Từ trường gây ra bởi dòng điện chạy trong cuộn dây dài quấn chặt, hình xoắn. Cuộn dây như vậy gọi là ống dây điện thẳng. Ta giả định chiều dài ống dây lớn hơn đường kính của nó rất nhiều.
37
Từ trường của ống dây là vectơ tổng hợp của từ trường do từng vòng dây sinh ra. Ở nhũng điểm rất gần dây dẫn thì về mặt tính chất từ, nó gần giống như một dây dẫn dài và thẳng. Đường cảm ứng từ của từ trường tạo bởi mỗi vòng dây gần giống các đường tròn đồng tâm. Đường cảm ứng từ bên trong ống dây gần là những đường thẳng song song với trục của ống dây. Trong trường hợp ống dây dài vô hạn và cuốn chặt bằng dây dẫn có tiết diện vuông, thì đường cảm ứng từ bên trong ống dây là những đường thẳng cách đều và song song với trục của
ống dây.
Chiều của đường cảm ứng từ dọc theo trục của ống dây được xác định theo quy tắc cái đinh ốc 2 (hay quy tắc bàn tay phải (thẳng và cong).
Quy tác cái đinh ốc 2: Đặt cái đinh ốc dọc theo trục của ống dây và quay theo chiều dòng điện thì chiều tiến của cái đinh ốc là chiều của đường cảm ứng từ bên trong ống dây.
(Quy tắc bàn tay phải thẳng và cong theo cách sau: Nắm lấy ống dây bằng bàn tay phải sao cho các ngón tay cong theo chiều của dòng điện. Ngón tay cái choãi, chỉ chiều của đường
cảm ứng từ dọc theo trục của ống dây.)
Cách sắp xếp các đường cảm ứng từ bên trong ống dây chứng tỏ từ trường ở bên trong ống dây tương đối mạnh và đều trên toàn tiết diện thẳng của ống. Từ trường bên ngoài ống dây thì tương đối yếu.
Cảm ứng từ bên trong ống dây:
B = 4π.10-7
nI (2.3)
Trong đó: Ilà cường độ dòng điện chạy trên các vòng dây của ống dây.
38
Mặc dù phương trình (2.3) trong trường hợp ống dây điện dài vô hạn, nhưng rể nó đúng cả trong ống dây thực nếu ta áp dụng nó cho các điểm nằm bên trong và gần tâm của ống dây. Phương trình (2.3) phù hợp với kết quả thực nghiệm là cảm ứng từ B không phụ thuộc vào chiều dài và đường kính của ống dây. Ống dây điện thẳng cho ta biện pháp thực tế để tạo ra từ trường đều có trước để làm thí nghiệm.
2.1.2. Các kiến thức về lực từ
* Lực từ tác dụng lên một dây dẫn có dòng điện chạy qua
Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng chiều dài ℓ có dòng điện I chạy qua và đặt trong từ trường đều có:
- Điểm đặt: tại điểm khảo sát.
- Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện và đường cảm ứng từ. - Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay và chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dòng điện. Khi đó ngón tay cải choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn.Type equation here.
-Độ lớn: FB=IℓΒ (2.4)
Công thức (2.4) cho ta xác định độ lớn của lực từ ương trường hợp đoạn dây dẫn mang dòng điện Iđặt vuông góc với đường cảm ứng từ.
Nếu đường cảm ứng từ không vuông góc với đoạn dây dẫn mang dòng điện thì lực từ sẽ cho bởi một công thức tổng quát hóa từ công thức (2.4) F=I ℓ B sinα (2.5)
Với ℓlà chiều dài đoạn dây dẫn.
- Lực từ F luôn tác dụng vuông góc với đoạn dây dẫn mang dòng điện.
- Từ trường không tác dụng lực nào lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt song song cùng chiều (hoặc ngược chiều) với đường cảm ứng từ.
Phương trình cho biết khi đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt song song cùng chiều hoặc ngược chiều với đường cảm ứng từ thì a =0° hoặc 180° và hiển nhiên lực từ bằng không.
39
- Lực từ đạt giá trị cực đại (bằng I ℓ B) khi đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt vuông góc với đường cảm ứng từ.
- Độ lớn của lực từ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I và chiều dài đoạn dây dẫn ℓ. Hiện tượng cơ bản của từ học là hai sợi dây song song có dòng điện chạy qua tác dụng lên nhau bằng các lực.
Ta xét trường hợp hai dây dẫn thẳng dài, đặt song song cách nhau một khoảng r và mang các dòng điện Iα và Ib.
Ta dùng phương trình sau: Dòng điện <->từ trường <->dòng điện để phân tích các lực mà hai dây dẫn tác dụng lên nhau.
Vectơ cảm ứng từ 𝐵�⃗α của từ trường tạo bởi dòng điện trong dây dẫn a có: - Điểm đặt: trên dây b.
- Chiều: Áp dụng quy tắc cái đinh ốc 1 ta xác định được chiều của vectơ cảm ứng từ 𝐵�⃗α
hướng xuống dưới.
-Độ lớn: Bα=2.10-7(Ia/r)
Dây b mang dòng điện Ibđặt trong từ trường tạo bởi dòng điện Ia. Một đoạn dài của dây b sẽ chịu tác dụng của một lực từ có độ lớn:
Fba = Ib.ℓ.Ba sin(π/2) = 2.10-7
(IaIb/r) (2.6)
Áp dụng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của 𝐹⃗bahướng về sợi dây a.
Bây giờ ta có thể tính theo cách tương tự, lực tác dụng lên dây a bằng cách xác định vectơ cảm ứng từ của từ trường tạo bởi dòng điện trong dây b gây ra tại vị trí của dây a, rồi xác định
40
lực từ do từ trường này gây ra. Với hai dòng điện song song cùng chiều, lực từ cùng hướng về phía dây b, nghĩa là hai dây hút nhau. Từ trường ngoài đối với dây này là từ trường riêng của dây kia.
Ta có thể chứng minh rằng với hai dòng điện song song ngược chiều, thì hai dây đẩy nhau và quy tắc chung là:
Các dòng điện song song cùng chiều thì hút nhau, các dòng điện song song ngược chiều
thì đẩy nhau.
Lực tác dụng giữa các dòng điện trên hai dây song song được lấy làm cơ sở để định nghĩa ampe- là một trong bảy đơn vị cơ bản của hệ SI. Định nghĩa được thừa nhận năm 1946 là:
Ampe là dòng điện không đổi, mà khi chạy trên hai dây dẫn thẳng song song dài vô hạn,
có tiết diện tròn nhỏ không đáng kể, đặt cách nhau một mét trong chân không, sẽ gây ra trên
mỗi mét chiều dài của mỗi dây ấy một lực băng 2x10-7 niutơn.
* Lực Lorentz
Lực Ampe tác dụng lên một đoạn dây dẫn chỉ xuất hiện khi trong đoạn dây dẫn đó có dòng điện chạy qua. Điều này, có nghĩa là từ trường đã gây lực tác dụng lên các điện tích chuyển động và đã truyền gia tốc cho chúng. Khi va chạm với mạng tinh thể của dây dẫn, các điện tích này lại truyền gia tốc cho mạng tinh thể và bằng cách đó đã gây ra lực Ampe.
Dựa trên quan điểm đó, ta tìm biểu thức xác định biểu thức lực từ tác dụng lên các điện tích chuyển động. Giả sử gọi lực từ tác dụng lên mỗi điện tích chuyển động trong đoạn ∆ℓ là 𝑓⃗
và tổng số các điện tích chịu tác dụng bởi 𝑓⃗ là N thì: ∆F = f N.
Nếu mật độ điện tích tạo thành dòng điện trong đoạn dây ∆ℓ là N0, diện tích tiết diện đoạn dây đó là S thì N= N0S∆ℓ. Mặt khác ta biết ∆F = I.∆ℓ.B, trong đó I= N0qvS (q>0), vậy ta có thể viết biểu thức trên lại như sau:
Ta thiết lập biểu thức trong trường hợp q>0 nhưng nếu q<0 ta vẫn rút ra được biểu thức (2.7). Vì vậy, biểu thức đó là biểu thức tổng quát xác định lực từ tác dụng lên điện tích chuyển
41
động trong từ trường đối với cả hai trường hợp q>0 và q<0. Lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động gọi là lực Lorentz.
Biểu thức ứng với trường hợp vận tốc 𝑣⃗ của hạt mang điện vuông góc với 𝐵�⃗. Trong trường hợp chung, một hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc 𝑣⃗ làm thành với vectơ cảm ứng từ 𝐵�⃗ một góc θ thì độ lớn của của lực Loretnz tác dụng lên hạt đó là:
F= qvB sinθ (2.8)
2.2. Tìm hiểu thực tế dạy- học chương "Từ trường" ở trường THPT
2.2.1.Mục đích của việc tìm hiểu thực tế dạy- học chương "Từ trường" ở trường THPT
Tìm hiểu thực tế dạy- học chương "Từ trường” ở một số trường THPT của tỉnh Bến Tre giúp chúng tôi xác định được những khó khăn cũng như những thuận lợi của GV và HS. Do vậy khi tiến hành soạn thảo một số bài học, chúng tôi cố gắng khắc phục những khó khăn của GV và sai làm mà HS mắc phải. Từ đó nâng cao khả năng lĩnh hội kiến thức của HS khi học chương "Từ trường".
2.2.2.Kết quả điều tra
Để tìm hiểu việc dạy của GV và khả năng lĩnh hội kiến thức của HS khi học chương "Từ
trường". Chúng tôi đã tiến hành dự giờ một số tiết dạy thuộc chương này của GV trường THPT
Phước Long. Đồng thời chúng tôi cũng trao đổi với một số GV dạy môn Vật lý lớp 11 của các trường THPT trên địa bàn Thị Xã Bến Tre và một số huyện như: Châu Thành, Chợ Lách, Mỏ Cày, Giồng Trôm về vấn đề này. Cụ thể hơn chúng tôi đã sử dụng phiếu điều tra để tìm hiểu thực tế việc dạy và học chương "Từ trường".
- Số GV được hỏi ý kiến: 9.
Thuộc các trường THPT: Ba Vát, Bán công Thị Xã Bến Tre, Châu Thành B, Phú Hưng, Phước Long.
- Số phiếu điều tra: 32 phiếu.
Được phát cho GV của các trường THPT Ba Vát, Bán công Thị Xã, Châu Thành B, Chợ Lách A, Nguyễn Đình Chiểu, Phú Hưng, Phước Long.
42
Trên cơ sở tìm hiểu từ phiếu điều tra, trao đổi trực tiếp với GV và từ những thông tin, ý kiến của GV chúng tôi đã rút ra được một số nhận xét sau:
* Về phương pháp giảng dạy: Phương pháp giảng dạy mà GV thường sử dụng là diễn giảng kết hợp với đàm thoại. Một số GV sử dụng phương pháp diễn giảng kết hợp với đàm thoại có thí nghiệm biểu diễn. Trong chương "Từ trường" GV cũng sử dụng cùng một phương pháp như các chương khác.
* Về yêu cầu kiến thức do GV đặt ra đối với HS: hiểu và vận dụng kiến thức vào để giải bài tập. Đây là yêu cầu của đa số GV đặt ra khi giảng dạy chương trình Vật lý THPT chứ không phải chỉ riêng chương "Từ trường".
* Về thiết bị dụng cụ dạy học ở các trường THPT: chưa đầy đủ, chỉ có một số tranh ảnh phục vụ cho công tác giảng dạy và một số tranh ảnh do GV tự vẽ. Về dụng cụ, thiết bị để giảng dạy chương "Từ trường"ở các trường còn rất hạn chế. Một số trường có dụng cụ thí nghiệm nhưng cũng chỉ có một bộ, các dụng cụ thí nghiệm này không đầy đủ và không chính xác vì nam châm mỗi loại chỉ có một và bị mất từ tính. Các dụng cụ khác cho hình ảnh không rõ nên HS rất khó quan sát.
Mỗi trường đều có phòng bộ môn Vật lý nhưng không có dụng cụ để HS tiến hành các bài thí nghiệm thực hành trong SGK. Dụng cụ thí nghiệm của trường không đầy đủ và thiếu chính xác, nên chỉ có một số GV tiến hành thí nghiệm biểu diễn, nhưng đó chỉ là những thí nghiệm đơn giản. Do đó, trong số 8 bài học của chương "Từ trường", GV không cho HS tiến hành thí nghiệm khi nghiên cứu bài học mới, còn đối với GV cũng chỉ tiến hành các thí nghiệm đơn giản.
43
* Những thuận lợi và khó khăn của GV khi giảng dạy chương "Từ trường" * Thuận lợi
- Nội dung SGK: "có tính khoa học, logic giữa các bài học, ngắn gọn, có hệ thống kiến thức cho HS".
- Thiết bị đơn giản dễ thực hiện.
- Ý kiến bổ sung của GV: bổ sung thêm thiết bị dạy học.
* Khó khăn
- Nội dung SGK: "hình minh họa chưa phù hợp với khả năng của HS chậm tiến, một vài thí nghiệm không khả thi”
- Thiết bị và phương tiện dạy học: dụng cụ thí nghiệm không chính xác, không đầy đủ dụng cụ đối với các thí nghiệm của chương, thiết bị không đồng bộ. Thiết bị chỉ có tranh minh họa nhưng khả năng xác định hình vẽ trong không gian của HS kém.
44
- Ý kiến bổ sung: Khó khăn khi truyền đạt nội dung bài "Đường cảm ứng từ", chưa thực hiện phương pháp dạy hiện đại, bổ sung thêm tranh ảnh minh họa, SGK nên có thêm nhiều hình minh họa phù họp với khả năng xác định hình không gian củaHS.
* Những sai lầm mà HS mắc phải khi học chương "Từ trường":
- HS cho rằng:
+ Chỉ có nam châm mới gây ra từ trường. + Từ trường chỉ có trên các dường cảm ứng từ.
- HS không có kiến thức thực tế vì không nhìn thấy sự định hướng của nam châm thử trong từ trường khi học bài: "Đường cảm ứng từ".
- Khi vận dụng quy tắc bàn tay trái, HS nhận định sai hướng khi các vectơ cảm ứng từ 𝐵�⃗
được vẽ thẳng góc với mặt phảng bảng.
- HS xác định chiêu của lực từ và chiêu của dòng điện trong các mạch còn yếu.
- HS thường không xác định được vectơ cảm ứng từ 𝐵�⃗ nằm trên mặt phẳng chứa đường cảm ứng từ và vuông góc với dòng điện.
- HS giải được các bài tập định lượng nhưng gặp khó khăn trong việc giải các bài tập định tính.
- HS không vẽ được vectơ cảm ứng từ 𝐵�⃗ tổng hợp của hai vectơ thành phần 𝐵�⃗1, 𝐵�⃗2 trong trường hợp hai vectơ này không cùng phương.
Đó là những kết quả nhận được từ phiếu điều tra, nhưng trên thực tế có một số mâu thuẫn từ chính các phiếu điều tra của GV cùng một trường, cũng như sự mâu thuẫn của chính một người trả lời phiếu điều tra và trao đổi trực tiếp.
Mâu thuẫn chủ yếu trong điều tra: thiết bị, dụng cụ phục vụ cho công tác giảng dạy và phương pháp giảng dạy.
Ví dụ: Phương pháp chủ yếu mà GV sử dụng là diễn giảng kết hợp với đàm thoại nhưng
khi trả lời phương pháp giảng dạy trong phiêu điêu tra lại là phương pháp diễn giảng kết hợp
45
Trong hai phiếu điều tra ở trường Chợ Lách A, cùng một câu hỏi về thiết bị và dụng cụ
dạy học nhưng có câu trả lời khác nhau: thiết bị dụng cụ dạy học đầy đủ và tiến hành hầu hết
các thí nghiệm trong chương "Từ trường". Còn một GV khác lại cho rằng dụng cụ thí nghiệm không đầy đủ và thiếu tính chính xác nên chỉ tiến hành các thí nghiệm đơn giản.
Trường THPT Bến Tre là trường chuyên của tỉnh nhưng dụng cụ và thiết bị dạy học cũng không đầy đủ nên hầu như GV không tiến hành thí nghiệm biểu diễn cũng như không tổ chức cho HS tiến hành thí nghiệm.
Dù có những mâu thuẫn từ các phiếu điều tra và thực tế, nhưng đây cũng chỉ là những ý kiến để chúng tôi tham khảo khi tiến hành nghiên cứu đề tài này.
Dựa trên kết quả điều tra, chúng tôi rút ra được những nguyên nhân dẫn đến những sai lầm mà HS mắc phải và sơ bộ đề xuất cách khắc phục.
2.2.3.Nguyên nhân dẫn đến những sai lầm mà HS mắc phải và hướng khắc phục * Nguyên nhân dẫn đến những sai lầm mà HS mắc phải
HS thụ động lười suy nghĩ, không chuẩn bị bài trước khi đến lớp, nên khi GV đưa ra câu hỏi thì HS mới đọc nội dung của bài học trong SGK để trả lời câu hỏi của GV. Nếu GV sắp xếp lại nội dung bài học thì phần lớn HS trong lớp trả lời sai câu hỏi do GV đặt ra.
Dụng cụ thí nghiệm không chính xác nên thí nghiệm khó thành công, do đó GV ngại tiến hành thí nghiệm. Hơn nữa, khi tiến hành thí nghiệm biểu diễn trên lớp mất khá nhiều thời gian