- Giữa từ thông và dòng điện trong mạch có mối liên hệ nhƣ thế nào? - Suất điện động tự cảm đƣợc tính nhƣ thế nào?
- Hiện tƣợng tự cảm thƣờng xảy ra trong điều kiện nào? - Năng lƣợng của ống dây tự cảm đƣợc xác định nhƣ thế nào? - Năng lƣợng từ trƣờng thực chất là gì? Hãy chứng minh điều đó.
2.3.6.4 Thiết kế tiến trình hoạt động dạy học kiến thức vật lý cụ thể
Hoạt động của GV Hoạt động của SV
2.1. Từ thông tự cảm - độ tự cảm
Xét một mạch kín (C) trong có dòng điện cƣờng độ i. Dòng điện này sinh ra một từ trƣờng.Từ thông qua mạch kín (C) do từ trƣờng của dòng điện trong mạch (C) gây ra gọi là từ thông tự cảm m.
- SV tiếp nhận bài học
Chỉ ra mối quan hệ giữa từ thông tự cảm và cƣờng độ dòng điện i trong mạch kín (C)?
Gợi ý: - Từ biểu thức tính tự cảm của dòng điện tròn, dòng điện trong ống dây chỉ ra đƣợc mối liên hệ giữa B và i, từ đó suy ra mối liên hệ và i
Nhận xét: SV. Trả lời: Từ biểu thức B 2 .10 7 I R và B = 4 .10-7nI B ~ i mà ~ B do đó ~ i biểu thức tự cảm = Li
Trong đó L là độ tự cảm của ống dây
tù c¶m
L i
2.2 Suất điện động tự cảm
Khi cƣờng độ dòng điện trong mạch kín (C) biến thiên thì từ thông tự cảm qua (C) nhƣ thế nào và hiện tƣợng gì sẽ xảy ra?
Đúng. Trong (C) cũng xảy ra hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Ta gọi là tự cảm. Suất điện động cảm ứng khi đó gọi là suất điên động tự cảm.
Trên cơ sở đó hãy thành lập công thức suất điện động tự cảm?
Nhận xét: Đúng. Dấu trừ là theo định luật Lenz.
Hiện tƣợng tự cảm thƣờng xảy ra trong điều kiện nào?
Làm thí nghiệm minh hoạ
SV. Khi cƣờng độ dòng điện trong mạch kín (C) biến thiên thì từ thông tự cảm qua (C) biến thiên. Kết quả trong (C) xảy ra hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
SV. Từ biểu thức suất điện động cảm ứng tù c¶m
L i
Có thể viết biểu thức của suất điện động tự cảm
Hay ξ tự cảm = - L
dt di
SV. Suy nghĩ và trả lời: Hiện tƣợng tự cảm thƣờng xảy ra trong các mạch điện một chiều khi đóng và ngắt mạch và thƣờng xuyên xảy ra trong các mạch xoay chiều.
Hình 2.7a. Đóng khóa K.[32]
Hình 2.7b Khi ngắt khóa K.[32] 2.3 Năng lượng ống dây tự cảm
Xét sơ đồ thí nghiệm (Hình 2.1) Trong đó có nguồn (0, r) nối với cuộn cảm L (điện trở 0) và một điện trở R Hình 2.8 B D R Đ1 C A Đ2 L, R K Đ L a b K + 0 - r L K
a) Khi chuyển khoá K sang a, mạch phía trên đƣợc khép kín, dòng điện trong mạch ban đầu có cƣờng độ bằng 0, đến một thời điểm t > 0 có cƣờng độ i > 0.
Chứng minh rằng: Năng lƣợng cuộn dây tự cảm là năng lƣợng từ trƣờng? (Gợi ý: Tính , tính công của nguồn điện khi i tăng từ 0 đến i.)
Nhận xét, kết luận: Wm =
2 1
Li2 là năng lƣợng tích luỹ ở cuộn cảm.
SV. Nghiên cứu giáo trình, trả lời câu hỏi trên phiếu học tập số 02, sau đó thảo luận theo nhóm tìm giải pháp. (Dự kiến sinh viên trả lời: Vì cƣờng độ dòng điện biến thiên nên trong mạch suất hiện suất điện động tự cảm =- L
dt di
Theo Kiarohop II có thể viết
o di L ri dt hay o ri Ldi dt
Nhân 2 vế với idt:
2
oidt ri dt Lidi
ξidt:Năng lƣợng của nguồn ri2dt:nhiệt lƣợng toả ra ở r
dwm = Ldi năng lƣợng tích luỹ ở cuộn cảm. Tích phân 2 vế ta có: Wm = 2 1 Li2 năng lƣợng từ)
b) Xác định sự phụ thuộc vào t của cƣờng độ i (sinh viên tự nghiên cứu giáo trình)
Trong thí nghiệm hình 2.18 chuyển khoá k từ a sang b thì hiện tƣợng gì xảy ra ?
Khi chuyển khoá k từ a sang b, thực nghiệm cho thấy R nóng lên. Chứng tỏ đã có dòng điện qua R.
c) Khi một cuộn cảm có dòng điện qua thì cuộn cảm ấy đã đƣợc tích luỹ một năng lƣợng từ Wm=
2 1
Li2 năng lƣợng này có thể đƣợc giải phóng khi cuộn cảm phóng điện., dòng điện qua R làm R nóng lên.
Năng lƣợng từ trong ống dây đã chuyển hoá nhƣ thế nào?
Kết luận: Đúng. Giới thiệu về biểu thức i theo t:
SV. Trả lời: (dự kiến, cƣờng độ giảm dần xuất hiện suất điện động tự cảm) Năng lƣợng từ Wm=
2 1
Li2 có thể đƣợc giải phóng khi cuộn cảm phóng điện làn R nóng lên.
SV. Năng lƣợng từ trƣờng biến thành nhiệt năng.
2.4 Năng lượng từ trường
Thực nghiệm và lý thuyết đã chứng tỏ nguồn gốc năng lƣợng ống dây tự cảm (cuộn cảm) chính là năng lƣợng của từ trƣờng do ống dây đó gây ra khi trong ống có dòng điện.
Lắng nghe tiếp nhận bài học.
t L R
Ie i
Hãy chứng minh điều đó?
Gợi ý: Ta xét trƣờng hợp đơn giản ống dây hình trụ dài có tiết diện S, chiều dài l, quấn đều N vòng dây dẫn.
Kết luận: Năng lƣợng từ tích luỹ trong ống dây tự cảm chính là năng lƣợng của từ trƣờng bên trong ống dây đó. Năng lƣợng này tỷ lệ với thể tích của khoảng không gian có từ trƣờng.
Giới thiệu về biểu thức mật độ năng lƣợng từ trƣờng. 2 m m o W 1 W B V 2 SV: Độ tự cảm của ống dây: 2 o N S L l
Khi trong ống dây có dòng điện cƣờng độ I, năng lƣợng tích luỹ trong ống dây cho bởi:
2 2 o n 1 1 N S W LI I 2 2 l Hay 2 o m o 1 NI W Sl 2 l
SV. Lắng nghe tiếp thu kiến thức.
SV. Lắng nghe tiếp thu kiến thức.
Kết luận chƣơng II
Trong chƣơng này chúng tôi đã nghiên cứu nội dung chƣơng “Cảm ứng điện từ - Điện từ trƣờng”, học phần điện học đại cƣơng và các tài liệu có liên quan nhằm xác định mức độ nội dung kiến thức cơ bản và các kỹ năng ngƣời học cần nắm vững. Tiếp theo, tìm hiểu thực tế dạy học chƣơng “Cảm ứng
điện từ - Điện từ trƣờng” tại trƣờng Cao đẳng công nghiệp Thái Nguyên và trƣờng Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật Thái Nguyên. Nhằm đánh giá mức độ đạt đƣợc theo yêu cầu của chƣơng trình, phát hiện sai lầm phổ biến của ngƣời học, các khó khăn mà giáo viên và sinh viên gặp phải khi dạy và học chƣơng này, trên cơ sở phân tích nguyên nhân của khó khăn, sai lầm chúng tôi tiến hành khắc phục bằng các công việc sau:
- Nghiên cứu các tài liệu khoa học về “Cảm ứng điện từ - Điện từ trƣờng” nhằm phân tích nội dung kiến thức chƣơng này.
- Nghiên cứu các giáo trình về điện và từ, các tạp trí mạng Internet để kịp thời sắp xếp, điều chỉnh, bổ xung các nội dung kiến thức.
- Lập sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình nhận thức khoa học về các kiến thức chƣơng “Cảm ứng điện từ - Điện từ trƣờng” phù hợp với trình độ sinh viên.
- Vận dụng các quan điểm lý luận đã trình bày về dạy học giải quyết vấn đề để soạn thảo tiến trình dạy học các kiến thức trong chƣơng.
Với phƣơng giải quyết vấn đề, chúng tôi tập trung trình bày khái niệm học giải quyết vấn đề, vấn đề và tình huống vấn đề, các kiểu tình huống vấn đề, sự định hƣớng của giáo viên trong hoạt động tìm tòi, sáng tạo giải quyết vấn đề của ngƣời học, các pha của tiến trình dạy học giải quyết vấn đề.
Mỗi kiến thức đều đƣợc soạn thảo đảm bảo cho ngƣời học có thể tự đƣa ra giải pháp, thực hiện giải pháp để rút ra kết luận và hình thành kiến thức mới thông qua vai trò định hƣớng của giáo viên trong mỗi tình huống học tập.
Trong tiến trình hoạt động dạy học, các kiến thức từng tiết học chúng tôi trình bày theo trình tự:
- Các kết luận cần xây dựng và câu hỏi đề xuất tƣơng ứng. - Sơ đồ xây dựng kiến thức.
- Mục tiêu dạy học. - Phƣơng tiện dạy học. - Tiến trình dạy học cụ thể.
Chƣơng III
THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM