b) Mục tiêu dạy học chương “Cảm ứng điện từ”
2.4. Vận dụng TRIZ xây dựng bài tập sáng tạo phần “từ trường và cảm ứng điện từ”
Theo phương pháp đã trình bày ở chương 1, tác giả tiến hành xây dựng hệ thống BTST phần “Từ trường và cảm ứng điện từ” lớp 11 gồm 20 bài. Với mỗi bài tập, nội dung và thứ tự được trình bày như sau:
- Bài tập cơ sở
- Nguyên tắc sáng tạo đựơc sử dụng để chuyển bài tập cơ sở thành BTST - Bài tập sáng tạo
- Nguyên tắc sáng tạo được sử dụng để giải BTST - Câu hỏi định hướng tư duy cho HS
- Lời giải tóm tắt U
Bài tập 1
* BTCS1: Dùng loại dây đồng đường kính 0,5mm, bên ngoài có phủ một lớp sơn cách điện mỏng quấn quanh một hình trụ để tạo thành một ống dây, Ống dây có 5 lớp nối tiếp nhau sao cho dòng điện trong tất cả các vòng dây của các lớp đều cùng chiều. Các vòng dây của mỗi lớp được quấn sít nhau. Hỏi nếu cho dòng điện cường độ 0,15A chạy qua các vòng dây thì cảm ứng từ bên trong ống dây bằng bao nhiêu? (bài 4.37 trang 50 sách bài tập vật lý 11 nâng cao (BTVL 11 NC))
U
* Các nguyên tắc được sử dụng để biến đổi BTCS thành BTST
- Nguyên tắc kết hợp bài toán trên với ứng dụng của nam châm điện ta chuyển thành BTST1
* BTST 1 (Bài tập chế tạo nam châm điện )
Hiện nay trên đường phố tình trạng rải đinh gây nguy hiểm rất nhiều cho người lưu thông. Trong chương trình “hoa cuộc sống” của HTV, có một số người tình nguyện thu nhặt đinh trên đường. Họ có thể dùng tay hoặc nam châm để nhặt đinh, tuy nhiên khi nhặt đinh bằng nam châm xong họ phải dùng tay để gỡ số đinh đó ra gây bất tiện và nguy hiểm cho tay. Với một sợi dây đồng đủ dài, một
thanh thép, acqui (hay pin) bạn có thể tạo ra dụng cụ nhặt đinh tiện lợi hơn. Trình bày phương án thiết kế và thực hiện một thí nghiệm biểu diễn.
* UCác nguyên tắc dùng trong giải bài tập
- Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học (thay thế việc nhặt đinh bằng các tay bằng dụng cụ có thể nhặt đinh nhờ tác dụng từ), nguyên tắc linh động (dụng cụ này có thể vừa hút đinh được, vừa nhả đinh ra được nên đó phải là nam châm điện)
U
* Câu hỏi định hướng tư duy
- Có thể dùng vật gì nhặt đinh thay cho tay? Vật đó có thể tìm nhặt đinh ngay cả khi ta không nhìn thấy mẫu đinh không?
- Vật ấy có thể vừa nhặt đinh và nhả đinh ra khi không cần dùng tay gỡ ra không? Muốn làm điều đó thì vật phải có tính chất gì?
- Chế tạo vật ấy như thế nào? Vẽ sơ đồ chế tạo và giải thích hoạt động. U
* Lời giải tóm tắt
Vật vừa có thể hút vừa nhả đinh là nam châm điện. Ta dùng dây dẫn quấn quanh một thanh thép thành một ống dây. Lưu ý các vòng dây cách điện với nhau, giữa các lớp vòng dây có thể chen thêm lớp giấy cách điện cho an toàn. Hai đầu dây dẫn nối với hai cực của pin hay ăcquy thông qua một công tắc. Kết hợp nam châm vừa quấn với một thanh dài sao cho ta có thể cầm thanh đó để nhặt đinh dễ dàng. Khi bật công tắt thì nam châm hút đinh và khi ngắt điện thì nam châm tự nhả đinh ra vào giỏ rác.
U
Bài tập 2
* BTCS 2: Một ống dây điện trên hình 2.1 bị hút về phía thanh nam châm. Hãy chỉ rõ cực của nam châm. (bài 4.34 trang 49 sách bài tập vật lý 11 nâng cao (BTVL11 NC)).
U
*Các nguyên tắc được sử dụng để biến đổi BTCS thành BTST
- Nguyên tắc phân nhỏ (chia nhỏ các thành phần cấu tạo nên ống dây), nguyên tắc linh động (thay nam châm thẳng thành nam châm chữ U) ta chuyển thành BTST2
* BTST 2: nhận biết các cực của nam châm
Cho nam châm chữ U bị mất ký hiệu cực Nam và Bắc. Với 1 dây đồng đủ dài, một acqui, đinh sắt trong tay. Hãy ghi đúng tên các cực lên nam châm này để tiện sử dụng.
* UCác nguyên tắc dùng trong giải bài tập
Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học (dùng tác dụng từ của dòng điện để nhận biết các cực nam châm), nguyên tắc kết hợp (kết hợp các thành phần thành một ống dây mang dòng điện), nguyên tắc linh động ( có thể nhận biết các cực nam châm bằng tác dụng từ lên dòng điện thẳng hay ống dây).
U
* Câu hỏi định hướng tư duy
- Có thể dùng những cách nào để nhận biết cực Nam và cực Bắc của nam châm?
- Nam châm có thể tác dụng lên những vật vào? Khi quan sát được tác dụng của nam châm bạn có thể suy ra chiều của đường sức từ hay các cực của nam châm không? Bạn có thể tạo ra các vật ấy không?
- Với điều kiện bài toán bạn có thể dùng cách nào?
- Hãy nêu cách tiến hành nhận biết các cực nam châm và làm thí nghiệm để ghi tên các cực cho đúng.
U
* Lời giải tóm tắt
Có thể phân biệt 2 cực nam châm dựa vào tác dụng của nam châm lên một nam châm khác hay lên dòng điện, hạt mang điện chuyển động. Theo đề, ta có thể tạo ra một dòng điện thẳng hay một nam châm điện để nhận biết các cực nam châm chữ U.
- Nếu đặt dòng điện vào giữa 2 nhánh nam châm chữ U sao cho dòng điện vuông góc với mặt phẳng chưa các đường sức từ và trục đối xứng của nam châm, quan
sát chiều lực từ tác dụng lên đoạn dây, chiều dòng điện (ra khỏi cực dương của pin theo dây dẫn vào cực âm của pin), ta suy ra chiều của đường sức từ, từ đó suy ra cực Nam và Bắc của nam châm theo quy tắc bàn tay trái.
- Nếu dùng dây dẫn quấn quanh thỏi thép thành nam châm điện, cho dòng điện đi qua, biết chiều dòng điện, dùng quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều của B
trong lòng ống dây, từ đó suy ra cực nam và cực Bắc của ống dây. Nếu đặt đầu Nam của nam châm lại gần một cực của nam châm chữ U mà thấy chúng đẩy nhau thì đó là cực Nam. Trường hợp mà ta cả 2 đầu ống dây đều bị một cực của nam châm chữ U hút là do nam châm luôn hút lõi thép, từ trường của nam châm điện chưa đủ lớn để lực đẩy thắng lực hút ấy.
Khi đó ta phải tăng cường độ dòng điện để từ trường nam châm điện mạnh hơn. U Bài tập 3 N S Hình 2.2 B A C D
* BTCS3: Cho một khung dây dẫn hình chữ nhật ABCD gồm 200 vòng dây, cạnh AB nằm ngang treo vào một lực kế , cạnh AB đặt trong từ trường đều của nam châm chữ U, các đường sức từ giữa hai nhánh nam châm nằm ngang và vuông góc với cạnh AB như hình 2.2 (chỉ có cạnh AB dài 8cm nằm giữa 2 nhánh nam châm). Ban đầu lực kế chỉ 0,3N, cho dòng điện qua dây dẫn, ta thấy lực kế chỉ 0,4N, cường độ dòng điện qua dây dẫn là 0,5A Xác định cảm ứng từ trong lòng nam châm.
U
* Các nguyên tắc được sử dụng để biến đổi BTCS thành BTST
- Nguyên tắc kết hợp (kết hợp giữa bài tập tính cảm ứng từ tổng quát với việc tính cảm ứng từ giữa 2 nhánh của một nam châm chữ U).
- Nguyên tắc sử dụng đối tượng trung gian (dùng cách đo lực từ tác dụng lên một đoạn dây để tính cảm ứng từ, dùng các dụng cụ đo cường độ dòng điện, đo lực).
* BTST 3: (đo cảm ứng từ giữa 2 nhánh nam châm chữ U)
Cho một nam châm hình chữ U, một khung dây, lực kế, ắcquy, ampe kế, các giá đỡ, (đồng hồ đo điện đa năng). Hãy đo độ lớn cảm ứng từ trong lòng nam châm.
U
* Các nguyên tắc dùng trong giải bài tập
Nguyên tắc kết hợp (kết hợp các dữ kiện để có thể đo lực từ tác dụng lên cạnh khung dây), nguyên tắc sử dụng trung gian (đo lực từ suy ra cảm ứng từ).
U
* Câu hỏi định hướng tư duy
Bài tập này có gì tương tự với BTCS3 không? Có thể áp dụng cách giải của BTCS3 để giải bài tập này không? Áp dụng như thế nào?
U
* Lời giải gợi ý
Từ trường giữa 2 nhánh nam châm là từ trường đều. Muốn đo B ta có thể dùng công thức sin
F B
Il α
= . Do đó ta có thể dùng lực kế để đo lực từ, ampe kế đo cường độ dòng điện và thước để đo chiều đoạn dây, để đơn giản ta đặt dây dẫn vuông góc với cảm ứng từ Bđể α = 90P
o P .
Ta có thể treo khung dây vào một đầu lực kế, một đầu dây của khung được nối với acquy, đầu còn lại mắc nối tiếp với ampe kế và nối với cực kia của acquy (hay biến thế nguồn), đặt sao cho cạnh dưới của khung nằm ngang và vừa lọt vào vùng không gian giữa 2 nhánh nam châm chữ U. Nam châm đặt sao cho B nằm trong mặt phẳng nằm ngang và vuông góc với cạnh khung. Quan sát ghi nhận số chỉ của lực kế FR1R. Bật công tắc ắcquy cho dòng điện qua khung, quan sát ghi nhận số chỉ của lực kế FR2R. Suy ra lực từ F = FR1R- FR2R. Ghi nhận số chỉ Ampe kế, đo chiều dài cạnh dưới của khung. Tính B F
Il
= .
Thay đổi dòng điện qua khung bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế của biến thế nguồn, đo lại các giá trị I, và F. Tính lại giá trị B. Thực hiện 3 lần để lấy giá trị trung bình. Chú ý: cách này phải dùng
lực kế nhạy. Chú ý tới dòng điện qua khung quá lớn có thể làm đoản mạch. Với khung dây phòng thí nghiệm có thể sử dụng với hiệu điện thế cỡ 9V.
U
Bài tập 4
* BTCS 4: Một khung dây hình chữ nhật ABCD đặt trong từ trường đều cảm ứng từ B = 5.10P -2
PT. T. Cạnh AB của khung dài 5cm. Dòng điện trong khung có cường độ 2A. Tính giá trị lớn nhất của momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung trong 2 trường hợp:
a. cạnh AB của khung vuông góc còn cạnh BC song song với đường sức từ. b. cạnh BC của khung vuông góc còn cạnh BC song song với đường sức từ. (bài trang 165 sách giáo khoa 11 nâng cao (SGK11NC))
U
* Các nguyên tắc được sử dụng để biến đổi BTCS thành BTST
- Nguyên tắc kết hợp (kết hợp lý thuyết về chuyển động quay của khung mang dòng điện trong từ trường với sự quay của động cơ trong thực tế).
- Nguyên tắc phản đối xứng: chuyển hình ảnh khung dây hình chữ nhật thành dạng bất kỳ, từ trường đều B thay bằng từ trường không đều.
BTST 4: (chế tạo động cơ điện)
Bạn hãy chế tạo một động cơ điện một chiều đơn giản. U
* Các nguyên tắc dùng trong giải bài tập
- Nguyên tắc phản đối xứng: chuyển hình ảnh khung dây hình chữ nhật thành dạng bất kỳ và từ trường đều B thay bằng từ trường không đều.
- Nguyên tắc vạn năng: pin có tác dụng tạo ra dòng điện trong khung quay, đồng thời có thể làm trục quay. Nam châm tạo ra từ trừơng đồng thời có thể kết hợp với pin làm trục quay chắc chắn, làm điểm tiếp xúc với đầu khung dây.
- Nguyên tắc chuyển sang chiều khác: khung có thể quay quanh trục nằm ngang chuyển sang trục thẳng đứng.
- Nguyên tắc sử dụng đối tượng trung gian: không nối trực tiếp hai đầu khung với dây dẫn vào nguồn mà đặt cạnh khung tiếp xúc với 2 tiếp điểm dẫn điện được, nối 2 tiếp điểm đó với nguồn để khi khung quay, 2 cạnh khung luôn tiếp xúc với 2 điểm đó nên có dòng điện đồng thời không làm rối dây.
- Nguyên tắc liên tục tác động có ích: không cần sử dụng đối tượng trung gian mà cho hai đầu khung tiếp xúc trực tiếp với hai cực của pin (không dính chặt) để dòng điện qua và khung có thể quay.
U
- Đặt khung dây mang dòng điện vào vùng không gian có từ trường, đặt khung như thế nào để khung có thể quay? Lực tác dụng làm khung quay lúc đó là lực nào? Khung có thể quay liên tục không? Vì sao?
- Nếu khung dây không có dạng chữ nhật mà có dạng bất kì thì khung có thể quay không?
- Muốn cho dòng điện qua khung phải nối hai đầu khung với hai cực của pin, bạn sẽ nối như thế nào? Nếu bạn dùng dây dẫn nối trực tiếp vào khung thì sẽ có bất lợi gì khi khung quay không? Muốn khác phục bất lợi đó bạn có thể làm cách nào để cho dòng điện qua khung?
- Bạn có thể không cần dùng dây nối mà cho hai đầu khung tiếp xúc trực tiếp với hai cực pin không? Lúc đó làm sao để khung có thể quay?
- Bạn hãy thiết kế và thực hiện chế tạo một động cơ điện (một khung dây quay trong từ trường khi có dòng điện đi qua).
U
* Lời giải gợi ý tóm tắt
Đặt các viên nam châm bên dưới, đặt một cực của pin lên nam châm, làm 1 khung dây đồng hình dạng bất kì sao cho một đầu khung tiếp xúc với cực dương của pin, đầu còn lại tiếp xúc với các nam châm (cực âm của pin) và các điểm tiếp xúc của 2 đầu khung này phải dẫn điện. Khi đó đẩy lệch khung một chút là khung có thể quay liên tục trong từ trường. Minh hoạ: hình 2.3.
U
Bài tập 5
* BTCS 5: Hình 2.4 là cấu tạo của một đinamo xe đạp (bộ phận thường gắn ở sát bánh trước). Giải thích cơ chế hoạt động của đi-na-mô xe đạp.
+ Nam châm pin Dây kim Hình 2.3
U
* Các nguyên tắc được sử dụng để biến đổi BTCS thành BTST
- Nguyên tắc linh động: Thay vì bánh xe quay làm nam châm quay ta có thể làm quay nam châm bằng cánh quạt quay; nguyên tắc tự phục vụ: sử dụng nguồn năng lượng dự trữ có sẵn trong thiên thiên: gió; Nguyên tắc đảo ngược: thay vì nam châm quay có thể cho khung dây quay.
* BTST 5: cảm ứng điện từ (bài toán hộp đen)
Các bóng đèn gắn ở xe đạp không dùng pin. Khi ta chạy xe , bánh xe quay thì đèn sáng lên. Bạn hãy suy luận về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đèn. Từ đó hãy thiết kế máy phát điện hoạt động nhờ gió? Trình bày ý tưởng của bạn và chế tạo sản phẩm theo ý tưởng đó.
U
* Các nguyên tắc dùng trong giải bài tập
- Nguyên tắc linh động: thay vì dùng bánh xe làm quay nam châm thì dùng sức gió làm quay cánh quạt gắn với nam châm, cánh quạt có thể quay trực tiếp về phía có gió để hứng gió; nguyên tắc kết hợp: kết hợp cánh quạt quay với nam châm.
U
* Câu hỏi định hướng tư duy
- Đi-na-mô xe đạp là máy phát điện loại nào? Phần cảm là gì? Phần ứng là gì? Tại sao không cần bộ góp?
- Làm thế nào để nam châm có thể quay khi gió thổi vào?
- Nếu dùng cánh quạt để hứng gió làm quay nam châm thì làm thế nào để cánh quạt luôn hướng về phía có gió?
- Bạn hãy thiết kế một máy phát điện mini nhờ gió để làm sáng một bóng đèn led nhỏ và thực hiện ý tưởng đó.
- UGV giới thiệu mô hình trạm phong điệnU:
Bánh xe S N Lõi thép Nam châm Cuộn dâ Vỏ kim l i Hình 2.4 Hình 2.5
Các máy phát điện lợi dụng sức gió (dưới đây gọi tắt là 0Ttrạm phong điện0T) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện.
Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện. Hình 2.5 mô tả cấu tạo cơ bản của hệ thống phong điện
U
* Lời giải gợi ý tóm tắt
- Khi bánh xe quay là rôtô của đinamô áp với bánh xe đạp cũng quay theo, vì thế nam châm gắn với trục bánh xe của đinamô cũng quay theo. Vì thế từ thông xuyên qua lõi thép của ống dây biến thiên, kết quả là trong ống dây ( nối kín với bóng đèn) có một dòng điện cảm ứng. Dòng điện này