự động vẽ đồ thị U - t (trường hợp a) - Lặp lại thao tác với 03 nặng; phần mềm vẽ đồ thị U - t (trường hợp b) - So sánh đồ thị U - t hai trường hợp giải thích Kết quả: Khi treo 03 nặng nam châm chuyển động khỏi ống dây nhanh treo 02 nặng tương ứng, thu suất điện động cảm ứng cực đại lớn (120 mV > 68 mV) (Hình 6) (a) (b) Hình 6: Đồ thị mơ tả hình thành biển đổi suất động cảm ứng cực Bắc nam châm bị kéo khỏi ống dây hai trường hợp: a) với 02 nặng: suất điện động cực đại 68mV, b) với 03 nặng: suất điện động cực đại 120mV Giải thích: Khi nam châm chuyển động với tốc độ (trung bình) nhỏ tốc độ biến thiên từ thơng gửi qua ống dây nhỏ, kéo theo suất điện động cảm ứng nhỏ (hệ định luật Faraday), ngược lại Thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm vĩnh cửu quay cạnh ống dây Mục đích thí nghiệm: Khảo sát suất điện cảm ứng ống dây có nam châm vĩnh cửu quay bên cạnh; kiểm nghiệm định luật Faraday Dụng cụ bố trí thí nghiệm Gắn nam châm (4) với mơ tơ (5) cấp điện pin (6); nam châm quay bên cạnh ống dây (3) kết nối cảm biến hiệu điện (1), thiết bị ghép tương thích (2) máy vi tính có cài đặt phần mềm Coach (7) (Hình 7) Hình 7: Bố trí thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm vĩnh cửu quay cạnh ống dây Tiến hành kết thí nghiệm - Bật cơng tắc nguồn điện; nam châm bắt đầu quay; nam châm quay ổn định, nhấn nút khởi động phần mềm; phần mềm tự động vẽ đồ thị U - t - Phân tích đồ thị U – t thu Kết quả: Khi nam châm vĩnh cửu quay cạnh ống dây, hai đầu ống dây xuất hiệu điện biến đổi theo quy luật hình sin (Hình 8) Hình 8: Đồ thị mơ tả hình thành biển đổi suất động cảm ứng nam châm vĩnh cửu quay cạnh ống dây Giải thích: Hiệu điện hai đầu ống dây suất điện động cảm ứng tạo biến thiên từ thông gửi qua ống dây (hiện tượng cảm ứng điện từ) Suất điện động biến đổi tuần hoàn từ thơng biến đổi tuần hồn (hệ định luật Faraday); từ thơng biến đổi tuần hồn nam châm quay cạnh ống dây đứng yên Thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm điện Mục đích thí nghiệm: Kiểm tra xuất suất điện động cảm ứng có tăng giảm từ trường đột ngột (do đóng, ngắt nam châm điện); kiểm nghiệm định luật Lenz Dụng cụ bố trí thí nghiệm Nam châm điện (3) nối với nguồn điện có cơng tắc (4) Nam châm đặt gần sát ống dây (5) kết nối cảm biến hiệu điện (1), thiết bị ghép tương thích (2) máy vi tính có cài đặt phần mềm Coach (6) (Hình 9) Hình 9: Bố trí thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm điện Tiến hành kết thí nghiệm - Nhấn nút khởi động phần mềm; bật công tắc để cấp điện cho nam châm điện; cảm biến ghi số liệu phần mềm tự động vẽ đồ thị U - t (trường hợp a) - Nhấn nút khởi động phần mềm; tắt công tắc phần mềm tự động vẽ đồ thị U - t (trường hợp b) - Phân tích so sánh đồ thị U – t hai trường hợp Kết quả: Khi bật công tắc cấp điện cho nam châm điện (trường hợp a), hiệu điện hai đầu ống dây (ban đầu 0) tăng đột ngột sau giảm Khi bật cơng tắc cấp điện cho nam châm điện, tượng diễn hiệu điện ngược dấu so với trường hợp a (a) (b) Hình 10: Đồ thị mơ tả hình thành suất điện động cảm ứng ống dây đặt cạnh nam châm điện a) bật công tắc cấp điện cho nam châm điện, b) tắt công tắc ngắt điện khỏi nam châm điện Giải thích: Khi bật công tắc (trường hợp a), từ trường tạo nam châm điện tăng đột ngột từ đến giá trị đó; làm cho từ thơng qua ống dây thay đổi đột ngột; gây suất điện động cảm ứng lòng ống dây Dòng điện chạy qua nam châm điện nhanh chóng ổn định; từ thơng qua ống dây nhanh chóng ổn định; vậy, suất điện động cảm ứng nhanh chóng (hiện tượng cảm ứng điện từ) Khi tắt công tắc, từ trường tạo nam châm điện giảm đột ngột 0; gây suất điện động cảm ứng thời gian ngắn Chiều biến đổi từ thông thay đổi nên dấu suất điện động biến đổi (hệ định luật Lenz) Thí nghiệm tượng tự cảm với ống dây biến trở Mục đích thí nghiệm: Khảo sát tăng dịng điện mạch điện chứa ống dây mạch điện chứa điện trở đóng mạch; minh họa tượng tự cảm Dụng cụ bố trí thí nghiệm Kết nối cảm biến dịng điện (1) với máy tính có cài đặt phần mềm Coach (6) thông qua thiết bị ghép tương thích (2) Đầu cịn lại cảm biến (đóng vai trị ampe kế) nối với nguồn điện có cơng tắc (5) biến trở (4) để tạo thành mạch điện chứa điện trở (Hình 11a) Kết nối cảm biến với nguồn điện ống dây (3) để tạo thành mạch điện chứa ống dây (Hình 11b) (a) (b) Hình 11: Bố trí thí nghiệm tượng tự cảm, gồm mạch điện chứa điện trở (a) mạch điện chứa ống dây (b) Tiến hành kết thí nghiệm - Điều chỉnh biến trở cho điện trở biến trở điện trở ống dây (dòng điện hai mạch Hình 11a Hình 11b có giá trị nhau) - Lắp mạch Hình 11a (chỉ chứa điện trở); nhấn nút khởi động phần mềm; bật công tắc để cấp điện cho mạch; phần mềm tự động vẽ đồ thị U – t (trường hợp a) - Lắp mạch Hình 11b (chỉ chứa ống dây); nhấn nút khởi động phần mềm; bật công tắc để cấp điện cho mạch; phần mềm vẽ đồ thị U – t (trường hợp b) - Phân tích so sánh đồ thị U – t hai trường hợp Kết quả: Dòng điện mạch chứa điện trở khoảng 0.4 ms để tăng đến giá trị ổn định (khoảng 200 mA) (Hình 12a); khi, dịng điện mạch chứa ống dây khoảng ms (lâu gấp 20 lần) để tăng đến giá trị ổn định (khoảng 200 mA) (a) (b) Hình 12: Đồ thị mơ tả tăng dịng điện mạch điện chứa điện trở (a) mạch điện chứa ống dây (b) đóng mạch Giải thích: Dịng điện mạch chứa ống dây nhiều thời gian để đạt đến giá trị không đổi tượng tự cảm: đóng mạch, dịng điện tăng lên đột ngột; làm từ thơng qua ống dây tăng lên; kéo theo xuất suất điện động cảm ứng (suất điện động tự cảm) ống dây Suất điện động chống lại tăng dòng điện mạch (hệ định luật Lenz) III Kết luận Qua trình nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng 04 thí nghiệm ghép nối ống dây với cảm biến máy vi tính để sử dụng dạy học kiến thức tượng cảm ứng điện từ, tượng tự cảm, định luật Lenz định luật Faraday Bộ thí nghiệm cảm ứng điện từ với nam châm vĩnh cửu chuyển động qua ống dây tương tự với thí nghiệm truyền thống có, nhỏ gọn hơn; thực nhiều phương án thí nghiệm Đặc biệt, kiểm nghiệm định luật Faraday độ lớn suất điện động cảm ứng, mà thí nghiệm truyền thống khơng thực khơng thể thu thập xử lí định lượng số liệu suất điện động cảm ứng 03 thí nghiệm cịn lại xây dựng dựa sở mở rộng nguyên nhân khác làm biến đổi từ thơng qua mạch 04 thí nghiệm xây dựng hỗ trợ việc kiểm tra dự đoán dễ dàng; cho phép triển khai nhiều thiết kế phương án thí nghiệm học sinh đề xuất dạy học định hướng phát triển lực Ví dụ, nam châm quay trước ống dây với tốc độ góc xác định, học sinh dự đốn: suất điện động cảm ứng xuất biến đổi theo quy luật tuần hoàn Nếu sử dụng điện kế hay vôn kế thông thường dựa vào độ lệch kim khơng thể kiểm tra dự đốn Với việc sử dụng cảm biến thu thập hàng ngàn số liệu thời gian ngắn việc sử dụng phần mềm hiển thị trực tiếp trình biến đổi thí nghiệm mơ tả (Hình 7, Hình 8), việc kiểm tra dự đoán học sinh trở nên nhanh gọn dễ dàng Một ví dụ khác: tượng tự cảm xảy tích tắc (cỡ ms) thí nghiệm truyền thống giúp phát hiện tượng cách gián tiếp qua so sánh tốc độ sáng hai bóng đèn Việc ghép nối ống dây với cảm biến thí nghiệm (Hình 11, 12) giúp học sinh phát hiện tượng cách trực quan chi tiết hơn: tăng dòng điện thời gian ngắn hiển thị lưu lại lâu dài phần mềm, cho phép học sinh phân tích sâu giải thích tượng Như vậy, 04 thí nghiệm ghép nối ống dây với cảm biến sử dụng dạy học kiến thức chương Cảm ứng điện từ với vai trò thí nghiệm đặt vấn đề, thí nghiệm khảo sát, thí nghiệm kiểm chứng Học sinh phát triển lực giải vấn đề sáng tạo thơng qua hoạt động dự đốn, kiểm tra giả thuyết; thiết kế xây dựng nhiều phương án thí nghiệm khác với cảm biến hiệu điện cảm biến dòng điện để giải vấn đề đặt Mặc dù thí nghiệm ghép nối cảm biến máy vi tính có nhiều ưu điểm, song chưa sử dụng rộng rãi trường phổ thơng Một phần cịn nghiên cứu lí luận thực tiễn vấn đề việc dạy học chương, cụ thể chương trình Vật lí phổ thơng [2] [7] Do đó, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu xây dựng sử dụng thí nghiệm ghép nối cảm biến, mở rộng sang phần khác Vật lí Điện học, Âm học, Dao động sóng Tài liệu tham khảo [1] Lương Dun Bình (Tổng chủ biên), Sách giáo khoa Vật lí 11 NXB Giáo dục Việt Nam (2011) [2] Phạm Xuân Quế, Ứng dụng công nghệ thông tin tổ chức hoạt động nhận thức Vật lí tích cực, chủ động sáng tạo NXB Đại học Sư phạm (2007) 10 [3] Phạm Xuân Quế, Khái niệm phân loại phương tiện dạy học số dạy học Vật lí Tạp chí: Giáo dục số 167 (2007) [4] Jean, Pierre Maury, Lược sử Vật lí NXB Tri thức (2016) [5] Đào Văn Phúc, Lịch sử Vật lí học NXB Giáo dục (1999) [6] David Halliday, Cơ sở Vật lí NXB Giáo dục Việt Nam (2011) [7] Trần Bá Trình, Integration of Information Communication Technology into Inquiry-Based Science Education: Relevance in stimulating learners’ authentic inquiry practices Journal of Science of HNUE, 61 (11), pp 66 – 74 (2016) DEVELOPMENT OF MBL EXPERIMENTS WITH SOLENOID FOR TEACHING OF ELECTROMAGNETIC INDUCTION Abstract: As Faraday’s contribution, electromagnetic induction phenomena and laws formed the basis of the 2nd industrial revolution The teaching of these concepts, therefore, is crucial part of the secondary physics curriculum The school laboratory now only allows students to study electromagnetic induction qualitatively; inquiring conditions for appearance of the electromagnetic induction current and direction of such current The recent laboratory cannot be used to investigate magnitude of the current and so Faraday’s law yet MicrocomputerBased Laboratory (MBL) enables the automatic collection of much data in very short time via sensors Additionally, students can use accompanying software to make tables, graphs and analyse the experimental data quickly and precisely Analysis outcomes are scientifically and visually displayed on the screen This paper presents results of our development work on MBL experiments on electromagnetic induction These experiments allow quantitative analysis of all data gathered from the electromagnetic induction with solenoid, and so validate the electromagnetic induction laws The use of such MBL experiments will enable secondary school students to study electromagnetic induction phenomena and laws more comprehensively Key words: electromagnetic induction, microcomputer-based laboratory, sensor 11