2.2.1. Cấu trúc nội dung của chương
Phần “Cảm ứng điện từ” là kiến thức trong chương trình Vật lí 11 THPT, có thời lượng giảng dạy là 6 tiết, trong đó có 4 tiết lí thuyết và 2 tiết bài tập.
Ở chương trình Vật lí lớp 9 THCS, học sinh đã được tiếp cận với các kiến thức về cảm ứng điện từ tuy nhiên ở mức độ cơ bản, các kiến thức được thể hiện dưới dạng các hiện tượng Vật lí đơn giản chưa đi sâu vào bản chất hiện tượng.
Các nội dung kiến thức chính của phần “Cảm ứng điện từ” gồm: - Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng. - Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây chuyển động. - Dòng điện Fu-cô.
- Hiện tượng tự cảm. - Năng lượng từ trường.
2.2.2. Mục tiêu kiến thức, kỹ năng, thái độ, phát triển tư duy của chương
+ Hiểu được các khái niệm và định nghĩa: Từ thông, dòng điện cảm ứng, suất điện động cảm ứng, suất điện động tự cảm, hệ số tự cảm
+ Viết được các công thức tính: Từ thông, suất điện động cảm ứng, suất điện động tự cảm.
+ Nắm được đơn vị của các đại lượng trong bài học và biết quy đổi chúng về các đơn vị chuẩn.
+ Vận dụng các kiến thức đã học để giải thích các hiện tượng Vật lí, giải được các bài tập về phần cảm ứng điện từ, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm kiểm chứng. - Về kỹ năng: Chương học này chủ yếu được xây dựng bằng con đường thực
nghiệm nên khi giảng dạy cần phải rèn luyện cho học sinh những kỹ năng thực nghiệm sau:
+ Xác định được điều kiện xuất hiện suất điện động cảm ứng.
+ Vận dụng định luật Len-xơ xác định chiều của dòng điện cảm ứng. + Kiểm tra một số trường hợp của định luật Fa-ra-đây về cảm ứng điện từ. + Vận dụng được quy tắc bàn tay phải để xác định chiều của dòng điện trong đoạn dây chuyển động trong từ trường.
+ Vận dụng kiến thức về dòng Fu-cô giải thích các hiện tượng về chuyển động của khối kim loại trong từ trường, các ứng dụng của dòng Fu-cô trong thực tế.
+ Phân biệt được những mô tả các hiện tượng tự nhiên bằng ngôn ngữ đời sống và ngôn ngữ vật lí.
+ Chế tạo được một số dụng cụ thí nghiệm đơn giản và tiến hành thí nghiệm với những dụng cụ đó.
+ Thu thập và xử lí số liệu và rút ra kết luận với những thí nghiệm định lượng. - Về phát triển tư duy
+ Dựa vào các kiến thức đã học, đề xuất phương án, lắp ráp, tiến hành xử lí kết quả thí nghiệm và rút ra nhận xét.
+ Dựa vào các kiến thức đã học, dự đoán hoặc giải thích được các hiện tượng quan sát được trong thí nghiệm.
+ Quan sát hiện tượng và vận dụng kiến thức để giải thích kết quả thu được trong các thí nghiệm định tính.
+ Thiết kế được các phương án thí nghiệm với dụng cụ đơn giản, có những sáng kiến trong chế tạo dụng cụ thí nghiệm.
- Về phát triển năng lực
+ Phát hiện vấn đề, đưa ra dự đoán, đề xuất giả thuyết, giải quyết vấn đề. + Thiết kế, chế tạo một số dụng cụ thí nghiệm có liên quan đến chương cảm ứng điện từ từ các kiến thức đã được học bằng các dụng cụ đơn giản.
+ Phát huy tính sáng tạo, chủ động của học sinh thông qua hoạt động. - Về thái độ
+ Học sinh có hứng thú, say mê học tập bộ môn Vật lí nói chung, các kiến thức trong phần “Cảm ứng điện từ” nói riêng.
+ Học sinh tích cực tìm tòi, nghiên cứu, khám phá từ đó liên tục rút kinh nghiệm trong quá trình chế tạo dụng cụ thí nghiệm và phát triển các phương án thí nghiệm.
+ Học sinh có tinh thần làm việc trung thực, khách quan, tỉ mỉ, chính xác, giúp đỡ bạn bè, hợp tác.
+ Học sinh luôn nhiệt tình, thể hiện tinh thần trách nhiệm với công việc được giao và cầu thị, hợp tác khi làm việc nhóm.
+ Thông qua việc nghiên cứu lí thuyết và chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản, học sinh làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học.
2.3.Thiết kế một số phương án thí nghiệm trong chương “Cảm ứng điện từ” Vật lí 11 từ các dụng cụ đơn giản Vật lí 11 từ các dụng cụ đơn giản
Để có thể bồi dưỡng được cho học sinh năng lực thực nghiệm phù hợp và dự đoán các bước tiến hành cũng như các khó khăn, sai lầm mà học sinh thường mắc phải trong hoạt động ngoại khóa, chúng tôi có chế tạo một số thí nghiệm từ các dụng cụ đơn giản để tiến hành một số thí nghiệm về phần “Cảm ứng điện từ”. Từ đó, xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa nói chung cũng như xác định được khối lượng công việc, dự kiến thời gian, những khó khăn mắc phải khi thực hiện các nhiệm vụ để học sinh có thể hoàn thành bộ thí nghiệm đó.
Chúng tôi có thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm từ các dụng cụ đơn giản để tiến hành một số thí nghiệm chương “Cảm ứng điện từ”:
2.3.1. Thiết kế thí nghiệm về cảm ứng từ do chuyển động của nam châm trong ống dây trong ống dây
Mục đích thí nghiệm: Dùng để kiểm nghiệm hiện tượng suất điện động cảm ứng xuất hiện qua khung dây khi từ thông xuyên qua khung dây thay đổi
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm
- Quấn dây đồng (1) vào xi lanh (2) cỡ 2000 vòng, có thể quấn nhiều lớp và các vòng dây phải đều và sát nhau. Nam châm vĩnh cửu (3) được gắn vào 1 đầu pít tông (4).
- Bước 1: Nối 2 đầu dây đồng với hai dây dẫn gắn vào đèn LED để tạo thành mạch kín.
- Bước 2: di chuyển pít tông đi vào ống dây và rút nhanh ra thì thấy được khi nam châm đi vào đèn LED sáng, khi nam châm đi ra đèn LED không sáng.
- Bước 3: Thay đổi 2 cực của nguồn điện và làm lại thí nghiệm như bước 2 thì thấy hiện tượng khi nam châm đi vào đèn LED không sáng, khi nam châm đi ra đèn LED sáng
Hình 2.1. Cảm ứng từ do chuyển động của nam châm trong ống dây
Giải thích hiện tượng: Khi từ trường thay đổi dẫn đến từ thông xuyên qua ống dây thay đổi. Từ đó, xuất hiện hiện tượng cảm ứng trong ống dây làm cho đèn LED sáng. Để giải thích hiện tượng của bước 2 và bước 3 thì cần dựa vào định luận Len
4 3 6 5 1 2
– xơ về chiều dòng điện. Khi di chuyển nam châm vào ống dây sẽ sinh ra 1 dòng điện cảm ứng ngược chiều so với khi di chuyển nam châm ra khỏi ống dây.
2.3.2. Thiết kế thí nghiệm về suất điện động cảm ứng phụ thuộc số vòng dây
Mục đích thí nghiệm: Kiểm tra lại sự ảnh hưởng của số vòng dây liên quan đến suất điện động cảm ứng
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm
- Dùng dây đồng quấn vào 3 xi lanh (1) có số vòng dây lần lượt là 400, 600, 800 vòng dây. Quấn nhiều lớp vòng dây sao cho chiều dài của các xi linh sau khi quấn vòng dây là như nhau.
- Bước 1: Gắn 3 ống dây vào giá đỡ bằng nhôm (2)
- Bước 2: Lắp thanh nhôm lên 2 chai nhựa để giữ cố định
- Bước 3: Ghép 3 ống theo kiểu nối tiếp và nối 2 đầu ngoài cùng vào Vôn kế - Bước 4: Dùng motor (4) và 2 nam châm (5) gắn ngược nhau lắp vào bệ đỡ bằng cổ chai nhựa. Nôi dây dẫn từ motor ra nguồn
- Bước 5: Bật công tắt nguồn để motor di chuyển qua từng ống dây. Chúng tôi đo được số chỉ của Vôn kế lần lượt là 0.6V, 0.9V, 1.2V
Giải thích hiện tượng: khi số vòng dây thay đổi thí số chỉ của Vôn kế cũng thay đổi với các thỉ số:
+ N1 : N2 : N3 = 400 : 600 : 800 = 2 : 3 : 4 + E1 : E2 : E3 = 0.6 : 0.9 : 1.2 = 2: 3: 4
Từ đó cho thấy, suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào số vòng dây
Hình 2.2. Suất điện động cảm ứng phụ thuộc số vòng dây
4
3 1
5
2.3.3. Thiết kế thí nghiệm về suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào diện tích vòng dây tích vòng dây
Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm lại sự ảnh hưởng khi thay đổi diện tích vòng dây làm xuất hiện suất điện động cảm ứng.
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm.
- Dùng một lớp dây đồng (1) quấn vào vỏ chai nhựa (2) khoảng 1500 vòng. - Bước 1: Dùng nam châm (3) gắn vào pít tông (4) đặt ở trong lòng ống dây. - Bước 2: Nối 2 đầu của ống dây vào dây dẫn gắn với Vôn kế.
- Bước 3: Giữa cố định chai nhựa và bóp mạnh ống dây thì lúc này trên Vôn kế sẽ xuất hiện dòng điện.
Giải thích hiện tượng: Nam châm được đặt cố định ở bên trong lòng ống dây vì thế từ trường không thay đổi. Tuy nhiên, lúc bóp nhanh ống dây làm diện tích của ống dây thay đổi nên từ trường trong ống dây thay đổi. Căn cứ theo định luật về cảm ứng điện từ thì từ trường biến thiên dẫn đến từ thông qua mạch kín biến thiên sẽ làm xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Hình 2.3. Suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào diện tích vòng dây
3
1
4 2
2.3.4. Thiết kế thí nghiệm về định luật Len –xơ
Mục đích thí nghiệm: kiểm chứng dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm - Bước 1: Làm giá đỡ bằng ống nhựa PVC (1).
- Bước 2: Dùng thanh thước mỏng (2) có tỉ lệ cân đối, xác định trọng tâm. - Bước 3: Lấy dây chỉ mỏng (3) cột vào trọng tâm của thanh thước treo lên giá đỡ.
- Bước 4: Cắt vỏ lon làm thành 2 tấm nhôm hình trụ (4) tạo thành 1 vòng nhôm kín và một vòng nhôm hở, gắn 2 vòng nhôm vào 2 đầu thanh thước.
- Bước 5: Đưa thanh nam châm (5) ra, vào 1 vòng nhôm kín. Khi đẩy nam châm vào thì vòng nhôm cũng bị đẩy cùng hướng. Khi đẩy nam châm ra thi vòng nhôm cũng bị kéo ra
- Bước 6: Đưa thanh nam châm ra, vào 1 vòng nhôm hở cũng có hiện tượng tương tự nhưng xẩy ra yếu hơn.
Hình 2.4. Định luật Len –xơ
Giải thích hiện tượng:
- Đối với vòng nhôm kín, coi vòng nhôm là vô số mạch kín ghép vào nhau. Khi đưa nam châm vào thì từ thông trong mạch kín sẽ biến thiên. Theo như định luật Len –xơ, thì từ trường cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng chống lại sự biến thiên của nam châm. Vì thế, khi đưa nam châm vào thì vòng nhôm cũng bị đẩy tới và ngược lại. Tức là, từ trường của nam châm hút từ trường của dòng điện cảm ứng được sinh ra.
1
4 2
5
- Đối với vòng nhôm hở, vòng nhôm không còn là mạch kín. Tuy nhiên, vẫn có cảm ứng điện từ xảy ra vì nó có các mạch kín phân tử tuân theo trong vòng nhôm nên nó vẫn có hiện tượng từ trường của nam châm hút từ trường của dòng điện cảm ứng được sinh ra nhưng khá yếu.
2.3.5. Thiết kế thí nghiệm về dòng diện Fu -cô
Mục địch thí nghiệm: Kiểm nghiệm mối quan hệ giữa tốc độ thay đổi của từ trường và dòng điện Fu – cô
Hình 2.5. Dòng điện Fu - cô
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm - Bước 1: Khoan 1 lỗ ở trên nắp hộp nhựa (1).
- Bước 2: Dùng dây (2) gắn vào nắp hộp, sợi dây có thể xoắn được.
- Bước 3: Lấy một lon (4) cắt bỏ phần đầu để tạo thành vòng nhôm kín. Khoan 2 lỗ để gắn với dây, sao cho vòng nhôm nằm cân bằng.
- Bước 4: Dùng giấy có chia độ (3) dán vào thành của hộp nhựa (6) để xác định độ quay của vòng nhôm.
3 1 6 4 2 5
- Bước 5: Lắp nam châm vào trục quay của motor (5) vào chính giữa đáy của hộp nhựa.
- Bước 6: Nối dây dẫn gắn với motor vào nguồn điện 1 chiều, vòng nhôm bị xoắn 1 góc. Tiếp tục tăng hiệu điện thế thì tốc độ quay của vòng nhôm xoắn góc lớn hơn.
Giải thích hiện tượng: Hiện tượng xảy ra với vòng nhôm có thể giải thích giống như thí nghiệm về dòng điện Len –xơ. Nghĩa là, vỏ lon được xem như nhiều mạch kín ghép lại. Khi nam châm quay trong vòng nhôm sinh ra dòng điện cảm ứng bên trong vòng nhôm là các dòng điện xoáy (dòng Fu - cô). Vì vậy, khi tốc độ thay đổi của từ trường càng nhanh thì các dòng điện Fu – cô xoắn góc càng lớn.
2.3.6. Thiết kế thí nghiệm về cảm ứng điện từ dùng nam châm điện
Mục đích thí nghiệm: Thay nam châm vĩnh cửu thanh nam châm điện, hiện tượng suất điện động cảm ứng xuất hiện qua khung dây khi từ thông xuyên qua khung dây thay đổi.
Hình 2.6. Cảm ứng điện từ dùng nam châm điện
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm
- Bước 1: Quấn dây đồng vào 2 xi lanh (1), (2) có số vòng dây lần lượt vào khoảng 1500 vòng và 2500 vòng. Đặt các thanh sắt vào trong lõi của 2 xi lanh để tạo thành 2 nam châm điện.
- Bước 2: Gắn 2 nam châm điện vào bệ đỡ bằng nhựa (3) 1
2 4
- Bước 3: Nối nam châm điện (1) vào dây dẫn gắn với nguồn điện xoay chiều. Nam châm điện (2) nối với dây dẫn có gắn đèn LED tạo thành mạch kín.
- Bước 4: Cấp nguồn điện cho nam châm điện (1) và đặt đồng trục với nam châm điện (2); hai nam châm điện không được để quá gần nhau. Lúc này, đèn LED sáng.
- Bước 5: Khi làm lại thí nghiệm này, đặt nam châm điện (1) ra hơn xa nam châm điện (2) thì đèn LED sáng yếu hơn.
Giải thích hiện tượng: Khi cấp nguồn điện xoay chiều cho nam châm điện (1) đặt lại gần nam châm điện (2) thì sinh ra từ thông trong mạch kín biến thiên làm xuất hiện dòng điện cảm ứng làm đèn LED sáng.
2.3.7. Thiết kế thí nghiệm về máy phát điện
Mục đích thí nghiệm: Chế tạo mấy phát điện
Phương án 1: Máy phát điện 1 chiều
Hình 2.7. Máy phát điện 1 chiều
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm - Dùng dây đồng quấn thành 1 khung dây (4).
- Bước 1: Dùng 2 chai nhựa (1) có khoan lỗ làm giá đỡ.
- Bước 2: Dùng 1 phần vỏ lon làm bộ góp gồm có 1 vành khuyên (3), 2 chổi quét (8).
- Bước 3: Lấy căm xe (2) xuyên qua khung dây và vành khuyên làm trục quay. 3 4 1 2 6 5 7 8
- Bước 4: Gắn chổi quét vào nắp chai nhựa (7) đặt lên bệ đỡ bằng gỗ (6) sao cho chổi quét tiếp xúc với vành khuyên.
- Bước 5: Đặt nam châm phía dưới khung dây.
- Bước 6: Gắn 2 chổi quét vào dây dẫn nối với nguồn làm cho khung dây sẽ quay.
Phương án 2: Máy phát điện nhờ gió
Cách chế tạo và các bước tiến hành thí nghiệm
- Dùng dây đồng quấn vào chai nhựa được cắt hai đầu (1) tạo thành ống dây vào khoảng 1000 vòng.
- Bước 1: Lắp đèn LED (3) vào ống dây.
- Bước 2: Gắn nam châm (2) vào hai bên của trục quay (3) lắp vào giữa ống dây.
- Bước 3: Cắt vỏ lon làm thành cái quạt (4). - Bước 4: Lắp cánh quạt trục quay (5)
- Bước 5: Đặt thí nghiệm trước gió sẽ làm cho đèn LED sáng
Giải thích hiện tượng: Khi khung dây quay trong từ trường thì từ thông qua mạch kin biến đổi sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng.
Hình 2.8. Máy phát điện nhờ gió
4
5 2
1
2.3.8. Thiết kế thí nghiệm về máy biến áp