Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý ở trường THPT phần từ trường và cảm ứng điện từ

Tương tác từ giữa hai dòng điện Một trường hợp thực tế rất đáng được quan tâm là hai dây dẫn mảnh thẳng song song có một dòng chạy qua sẽ hút hoặc đẩy nhau tùy thuộc vào chiều của dòng đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG PHẦN TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thị Thu Hiền Sinh viên thực hiện khóa luận: Nguyễn Thị Hằng

Hà Nội – 2018

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm, động viên và giúp đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè Tôi xin đượcbày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc của mình đến:

Cô PGS.TS Lê Thị Thu Hiền, người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn, đã rất tận tâm, tận tình chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm, là người luôn động viên và giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Quý thầy cô trong Khoa Vật Lý, trường Đại học Giáo dục đã luôn tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và những ý kiến đóng góp hết sức chân tình để tôi có thể hoàn thiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè thân hữu đã hết lòng quan tâm, động viên, cổ vũ và giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên Hằng Nguyễn Thị Hằng

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Hồ Chí Minh Học sinh Nhà xuất bản Phó giáo sư Sách giáo khoa Trung học phổ thông Trung học phổ thông Thành phố

Tiến sĩ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.1 Phân tích nội dung, chương trình phổ thông phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ” 3

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ” 3 1.1.2 Những yêu cầu chương trình phổ thông mới 18

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức 20

1.2.1 Sơ đồ chương trình phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ” 21

1.2.2 Phân tích logic hình thành kiến thức 23

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 35

2.1 Thí nghiệm khảo sát phương, chiều và độ lớn của lực tác dụng lên dòng điện 35

2.2 Thí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ 38

2.3 Thí nghiệm dòng Foucault 40

2.4 Thí nghiệm hiện tượng tự cảm 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

3.1 Báo cáo thí nghiệm xác định phương, chiều và độ lớn của lực từ 44 3.2 Báo cáo thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ 46

3.3 Báo cáo thí nghiệm về dòng điện Foucault 47

3.4 Báo cáo thí nghiệm về hiện tượng tự cảm 48

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước ta đang trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế, việc tạo nguồn nhân lực phục vụ cho sự phát triển của đất nước là cực kì quan trọng Để thực hiện được mục tiêu này, cần phải quan tâm đến cải cách giáo dục để nâng cao chất lượng, đào tạo ra lớp người lao động mới có tri thức cao Những thay đổi cơ bản trong nội dung học tập, hình thức tổ chức

và phương pháp dạy học, đặc biệt là đổi mới phương pháp dạy và học Điều 28.2 của luật giáo dục đã ghi: “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của HS; phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho HS…”[4] Hay có thể nói cốt lõi của sự đổi mới dạy và học là hướng tới hoạt động học tập chủ động, chống lại thói quen học tập thụ động, khi đó mới tạo ra được sự đổi mới thực sự trong giáo dục

Vật lí ở THPT chủ yếu là vật lí thực nghiệm, hầu hết các khái niệm, định luật, thuyết vật lí… đều được rút ra trên cơ sở quan sát, khảo sát, phân tích các kết quả có được từ thực nghiệm Dạy học vật lí không chỉ đơn thuần

là cung cấp những kiến thức về vật lí, mà quan trọng là phải trang bị những kĩ năng, kĩ xảo về thực hành: lắp ráp, tiến hành thí nghiệm quan sát, thu thập và

xử lí số liệu Vì vậy, phương pháp thực nghiệm là một trong những phương pháp đặc trưng quan trọng nhất đối với bộ môn vật lí

Phần nội dung “Từ trường và Cảm ứng điện từ” ở chương trình Vật lí lớp 11 có nhiều hiện tượng và nội dung kiến thức rất trừu tượng Nếu như dạy học theo phương pháp truyền thống, chủ yếu là thuyết trình, diễn giải, mô tả

sẽ gây khó hiểu, không hiểu rõ bản chất vật lí và nhàm chán cho HS Dạy học các nội dung đó đòi hỏi phải trực quan hóa các hiện tượng, quá trình vật lí thông qua các thí nghiệm thật để HS dễ hiểu và hứng thú học hơn

Xuất phát từ những lí do trên, tôi lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “Thiết

kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý ở trường THPT phần Từ trường và Cảm ứng điện từ”

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bài thí nghiệm phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ” Vật lí

11 và sử dụng vào dạy học ở THPT theo chương trình phổ thông mới góp phần nâng cao chất lượng học tập của HS

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chương trình phổ thông mới về dạy học theo hướng phát triển năng lực cho HS Nghiên cứu lí luận về phương pháp thực nghiệm và

ứng dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lí THPT

- Nghiên cứu và phân tích nội dung chương trình Vật lí THPT phần “Từ

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Phân tích nội dung, chương trình phổ thông phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ”

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ”

a Từ trường

 Tương tác từ của dòng điện Định luật Ampe

Một dòng điện thẳng cũng có thể hút hoặc đẩy một kim nam châm (hình 1.1) Nếu ta cho một dòng điện đi qua một dây dẫn thẳng nằm gần một kim nam châm thì dây điện có dòng này sẽ làm cho kim nam châm quay Nam châm cũng có thể hút hoặc đẩy dây dẫn có dòng tùy thuộc vào chiều của dòng điện trong dây dẫn

Hình 1.1 Tác dụng từ của dòng

điện

Hình 1.2 Tương tác từ giữa hai dòng

điện Một trường hợp thực tế rất đáng được quan tâm là hai dây dẫn mảnh thẳng song song có một dòng chạy qua sẽ hút hoặc đẩy nhau tùy thuộc vào chiều của dòng điện chạy trong dây dẫn đó Nếu dòng điện trong cả hai dây cùng chiều thì hai dây có dòng này sẽ hút nhau (hình 1.2), ngược lại khi chiều dòng điện trong hai dây đối nghịch sẽ đẩy nhau

Từ các kết quả thực nghiệm trên ta có thể kết luận là dây dẫn có dòng

điện chạy qua cũng có tác dụng như tác dụng của một nam châm cố định: tác

dụng từ

Yếu tố dòng cơ bản là một đoạn vô cùng ngắn của dây dẫn có dòng

chạy qua (từ nay về sau ta gọi là dòng điện) Yếu tố này được biểu diễn dưới dạng vectơ I𝑑𝑙⃗⃗⃗ Trong đó I là cường độ dòng điện, 𝑑𝑙⃗⃗⃗ là yếu tố vectơ lấy trên dòng điện có chiều hướng với chiều của dòng điện

Hình 1.3 Yếu tố dòng cơ bản Định luật Ampe được phát biểu như sau:

Lực từ do yếu tố dòng 𝐼1𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗ tác dụng lên yếu tố 𝐼1 2𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗⃗ cùng được đặt 2trong chân không là một đại lượng vectơ 𝑑𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ : 12

- Có phương vuông góc với mặt phẳng chứa yếu tố 𝐼2𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗⃗ và pháp tuyến 2𝑛⃗

- Có chiều sao cho ba vectơ 𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , 𝑛⃗ , 𝑑𝐹2 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ tạo thành một tam diện thuận 12

- Có độ lớn bằng:

𝑑𝐹12 = k𝐼2𝑑𝑙2𝑠𝑖𝑛𝜃2𝐼1𝑑𝑙1𝑠𝑖𝑛𝜃1

𝑟 2

Trong đó k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hệ đơn vị được sử dụng Trong

hệ đơn vị SI đã được hợp lý hóa đối với các đại lượng điện từ, người ta đặt:

k = 𝜇0

4𝜋 và 𝜃1 = (I1dl1 ; 𝑟 )

𝜃2 = (I2dl2 ; 𝑛⃗ )

trong đó 𝜇0 được gọi là hằng số từ, có giá trị bằng 4π.10-7 H/m

Như vậy dưới dạng tổng quát, lực mà yếu tố dòng 𝐼1𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗ tác dụng lên 1yếu tố dòng khác 𝐼2𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗⃗ được biểu diễn dưới dạng sau: 2

𝑑𝐹⃗⃗⃗⃗⃗ = 12 𝜇0

4𝜋

𝐼2𝑑𝑙⃗⃗⃗ ˄(𝐼2 1𝑑𝑙⃗⃗ ˄𝑟)1 ⃗⃗⃗

𝑟3

Công thức trên thể hiện định luật Ampe về sự tương tác giữa hai yếu tố dòng điện[1, tr 102-104]

 Từ trường Vectơ cảm ứng từ

Các điện tích chuyển động có hướng (dòng điện) làm thay đổi tính chất của không gian bao quanh chúng và tạo nên trong đó một từ trường Chính từ trường thể hiện bằng lực tác dụng của nó lên các điện tích chuyển động khác (dòng điện)

Từ trường, khác với điện trường, không tác dụng lên các điện tích đứng yên mà chỉ tác dụng lên các điện tích chuyển động mà thôi

Để đặc trưng cho hướng và độ lớn của từ trường ta đưa vào đại lượng

vectơ 𝐵⃗ và đặt tên cho nó là vectơ cảm ứng từ

Thực nghiệm cũng là chỉ ra rằng, nguyên lý chồng chất vẫn được giữ nguyên tác dụng đối với từ trường, như trong trường hợp điện trường: Từ trường 𝐵⃗ do nhiều điện tích chuyển động (nhiều dòng) gây nên bằng tổng các vectơ từ trường 𝐵⃗⃗⃗ do mỗi điện tích riêng biệt chuyển động (mỗi dòng) gây 𝑖nên:

1

n

i i



 Định luật Biot – Savart – Laplace

Véctơ cảm ứng từ d B do yếu tố dòng Id𝑙 gây ra tại điểm P, cách yếu tố dòng một khoảng r là một đại lượng vectơ có:

- Gốc tại P

- Phương vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện Id𝑙 và P

- Chiều sao cho d𝑙 , 𝑟 , d B tạo thành một tam diện thuận

- Độ lớn:

dB = 0

2

sin 4

Idl r



Tổng quát:

0 3

Trên đoạn dây, ta lấy yếu tố dòng Id𝑙 , dùng công thức Biot – Savart – Laplace để xác định 𝑑𝐵⃗ tại điểm P:

0 3

Idl r



Hình 1.4 Từ trường của một đoạn dây

 Từ trường của dòng điện tròn

Hình 1.5 Từ trường của vòng dây tròn

Ta khảo sát cảm ứng từ do một vòng dây mảnh tròn bán kính R có dòng điện I chạy qua tại điểm P nằm trên đường vuông góc với mặt phẳng khung dây, đi qua tâm của vòng, cách vòng một khoảng r (hình 1.5)

Trên vòng tròn lấy một yếu tố dòng d𝑙 , vectơ d𝐵⃗ do yếu tố I d𝑙 gây ra thẳng góc với mặt phẳng đi qua dl và P Phân tích d𝐵⃗ ra thành hai thành phần:

d B và d B tương ứng song song và thẳng góc với trục OP Do tính đối xứng của bài toán thành phần d B từng đôi một triệt tiêu lẫn nhau, cho nên trong trường hợp này ta chỉ cần xét đến các đại lượng d B Tích phân theo d B ta có thể thu được cảm ứng từ B do vòng dây điện tròn gây ra

[ ]

Fq vB

Độ lớn lực này bằng:

F = qvBsinα trong đó α là góc giữa vectơ v và B

Vì rằng lực từ luôn luôn vuông góc với vận tốc chuyển động v nên không sinh ra công Như vậy ta không thể thay đổi năng lượng của các hạt tích điện bằng cách tác dụng lên nó một từ trường cố định[1, tr 111]

Nếu đồng thời tác dụng lên một hạt mang điện q điện trường E và từ trường B thì hạt mang điện sẽ chịu một lực tác dụng tổng cộng:

[ ]

FqEq vB

 Sự từ hóa của các vật liệu từ

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, dưới tác dụng của từ trường, vật liệu từ bị

từ hóa và tạo nên một từ trường bổ sung B', từ trường này cùng với từ trường của dòng điện gây nên từ hóa B0 tạo thành từ trường tổng cộng:

B = B0 +B'

Hiện tượng từ hóa của vật chất được Ampe giải thích như sau: Do điện

từ quay quanh hạt nhân nên các dòng điện phân tử chạy trong mỗi phân tử Mỗi một dòng điện có mômen từ riêng của mình và tạo ra xung quanh một từ trường Khi không có từ trường ngoài các dòng điện phân tử định hướng hỗn loạn và do đó trường tổng cộng do chúng tạo ra bằng không Mômen từ của toàn vật thể do đó cũng bằng không cũng vì sự định hướng hỗn loạn của các nguyên tử riêng biệt Khi có từ trường ngoài, các mômen từ của các phân tử riêng biệt có khuynh hướng định hướng theo cùng một hướng nên mômen từ tổng cộng của chúng trở nên khác không, tức là làm xuất hiện từ trườngB'

b Cảm ứng điện từ

 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Năm 1831, Faraday đã phát hiện ra rằng một dòng điện có thể được sản sinh ra trong một khung dây kín khi từ thông đi qua điện tích giới hạn bởi vòng dây thay đổi Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ và dòng điện được sản sinh ra được gọi là dòng cảm ứng

Hình 1.6 Mô hình thí nghiệm của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện

từ Faraday đã sử dụng một thí nghiệm như trên hình 1.6 để phát hiện ra điều đó: Hai cuộn dây X và Y được quấn trên một lõi sắt hình xuyến Cuộn X được nối với công tắc 1 pin qua công tắc S Cuộn Y được nối với một điện kế Đầu tiên, Faraday nghĩ rằng nhờ có lõi sắt một từ trường mạnh do cuộn X tạo

ra có thể làm phát sinh một dòng điện trong cuộn Y Kết quả với một dòng điện không đổi trong cuộn X thì trong cuộn Y không hề có một dòng điện nào Tuy nhiên, Faraday quan sát được kim điện kế lệch mạnh khi đóng và

mở công tắc

Từ đó, Faraday đã dẫn đến kết luận, chỉ có từ trường biến đổi mới làm

phát sinh dòng điện và dòng này được gọi là dòng cảm ứng Khi trường từ

trong cuộn Y biến đổi, thì trong nó có tồn tại một dòng điện Dòng điện này tương tự như một dòng điện do một nguồn điện tạo ra Như vậy, Faraday đã khẳng định rằng trường từ biến đổi sản sinh ra một suất điện động cảm ứng

Faraday còn tiếp tục thí nghiệm của mình về hiện tượng cảm ứng điện

từ bằng các thí nghiệm được mô tả trên hình 1.7

Hình 1.7 Thí nghiệm của Faraday về cảm ứng điện từ

bằng cách dùng nam châm Khi ông đưa nhanh một nam châm vào trong lòng một ống dây ta thấy

có dòng điện chạy qua ống dây Khi đưa nam châm ra khỏi ống dây ta cũng thu được dòng điện nhưng dòng có hướng ngược lại Hơn nữa ta cũng thu được kết quả tương tự bằng cách giữ nam châm đứng yên và cho ống dây chuyển động Như vậy sự xuất hiện một thế điện động cảm ứng trong ống dây phụ thuộc vào sự chuyển động tương đối của nam châm đối với ống dây[1, tr 143-144]

 Định luật cảm ứng điện từ Faraday và định luật Len – xơ

Faraday đã nghiên cứu định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của suất điện động cảm ứng Quan sát đầu tiên của ông là sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng vào thời gian Từ trường biến đổi càng nhanh thì suất điện động cảm ứng càng lớn, song suất điện động cảm ứng không chỉ tỉ lệ đơn giản đối với sự biến thiên của từ trường mà tỉ lệ với sự biến thiên từ thông gửi qua mặt giới hạn bởi khung dây

Từ khái niệm từ thông ta có thể viết phương trình về kết quả thực

nghiệm của Faraday: Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây dẫn bằng

và trái dấu với tốc độ biến thiên theo thời gian của từ thông gửi qua vòng dây đó:

B d E dt



 

Suất điện động cảm ứng được đo bằng Volt còn tốc độ biến thiên của từ thông được đo bằng Wv/s (T.m2/s) Phương trình trên được gọi là định luật

cảm ứng Faraday Phương trình này là một trong những phương trình cơ bản

của điện từ học Trong trường hợp có N vòng dây đấu nối tiếp tạo thành khung dây thì suất điện động cảm ứng 𝜀 xuất hiện trong khung dây đó được xác định bằng công thức:

B d

dt



 

Bằng thực nghiệm người ta cũng đã thiết lập được suất điện động cảm

ứng luôn tạo ra dòng cảm ứng sao cho từ trường của nó chống lại sự biến thiên của thông lượng từ trường tạo ra nó Đây chính là định luật Len – xơ

Dấu “-“ trong hai biểu thức trên thể hiện bản chất của định luật Len –

xơ

Một lần nữa cần phải nhấn mạnh rằng suất điện động cảm ứng chỉ xuất hiện khi từ thông biến thiên Vì rằng B BdSBcos dS nên ta có thể viết lại định luật Faraday dưới dạng sau:

- Cho từ trường B biến thiên

- Cho diện tích của ống dây hay góc định hướng giữa ống dây và từ trường 𝜃 thay đổi[1, tr 144-145]

 Suất điện động cảm ứng trong dây dẫn chuyển động

Còn một phương thức nữa để tạo ra và làm sáng tỏ bản chất của suất điện động cảm ứng Giả sử có một từ trường đều B thẳng góc với mặt phẳng của dây dẫn được uốn dưới dạng hình chữ U (hình 1.8)

Hình 1.8 Đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường Trên khung dây có một thanh dẫn có thể chuyển động được Khi thanh chuyển động với vận tốc v, sau khoảng thời gian dt có sẽ đi được một khoảng

dx = vdt, và như vậy diện tích của khung dây tăng lên một lượng dS = lvdt, trong đó l là độ dài của thanh bắc qua khung Theo định luật Faraday, sự chuyển động này dẫn đến sự xuất hiện một suất điện động cảm ứng bằng:

ra dòng xoay chiều Như hình 1.8 dùng quy tắc bàn tay phải (Fq v[ B]) áp dụng cho từng đoạn dây ta có thể xác định được chiều dòng điện cảm ứng trên từng đoạn dây đó

Hình 1.9 Mô hình máy phát điện xoay chiều

 Dòng điện Foucault

Trong thực tế không phải lúc nào dòng cảm ứng cũng chạy trong các dây dẫn mà còn chạy trong các vật dẫn được gọi là dòng Foucault Dòng Foucault xuất hiện trong mọi vật dẫn chuyển động trong từ trường biến đổi

Từ trường tác dụng lên dòng cảm ứng một lực chống lại chuyển động của vật dẫn Hiệu ứng này được sử dụng làm bộ phanh cho các toa tàu trong tàu điện ngầm Để phanh được đoàn tàu người ta cho một dòng điện mạnh vảo trong các cuộn dây của nam châm điện để tạo nên một từ trường tác dụng lên vật dẫn để hãm vật dẫn lại

Các dòng Foucault còn được sử dụng để làm tắt các dao động phụ thuộc trong các hệ thống dao động, cũng như trong các điện kế để hạn chế các rung nhỏ của kim

Dòng Foucault được sử dụng trong các lò điện cảm ứng Trong các lò này nhiệt năng do các dòng Foucault tỏa ra được dùng để đốt nóng chảy các kim loại, đặc biệt là khi cần đốt nóng chảy kim loại trong chân không nhằm tránh tác dụng oxy hóa của không khí xung quanh Muốn vậy, người ta cho kim loại vào trong một cái lò có chỗ để hút không khí ở bên trong ra ngoài Xung quanh lò người ta quấn dây điện rồi cho dòng cao tần chạy qua các vòng dây đó Kết quả là trong khối kim loại xuất hiện những dòng điện Foucault rất mạnh có thể nấu chảy kim loại

Trong nhiều trường hợp, dòng Foucault lại gây những tác hại cho các dụng cụ điện Trong các khung của mô tơ và các máy phát, máy biến thế các dòng Foucault làm nóng các vật dẫn và là tổn hao năng lượng Để làm giảm tác hại này người ta không dùng cả khối kim loại làm khung mà dùng nhiều lá kim loại mỏng sơn cách điện ghép lại với nhau Như vậy, các dòng Foucault chỉ chạy được trong từng lá mỏng, vì từng lá có bề dày nhỏ nên điện trở lớn, nên cường độ của các dòng Foucault giảm đi rất nhiều so với cường độ của dòng Foucault chạy trong toàn khối kim loại Kết quả là phần điện năng bị hao phí giảm đi rất nhiều[1, tr 151-152]

 Hiện tượng tự cảm

Hiện tượng cảm ứng còn xảy ra trong một cuộn dây riêng biệt gồm N vòng Khi dòng điện đi qua cuộn dây biến đổi thì từ thông do chính dòng đó gây tạo ra đi qua cuộn dây cũng thay đổi theo làm xuất hiện trong chính cuộn dây một xuất điện động cảm ứng Suất điện động cảm ứng này, theo định luật Len – xơ có chiều chống lại nguyên nhân sinh ra nó và được thể hiện như là suất điện động cảm ứng trong mô tơ

Nếu gọi  là từ thông do chính dòng điện I trong ống dây tạo ra đi qua một vòng dây, thì từ thông gửi qua toàn bộ ống dây bằng N Từ thông này phải tỷ lệ với cường độ dòng điện I chạy trong ống dây đó, tức là:

N LI trong đó L là hệ số tỷ lệ được gọi là độ tự cảm của ống dây

Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong chính ống dây đó được xác định bằng công thức:

Độ tự cảm L có đơn vị là Henry Độ lớn của L phụ thuộc vào các thông

số hình học của ống dây cũng như sự có mặt các vật liệu từ tạo nên lõi ống dây

Trong thực tế tất cả các mạch điện có dòng xoay chiều chạy qua đều có một độ tự cảm L nào đó Tuy nhiên, giá trị của đại lượng này nhỏ hơn nhiều

độ tự cảm của một ống dây có chứa nhiều vòng Một cuộn dây mà có độ tự cảm đáng kể được gọi là cuộn cảm

Giả sử ta có một solenoide có chiều dài l gồm N vòng dây, tiết diện ngang có diện tích bằng S Ta hãy tính độ tự cảm L của ống dây đó

Như đã biết trường từ do ống dây có dòng I chạy qua tạo ra trong lòng

Đối với cuộn dây toroide cũng có công thức tương tự[1, tr.154-155]

 Năng lượng từ trường và mật độ năng lượng từ trường

Hình 1.10 Năng lượng từ trường

Ta xét sơ đồ điện như hình 1.10

Trong mạch điện này có nguồn điện với suất điện động bằng E, điện trở

R và cuộn cảm L Khi đóng mạch dòng điện chạy theo chiều mũi tên và tăng dần từ 0 cho đến I Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm E s

có chiều chống lại sự tăng của dòng điện Sử dụng định luật Kirchhoff cho vòng mạch điện đó, ta có:

s

iRE E

độ cung cấp thông năng lượng của nguồn điện cho mạch điện (công suất của nguồn)

- Số hạng thứ nhất của phương trình là công suất tỏa nhiệt trong điện trở

Lấy tích phân phương trình trên ta có:

B

LI SI

độ từ thẩm bằng 𝜇 biểu thức trên có dạng:

2

0

W 2

B

B





1.1.2 Những yêu cầu chương trình phổ thông mới

Chương trình môn Vật lí coi trọng việc rèn luyện cho học sinh kĩ năng vận dụng tri thức vật lí vào việc tìm hiểu và giải quyết ở mức độ nhất định một số vấn đề của thực tiễn, đáp ứng đòi hỏi của cuộc sống; vừa bảo đảm phát triển năng lực trên nền tảng những năng lực chung và năng lực tìm hiểu thế giới tự nhiên đã hình thành ở giai đoạn giáo dục cơ bản, vừa đáp ứng yêu cầu định hướng vào một số ngành nghề cụ thể

Ở bậc học phổ thông, thí nghiệm, thực hành đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật vật lí Vì vậy, bên cạnh việc sử dụng các mô hình vật lí và toán học, chương trình môn Vật lí chú trọng thích đáng đến việc hình thành năng lực tìm tòi khám phá các thuộc tính của đối tượng vật lí thông qua các nội dung thí nghiệm, thực hành dưới các góc độ khác nhau[2, tr 4]

Theo chương trình giáo dục phổ thông môn Vật lí dự thảo tháng 1 năm

2018, thông qua chương trình môn Vật lí, học sinh hình thành và phát triển được thế giới quan khoa học; rèn luyện được sự tự tin, trung thực, khách quan; cảm nhận được vẻ đẹp của thiên nhiên; yêu thiên nhiên, tự hào về thiên nhiên của quê hương, đất nước; tôn trọng các quy luật của thiên nhiên, trân trọng, giữ gìn và bảo vệ thiên nhiên, ứng xử với thiên nhiên phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững; đồng thời hình thành và phát triển được các năng lực

tự chủ và tự học, giao tiếp và hợp tác, giải quyết vấn đề và sáng tạo Đặc biệt, học sinh hình thành và phát triển được năng lực tìm hiểu thế giới tự nhiên, cụ thể là năng lực vật lí, bao gồm các thành phần sau:

b) Tìm tòi và khám phá thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí

- Thực hiện được hoạt động tìm tòi, khám phá một số sự vật, hiện tượng đơn giản, gần gũi trong thế giới tự nhiên và đời sống theo tiến trình

- Thực hiện được việc phân tích, so sánh, rút ra những dấu hiệu chung và riêng của một số sự vật, hiện tượng đơn giản, gần gũi trong thế giới tự nhiên

- Sử dụng được các chứng cứ khoa học để kiểm tra các dự đoán, lí giải các chứng cứ, rút ra kết luận

c) Vận dụng kiến thức vật lí vào thực tiễn

- Vận dụng được kiến thức vật lí để mô hình hoá các hệ vật lí đơn giản

và sử dụng được toán học như một ngôn ngữ và công cụ để giải quyết vấn đề

cụ thể

- Mô tả, dự đoán, giải thích hiện tượng, giải quyết vấn đề một cách khoa học; ứng xử thích hợp với công nghệ và thiên nhiên trong một số tình huống liên quan đến bản thân, gia đình, cộng đồng[2, tr 5-6]

Bảng 1.1 Yêu cầu của chương trình phổ thông mới

Khái niệm trường từ − Mô tả được trường từ là trường lực gây ra bởi

dòng điện hoặc nam châm

− Biểu diễn được trường từ bằng các đường sức từ Lực từ tác dụng lên

đoạn dây dẫn mang

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức

Chương “Từ trường và Cảm ứng điện từ” nằm trong chương trình Vật

lí 11 và thuộc phần Điện từ trường

Phần “Từ trường” nghiên cứu từ trường về phương diện tác dụng lực

Cụ thể, phần này trình bày những vấn đề lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động, quy tắc xác định chiều của lực từ, từ trường của dòng điện thẳng, từ trường của dòng điện tròn

Phần “Cảm ứng điện từ” nằm ngay sau chương “Từ trường” Trong phần này, hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng đặc biệt, quan trọng cả về mặt khoa học cũng như về mặt kỹ thuật và những ứng dụng trong đời sống như máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều, máy biến thế,…

1.2.1 Sơ đồ chương trình phần “Từ trường và Cảm ứng điện từ”

Sơ đồ 1.1 Sơ đồ tổng hợp kiến thức phần “Từ trường”

Từ trường

Cảm ứng từ Định luật Ampe

Lực Lorentz

Sự từ hóa các chất Sắt từ

Lực từ

Từ trường

Từ trường của một số dòng điện có dạng cơ

bản

Khái niệm Đường sức từ

Sơ đồ 1.2 Sơ đồ tổng hợp kiến thức phần “Cảm ứng từ”

Suất điện động cảm ứng

Năng lượng từ trường

Dòng điện Foucault

Định luật Lenz

Hiện tượng tự cảm

Quy tắc bàn tay phải

1.2.2 Phân tích logic hình thành kiến thức

a Từ trường

Nội dung cơ bản của phần này có thể qui làm hai nhóm kiến thức

Nhóm thứ nhất là từ trường bao gồm: Khái niệm từ trường, vectơ cảm ứng từ, đường cảm ứng từ, khái niệm từ trường đều, từ trường của những dòng điện trong mạch có dạng khác nhau

Nhóm thứ hai là lực từ bao gồm: Lực từ tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện, lực từ tác dụng lên một khung dây mang dòng điện, lực từ tác dụng lên một hạt điện tích chuyển động và ứng dụng của lực từ[6, tr.88]

 Từ trường

Từ trường là một trong những phần quan trọng của điện từ học Những kiến thức của phần này có ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành kỹ thuật hiện đại: điện kỹ thuật, vô tuyến điện kỹ thuật, kỹ thuật tự động, điều khiển từ xa…

Từ trường là nội dung cơ bản của của chương trình Ở THCS, học sinh

đã được học về từ trường nhưng mới chỉ dừng lại ở việc khảo sát một cách định tính chứ không đi sâu về mặt định lượng

- Lớp 7: Học sinh đã biết sơ lược về từ trường thông qua tìm hiểu tính chất từ của nam châm và dòng điện có tác dụng từ vì nó có thể làm quay kim nam châm Các kiến thức về nam châm ở THCS chủ yếu mang tính giới thiệu

và chủ yếu dựa trên những hiểu biết thực tiễn đã có sẵn của học sinh về nam châm

- Lớp 9: Học sinh được học về từ trường, đó là không gian xung quanh nam châm, xung quanh dòng điện tồn tại một từ trường Học sinh cũng đã biết được cách để nhận biết từ trường Qua việc quan sát thí nghiệm học sinh biết được khái niệm về từ phổ, đó là hình ảnh cụ thể về các đường sức từ Học sinh cũng đã biết cách vẽ và xác định chiều của đường sức từ bên ngoài nam