Đặt vấn đề vào bài:
Ta đã biết, hiện tƣợng cảm ứng điện từ xảy ra trong mọi trƣờng hợp khi từ thông qua mạch kín biến đổi mà không phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra sự biến đổi từ thông đó. Ví dụ: có thể thay đổi từ trƣờng B hoặc thay đổi diện tích mạch S hoặc thay đổi góc α. Bài hôm nay chúng ta sẽ nghiên cứu một trƣờng hợp riêng của hiện tƣợng cảm ứng điện từ, đó là hiện tƣợng tự cảm.
Hoạt động 1: Tổ chức tình huống học tập làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu.
Đặt HS vào tình huống có vấn đề:
GV: Dòng điện i gây ra từ trƣờng trong mạch, từ trƣờng này gây ra từ thông qua mạch. Khi cƣờng độ dòng điện trong mạch biến thiên theo thời gian thì trong mạch có xuất hiện dòng điện cảm ứng không ?
HS: Một dòng điện biến thiên cũng sinh ra xung quanh nó từ trƣờng biến thiên. Do đó, khi trong mạch điện kín có dòng điện biến thiên theo thời gian, có xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Khi trả lời đƣợc hai câu hỏi trên, HS đã nhận thức đƣợc vấn đề cần nghiên cứu: Trong mạch điện kín có dòng điện biến thiên theo thời gian, có xuất hiện dòng điện cảm ứng không ?
Hoạt động 2:Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm chứng và tiến hành thínghiệm. Nêu khái niệm hiện tƣợng tự cảm.
GV: Trong thực tế, có những cách nào làm cƣờng độ dòng điện trong mạch biến thiên?
HS trả lời bằng hai phƣơng án:
Phƣơng án 1: Mắc mạch điện vào nguồn xoay chiều.
Phƣơng án 2: Thay đổi điện trở của mạch bằng cách dùng biến trở.
GV gợi ý tiếp: Trong mạch điện gồm cuộn dây mắc vào nguồn 1 chiều thông qua khóa K thì thay đổi cƣờng độ dòng điện trong mạch bằng cách nào?
Đa số các em HS tìm ra cách đóng hoặc ngắt khóa K.
GV tiếp tục phát triển vấn đề bằng câu hỏi: Cƣờng độ dòng điện trong mạch, từ trƣờng do cuộn dây sinh ra thay đổi thế nào khi đóng khóa K ?
HS:Dòng điện tăng từ 0 đến giá trị xác định I, từ trƣờng do cuộn dây sinh ra có cảm ứng từ tăng từ 0 đến giá trị B xác định.
GV:Vậy hiện tƣợng gì sẽ xảy ra khi đóng khóa K? Tại sao ?
HS chƣa trả lời đƣợc câu hỏi này ngay. GV cần đƣa ra câu hỏi gợi ý: Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, từ thông gửi qua cuộn dây tạo bởi từ trƣờng của dòng điện chạy trong chính cuộn dây. Từ thông này thay đổi thế nào khi đóng khóa K ?
Với câu hỏi này, HS đã trả lời đƣợc câu hỏi.
Để kiểm tra lại giả thuyết trên, GV giao nhiệm vụ cho các nhóm: “Hãy đƣa ra các phƣơng án thiết kế mạch điện để phát hiện đƣợc sự tăng từ từ của dòng điện khi đóng khóa K. Phân tích tính khả thi của từng phƣơng án, từ đó lựa chọn phƣơng án tối ƣu”.
Các nhóm tiến hành trao đổi, thảo luận. GV làm việc với các nhóm để giúp đỡ, định hƣớng nhóm. Có thể các nhóm thực hiện nhiệm vụ ở những mức độ sau:
+ Phƣơng án 1: Các nhóm đƣa ra đƣợc 2 phƣơng án thiết kế là: phương án 1: Mắc mạch điện song song gồm 2 nhánh, nhánh 1 gồm cuộn dây nối tiếp với bóng đèn, nhánh 2 gồm điện trở có giá trị bằng điện trở của cuộn dây và bóng đèn giống ở nhánh 1, mạch điện đƣợc nối với nguồn qua khóa K;
phương án 2: Mắc mạch điện song song gồm 2 nhánh, nhánh 1 gồm cuộn dây nối tiếp với điện kế, nhánh 2 gồm điện trở có giá trị bằng điện trở của cuộn dây và điện kế giống ở nhánh 1, mạch điện đƣợc nối với nguồn qua khóa K.
+ Phƣơng án 2: Các nhóm đƣa ra đƣợc 2 phƣơng án thiết kế nhƣ trên nhƣng chƣa biết làm thế nào để lựa chọn phƣơng án tối ƣu.
GV đặt vấn đề: Hiện tƣợng tự cảm xảy ra trong một thời gian rất ngắn, các thí nghiệm truyền thống và thiết bị thƣờng dùng hiện nay không thể hiện rõ hay đo đƣợc các giá trị của dòng điện hay điện áp lúc xảy ra hiện tƣợng tự cảm đƣợc. Để giải quyết vấn đề này thì chúng ta có thể sử dụng các cảm biến để thu thập các giá trị và xử lí kết quả bằng máy vi tính với một mạch điện mới thiết kế để phục vụ cho việc thu thập bằng cảm biến dễ dàng hơn.
GV đƣa ra sơ đồ mạch và thiết bị thí nghiệm để HS quan sát hiện tƣợng khi thao tác thí nghiệm.
GV tiến hành thí nghiệm trên mô hình mạch đó lựa chọn nhƣng trƣớc khi đóng khóa K, GV nhắc nhở HS phải chú ý quan sát đến độ sáng của 2 bóng đèn trong lúc làm thí nghiệm.
Để tăng tính thuyết phục, GV đổi vị trí của 2 bóng đèn cho nhau rồi lại đóng khóa K nhƣ trên. Khi đó HS vẫn thấy đèn ở nhánh có cuộn dây sáng lên chậm hơn bóng đèn ở nhánh có điện trở.
GV sử dụng đồ thị biểu diễn cƣờng độ dòng điện ở hai nhánh để giải thích cho hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch và khi ngắt mạch.
Hoạt động 3: Xây dựng công thức tính từ thông riêng, hệ số tự cảm. Chúng tôi nhắc lại: Một mạch điện có dòng điện i chạy qua, từ thông qua mạch đƣợc tạo bởi từ trƣờng do chính dòng điện i trong mạch sinh ra.
Để đặt HS vào tình huống có vấn đề tiếp theo, chúng tôi đƣa ra câu hỏi:
Từ thông Φ qua diện tích của mạch quan hệ với dòng điện i trong mạch đó nhƣ thế nào? Đại lƣợng vật lý nào đặc trƣng cho mối quan hệ đó? Với ống dây dài đặt trong không khí đại lƣợng Φ đƣợc xác định bởi biểu thức nào?
HS chƣa đƣa ra đƣợc câu trả lời. Chúng tôi đặt câu hỏi:
Từ thông quan hệ với cảm ứng từ B nhƣ thế nào? HS trả lời: Φ ~ B
Chúng tôi đặt câu hỏi tiếp theo:
Cảm ứng từ B quan hệ với dòng điện i nhƣ thế nào?
HS lúng túng. Chúng tôi gợi ý: Viết biểu thức tính cảm ứng từ B của dòng điện tròn, dòng điện trong ống dây? Nhận xét mối quan hệ giữa B và i ?
HS trả lời: B ~ i
Có thể rút ra kết luận gì về mối quan hệ giữa Φ và i?
HS trả lời: Φ ~ i
Chúng tôi thông báo: Từ thông tỉ lệ thuận với cƣờng độ dòng điện, có thể viết Φ=L.i, trong đó L là hệ số tỉ lệ. L có giá trị không đổi với mỗi mạch và khác nhau với những mạch khác nhau, L phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc của mạch điện, phụ thuộc vào tính chất của môi trƣờng trong đó ta đặt mạch điện. Ngƣời ta gọi L là hệ số tự cảm hay độ tự cảm. Đơn vị của độ tự cảm là H (Henri).
Chúng tôi tiếp tục vấn đề bằng câu hỏi:
Trong các loại mạch điện thì hệ số tự cảm của ống dây là lớn nhất. Vậy biểu thức xác định hệ số tự cảm L của ống dây dài đặt trong không khí là gì?
Muốn xác định hệ số tự cảm L, cần xác định đại lƣợng nào? Sử dụng công thức nào?
HS trả lời: Φ = B.S Chúng tôi hỏi tiếp:
Ống dây có N vòng và diện tích mỗi vòng là S thì từ thông qua ống dây đƣợc tính thế nào?
HS trả lời: Φ = N.B.S Chúng tôi hỏi:
Nếu ống dây có chiều dài l và n là số vòng dây trên 1 đơn vị chiều dài của ống, từ thông qua ống dây đƣợc tính thế nào?
HS trả lời: Φ = N.B.S = n.l.B.S = n.B.V Chúng tôi yêu cầu:
Viết biểu thức tính cảm ứng từ B của ống dây dài đặt trong không khí? Từ đó tính hệ số tự cảm?
HS đƣa ra câu trả lời: L = 4π.10-7
.n2.S.l = 4π.10-7
.n2.V Chúng tôi hỏi:
Công thức này có áp dụng đƣợc cho ống dây có lõi sắt không? Tại sao? HS trả lời: Không, vì ta xây dựng công thức này dựa vào biểu thức tính cảm ứng từ B của ống dây trong không khí.
Chúng tôi khái quát vấn đề: Nhƣ vậy, từ thông tỉ lệ với dòng điện i qua biểu thức Φ = L.i và L gọi là hệ số tự cảm. Trƣờng hợp ống dây dài đặt trong không khí hệ số tự cảm L đƣợc xác định bởi L = 4π.10-7.n2.V
Chúng tôi đặt vấn đề: Hiện tƣợng tự cảm xảy ra do sự biến thiên dòng điện trong mạch gây ra. Do vậy, hợp lý hơn cả là ta biểu diễn suất điện động tự cảm qua sự biến thiên của cƣờng độ dòng điện trong mạch.
Vậy, suất điện động tự cảm quan hệ với sự biến thiên của cƣờng độ dòng điện trong mạch nhƣ thế nào?
Đa số HS chƣa đƣa ra đƣợc câu trả lời. Chúng tôi gợi ý:
Hiện tƣợng tự cảm thực chất là hiện tƣợng cảm ứng điện từ nên suất điện động tự cảm đƣợc xác định bởi biểu thức nào?
HS trả lời: t etc
Chúng tôi gợi ý tiếp:
Một mạch điện không có lõi sắt thì L là đại lƣợng không đổi. Biến thiên từ thông đƣợc xác định thế nào? Từ đó xác định suất điện động tự cảm?
HS trả lời: t i L e i L tc .
Sau đó, chúng tôi giao nhiệm vụ cho cả lớp: Hãy vận dụng công thức tính suất điện động tự cảm để giải bài toán sau:
Bài toán:
Một ống dây quấn với mật độ 2000 vòng/m. Ống có thể tích 500cm3. Ống dây đƣợc mắc vào 1 mạch điện. Sau khi đóng công tắc K, dòng điện trong ống biến đổi theo thời gian nhƣ đồ thị. Lấy thời điểm đóng công tắc ứng với thời điểm t = 0.
Tính suất điện động tự cảm trong ống:
a, Từ sau khi đóng công tắc đến thời điểm t = 0,05s
b, Từ thời điểm t = 0,05s về sau
Có một số HS lúng túng chƣa xác định đƣợc thƣơng t i . Chúng tôi gợi ý: Để xác định thƣơng t i
dựa vào đồ thị, hãy tìm i1 tại thời điểm t1 = 0 và i2 tại thời điểm t2 = 0,05s ?
Từ thời điểm t = 0,05s về sau, cƣờng độ dòng điện i có đặc điểm gì? i(A ) t(s ) 5 0,0 5 0
Đƣợc gợi ý, HS tự giải bài toán và tìm ra đáp số đúng n = 2000 vòng/m V = 500cm3 = 5.10-4m3 etc = ? s t b s t t a 05 , 0 , 05 , 0 , 0 , 1 2 Hệ số tự cảm: L4.107n2V 4.107.4.106.5.104 2,5.103(H) a, 0,25 05 , 0 5 . 10 . 5 , 2 ) ( . . 3 1 2 1 2 t t i i L t i L etc (V) b, . .( ) 0 1 2 1 2 t t i i L t i L etc (vì i = const)
Kết thúc vấn đề, chúng tôi khái quát lại: Nhƣ vậy độ lớn của suất điện động tự cảm tỉ lệ với tốc độ biến thiên cƣờng độ dòng điện trong mạch:
t i L etc
. Điều này giải thích vì sao bóng đèn lại lóe sáng khi ngắt khóa K ở thí nghiệm trên.
3.4.2. Nhận xét của giờ thực nghiệm
• Biếu hiện của tính tích cực trong TNSP
Ở lớp ĐC, nhiều HS vẫn chƣa tích cực tham gia hoạt động giải quyết các vấn đề học tập. HS có thói quen chờ đợi GV trình bày kiến thức nhƣ phƣơng pháp dạy học cũ.GV cũng đƣa ra một số tình huống học tập, song không tổ chức cho HS tham gia giải quyết vấn đề. GV không đƣa ra những câu hỏi định hƣớng phù hợp với trình độ của HS mà chỉ đƣa ra một số câu hỏi vụn vặt. GV chủ yếu nêu vấn đề, rồi giảng giải kiến thức, còn HS chủ yếu ngồi nghe, ghi chép. Do vậy, không phát huy đƣợc tính tích cực của HS. Không khí học tập trầm hơn so với lớp thực nghiệm.
- Ở lớp ThN, HS có sự tiến bộ rõ rệt. Khi GV đƣa ra vấn đề, HS đã tích cực suy nghĩ, tìm cách giải quyết vấn đề. Các em đã mạnh dạn bàn bạc, thảo luận. Trong tiết học, HS làm việc là chủ yếu. Chúng tôi chỉ tổ chức các tình huống
học tập và đƣa ra các câu hỏi định hƣớng để HS nỗ lực tìm tòi, giải quyết vấn đề. Sự tích cực của HS còn thể hiện ở việc giải các bài toán liên quan, tìm tòi ra cách giải một số bài toán khó.
• Biếu hiện của tính sáng tạo trong TNSP
- Ở lớp ĐC, khi tham gia vào việc đề xuất phƣơng án thí nghiệm, nhiều HS còn rụt rè, chƣa dám trình bày, bảo vệ ý kiến của mình trƣớc nhóm cũng nhƣ trƣớc tập thể lớp. Nhiều em HS khi kiểm tra lại kiến thức bằng việc đề xuất lại phƣơng án thí nghiệm thì không nhớ đƣợc sơ đồ thí nghiệm do các em không tham gia hoặc tham gia ít vào quá trình đề xuất phƣơng án thí nghiệm. - Ở lớp ThN, HS đã mạnh dạn đƣa ra đƣợc các phƣơng án thí nghiệm kiểm tra đƣợc sự xuất hiện của dòng điện tự cảm. Một số HS đã lực chọn đƣợc các phƣơng án tối ƣu để đƣa vào thực nghiệm. HS dƣới sự giúp đỡ của GV đã từ đồ thị thu đƣợc đã trả lời đƣợc một số câu hỏi định hƣớng mà HS lớp ĐC cảm thấy khó hiểu hay trừu tƣợng. Một số HS đã dựa vào đồ thị thu đƣợc giải thích đƣợc hiện tƣợng xảy ra.