7/ Cấu trúc luận văn
2.3 Xây dựng một số bài giảng cụ thể theo phương pháp mô phỏng
Trong khuôn khổ luận văn này tác giả sử dụng phần mềm VioLet v1.3
để xây dựng bài giảng. Các phần mô phỏng được thiết kế từ phần mềm Flash Các bài giảng sử dụng PPMP trong dạy học 2.3.1 Bài Từ thông, cảm ứng điện từ 2.3.1.1/ Ý tưởng Phương pháp mô phỏng Gia công nội dung dạy học Hứng thú nhận thức Tư duy trừu tượng Chất lượng dạy học
Nội dung mô phỏng là các thí nghiệm dẫn tới kết luận về hiện tượng cảm ứng điện từ và cách xác định chiều dòng điện cảm ứng. Nó là cơ sở rất quan trọng cho SV nghiên cứu các loại máy điện khác như máy biến áp, máy phát điện, động cơđiện…
Bài giảng được thiết kế trên phần mềm VioLet v1.3. Đây là phần mềm soạn bài giảng điện tử của công ty Cổ phần Tin học Bạch kim Việt nam. Bài giảng sau khi thiết kế có thể chạy độc lập trên mỗi máy tính cá nhân mà không cần phải cài đặt thêm bất cứ phần mềm trợ giúp nào. Bài giảng cũng có thể được lưu dưới dạng một website để có thểđưa lên mạng để thực hiện việc giảng dạy qua mạng.
2.3.1.1/ Bài giảng
Tên bài giảng: TỪ THÔNG, CẢM ỨNG ĐIỆN TỬ
I. Từ thông 1. Định nghĩa
Giả sử một đường cong kín (C) là chu vi giới hạn một mặt có diện tích S (Giả thiết là phẳng). Mặt đó được đặt trong một từ trường đều Bur. Trên
đường thẳng vuông góc với mặt phẳng S, ta vẽ vecto có độ dài bằng đơn vị
Gọi α là góc tạo bởi Bur và nr, người ta định nghĩa từ thông qua mặt phẳng S là đại lượng, kí hiệu Φ, cho bởi α cos BS = Φ
Công thức trên chứng tỏ rằng từ thông là một đại lượng đại số. Khi α nhọn (cosα > 0) thì Φ >0 và khi α tù (cosα < 0) thì Φ <0. Đặc biệt α = 900
(cosα = 0) thì Φ = 0
Nói cách khác, khi các đường sức từ trường song song với mặt phẳng S thì từ thông qua S bằng 0. Trường hợp riêng, khi α = 0 thì:
BS
Φ =
2. Đơn vị đo từ thông
Trong hệ SI, đơn vị đo từ thông là Vêbe (Wb)
I. Hiện tượng cảm ứng điện từ
1. Thí nghiệm
Một mạch kín (C) hai đầu nối vào một điện kế nhạy G (có nhiệm vụ
nam châm vĩnh cửu SN. Ta chọn chiều dương trên mạch kín (C) phù hợp với chiều của đường sức từ của na chậm SN theo quy tắc nắm bàn tay phải.
a) Thí nghiệm 1: Cho nam châm SN dịch chuyển lại gần (C). Quan sát thấy kim điện kế G lệch đi, chứng tỏ rằng trong (C) xuất hiện dòng điện i
chạy theo chiều ngược với chiều dương đã chọn. Khi nam châm dừng chuyển
động thì dòng điện i cũng tắt.
b) Thí nghiệm 2: Cho nam châm SN dịch chuyển ra xa (C). Kim điện kế lại chỉ một dòng điện I trong (C) nhưng với chiều ngược với chiều ở thí nghiệm 1.
c) Thí nghiệm 3: Cũng thu được kết quả tương tự nếu cho nam châm
đứng yên và mạch (C) dịch chuyển lại gần hay ra xa nam châm, hoặc cho (C) quay quanh một trục song song với mặt phẳng chứa mạch hoặc làm biến dạng (C)
d) Thí nghiệm 4: Thay SN bằng một nam châm điện. Khi thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện, trong (C) vẫn xuất hiện dòng điện i
Đóng cắt công tắc K để thay đổi cường độ dòng điện trong mạch
2. Kết luận
a) Tất cả các thí nghiệm trên đều có một đặc điểm chung là từ thông qua mạch kín (C) biến thiên. Dựa vào công thức định nghĩa từ thông, ta nhận thấy, khi một trng các đại lượng B, S hoặc α thay đổi thì từ thông Φ biến thiên.
b) Kết quả các thí nghiệm ấy và của thí nghiệm tương tự khác chứng tỏ rằng:
- Mỗi khi từ thông qua mạch (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) 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.
- Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ
thông qua mạch kín biến thiên
II. Định luật Len – xơ về chiều dòng điện cảm ứng
1. Ta hãy khảo sát quy luật xác định dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín khi từ thông qua mạch kín ấy biến thiên.
Ta quy ước chiều dương (C) phù hợp với chiều của đường sức từ của nam châm (hoặc ống dây điện) qua (C) theo quy tắc nắm bàn tay phải ở trên.
Ở thí nghiệm 1, từ thông qua (C) tăng: Dòng điện cảm ứng i trong mạch kín (C) có chiều ngược với chiều dương trên (C).
Ở thí nghiệm 2, từ thông qua (C) giảm: Dòng điện cảm ứng I trong mạch kín (C) có chiều trùng với chiều dương trên (C).
2. Dễ dàng so sánh, ta chú ý rằng dòng điện cảm ứng xuất hiện thì cũng sinh ra từ trường, gọi là từ trường cảm ứng. Cần phân biệt từ trường cảm ứng với từ trường của nam châm hay nam châm điện – được gọi là từ trường ban
đầu. Chiều của từ trường cảm ứng và chiều của dòng điện cảm ứng liên quan chặt chẽ với nhau.
3. Quá trình phân tích các kết quả thí nghiệm mô tả trên và các thí nghiệm tương tự dẫn tới kết luận: Nếu xét các đường sức từđi qua mạch kín,
từ trường cảm ứng với chiều từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín tăng và cùng chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín giảm
Nói cách khác:\
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
Phát biểu trên đây là nội dung của định luật Len – Xơ, nó cho phép ta xác định chiều dòng điện xuất hiện trong mạch kín.
Xét thí nghiệm 1, khi nam châm SN dịch chuyển lại gần (C), dòng điện cảm ứng chạy theo chiều âm và mặt của (C) đối diện với cực bắc của nam châm là cực bắc, mặt này gây ra lực từ đẩy cực bắc của nam châm. Trong thí nghiệm 2, nam châm dịch ra xa, dòng điện chạy theo chiều dương và mặt của (C) đối diện với cực bắc của nam châm là mặt nam, mặt này gây ra lực từ hút cực Bắc của nam châm. Trong cả hai trường hợp, lực từđều ngược hướng với chuyển động của nam châm. Vậy có thể phát biểu một dạng của định luật len – xơ:
Khi từ thông qua (C) biến thiên do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên.
2.3.2/ Bài Động cơ không đồng bộ ba pha
2.3.2.1/ Ý tưởng
Nội dung mô phỏng nhằm phân tích từ trường của ba cuộn dây trong
động cơ không đồng bộ ba pha, từđó tổng hợp nên từ trường tổng (từ trường quay).
2.3.2.1/ Bài giảng
Tên bài: Nguyên tắc hoạt động của động cơ không đồng bộ
Khi một nam châm quay quanh một trục, từ trường do nam châm gây ra có các đường sức từ quay trong không gian. Đó là một từ trường quay. Nếu
đặt giữa hai cực của một nam châm hình chữ U một kim nam châm và quay
đều nam châm chữ U thì kim nam châm quay theo với cùng tốc độ góc. Ta nói kim nam châm quay đồng bộ với từ trường.
b) Sự quay không đồng bộ
Thay kim nam châm bằng một khung dây dẫn kín. Khung này có thể
quay quanh trục xx’ trùng với trục quay của nam châm. Nếu quay đều nam châm ta thấy khung dây quay theo cùng chiều, đến một lúc nào đó khung dáy cũng quay đều nhưng với tốc độ góc nhỏ hơn tốc độ góc của nam châm. Do khung dây và từ trường quay với các tốc độ góc khác nhau, nên ta nói chúng quay không đồng bộ với nhau
Sự quay không đồng bộ trong thí nghiệm trên được giải thích như sau. Từ trường quay làm từ thông qua khung dây biến thiên, trong khung dây xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Cũng chính từ trường quay này tác dụng lên dòng điện trong khung dây một momen lực làm khung dây quay. Theo định luật Len – xơ, khung dây quay theo chiều quay của từ trường để làm giảm tốc
độ biến thiên của từ thông qua khung dây.
Tốc độ góc của khung dây luôn nhỏ hơn tốc độ góc của từ trường Thậy vậy, nếu tốc độ góc của khung dây tăng đến giá trị bằng tốc độ
góc của từ trường thì từ thông qua khung dây không biến thiên nữa, dòng điện cảm ứng không còn nữa, momen lực từ bằng không, momen cản làm khung dây quay chậm lại. Lúc đó lại có dòng cảm ứng và có momen lực từ. Momen này chỉ tồn tại khi có chuyển động tương đối cho tới khi có giá trị bằng momen cản thì khung dây quay đều với tốc độ góc nhỏ hơn tốc độ góc của từ
trường.
Như vậy, nhờ có hiện tượng cảm ứng điện từ và tác dụng của từ trường quay mà khung dây quay và sinh công cơ học. Động cơ hoạt động dựa theo nguyên tắc trên gọi là động cơ không đồng bộ.
Từ trường quay có thể tạo ra bằng dòng điện ba pha như sau: Mắc ba cuộn dây giống nhau với mạng điện ba pha, bố trí mỗi cuộn lệch nhau 1/3 vòng tròn
Trong ba cuộn dây có ba dòng điện cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch pha nhau 2π/3. Mỗi cuộn dây đều gây ở xung quanh trụ O một từ trường mà cảm ứng từ có phương năm dọc theeo trục cuộn dây và biến đổi tuần hoàn với cùng tần số ω nhưng lệch nhau 2π/3. Có thể chứng minh vecto cảm ứng từ Bur của từ trường tổng hợ có độ lớn không đổi và quay trong mặc phẳng song song với ba trục cuộn dây với tốc độ góc bằng ω
2.3.3/ Ưu điểm của dạy học theo phương pháp mô phỏng so với phương pháp thông thường. phương pháp thông thường.
Trong cách dạy học thông thường, người GV thường phải vẽ lên bảng mô tả các bước thí nghiệm. Nếu dùng phim kính trong chiếu trên máy chiếu qua đầu thì khó có thể thực hiện được trình tự các bước.
Trong cách dạy học bằng PPMP với những hình được thể hiện trên máy tính kết hợp với nêu vấn đề làm cho bài giảng sinh động hơn. Đặc điểm của môn kỹ thuật điện mang tính trừu tượng, vì vậy việc thông qua các hình ảnh minh họa động hình học trên máy tính sẽ tạo ra điểm tựa cho việc phát triển tư
duy của SV. Việc tạo ra sự hoạt động của đường sức từ trường, từ thông, dòng điện mà các thí nghiệm thực SV không thể nhìn thấy đã in đậm vào trong tâm trí SV bản chất của việc tạo ra dòng điện cảm ứng cũng như nguyên lý của từ trường quay. Bài giảng được tiến hành theo từng bước theo các thí
nghiệm trong giáo trình giúp SV khái quát hóa được kiến thức, theo đó tư duy kỹ thuật của SV cũng phát triển theo.
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 3.1/ Mục đích, nhiệm vụ thực nghiệm
3.1.1/ Mục đích
Ứng dụng PPMP trong dạy học mô kỹ thuật điện trên cơ sở các MH đã
được xây dựng. Bài giảng được thiết kế trên phần mềm Violet cho môn học Kỹ thuật điện hệ cao đẳng tại trường cao đẳng nghề Cơ giới Ninh bình, để từ đó đánh giá, xem xét tính hiệu quả của nó. Từ đó có được kết luận về giả
thuyết khoa học đã đề ra của đề tài.
3.1.2/ Nhiệm vụ
- Tìm hiểu thực tiễn dạy học môn kỹ thuật điện tại trường CĐN Cơ giới Ninh bình. Xác định lớp thực nghiệm và lớp đối chứng.
- Lập kế hoạch các bài dạy thực nghiệm
- Thảo luận với GV thực nghiệm nhằm phổ biến và thống nhất ý kiến về mục đích, phương pháp đối tượng và nội dung tiến trình thực nghiệm
- Dự giờ và quan sát các hoạt động dạy và học trong quá trình thực nghiệm
- Thu nhận và xử lý kết quả thu được qua các bài kiểm tra của SV.
3.2/ Kế hoạch thực nghiệm
3.2.1/Địa điểm thời gian và đối tượng thực nghiệm
Để dảm bảo về số lần thực nghiệm cũng như các điều kiện thuận lợi cho việc thực nghiệm, việc thực nghiệm được tiến hành tại khoa Cơ điện trường CĐN Cơ giới Ninh bình.
- Đối tượng thực nghiệm: 02 lớp Cao đẳng điện xí nghiệp trường CĐN Cơ giới Ninh bình. Lớp được chia làm hai, ⏐ lớp thực nghiệm và ⏐ lớp đối chứng. + Lớp CDĐ-XN01: gồm 75 SV + Lớp CDĐ-XN02: gồm 75 SV 3.2.2/ Cơ sở vật chất - Phòng học cho 40 SV - Máy tính xách tay
- Phông chiếu + Máy chiếu đa năng
3.3/ Nội dung và tiến trình thực nghiệm
Lập kế hoạch thực nghiệm, biên soạn nội dung, phương pháp, soạn giáo án, bài kiểm tra cho dạy thực nghiệm
Lựa chọn GV dạy thực nghiệm: Lựa chọn những GV có kinh nghiệm và thâm niên trong giảng dạy môn kỹ thuật điện tại trường. Cùng với GV trao
đổi, xây dựng kế hoạch tổ chức dạy thực nghiệm.
Lựa chọn lớp dạy thực nghiệm và lớp đối chứng. Lớp thực nghiệm chỉ
thay đổi PPDH truyền thống bằng PPMP trên MH động hình học (bài giảng
được xây dựng trên phần mềm violet) Giáo án các bài giảng thực nghiệm
Giáo án 1:
GIÁO ÁN SỐ: 01 Thời gian thực hiện: 45’
Tên chương: Cảm ứng điện từ
Thực hiện từ ngày: … / … /… đến ngày… /… /…
* MỤC TIÊU CỦA BÀI
Sau khi học xong bài này người học có khả năng:
+ Viết được công thức và hiểu được ý nghĩa vật lý của từ thông.
+ Phát biểu được định nghĩa và hiểu được khi nào thì có hiện tượng cảm
ứng điện từ.
+ Phát biểu được định luật Len-xơ theo những cách khác nhau và biết vận dụng để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong các trường hợp khác nhau.
+ Rèn luyện khả năng tư duy trừu tượng
* ĐỒ DÙNG VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC
- Nội dung bài giảng, giáo án lý thuyết - Máy tính, máy chiếu
I. ỔN ĐỊNH LỚP HỌC: Thời gian: 1’ - Kiểm tra sĩ số lớp - Nhắc nhở những điều cần thiết, … II. THỰC HIỆN BÀI HỌC - Giảng bài mới Thời gian: 40’ HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC TT NỘI DUNG HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH THỜI GIAN I. Dẫn nhập
Giới thiệu vào bài
Tại sao Tubin máy phát
điện quay lại phát ra điện
năng? Nội dung bài học
ngày là kiến thức quan
hiện tượng trên II. Giảng bài mới I. Từ thông 1. Định nghĩa Từ thông qua một diện tích S đặt trong từ trường đều: Φ = BScosα Với α là góc giữa pháp tuyến →n và →B. 2. Đơn vị từ thông
Trong hệ SI đơn vị từ thông là
vêbe (Wb). 1Wb = 1T.1m2. Chiếu hình 23.1 Giới thiệu về khái niệm từ thông Vẽ hình. Ghi nhận khái niệm.
Cho biết khi nào thì
từ thông có giá trị dương, âm hoặc bằng 0. Ghi nhận khái niệm. 38’ II. Hiện tượng cảm ứng điện từ 1. Thí nghiệm a) Thí nghiệm 1
Cho nam châm dịch chuyển lại
gần vòng dây kín (C) ta thấy trong
mạch kín (C) xuất hiện dòng điện.
b) Thí nghiệm 2
Cho nam châm dịch chuyển ra xa
mạch kín (C) ta thấy trong mạch kín
(C) xuất hiện dòng điện ngược
chiều với thí nghiệm 1.
c) Thí nghiệm 3
Giữ cho nam châm đứng yên và
dịch chuyển mạch kín (C) ta cũng
thu được kết quả tương tự.
d) Thí nghiệm 4
Thay nam châm vĩnh cửu bằng
nam châm điện. Khi thay đổi cường
độ dòng điện trong nam châm điện
thì trong mạch kín (C) cũng xuất