3.5.1.1. Độ lớn suất điện động cảm ứng của một mạch kín (khung dây) chuyển động trong từ trường.
* Kiểm tra chuẩn bị điều kiện xuất phát:
Để đảm bảo điều kiện xuất phát cho HS , GV kiểm tra bài cũ:
O. Điều kiện xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường? Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường?
. HS trả lời: - Khi một đoạn dây dẫn chuyển động cắt ngang các đường sức từ thì trong đoạn dây có suất điện động cảm ứng.
- Có độ lớn tỉ lệ với tốc độ cắt từ thông qua diện tích quét bởi đoạn dây, tức là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường.
(BS cos ) e t t
O. Phát biểu quy tắc xác định chiều của dòng điện cảm ứng của đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường?
. HS: Quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn), và cho ta biết chiều của dòng điện chạy trong mạch kín nếu nối hai đầu đoạn dây tạo thành mạch kín.
*Đặt vấn đề vào bài:
- ở bài trước ta đã biết, suất điện động cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường. Điều đó cũng có nghĩa là dòng điện cảm ứng được sinh ra trong mạch kín này khi có sự biến thiên của từ thông. Vậy, chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch kín này có quan hệ như thế nào với sự biến thiên của từ thông? và nếu có một khung dây (mạch kín) chuyển động trong từ trường thì độ lớn của suất điện động trong mạch kín đó được tính như thế nào? Để trả lời câu hỏi này chúng ta đi nghiên cứu bài mới:"Độ lớn suất điện động cảm ứng của một mạch kín (khung dây) chuyển động trong từ trường".
* Giải quyết nhiệm vụ bài học
1. Mối liên hệ giữa chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường với sự biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín.
* Đề xuất vấn đề
Chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường có quan hệ thế nào với sự tăng hoặc giảm từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín?
* Giải quyết vấn đề
O. Để trả lời được câu hỏi này thì giải pháp của chúng ta là như thế nào? . HS: Không trả lời được.
GV đưa ra gợi ý để HS có thể tham gia đề xuất giải pháp
O. Chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường có quan hệ thế nào với sự tăng hoặc giảm từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín?
. HS trả lời được: Ta có thể dựa vào xét dấu của khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường tương ứng với chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo quy tắc bàn tay phải để rút ra nhận xét.
◊. Vậy giải pháp là: Xét dấu của khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường tương ứng với chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo quy tắc bàn tay phải để rút ra nhận xét về quan hệ của chiều dòng điện với dấu của .
O. Với giải pháp đã có bây giờ ta thực hiện nó như thế nào?
HS chưa có phản ứng gì, khi đó GV định hướng suy nghĩ của HS bằng câu hỏi: O. Hãy xác định dấu của khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường? (hình vẽ)
. Được gợi ý này, HS đã đưa ra được câu trả lời: Chọn chiều của n
trùng với chiều của B
làm chiều dương. Khi đó 1 2 vì S1> S2 2 2 0 ( tức là từ thông giảm).
GV đặt câu hỏi tiếp:
O. Hãy xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn MN chuyển động trong từ trường, từ đó suy ra chiều dòng điện cảm ứng trong mạch kín?
HS chưa đưa ra được câu trả lời, GV gợi ý tiếp:
O. 0 hay 0 phụ thuộc vào đâu? Do đó để xét dấu của bước đầu tiên ta phải làm gì? G v M N I l B
. HS trả lời được: Chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn MN chuyển động trong từ trường có chiều từ M đến N. Từ đó suy ra nếu nối đoạn dây dẫn này bằng một dây dẫn tạo thành mạch kín thì dòng điện cảm ứng trong mạch kín có chiều từ N đến M.
GV tiếp tục đặt câu hỏi:
O. Hãy xác định độ biến thiên từ thông của dòng điện cảm ứng trong mạch kín này?
. HS trả lời được: Dùng quy tắc nắm tay phải ta suy ra B'
cùng chiều với n nên ' 0 . Do đó ' ' ' 0 0
(từ thông tăng). (0=0 vì khi chưa có dòng cảm ứng thì từ thông ban đầu (0) bằng không).
O. Vậy, từ kết quả trên em có nhận xét gì? HS chưa có câu trả lời, GV gợi ý tiếp: O. Hãy so sánh dấu của ' và ?
. Khi đó HS trả lời được: ' trái dấu với . GVđặt câu hỏi tiếp:
O. Vậy chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường có quan hệ thế nào với sự tăng hoặc giảm từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín?
Với câu hỏi này nhiều HS trả lời được:
. HS trả lời: Dòng điện cảm ứng trong một mạch kín phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó.
GV: Đó cũng chính là nội dung của định luật Len- xơ
2. Độ lớn suất điện động cảm ứng của một mạch kín (khung dây) chuyển động trong từ trường.
Để thực hiện được mục tiêu HS tham gia đề xuất vấn đề cần nghiên cứu, GV cho HS làm bài tâp sau:
◊. Các em hãy làm bài tập sau:
Viết công thức tính suất điện động cảm ứng trong một mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường?
Hầu hết các em đều trả lời được câu hỏi này. . HS: e
t
, trong đó S là diện tích giới hạn bởi mạch kín.
◊. Thay đoạn dây dẫn trên bằng một khung dây (mạch kín) chuyển động với vận tốc v trong mặt phẳng có n hợp với B
một góc . Hãy tính suất điện động cảm ứng trong khung dây (mạch kín) này?
. HS: Không thể tính được suất điện động trong khung dây này.
O. Tại sao không tính được suất điện động cảm ứng trong khung dây này. Để tính được suất điện động trong khung dây này thì trước tiên ta phải làm gì?
Với câu hỏi này một số HS trả lời là:
. HS: Vì không biết khung dây này có dạng thế nào. Để tính được suất điện động trong khung dây này thì trước tiên ta phải biết dạng của khung dây.
◊. Đúng, để tính được suất điện động trong khung dây này thì trước tiên ta phải biết dạng của khung dây.
GV đặt câu hỏi tiếp:
O. Xét trường hợp khung dây chuyển động trong từ trường là nối tiếp của nhiều đoạn mạch thì suất điện động cảm ứng trong khung dây này được tính như thế nào?
. HS trả lời: Suất điện động cảm ứng trong khung dây này bằng tổng các suất điện động của từng đoạn mạch ghép thành khung dây.
O. Trường hợp khung dây chuyển động trong từ trường có dạng đường cong bất kỳ, ta phải làm thế nào thì mới áp dụng được công thức?
. HS trả lời: Chia đường cong thành nhiều đoạn mạch nhỏ liên tiếp ( mỗi đoạn coi như một đoạn thẳng), sau đó suất điện động cảm ứng trong khung dây cũng được tính như trường hợp trên.
O. Vậy để giải bài toán trên trước tiên ta phải làm gì?
. Được các gợi ý này HS đã đưa ra được câu trả lời: Ta phải tính suất điện động của từng đoạn mạch ghép thành mạch kín. Sau đó mới tính được suất điện động của toàn mạch kín.
◊. Đúng, để tính được suất điện động của toàn mạch kín thì ta phải tính được e1, e2,...của từng đoạn mạch ghép thành mạch kín. Vậy vấn đề cần nghiên cứu ở đây là:
Nếu một mạch kín (khung dây) chuyển động với vận tốc v trong mặt phẳng có n hợp với B một góc thì có thể tính suất điện động cảm ứng trong mạch kín bằng công thức thế nào?
* Giải quyết vấn đề:
O. Theo các em thì giải pháp cho vấn đề đặt ra là gì?
. HS trả lời được (do đã làm bài toán trên): Dựa vào công thức tính suất điện động cảm ứng của một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tính suất điện động cảm ứng của từng đoạn mạch ghép thành mạch kín để rút ra công thức cần tìm.
◊. Đúng, vậy giải pháp là: Coi mạch kín chuyển động trong từ trường là nối tiếp của nhiều đoạn mạch (nhiều nguồn điện) có các suất điện động cảm ứng tính theo công thức e
t
và tính suất điện động tổng cộng của các nguồn mắc nối tiếp để rút ra công thức tính suất điện động của cả mạch kín chuyển động trong từ trường.
Bây giờ ta hãy thực hiện từng bước giải pháp đó. Trước hết GV thông báo:
◊. Nếu quy ước e là số đại số có cùng dấu với dòng điện cảm ứng và quy ước dòng điện cảm ứng cùng dấu với , mà nó tạo ra thì suất điện động cảm ứng xuất hiện trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường có giá trị đại số là
e t
.
Tiếp theo GV đặt câu hỏi:
O. Hãy tính e1, e2,...của từng đoạn mạch ghép thành mạch kín? . HS trả lời được: e1 1 , e2 2 ...
t t
O. Vậy suất điện động cảm ứng của cả mạch kín (khung dây) chuyển động trong từ trường được tính như thế nào?
. HS trả lời được: Suất điện động tổng cộng trong mạch kín là:
1 2 1 2 e e e ... ... t t t
O. Vậy ta có thể trả lời cho vấn đề đặt ra như thức thế nào? . Với câu hỏi này đa số HS đều phát biểu được:
Suất điện động cảm ứng trong mạch kín chuyển động trong từ trường có độ lớn tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín và trái dấu với .
e t ; Nếu mạch gồm N vòng dây: e N t GV: Đó cũng chính là nội dung của Định luật Fa-ra-đây
3.5.1.2. Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch kín khi từ thông qua mạch kín biến thiên nói chung. Hiện tượng cảm ứng điện từ.
*Kiểm tra chuẩn bị điều kiện xuất phát
O. Nêu điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng? Phát biểu định luật Len- xơ? . HS:
+ Dòng điện cảm ứng xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín.
+ Dòng điện cảm ứng trong mạch kín có chiều sao từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó.
O. Viết biểu thức định nghĩa từ thông? . HS: BS cos
◊. Chúng ta đã biết: Một khung dây dẫn nằm trong từ trường biến đổi theo thời gian tương tự như một khung dây dẫn nằm trong không gian có một từ trường không đều chuyển động và do đó cũng tương tự một khung dây chuyển động trong một từ trường không đều đứng yên.
Thế thì liệu có phải là khi từ trường qua một diện tích giới hạn bởi một mạch kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch kín cũng xuất hiện suất điện động cảm ứng?
Nếu đúng như vậy chúng ta cần kiểm tra:
Liệu có thể phát biểu kết luận tổng quát:
- Khi từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện suất điện động cảm ứng?
- Dòng điện cảm ứng trong mạch kín có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó?
Giải quyết vấn đề:
O. Các em hãy đề xuất giải pháp thực nghiệm kiểm tra kết luận trên? . HS chưa có ý kiến.
GV đưa ra câu hỏi gợi ý:
O. Có những cách nào làm từ thông biến thiên? . HS trả lời: Làm B
thay đổi hoặc làm S thay đổi hoặc làm thay đổi hoặc cả B
, S, thay đổi .
◊. Chúng ta cần nghĩ ra một phương án thí nghiệm, theo các em phương án thí nghiệm đó như thế nào?
HS không trả lời được GV gợi ý tiếp:
◊. Ta cần nghĩ ra một thí nghiệm có thể làm B
thay đổi hoặc làm S thay đổi hoặc làm thay đổi. Nhờ thí nghiệm ấy ta xác định được chiều của dòng điện cảm ứng dựa trên quan sát; mặt khác dựa vào định luật Len-xơ và quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều dòng điện cảm ứng. Từ đó đối chiếu kết quả suy luận từ các quy tắc và quan sát thí nghiệm để rút ra kết luận.
◊. GV gợi ý tiếp:
- Thí nghiệm đó được mô tả như sau: (GV kết hợp mô tả trên máy chiếu)
B
D C
o
K
Dự đoán hiện tượng xảy ra về sự dịch chuyển của kim điện kế khi không có dòng điện hoặc có dòng điện cảm ứng với chiều tuân theo định luật Lenxơ và làm thí nghiệm ghi nhận kết quả thí nghiệm để đối chiếu với các kết quả có
được nhờ suy luận dự đoán.
Thực hiện giải pháp kiểm nghiệm:
. Chúng ta sẽ lần lượt thực hiện giải pháp đó để kiểm tra sự đúng đắn của kết luận trên.
. Trước hết ta kiểm tra sự biến thiên của từ thông khi B
thay đổi. O. Giữ nguyên S và , làm B
thay đổi theo thời gian bằng cách nào?
. HS ttrả lời: Đóng hoặc ngắt khoá K để thay đổi dòng điện của nam châm điện.
Xét thí nghiệm được bố trí như hình vẽ:
Một khung dây nối với điện kế G,
một mạch điện gồm cuộn dây mắc vào nguồn một chiều thông qua khoá K.
Để định hướng tiếp suy nghĩ của HS , GV đưa ra câu hỏi:
O. Xét trường hợp đóng khoá K, hãy dự đoán chiều dòng điện trong khung dây, do đó kim điện kế quay theo chiều nào?
HS chưa tìm ra câu trả lời. khi đó GV gợi ý:
O. Cường độ dòng điện trong mạch, từ trường do cuộn dây sinh ra thay đổi
thế nào khi đóng khoá K? . HS trả lời được: Khi đóng khoá K, trong khung dây xuất hiện dòng điện
cảm ứng vì từ thông qua khung dây tăng lên.
GV tiếp tục định hướng suy nghĩ của HS bằng câu hỏi:
O. áp dụng định luật Len-xơ và quy tắc nắm tay phải hãy xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây ?
. Được gợi ý này, HS đã đưa ra được câu trả lời: Theo định luật Len xơ thì dòng điện cảm ứng này có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự tăng từ thông đã sinh ra nó, khi đó vận dụng quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều của dòng cảm ứng trong khung dây cùng chiều kim đồng hồ, do đó kim điện kế lệch về bên phải.
Chia lớp thành 2 nhóm
O. Các em hãy tiến hành thí nghiệm kiểm tra như trường hợp trên, quan sát