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.
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 của GV Hoạt động của HS
Đƣa ra tình huống có vấn đề : 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 ?
Làm việc cá nhân
Nhận biết 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 3: Xây dựng giả thuyết
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Đề nghị HS xây dựng lập luận để trảlời câu hỏi trên.
Câu hỏi gợi ý:
- Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch?
- 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 ?
Nêu ý kiến cá nhân.
Thảo luận ở lớp.
-Từ thông qua mạch kín biến thiên → trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng.
- 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. Hoạt động 4: Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm chứng và tiến hành thí nghiệm. Nêu khái niệm hiện tƣợng tự cảm.
Hƣớng dẫn thảo luận để giúp đỡ HS thiết kế đƣợc phƣơng án thí nghiệm:
- Trong thực tế,có những cách nào làm cƣờng độ dòng điện trong mạch biến thiên?
Để thu hẹp phạm vi tìm tòi của HS, GV gợi ý tiếp:
Có thể HS trả lời theo các phƣơng án sau:
Phƣơng án 1: Mắc mạch điện vào nguồn xoay chiều.
Phƣơng án 2: Thay đổi điện trở của mạch bằng cách dùng biến trở.
K
- Trong mạch điện gồm cuộn dây mắc
vào nguồn 1 chiều thông qua khóa K (hình vẽ) thì thay đổi cƣờng độ dòng điện trong mạch bằng cách nào? Có thể HS chƣa tìm ra câu trả lời. Khi đó GV gợi ý:
- Trong mạch, khóa K có vai trò gì?
Hi vọng với gợi ý đó, HS sẽ tìm ra câu trả lời.
- Xét trƣờng hợp đóng khóa K. Hiện
tƣợng gì sẽ xảy ra khi đóng khóa K? Để HS dự đoán đƣợc hiện tƣợng, GV gợi ý nhƣ sau:
- Tại sao lại dùng cuộn dây mà không
thay vào đó 1 điện trở? Cuộn dây có vai trò gì?
Nếu HS chƣa dự đoán đƣợc hiện tƣợng, GV thu hẹp mức độ tìm tòi bằng câu hỏi định hƣớng:
- Cƣờng độ dòng điện trong mạch, từ
trƣờng do cuộn dây sinh ra thay đổi thế nào khi đóng khóa K?
- Vậy hiện tƣợng gì sẽ xảy ra khi
đúng khóa K? Tại sao ?
Nếu HS chƣa đƣa ra đƣợc câu trả lời. GV tiếp tục gợi ý nhƣ sau:
- Đóng hoặc ngắt
khóa K
- Có thể HS chỉ đƣa ra đƣợc câu trả lời: Có dòng điện chạy trong mạch.
- 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.
- Xuất hiện dòng điện cảm ứng vì từ thông qua cuộn dây tăng lên.
- 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? Hi vọng với gợi ý này HS sẽ trả lời đƣợc câu hỏi ở trên.
GV tiếp tục định hƣớng suy nghĩ của HS bằng câu hỏi:
- Dòng điện cảm ứng xuất hiện có tác
dụng gì?
- Nguyên nhân sinh ra dòng cảm ứng
ở trƣờng hợp này là gì ? Chống lại nguyên nhân ấy bằng cách nào ? ◊ Tóm lại, khi đóng khóa K, dòng điện trong mạch không tăng ngay tới giá trị xác định I mà tăng lên từ từ. - Có thể dùng thiết bị gì để nhận thấy có sự xuất hiện của iC trong mạch?
phƣơngán thí nghiệm.
Thảo luận, tự chữa những chỗ sai trong cách thiết kế của nhóm.
- Dòng điện cảm ứng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó.
- Dòng cảm ứng chống lại sự tăng của dòng điện trong mạch làm dòng này tăng lên từ từ.
Để kiểm tra lại giả thuyết trên, GV giao nhiệm vụ cho các nhóm:
-Hãy đưa ra các phương án thiết kế mạch điện để phát hiện được sự tăng từ từ của dòng điện khi đóng khóa K. Phân tích tính khả thi của từng phương án, từ đó lựa chọn phương án tối ưu.
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. Khi đó GV gợi ý:
- Phƣơng án nào dễ phát hiện đƣợc sự tăng từ từ của dòng điện hơn?
Hi vọng HS sẽ lựa chọn đƣợc phƣơng án tối ƣu.
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.
Sau khi tiến hành thí nghiệm, GV tiếp tục đặt câu hỏi để HS giải thích: - Sau khi đúng khóa K một thời gian ngắn độ sáng của 2 bóng đèn nhƣ thế nào ? Tại sao ?
Khi HS đƣa ra phƣơng án 2, GV gợi ý tiếp:
Khi đóng khóa K, đèn Đ1 sáng lên từ từ là do có dòng cảm ứng xuất hiện. Vậy khi 2 đèn có độ sáng nhƣ nhau chứng tỏ điều gì ? Vì sao ?
- Đóng khóa K, đèn Đ1 sáng lên chậm hơn so với đèn Đ2.
- Phƣơng án 1: Độ sáng của 2 đèn là nhƣ nhau vì khi đó không còn dòng điện cảm ứng nữa, bởi lúc đó dòng điện qua cuộn dây đã đạt tới giá trị xác định I, từ thông qua cuộn dây không thay đổi.
Phƣơng án 2: Có thể HS chỉ đƣa ra đƣợc câu trả lời: Độ sáng của 2 đèn là nhƣ nhau vì khi đó cƣờng độ dòng điện trong 2 nhánh bằng nhau.
Hi vọng với gợi ý đó thì HS sẽ đƣa ra câu trả lời nhƣ phƣơng án 1.
GV tiếp tục đƣa ra đồ thị so sánh dòng điện trong 2 nhánh khi đóng mạch bằng cách thu thập bằng cảm biến. Từ đồ thị này cho thấy:
Trong thời gian đóng mạch, từ đồ thị hiệu điện thế suy ra cƣờng độ dòng điện IL ở nhánh có cuộn cảm tăng từ từ lên giá trị cực đại (trong khoảng 140 ms = 1/7 giây), còn cƣờng độ dòng điện IR ở nhánh có bóng đèn tăng ngay lên giá trị cực đại ).
Trở lại mạch điện ban đầu, câu hỏi tƣơng tự là hiện tƣợng gì sẽ xảy ra khi ngắt khóa K. Chúng ta cùng tiến hành thí nghiệm và cũng đi thu thập kết quả nhƣ trƣờng hợp trên.
Tiến hành thí nghiệm sau khi đã lắp 2 bóng đèn neon vào vị trí, yêu cầu HS
- Bóng đèn neon bên nhánh có cuộn dây bừng sáng.
quan sát hiện tƣợng.
Cho HS quan sát đồ thị so sánh của dòng điện ở hai nhánh :
Từ đồ thị chúng ta thấy khi ngắt mạch, dòng điện cảm ứng IL chạy qua bóng đèn ở nhánh có điện trở không đổi chiều nhƣng có cƣờng độ giảm nhanh từ giá trị cực đại xuống giá trị 0, còn dòng điện IR chạy qua bóng đèn ở nhánh có cuộn cảm đột nhiên đổi chiều và cũng có cƣờng độ giảm nhanh từ giá trị cực đại xuống giá trị 0
- Đèn lóe sáng lên chứng tỏ điều gì?
- Vì sao đèn chỉ lóe sáng một lúc rồi tắt ngay?
- Khi ngắt K, dòng điện trong mạch giảm rất nhanh về 0 nên tốc độ biến thiên từ thông rất lớn. Do vậy cƣờng độ dòng cảm ứng rất lớn làm đèn lóe sáng.
- Vì dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian khi từ thông
Để tăng tính thuyết phục, GV tiến hành thêm 1 thí nghiệm phụ nhƣ sau. Thay cuộn dây bằng điện trở thuần có giá trị bằng điện trở thuần của cuộn dây, rồi lại ngắt khóa K. Khi đó HS sẽ thấy đèn không lóe sáng nhƣ khi có cuộn dây.
Hiện tƣợng xảy ra khi đóng, ngắt khóa K thực chất là hiện tƣợng gì? Hiện tƣợng này có gì đặc biệt?
Khi HS chỉ đƣa ra đƣợc Phƣơng án 2 thì GV tiếp tục gợi ý:
- Nguyên nhân dẫn tới sự biến thiên từ thông qua mạch là gì?
Hi vọng với gợi ý đó HS sẽ tìm ra đƣợc điều đặc biệt ở hiện tƣợng này. Khái quát: Đây là một trƣờng hợp đặc biệt của hiện tƣợng cảm ứng điện từ, gọi là hiện tƣợng tự cảm. Hiện tƣợng
qua cuộn dây biến thiên. Còn khi từ thông có giá trị không đổi và bằng 0 do dòng điện qua cuộn dây bằng 0 thì không còn dòng cảm ứng nữa.
- Phƣơng án 1: Thực chất đều là hiện tƣợng cảm ứng điện từ nhƣng đặc biệt ở chỗ nguyên nhân gây ra sự biến thiên từ thông qua mạch là do chính sự biến thiên dòng điện trong mạch.
Phƣơng án 2: HS chỉ trả lời đƣợc 1 phần câu hỏi: Thực chất là hiện tƣợng cảm ứng điện từ
tự cảm là hiện tƣợng cảm ứng điện từ trong 1 mạch điện do chính sự biến thiên của dòng điện trong mạch đó gây ra. Dòng điện cảm ứng và suất điện động cảm ứng đƣợc sinh ra do hiện tƣợng tự cảm gọi là dòng điện tự cảm và suất điện động tự cảm.
Hiện tƣợng tự cảm xuất hiện trong một mạch có dòng điện xoay chiều chạy qua hoặc trong một mạch điện 1 chiều khi ta đóng hay ngắt mạch.
Hoạt động 5: Xây dựng công thức tính từ thông riêng, hệ số tự cảm.
Thông báo: Dòng điện i gây ra từ trƣờng, từ trƣờng này gây ra từ thông qua mạch gọi là từ thông riêng của mạch.
Từ thông riêng có phụ thuộc vào dòng điện i không?
Xác nhận ý kiến đúng. Thông báo: hệ số tỉ lệ gọi là độ tự cảm, kí hiệu L. Ta có: Li
Thông báo: L phụ thuộc vào cấu tạo và kích thƣớc của mạch kín.
Dựa vào kiến thức đã học về từ thông và cảm ứng từ có thể suy luận đƣợc tỉ lệ với i.
Hoạt động 6: Xây dựng công tức tính suất điện động tự cảm
Thông báo khái niệm suất điện động tự cảm.
Hƣớng dẫn HS lập luận để xây dựng công thức tính suất điện động tự cảm.
Gợi ý:
- Suất điện động tự cảm thực chất là suất điện động cảm ứng. Có thể sử dụng công thức nào tính đƣợc suất điện động cảm ứng?
+ là gì? Tính bằng công thức nào ?
Xác nhận ý kiến đúng.
Suy luận từ khái niệm suất điện động tự cảm là suất điện động cảm ứng: t etc Mà Li
Vì L không đổi nênLi
Suy ra t i L etc
Hoạt động 7: Củng cố bài học, giao nhiệm vụ về nhà cho HS Giao nhiệm vụ về nhà: Làm bài tập
1,2,3 trong SGK trang 199.
Chuẩn bị bài mới.
- Ôn lại những tính chất cơ bản của điện trƣờng.
- Dụng cụ thƣờng gặp để tích trữ năng lƣợng điện trƣờng trong mạch điện. - Tính chất cơ bản của từ trƣờng đã đƣợc học?
Kết luận chƣơng 2
Ở chƣơng này, chúng tôi đã tìm hiểu, xây dựng đƣợc cấu trúc logic nội dung các kiến thức và đặc điểm của bài “Tự cảm” Vật lí 11. Từ việc chỉ ra các vấn đề chƣa đƣợc giải quyết trong thực tiễn dạy học về "Tự cảm" Vật lí 11 theo phƣơng pháp dạy học tích cực,chúng tôi đã nghiên cứu và xác định các vấn đề đó có thể đƣợc giải quyết nếu sử dụng thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính. Từ đó, chúng tôi soạn thảo tiến trình dạy học nội dung bài "Tự cảm" Vật lí 11 theo hƣớng phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng