tự cảm lúc đóng và ngắt mạch của tác giả Khămsoulin Chănthavông
1.6.2.1. Nguyên tắc hoạt động
Hình 1.6: Thiết bị thí nghiệm khảo sát hiện tƣợng tự cảm
Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính nhằm khảo sắt hiện tƣợng tự cảm, về nguyên tắc là cho tín hiệu điện cần đo qua bộ phận chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự (Card AD) sang tín hiệu số, sau đó đƣa tín hiệu số này vào máy vi tính, viết phần mềm hiện thị số liệu đo dƣới các dạng bảng, đồ thị và xử lý số liệu đó theo các mục đích khác nhau [25].
1.6.2.2. Kết quả đạt được
Bằng cách xử lí các tín hiệu số bằng phần mềm trên máy vi tính mà tác giả đã vẽ đồ thị hiệu điện thế, suy ra đồ thị dòng điện theo thời gian IR ở mạch có biến trở và IL ở mạch có ống dây trƣớc khi, trong khi và sau khi xảy ra hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch và ngắt mạch. Từ đó đã cho thấy giá trị định lƣợng của thí nghiệm mà các dụng cụ đo truyền thống không thể đo đƣợc do hiện tƣợng xảy ra quá nhanh.
Khai thác đƣợc việc độc lập và tự do suy nghĩ cần đƣợc khuyến khích ở ngƣời học, coi đó là một trong những điều kiện hết sức quan trọng trong kiểu dạy học tích cực nhằm phát huy tính tích cực và tính sáng tạo của ngƣời học thì các vấn đề trên cần đƣợc giải quyết [25].
Tuy nhiên, các dụng cụ thí nghiệm của tác giả đƣợc nhập từ nƣớc ngoài về, khó có thể đáp ứng cho tất cả các trƣờng THPT hay ĐH và còn cồng kềnh do chỉ có thế xử lí trên máy tính để bàn.
Kết luận chƣơng 1
Để giải quyết tốt nhiệm vụ của đề tài, trong chƣơng I chúng tôi đã nghiên cứu những cơ sở lý luận của việc sử dụng các phƣơng pháp dạy học nói chung và việc sử dụng TN trong dạy học vật lý nói riêng, cụ thể là:
- Đã làm rõ khái niệm về hứng thú, tính tích cực, tự lực của HS trong học tập, những biểu hiện của hứng thú, tính tích cực và vai trò của nó trong quá trình dạy học vật lý ở trƣờng phổ thông.
- Nghiên cứu một số phƣơng pháp và hình thức tổ chức dạy học để kích thích hứng thú, phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của HS trong học tập.
- Đã làm rõ các tác dụng của việc sử dụng TN trong dạy học vật lý, các đặc điểm của TN vật lý, các chức năng của TN. Phân tích các loại TN đƣợc sử dụng trong giảng dạy vật lý và đã nêu đƣợc những yêu cầu về mặt kỹ thuật và phƣơng pháp tổ chức sử dụng TN trong dạy học vật lý.
- Đã khảo sát thực trạng dạy học vật lý, việc sử dụng TN nhằm phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sang tạo của HS trong dạy học môn vật lý ở một số trƣờng phổ thông.
Từ phân tích cơ sở lý luận và thực tiễn chúng ta thấy rằng: việc tăng cƣờng sử dụng TN trực diện cho HS phổ thông là hết sức cần thiết. Tất cả các TN mà HS có thể làm đƣợc thì GV không nên biểu diễn mà nên để HS tự làm. Điều này phù hợp với đặc điểm của HS phổ thông, góp phần thay đổi phƣơng pháp giảng dạy đáp ứng đƣợc những yêu cầu đổi mới trong dạy học ngày nay.
Vận dụng những kết luận trên đây, chúng tôi đã thiết kếthiết bị thí nghiệm “Tự cảm “ ghép nối với máy vi tính và soạn thảo tiến trình dạy học có sử dụng thiết bị thí nghiệm này.
Chƣơng 2
XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KẾT NỐI VỚI MÁY VI TÍNH TRONG DẠY HỌC BÀI “TỰ CẢM” VẬT LÍ 11 2.1. Mục tiêu dạy học bài “Tự cảm” Vật lí 11
a) Về kiến thức
- Trong khi học:
+ Nêu đƣợc dự đoán cho vấn đề khi dòng điện qua mạch biến thiên thì trongthời gian dòng điện biến thiên trong mạch có sinh ra dòng điện cảm ứng hay không.
+ Suy luận đƣợc hệ quả của giả thuyết: Khi đóng mạch hoặc khi ngắt mạch điệncƣờng độ dòng điện biến thiên nên trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng → dòng điện cảm ứng. + Sử dụng đƣợc kiến thức đã học để thành lập công thức Li và S l N L 2 7 . 10 . 4 + Sử dụng đƣợc kiến thức đã học để thành lập công thức t i L etc - Sau khi học:
+ Nêu đƣợc bản chất của hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch, khi ngắt mạch. + Nêu đƣợc các công thức xác định hệ số tự cảm của ống dây, công thức xác định suất điện tự cảm.
b) Về kỹ năng
+ Vận dụng đƣợc các công thức xác định hệ số tự cảm của ống dây, công thức xác định suất điện động tự cảm.
+ Đề xuất đƣợc phƣơng án kiểm tra của hệ quả, tiến hành thí nghiệm và rút ra đƣợc nhận xét.
c) Tình cảm, thái độ
+ Thái độ hợp tác với bạn, với GV khi làm việc nhóm. + Rèn luyện tính tích cực, thái độ trung thực khi làm việc.
+Rèn luyện thái độ khách quan, trung thực, tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chínhxác, tinh thần hợp tác khi tiến hành thí nghiệm, xử lí các kết quả thí nghiệm.
2.2. Các thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học bài “Tự cảm” Vật lí 11
Để thực hiện đƣợc các mục tiêu của bài “Tự cảm” thì cần tìm hiểu thí nghiệm tự cảm thông qua hai thí nghiệm và giải thích hiện tƣợng trong hai thí nghiệm đó :
- Thí nghiệm 1: Hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch - Thí nghiệm 2: Hiện tƣợng tự cảm khi ngắt mạch
2.3.Sự cần thiết phải xây dựng thiết bị thí nghiệm “Tự cảm” Vật lí 11 kết nối với máy vi tính
- Đối với thiết bị thí nghiệm tự cảm hiện có ở trƣờng THPT, thí nghiệm thực hiện không quá khó khăn nhƣng một số HS lại không thể quan sát đƣợc hiện tƣợng xảy ra. Đối với thí nghiệm tự cảm khi ngắt mạch, GV cần phải nói rõ cho HS sự khác nhau giữa sơ đồ SGK và thí nghiệm thực tế (có thêm đèn LED ở nhánh có ống dây). Thí nghiệm chỉ có thể cho HS dựa vào hiện tƣợng quang của bóng đèn mà phán đoán hiện tƣợng tự cảm.
- Đối với thí nghiệm ghép nối với máy tính để khảo sát hiện tƣợng tự cảm lúc đóng và ngắt mạch của tác giả Khămsoulin Chănthavông thí tác giả đã cho thấy đƣợc sự biến đổi của dòng điện khi xảy ra hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch và khi ngắt mạch dựa vào đồ thị nhƣng thiết bị nhập từ nƣớc ngoài về, khó có thể đáp ứng cho tất cả các trƣờng THPT và còn cồng kềnh do chỉ có thế xử lí trên máy tính để bàn.
Do các lí do trên mà cần chế tạo một thiết bị thí nghiệm kết nối với máy tính có thể sử dụng đƣợc các thiết bị của các tác giả trong nƣớc cùng với
các cảm biến phổ biến trên thị trƣờng. Việc xử lí các thông số mà cảm biến thu nhận có thể thực hiện trên máy vi tính bằng phần mềm LabVIEW với thiết kế hƣớng đến sự đơn giản có thể dùng cho tất cả GV.
2.4. Xây dựng thiết bị thí nghiệm kết nối với máy tính trong dạy học bài “Tự cảm” Vật lí 11 “Tự cảm” Vật lí 11
2.4.1. Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm kết nối với máy vi tính
a) Thiết bị thí nghiệm hiện tƣợng tự cảm Thiết bị thí nghiệm đƣợc thiết kế theo sơ đồ:
Hình 2.1 : Sơ đồ thí nghiệm tự cảm Thiết bị thí nghiệm hiện tƣợng tự cảm có những bộ phận sau:
- Hệ đo : một bảng mạch: gồm có bảng bằng mica, cột bảng, các bóng đèn Đ1, Đ2 , khóa K đóng ngắt đồng thời, vị trí lắp các điện trở hoặc biến trở, các chốt để nối cuộn cảm, bóng đèn Neon, chốt nối nguồn điện, chốt nối các cảm biến thu nhận tín hiệu.
Hình 2.2: Bảng mạch
- Cảm biến : Các cảm biến dòng điện để thu tín hiệu khi xảy ra hiện tƣợng tự cảm.
Hình 2.3 : Cảm biến dòng điện ACS712
- Bộ chuyển đổi:Card HDL9090 để thu thập và xử lí tín hiệu đầu vào từ các cảm biến.
Hình 2.4 : Card HDL-9090 - Máy vi tính có cài đặt phần mềm LabVIEW :
- Nguồn điện dùng nguồn một chiều 6V dùng trong các phòng thí nghiệm. b) Viết phần mềm thu thập và xử lí tín hiệu.
Dùng phần mềm Program LabVIEW để thiết kế và viết. Giao diện của phần mềm hƣớng tới sự đơn giản và có thể dùng cho tất cả GV và HS :
2.4.2. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm kết nối với máyvitính
Khi thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính nhằm khảo sát hiện tƣợng tự cảm, về nguyên tắc chúng tôi cho tín hiệu điện cần đo qua bộ phận chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự (Card HDL-9090) sang tín hiệu số, sau đó đƣa tín hiệu số này vào máy vi tính, viết phần mềm hiện thị số liệu đo dƣới các dạng bảng, đồ thị và xử lý số liệu đó theo các mục đích khác nhau.
Hình 2.6: Sơ đồ khối của thiết bị thí nghiệm
Ngoài ra, dựa vào tính ƣu việt của việc hiển thị kết quả thí nghiệm bằng máy vi tính, chúng tôi còn thiết kế lại mạch điện để thực hiện đƣợc những chức năng tốt hơn so với thí nghiệm truyền thống.
2.4.3.Các thí nghiệm có thể tiến hànhvới thí nghiệm đã chế tạo trong dạy học
2.4.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát dòng điện khi đóng mạch
Mục đích: Vẽ đồ thị dòng điện theo thời gian IR ở mạch có biến và IL ở mạch có ống dây trƣớc khi, trong khi và sau khi xảy ra hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch.
Bố trí và tiến hành thí nghiệm - Bố trí
+ Lăp đặt các linh kiện vào bảng mạch đã chế tạo.
+ Sử dụng hai cảm biến ACS712 để thu thập dòng điên ở hai đầu bóng đèn Đ1 và Đ2.
+ Nguồn nuôi cảm biến đƣợc lấy từ card HDL-9090
+ Sử dụng các cổng ADC1 và ADC2 trên card HDL-9090 để xử lí tín hiệu tƣơng tự từ cảm biến.
+ Kết nối card HDL-9090 với cổng USB trên máy vi tính có cài phần mềm LabVIEW.
Hệ cần đo Cảm biến Card HDL-
9090
- Tiến hành thí nghiệm
+ Bật công tắc nguồn điện
+ Bật máy tính, mở phần mềm LabVIEW, mở chƣơng trình điều khiển thí nghiệm hiện tƣợng tự cảm, mở tab “Thí nghiệm tự cảm khi đóng mạch”.
+ Chọn “Cổng đầu vào” cho thiết bị ( HDL-9090)
+ Ấn nút “Bắt đầu đo”để điều khiển thí nghiệm hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch. Đến khi đồ thị xuất hiện trên màn hinh rồi ấn nút “Dừng chƣơng trình”.
Kết quả thí nghiệm: Khi đóng mạch, dòng điện chạy qua bóng đền IR ở nhánh có điện trở tăng ngay đến giá trị cực đại, còn dòng điện IL chạy qua bóng đèn ở nhánh có cuộn cảm tăng từ từ lên giá trị cực đại.
Hình 2.7: Kết quả thí nghiệm
Hình 2.8: Đồ thị dòng điện ở hai nhánh khi đóng mạch (phần bên trái) Thời gian xảy ra hiện tƣợng tự cảm khoảng 200ms. (Qua đó càng chứng
tỏ hiện tƣợng xảy ra rất nhanh, không thể đo các đại lƣợng điện bằng dụng cụ đo truyền thống).
2.4.3.2. Thí nghiệm 1: Khảo sát dòng điện khi ngắt mạch
Mục đích: Vẽ đồ thị hiệu điện thế, đồ thị dòng điện theo thời gian IR ở mạch có biến và IL ở mạch có ống dây trƣớc khi, trong khi và sau khi xảy ra hiện tƣợng tự cảm khi ngắt mạch.
Bố trí và tiến hành thí nghiệm - Bố trí :
+ Lăp đặt các linh kiện vào bảng mạch đã chế tạo.
+ Sử dụng hai cảm biến ACS712 để thu thập dòng điên ở hai đầu bóng đèn Đ1 và Đ2.
+ Nguồn nuôi cảm biến đƣợc lấy từ card HDL-9090
+ Sử dụng các cổng ADC1 và ADC2 trên card HDL-9090 để xử lí tín hiệu tƣơng tự từ cảm biến.
+ Kết nối card HDL-9090 với cổng USB trên máy vi tính có cài phần mềm LabVIEW.
- Tiến hành thí nghiệm : + Bật công tắc nguồn điện
+ Bật máy tính, mở phần mền Labview, mở chƣơng trình điều khiển thí nghiệm hiện tƣợng tự cảm, mở tab “Thí nghiệm tự cảm khi ngắt mạch mạch”.
+ Chọn Cổng đầu vào cho thiết bị ( HDL-9090)
+ Ấn nút “Bắt đầu đo”để điều khiển thí nghiệm hiện tƣợng tự cảm khi ngắt mạch. Đến khi đồ thị xuất hiện trên màn hinh rồi ấn nút “Dừng chƣơng trình”.
Kết quả thí nghiệm: Khi ngắt mạch, dòng điện cảm ứng IL chạy qua bóng đèn ở nhánh có cuộn cảm không đổi chiều nhƣng có cƣờng độ giảm nhanh từ giá trị cực đại xuống giá trị 0 (theo hàm mũ), còn dòng điện IR chạy qua bóng đèn ở nhánh có biến trở đột nhiên đổi chiều và cũng có cƣờng độ giảm nhanh từ giá trị cực đại xuống giá trị 0 (theo hàm mũ). Đồ thị hai dòng điện này hoàn toàn đối xứng nhau qua trục hoành (trục thời gian).
Hình 2.9: Đồ thị dòng điện ở hai nhánh khi ngắt mạch (phần bên phải) Thời gian xảy ra tự cảm khi ngắt mạch ở mạch này là khoảng 320ms
2.5. Soạn thảo tiến trình dạy học bài “Tự cảm “ Vật lí 11
2.5.1. Xây dựng những câu hỏi đề xuất – giải quyết vấn đề và các câu trả lời tương ứng trả lời tương ứng
Câu hỏi 1: Hiện tượng tự cảm là gì? Nêu một vài ví dụ về hiện tượng tự cảm.
Kết luận:
- Hiện tƣợng tự cảm là hiện tƣợng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra.
- Ví dụ: Hiện tƣợng tự cảm khi đóng mạch, hiện tƣợng tự cảm khi ngắt mạch, hiện tƣợng tự cảm khi dòng điện trong mạch biến đổi.
Câu hỏi 2: Biểu thức tính từ thông qua diện tích của mạch do từ trường củadòng điện trong mạch đó sinh ra?
Kết luận: Li
Câu hỏi 3: Biểu thức tính hệ số tự cảm của ống dây dài đặt trong không khí?
Kết luận: S l N L 2 7 . 10 . 4
Câu hỏi 4: Biểu thức xác định suất điện động tự cảm?
Kết luận: t i L etc
2.5.2. Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức “Tự cảm”
Tình huống có vấn đề : Ở bài học trƣớc chúng ta đã biết nguyên nhân gây ra hiện tƣợng cảm ứng điện từ là do sự biến thiên từ thông do từ trƣờng bên ngoài gây ra. Vậy khi dòng điện trong mạch thay đổi thì trong mạch có thêm dòng điện cảm ứng do sự biến thiên từ thông do dòng điện biến thiên gây ra không ?
Vấn đề cần giải quyết :
- Dòng điện trong mạch thay đổi thì trong mạch có thêm dòng điện cảm ứng do sự biến thiên từ thông do dòng điện biến thiên gây ra không ?
- Nếu có dòng điện cảm ứng thì dòng điện cảm ứng có đặc điểm gì ?
Giải quyết vấn đề :
- HS dự đoán là có. Vì sao ?
- Làm thế nào để kiểm tra điều đó ?. HS phải đi thiết kế phƣơng án TN kiểm tra có xuất hiện hiện tƣợng tự cảm hay không ?
- Tiến hành TN thì xuất hiện điều gì ?. Từ đây kết luận gì về nguyên nhân gây ra hiện tƣợng tự cảm là gì ?. Dòng điện tự cảm có đặc điểm gì ?
Kết luận :
Định nghĩa về hiện tƣợng tự cảm : Hiện tƣợng tự cảm là hiện tƣợng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của cƣờng độ dòng điện trong mạch đó gây ra.
- Các đặc điểm của dòng điện cảm ứng : + Chiều : Tuân theo định luật Len-xơ
+ Độ lớn : Dòng điện tự cảm cũng là dòng điện cảm ứng nên
t i L etc
2.5.3. Soạn thảo tiến trình dạy học bài “Tự cảm” Vật lí 11
Hoạt động 1:Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Nêu điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng? Phát biểu định luật Lenxơ?
Viết biểu thức xác định suất điện động cảm ứng?
+ Dòng điện cảm ứng xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín.
+ Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho nó có tác dụng chống lại nguyên nhân đó sinh ra nó. + Suất điện động cảm ứng : t ec
Hoạt động 2: Tổ chức tình huống học tập làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu.