2.2.4.1. Bước 1. Phổ biến nhiệm vụ
- GV tập trung HS tham gia HĐNK, chia nhóm. Các nhóm bầu nhóm trưởng. - GV nêu nội dung và mục đích của HĐNK.
- GV tóm tắt kiến thức chương từ trường và giao nhiệm vụ cho từng nhóm HS, nhiệm vụ được giao chính là các bài tập về thí nghiệm dành cho các nhóm HS. Sau đó GV hướng dẫn HS thảo luận để tìm mục đích và cơ sở lý thuyết của các thí nghiệm.
Các bài tập có nội dung như sau:
Bài tập 1. Động cơ điện một chiều có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Em hãy tìm hiểu thông tin về động cơ điện và hoàn thành các nhiệm vụ sau:
a. Nêu cấu tạo và trình bày nguyên lý hoạt động của động cơ điện.
b. Hãy thiết kế, chế tạo và tiến hành thí nghiệm với mô hình động cơ điện một chiều từ các vật liệu đơn giản.
Mục tiêu bài tập
- Bằng thí nghiệm thấy được tác dụng của lực từ lên dòng điện và vận dụng điều đó để giải thích thí nghiệm.
- Tiếp cận một số giải pháp để chế tạo mô hình động cơ điện đơn giản và nêu được ứng dụng của nó trong thực tế.
- Bồi dưỡng NLTN thông qua việc thiết kế, chế tạo và tiến hành thí nghiệm về động cơ điện.
Bài tập 2. a. Nêu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và ứng dụng của rơ-le điện từ. b. Ứng dụng mạch rơ –le điện từ, em hãy thiết kế, chế tạo và tiến hành thí nghiệm về mạch chuông điện.
Mục tiêu bài tập
- Bằng thực nghiệm thấy được tương tác từ của nam châm điện và sắt (thép). - Vận dụng kiến thức lý thuyết về mạch điện và từ trường, giải thích được thí nghiệm.
- Tiếp cận một số giải pháp về chế tạo chuông điện.
- Bồi dưỡng NLTN thông qua việc thiết kế, chế tạo và tiến hành thí nghiệm về chuông điện.
Bài tập 3. Một nam châm hình trụ tròn đặt thẳng đứng trong cốc chứa dung dịch muối ăn. Một thanh đồng được giữ cố định đầu trên, đầu dưới chạm mặt nước (như hình vẽ). Thanh đồng có thể quay quanh đầu cố định. Nối thanh đồng với cực dương của nguồn, cực âm nối vào nước muối.
a. Xác định chiều của lực từ tác dụng lên thanh đồng, từ đó dự đoán quỹ đạo chuyển động của thanh đồng.
b. Tiến hành thí nghiệm để kiểm tra điều trên.
Mục tiêu bài tập
- Biết cách xác định chiều của lực từ trong trường hợp cụ thể, từ đó dự đoán được kết quả thí nghiệm.
- Bồi dưỡng NLTN thông qua việc dự đoán kết quả, giải thích, bố trí và tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ cho sẵn.
Bài tập 4. Cho các dụng cụ: chai nhựa, nguồn, nam châm và dây nối. Hãy chế tạo một thiết bị có thể chuyển động được trên mặt nước biển bằng lực từ. (Tàu biển Yamato).
Mục tiêu bài tập
của nam châm thẳng. Vận dụng kiến thức lực từ để giải thích thí nghiệm.
- Biết chế tạo mô hình tàu biển đơn giản và nêu được ứng dụng, ưu điểm của nó trong thực tế.
- Bồi dưỡng NLTN thông qua việc thiết kế, chế tạo và tiến hành thí nghiệm về tàu biển.
2.2.4.2. Bước 2. Thảo luận đưa ra các phương án thiết kế thí nghiệm
GV tổ chức cho các nhóm trao đổi thảo luận để thực hiện nhiệm vụ được giao. Từ đó, GV đánh giá chung về NLTN và sự phát triển năng lực này của các nhóm HS.
Việc trao đổi thảo luận dựa trên các câu hỏi và câu trả lời của GV và HS.
Nhiệm vụ 1. Động cơ điện một chiều Mục đích:
- Củng cố kiến thức về lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện chạy qua, cách xác định chiều của lực từ theo quy tắc bàn tay trái.
- Tạo điều kiện để HS mở rộng kiến thức, tìm hiểu những ứng dụng của kiến thức trong chương trình học nhưng không có điều kiện thực hiện ở trong giờ nội khóa.
- Rèn luyện kĩ năng thu thập và xử lí thông tin; khả năng tự lực tìm kiếm thông tin, kiến thức; kĩ năng làm việc theo nhóm.
- Nhận xét NLTN của nhóm và cá nhân thông qua quan sát hoạt động nhóm.
Thảo luận: Các câu hỏi và câu trả lời gợi ý
Bộ câu hỏi và câu trả lời gợi ý để tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và tìm phương án thiết kế động cơ điện.
GV: Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên tắc Vật lí nào? HS: Khi dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực từ.
GV: Ứng dụng nguyên tắc này người ta tạo ra động cơ điện một chiều, là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng. Động cơ điện một chiều có những bộ phận chính nào?
HS: Khung dây và nam châm.
GV: Giả sử ta cho dòng điện chạy qua khung dây bằng cách nối hai đầu khung dây với hai cực của nguồn, khung dây đặt trên nam châm, em hãy dự đoán kết quả
xảy ra? Giải thích.
HS: Khung dây quay vì nó chịu tác dụng của ngẫu lực. GV: Chiều ngẫu lực được xác định như thế nào?
HS: Chiều ngẫu lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái. GV: Khung dây quay liên tục không? Tại sao?
HS: Không. Được nửa vòng thì khung dây ngừng và quay ngược lại do ngẫu lực từ có chiều ngược lại.
GV: Làm sao để khung dây quay liên tục mà không đổi chiều quay?
HS: Phải đổi chiều dòng điện để ngẫu lực từ có phương chiều như nửa vòng đầu.
GV: Làm thế nào để đổi chiều dòng điện?
HS: Suy nghĩ và trả lời. Ta cần tạo ra một dụng cụ có thể nối hai đầu AB của khung dây sao cho nửa chu kì đầu đầu A nối với cực dương, đầu B nối với cực âm, còn nửa chu kì sau thì ngược lại, đầu A nối với cực âm, đầu B nối với cực dương.
GV: Bộ phận nối với hai đầu dây AB của khung dây gọi là hai bán khuyên. Khi khung dây quay, bán khuyên cũng quay nên ta không thể nối trực tiếp bán khuyên với nguồn. Em có liệu pháp nào không?
HS: Ta cần thêm một dụng cụ cố định sao cho khi động cơ quay, bộ phận này có thể vừa tiếp xúc với hai bán khuyên vừa nối được với hai cực của nguồn.
GV: Dụng cụ cố định đó người ta gọi là chổi quét. Hai bán khuyên và hai chổi quét gọi là bộ góp điện có tác dụng đổi chiều dòng điện. Như vậy, ngoài hai bộ phận chính là khung dây (rô-to) và nam châm (stato), động cơ điện còn có thêm bộ góp. Sau khi hiểu nguyên tắc hoạt động cũng như vai trò của bộ góp, trên cơ sở đó em hãy đề xuất phương án thiết kế động cơ điện.
HS: Đề xuất các phương án thiết kế.
Bộ câu hỏi và câu trả lời gợi ý để tìm phương án thiết kế động cơ không bộ góp.
GV: Dựa vào quán tính, người ta có thể chế tạo động cơ điện không bộ góp. Nếu không có bộ góp, làm thế nào để khung dây quay liên tục?
nửa vòng sau khung dây khung dây không chịu tác dụng của ngẫu lực nhưng vẫn quay theo chiều cũ do quán tính.
GV: Hãy tìm giải pháp để khung dây chỉ chịu tác dụng của ngẫu lực ở nửa chu kì đầu?
HS: Cạo sạch một bên lớp sơn cách điện của hai đầu khung dây đã được căng thẳng rồi đặt trên hai giá đỡ bằng kim loại. Nối hai giá đỡ với nguồn, ngẫu lực chỉ tác dụng lên khung dây mang dòng điện ở nửa vòng đầu, nửa vòng sau do không có sự tiếp điện nên khung dây không chịu tác dụng ngẫu lực và không đổi chiều quay nhưng khung dây vẫn quay theo chiều cũ do quán tính.
GV: Yêu cầu HS tiếp tục hoàn thành việc thiết kế bộ thí nghiệm.
Nhiệm vụ 2. Rơ-le điện từ Mục đích:
- Củng cố lại kiến thức về tương tác từ, giúp HS hiểu hơn về tương tác từ và biết thêm về ứng dụng của tương tác từ trong cuộc sống.
- Tạo điều kiện để HS mở rộng kiến thức, tìm hiểu những ứng dụng của kiến thức trong chương trình học nhưng không có điều kiện thực hiện ở trong giờ nội khóa.
- Rèn luyện kĩ năng thu thập và xử lí thông tin; khả năng tự lực tìm kiếm thông tin, kiến thức; kĩ năng làm việc theo nhóm.
- Nhận xét NLTN của nhóm và cá nhân thông qua quan sát hoạt động nhóm.
Thảo luận: Các câu hỏi và câu trả lời gợi ý để làm rõ nguyên tắc hoạt động của chuông, từ đó đề xuất phương án thiết kế
GV: Dựa trên nguyên tắc Vật lí nào, người ta chế tạo chuông điện? HS: Tương tác từ giữa nam châm và sắt (hoặc thép).
GV: Để tạo ra lực từ mạnh người ta dùng nam châm điện? Em hãy nêu cấu tạo của nam châm điện?
HS: Nam châm điện gồm cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non.
GV: Nam châm điện có thể hút được sắt, lợi dụng đặc điểm này người ta tạo ra chuông điện. Em hãy cho biết chuông điện có những bộ phận chính nào?
HS: Nam châm điện, thỏi sắt, chuông.
GV: Các bộ phận này được sắp xếp như thế nào? Hãy vẽ hình minh họa.
HS: Vẽ hình. Thỏi sắt dài có một phần đặt đối diện với nam châm điện, một phần đặt đối diện với chuông để đập vào chuông.
GV: Nối hai đầu dây của nam châm điện với nguồn điện, em hãy dự đoán kết quả?
HS: Thanh sắt bị nam châm điện hút, đồng thời đập vào chuông tạo ra tiếng kêu.
GV: Chuông kêu liên tục không?
HS: Không. Chuông kêu một tiếng rồi tắt. GV: Làm sao để chuông kêu liên tục?
HS: Nam châm điện phải hút và nhả thanh sắt liên tục thì chuông mới kêu liên tục. Ta cần tạo ra sự đóng ngắt liên tục mạch điện của nam châm điện.
GV: Làm thế nào để tạo ra mạch điện đóng ngắt liên tục.
HS: Cần có một dụng cụ tiếp xúc (trực tiếp hoặc gián tiếp) với thanh sắt sao cho nó có tác dụng làm kín mạch trước khi thanh sắt chưa bị nam châm điện hút đồng thời làm hở mạch ngay sau khi thanh sắt bị nam châm hút và đập vào chuông. Và cứ thế tiếp diễn liên tục.
GV: Dụng cụ đó gọi là tiếp điểm. Từ những hiểu biết trên, em hãy thiết kế các phương án chế tạo chuông điện và vẽ sơ đồ mạch chuông điện.
Nhiệm vụ 3. Động cơ Faraday Mục đích
- Củng cố lại kiến thức về lực từ, giúp HS rèn luyện kỹ năng xác định chiều lực từ, chiều đường sức từ, chiều dòng điện theo quy tắc bàn tay trái.
- Rèn luyện kỹ năng thu thập và xử lí thông tin; khả năng tự lực tìm kiếm thông tin, kiến thức; kỹ năng làm việc theo nhóm. Phát triển năng lực thực nghiệm.
- Nhận xét NLTN của nhóm và cá nhân thông qua quan sát hoạt động nhóm.
Thảo luận: Các câu hỏi và câu trả lời gợi ý
GV: Từ những gì miêu tả trong đề bài, em hãy dự đoán hiện tượng xảy ra? HS: Thanh đồng sẽ chuyển động theo chiều của lực từ.
GV: Quy tắc xác định chiều lực từ tác dụng lên dòng điện? HS: Quy tắc bàn tay trái.
GV: Trước khi áp dụng quy tắc bàn tay trái, em hãy xác định chiều đường sức từ ở đầu của nam châm thẳng?
HS: Xác định chiều đường sức từ ở phần đầu của nam châm thẳng.
GV: Hãy xác định chiều của dòng điện chạy qua thanh đồng treo thẳng đứng? HS: Dòng điện chạy qua thanh đồng có phương thẳng đứng, chiều từ cực dương của nguồn ra mạch ngoài đến cực âm.
GV: Áp dụng quy tắc bàn tay trái, em hãy dự đoán quỹ đạo của thanh đồng? HS: Đặt bàn tay trái và dự đoán đầu dưới cùng của thanh đồng chuyển động theo quỹ đạo tròn. Thanh đồng chuyển động theo quỹ đạo hình nón.
GV: Lực từ có tác dụng lên dòng điện qua chất lỏng không? HS: Có.
GV: Hãy xác định chiều lực từ tác dụng lên dòng điện qua chất lỏng.
HS: Áp dụng quy tắc bàn tay trái và xác định được chiều của lực từ có phương nằm ngang (vuông góc với dòng điện và đường sức từ ở phần giữa nam châm thẳng).
GV: Chất lỏng chịu tác dụng của lực từ có chuyển động không? HS: Không.
GV: Hãy giải thích vì sao đều chịu tác dụng của lực từ nhưng thanh đồng chuyển động còn chất lỏng thì không?
HS: Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. Do chất lỏng có khối lượng lớn nên sẽ đứng yên, thanh đồng nhẹ hơn và có một đầu tự do nên sẽ thu gia tốc và chuyển động theo chiều của lực từ.
GV: Ngoài hiện tượng thanh đồng chuyển động em có thể dự đoán hiện tượng nào xảy ra khi có dòng điện chạy qua dung dịch muối?
HS: Có khí clo và hidro bay lên, nam châm trong dung dịch muối sẽ bị ăn mòn. GV: Hãy lựa chọn thêm các dụng cụ thích hợp để hoàn thành thí nghiệm, đồng thời tìm cách bảo vệ nam châm trong lòng chất lỏng.
Các câu hỏi gợi ý các cách làm tăng lực từ để hiện tượng thấy rõ hơn.
GV: Làm thế nào để hiện tượng thấy rõ hơn? HS: Tăng độ lớn lực từ.
GV: Làm thế nào để tăng độ lớn lực từ?
HS: Từ công thức tính độ lớn của lực từ, ta tăng cường độ dòng điện, hoặc tăng độ lớn cảm ứng từ.
GV: Em hãy tìm giải pháp để tăng các giá trị đó?
HS: Để tăng cường độ dòng điện ta có thể pha thêm muối vào dung dịch, nguồn có suất điện động lớn hoặc tăng độ lớn cảm ứng từ bằng cách ghép nhiều nam châm viên lại với nhau.
Câu hỏi gợi ý để HS tìm được phương án thí nghiệm để cho lực từ tác dụng lên chất lỏng làm chất lỏng chuyển động.
GV: Làm như thế nào để thấy được rằng lực từ của nam châm không chỉ tác dụng lên thanh đồng mà còn tác dụng lên dòng điện trong chất lỏng?
HS: Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. Phải làm cho khối chất lỏng chuyển động bằng cách giữ thanh đồng cố định.
GV: Hãy tìm phương án làm cho thanh đồng cố định còn khối chất lỏng thì chuyển động?
HS: Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. Làm cho đầu dưới của thanh đồng gắn chặt với nam châm.
GV: Hãy đề xuất các phương án thiết kế để thanh đồng cố định. HS: Đề xuất phương án thiết kế.
Nhiệm vụ 4. Tàu biển Yamato Mục đích:
- Củng cố lại kiến thức về lực từ, giúp HS rèn luyện kỹ năng xác định chiều lực từ, chiều đường sức từ, chiều dòng điện theo quy tắc bàn tay trái. Hiểu được ứng dụng thực tế của lực từ tác dụng lên dòng điện chạy qua chất lỏng.
- Rèn luyện kỹ năng thu thập và xử lí thông tin; khả năng tự lực tìm kiếm thông tin, kiến thức; kĩ năng làm việc theo nhóm.
Thảo luận: Các câu hỏi và câu trả lời gợi ý
GV: Tàu chuyển động nhờ lực từ tác dụng lên dòng điện chạy qua dung dịch chất điện phân, từ các dụng cụ đã cho em sắp xếp, liên kết nó như thế nào để tạo thành chiếc tàu chạy được trên nước.
HS: Để chai nhựa nằm ngang trên chất lỏng làm thân tàu, dòng điện một chiều tạo ra từ pin, dây dẫn và nước biển mắc nối tiếp tạo thành mạch kín. Nam châm được đặt trong thân tàu.
GV: Để tàu chạy về phía trước thì nam châm đặt như thế nào?
HS: Đặt nam châm bên trong chai nhựa và về phía đuôi tàu sao cho mặt cực hướng lên hoặc hướng xuống).
GV: Em hãy vẽ mạch điện minh họa. HS: Suy nghĩ và vẽ.
GV: Với hình vẽ trên, em hãy dự đoán tàu chạy về phía nào? Giải thích.
HS: Tàu chuyển động ngược chiều lực từ tác dụng lên dòng điện qua chất lỏng.