7. Đóng góp của đề tài
2.3.3. Phân tích nội dung và những khó khăn khi dạyhọc chương cảm ứng điện từ
Chương “Cảm ứng điện từ” là chương cuối cùng của phần kiến thức về điện học lớp 11. Trong chương này, hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng đặc biệt, quan trọng cả về mặt khoa học cũng như về mặt kỹ thuật và những ứng dụng trong đời sống như máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều, máy biến thế,… Việc nghiên cứu và giảng dạy hiện tượng này cần phải thật kĩ, sâu sắc để HS không những tìm hiểu hiện tượng đó mà còn tích lũy kiến thức, đảm bảo cho việc nắm vững chắc và sâu sắc những ứng dụng kỹ thuật của hiện tượng này. SGK hiện hành chỉ giới hạn khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ trong phạm vi lý thuyết, phần ứng dụng chỉ nói đến dòng điện Foucault và hiện tượng tự cảm. Qua điều tra kết quả học tập cho thấy cả GV và HS đều gặp những khó khăn và hạn chế nhất định nên kết quả học tập phần kiến thức này chưa cao. Sau đây chúng tôi sẽ phân tích kỹ những khó khăn này ở mỗi đơn vị kiến thức cụ thể.
a. Khái niệm từ thông
Trước hết, SGK Vật lý lớp 11 trình bày về khái niệm từ thông vì trong SGK, hiện tượng cảm ứng điện từ được định nghĩa qua khái niệm từ thông. Vì vậy, khái niệm từ thông được SGK trình bày trước như một khái niệm cần thiết để nghiên cứu những hiện tượng sau này. “Từ thông gởi qua diện tích S: Φ=BScosα”. Sau khi định nghĩa từ thông, SGK chỉ nhấn mạnh từ thông là một đại lượng đại số, không giải thích gì thêm. Điều này làm cả GV và HS đều gặp khó khăn khi HS phải chấp nhận công thức và không biết ý nghĩa của đại lượng này.
Chúng ta cần bổ sung thêm ý nghĩa của đại lượng từ thông cũng như các cách làm biến đổi từ thông để HS hiểu rõ hơn kiến thức này và thuận lợi khi dạy các kiến thức về sau của chương.
b. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Trước khi đi vào bài học, SGK có đưa ra vấn đề: “Dòng điện gây ra từ trường. Câu hỏi ngược lại: Trong điều kiện nào từ trường gây ra dòng điện?” Điều này kích thích suy nghĩ của HS. Sau đó, SGK lại đưa ra khái niệm từ thông trước, rồi quay lại trình bày thí nghiệm chứng tỏ từ trường biến thiên sinh ra dòng điện. Điều này làm cho HS không mạch lạc, liên tục trong suy nghĩ. Tuy nhiên, về sau SGK có đưa ra các thí nghiệm về sự dịch chuyển tương đối giữa nam châm và vòng dây rồi mới đưa ra kết luận: “Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ” là hợp lý.
Trên thực tế, ở lớp 9, HS đã được học về cảm ứng điện từ rồi. HS đã biết khi số đường sức từ qua diện tích của cuộn dây dẫn kín biến thiên sẽ làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dân kín đó. Để giúp HS hiểu rõ vấn đề này hơn, GV nên tổ chức, hướng dẫn HS tiến hành các thí nghiệm thật và tham khảo video thí nghiệm thật tại lớp, đặc biệt là các thí nghiệm minh họa sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch kín từ nam châm điện, từ dòng điện để HS thuận lợi hơn khi học về hiện tượng tự cảm. Khi đó, HS dễ dàng phát hiện ra hiện tượng tự cảm là trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ.
c. Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng
SGK đưa ra nội dung định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng dựa trên việc phân tích các thí nghiệm hình 23.3a và 23.3b với quy ước chiều dương trên mạch kín (C) phù hợp với chiều của của đường sức từ của nam châm. SGK cũng giới thiệu các khái niệm từ trường cảm ứng, từ thông ban đầu. SGK phát biểu định luật Lenz như sau: “Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín”.
Đồng ý với quan điểm của SGK, ta có thể cho HS quan sát một lần nữa các thí nghiệm thật và xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong từng thí nghiệm mà các em đã làm khi khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ, đưa ra định luật Lenz. Cái quan trọng là phân tích từ “chống lại” để HS hiểu theo nghĩa rộng:
• Nếu từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện kín giảm thì trong thời gian đó xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch sao cho từ trường do nó sinh ra cùng chiều với từ trường sinh ra nó (từ trường ban đầu).
• Nếu từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện kín tăng thì trong thời gian đó xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch sao cho từ trường do nó sinh ra ngược chiều với từ trường sinh ra nó (từ trường ban đầu).
Khó khăn khi học phần này là sử dụng khái niệm từ thông để giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ (khái niệm từ thông được đưa ra trước). Nếu không hiểu ý nghĩa của khái niệm từ thông thì HS không thể tiếp thu phần này. Như vậy, ta phải đưa thêm ý nghĩa khái niệm từ thông cho HS. Bên cạnh đó, các thí nghiệm xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ tuy dễ làm nhưng cần có điện kế nhạy. Qua khảo sát thực tế ở trường phổ thông, kết quả cho thấy đa số GV đều dạy kiến thức này bằng hình thức thông báo là chủ yếu.
SGK có đưa ra trường hợp khi từ thông qua (C) biến thiên do một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên. Trên thực tế khi làm thí
nghiệm với các vòng dây trong bộ thí nghiệm lực từ ở phổ thông, HS không cảm nhận được tác động “chống lại” này vì từ trường của thanh nam châm không đủ mạnh.
d. Suất điện động cảm ứng
Sau khi khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ chủ yếu về mặt định tính, SGK tiếp tục khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ về mặt định lượng. Việc đi đến khái niệm suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín là dựa vào suy luận, có dòng điện thì phải có suất điện động, suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng gọi là suất điện động cảm ứng. SGK nêu lên một số thao tác thí nghiệm (dịch chuyển nhanh hay chậm) để rút ra nhận xét: tốc độ biến thiên từ thông càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng lớn và ngược lại. Sau đó, SGK thông báo công thức tính độ lớn của suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch: ec
t
∆Φ = −
∆
Đây là một biểu thức định lượng nhưng SGK chỉ diễn tả một cách định tính rồi đưa ra định luật nên HS chấp nhận nó một cách miễn cưỡng. Chúng ta có thể khắc phục bằng việc khảo sát một thí nghiệm định lượng cụ thể để đưa ra biểu thức tính độ lớn của suất điện động cảm ứng.
e. Dòng điện Foucault
Dòng điện Foucault là một ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Trước hết, SGK giới thiệu về dòng điện Foucault được phát hiện từ kết quả thực nghiệm. Thực nghiệm chứng tỏ rằng dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối này chuyển động trong từ trường hoặc được đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Foucault. Sau đó, SGK trình bày 2 thí nghiệm minh họa sự xuất hiện của dòng điện Foucault. Trên cơ sở đó, SGK trình bày về tính chất và công dụng của dòng Foucault và cách hạn chế dòng Foucault trong các trường hợp có hại. Tuy nhiên, 2 thí nghiệm mà SGK trình bày không khả thi trong phòng thí nghiệm vì thiếu thiết bị. Mặt khác, cả 2 thí nghiệm cũng chỉ cùng một mục đích, chỉ minh họa được một tính chất là mọi kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của lực hãm điện từ. Nó chưa đề cập đến tính chất tỏa nhiệt của nó.
Trong khi đó, các ứng dụng của dòng Foucault rất phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. GV có thể liên hệ với máy biến thế, bếp điện, công tơ điện … để HS thấy được sự ứng dụng của các hiện tượng này trong thực tế.
Trước hết, SGK trình bày định nghĩa từ thông riêng của một mạch kín Φ=Li. Trong đó L là hệ số tự cảm, chỉ phụ thuộc vào cấu tạo và kích thước của mạch kín gọi là độ tự cảm. Để đưa ra biểu thức tính hệ số tự cảm, SGK trình bày ví dụ xác định cảm ứng từ của dòng điện trong ống dây kết hợp với từ thông riêng vừa trình bày ở trên.
Sau đó SGK đưa ra định nghĩa hiện tượng tự cảm: hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.
Tiếp theo đó, SGK trình bày 2 thí nghiệm về hiện tượng tự cảm như những ví dụ minh họa cho hiện tượng tự cảm. Trật tự nội dung trong SGK bắt đầu cách trình bày từ thông riêng của một mạch kín. Sau đó trình bày định nghĩa hiện tượng tự cảm. SGK đưa ra hai ví dụ: hiện tượng tự cảm khi đóng và ngắt mạch điện, sau đó dùng mô hình đường cảm ứng từ và định luật Lenz về chiều của dòng điện cảm ứng để giải thích hiện tượng… Cách trình bày này thuận lợi để tổ chức cho HS hoạt động nhận thức theo PPTN so với sách nâng cao vì khi đó HS thực hiện các thí nghiệm khi đã rõ mục đích.
Cái khó khăn khi dạy về hiện tượng tự cảm là trước đó, SGK chỉ để cập đến từ trường của nam châm có thể sinh ra dòng điện trong một mạch kín nhưng không đề cập đến việc từ trường của dòng điện, của nam châm điện cũng có thể sinh ra dòng điện cảm ứng trong một mạch kín. Ngày nay, hầu hết các dòng điện cảm ứng đều được tạo ra từ từ trường của dòng điện, nam châm điện. SGK không giới thiệu trước mà vào ngay hiện tượng tự cảm làm HS gặp khó khăn, không thể hiểu được hiện tượng tự cảm có bản chất là hiện tượng cảm ứng điện từ.
g. Suất điện động tự cảm
Suất điện động tự cảm được suy ra từ biểu thức của suất điện động cảm ứng:
t c i e L t ∆ = − ∆
Năng lượng từ trường bên trong ống dây là năng lượng tích lũy trong ống dây khi có
dòng điện chạy qua: 1 2
2
W = Li
Nhận xét: Kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” theo SGK Vật lý lớp 11 viết tương đối ngắn gọn, súc tích và dễ hiểu. Tuy nhiên, còn một vài chỗ cần bổ sung thêm. Ví dụ: Khái niệm từ thông là một khái niệm trừu tượng, ta có thể đưa thêm ý nghĩa của từ thông: “Từ thông qua diện tích S bằng số đường sức qua diện tích S đặt vuông góc với đường sức”. Hiện tượng cảm ứng điện từ cần có nhiều thí nghiệm khác nhau để thấy một cách tổng quát
điều kiện xuất hiện dòng cảm ứng trong một mạch kín. Hơn nữa, việc không nói đến ứng dụng của hiện tượng này làm HS không biết phần lý thuyết này có ý nghĩa như thế nào trong đời sống và kỹ thuật. Mặc dù đây là một phần kiến thức quan trọng, được ứng dụng rất phổ biến trong thực tiễn.
2.4. Cải tiến, thiết kế và xây dựng các thiết bị thí nghiệm chương “Cảm ứng điện từ” vật lý lớp 11