2.2.2.1. Nội dung kiến thức chương “Từ trường”
Hình 2.1. Sơ đồ kiến thức phần “Từ trường” 2.2.2.2. Nội dung HĐNK
Chúng tôi tổ chức HĐNK “Chế tạo và tiến hành thí nghiệm về từ trường với các dụng cụ đơn giản” với hai nội dung sau:
• Nội dung thứ nhất
GV phân công, hướng dẫn và giao nhiệm vụ cho các nhóm HS thiết kế, chế tạo dụng cụ và tiến hành thí nghiệm về từ trường từ các dụng cụ đơn giản thông qua các bài tập.
Mục đích
- Củng cố, mở rộng kiến thức về lực từ, đường sức từ, quy tắc bàn tay trái. - Biết cách tự chế tạo các dụng cụ thí nghiệm từ những vật liệu đơn giản từ đó tạo sự hứng thú cho HS khi học tập môn Vật lí cũng như sự say mê nghiên cứu khoa học.
- Biết cách sử dụng và bảo quản những thiết bị điện từ thông dụng như nam châm, bình acquy, biến thế nguồn, dây dẫn ….
- Giúp HS có cái nhìn trực quan đối với phần từ trường nói riêng và môn Vật lí nói chung.
- HS trải nghiệm những khó khăn trong quá trình hoàn thành nhiệm vụ, từ đó biết trân trọng thành quả có được từ sức lao động của cá nhân và tập thể.
• Nội dung thứ hai
Tổ chức buổi báo cáo kết quả giải quyết các nhiệm vụ, lời giải các bài tập thí nghiệm, trình bày cách chế tạo các dụng cụ thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm với những dụng cụ này và giải thích kết quả trước các nhóm HS.
Mục đích
Tạo sân chơi bổ ích giúp HS giao lưu và giới thiệu các sản phẩm do chính bản thân mình làm ra.
2.2.2.3. Chế tạo các thí nghiệm về từ trường với các dụng cụ đơn giản
Để tổ chức thành công HĐNK về chế tạo và tiến hành thí nghiệm, trước tiên chúng tôi phải tìm hiểu các thí nghiệm về từ trường để có những kinh nghiệm và có thể hướng dẫn tốt cho HS. Đó là những thí nghiệm sau:
Thí nghiệm 1. Từ tính của dòng điện
- Chứng minh xung quanh dòng điện có từ trường. - Kiểm tra dòng điện chạy trong dây dẫn.
• Chế tạo thí nghiệm
- Dùng hai chai nhựa (1) cắt bỏ phần đầu, lấy phần đáy và gắn cố định vào bảng nhựa (2) bằng ốc vít. Tạo các lỗ nhỏ trên hai chai nhựa để đặt thanh đồng (3) nằm ngang cách bảng nhựa khoảng 3.5 cm.
- Đặt kim nam châm của la bàn (4) bên dưới thanh đồng. Nối hai đầu đoạn mạch với pin 3V (5) thông qua một công tắc (6).
• Tiến hành thí nghiệm
Bật công tắc, ta thấy kim nam châm lệch khỏi vị trí ban đầu.
• Giải thích kết quả thí nghiệm
Xung quanh dòng điện chạy qua thanh đồng có từ trường, từ trường này tác dụng lực từ làm lệch kim nam châm đặt gần nó. Khi từ trường của dòng điện cân bằng với từ trường trái đất thì kim nam châm dừng lại và cân bằng ở vị trí mới.
• Lưu ý
- Để có sự tiếp điện tốt, ta cần cạo sạch lớp sơn cách điện ở chỗ nối các đoạn dây đồng lại với nhau.
- Ta có thể sử dụng nguồn một chiều 5V được lấy từ cục sạc điện thoại.
- Để kim nam châm dễ quay, ban đầu ta nên đặt kim nam châm song song với đoạn dây dẫn.
Thí nghiệm 2. Chế tạo và kiểm tra hoạt động của nguồn điện tự tạo bằng từ trường
• Mục đích thí nghiệm
- Tạo ra được một nguồn điện và kiểm tra được nguồn điện đó có hoạt động hay không nhờ từ trường.
• Chế tạo thí nghiệm
Nguồn điện một chiều được tạo ra từ quả chanh (1). Hai cực của nguồn điện được tạo ra từ hai tấm kim loại mảnh đồng và nhôm, kích thước mỗi tấm là 3cm1cm. Cắm 2 tấm đồng và nhôm vào quả chanh. Vì suất điện động của pin làm từ một quả chanh có giá trị rất nhỏ, cỡ 0,5 V, nên để có nguồn điện có suất điện động lớn hơn, ta ghép nối tiếp các pin chanh lại với nhau.
Dùng dây đồng 0.18 mm quấn một khung dây hình chữ nhật (2) kích thước 15cm20cm, có 100 vòng. Nhỏ keo 502 vào khung dây giúp khung dây cứng cáp và
gọn gàng hơn. Treo khung dây vào một chai nhựa 1,5 lít đã được cắt 2 rãnh nằm ngang đến phân nửa tiết diện ngang của chai. Khoảng cách giữa hai rãnh đúng bằng chiều dài của khung dây.
Một kim nam châm (3) được treo vào đầu dưới của một sợi chỉ, đầu trên của sợi chỉ treo vào nắp chai. Điều chỉnh chiều dài sợi chỉ sao cho kim nam châm nằm ở trên, gần sát và song song với cạnh dưới của khung dây.
• Tiến hành thí nghiệm
Nối hai đầu khung dây với hai cực của bộ pin chanh, ta thấy kim nam châm lệch khỏi vị trí cân bằng.
• Giải thích kết quả thí nghiệm
Nước chanh có chứa axit. Khi cắm hai tấm kim loại có bản chất khác nhau vào các quả chanh, tấm đồng đóng vai trò cực dương, tấm nhôm đóng vai trò cực âm. Giữa hai điện cực hình thành một hiệu điện thế điện hóa. Khi nối hai cực của bộ pin chanh với hai đầu khung dây, trong mạch có dòng điện, xung quanh dòng điện có từ trường. Từ trường này có tác dụng làm quay kim nam châm đặt gần nó. Khi từ trường của dòng điện cân bằng với từ trường trái đất thì kim nam châm dừng lại và cân bằng ở vị trí mới.
• Lưu ý
- Ta có thể thay kim nam châm bằng một chiếc kim khâu đã được từ hóa. - Khi quấn khung dây, ta phải quấn sao cho các cạnh đối diện đủ xa để kim nam châm chỉ bị ảnh hưởng bởi từ trường của một cạnh khung dây.
- Ta có thể thay pin chanh bằng các pin được làm từ các loại quả khác nhau như chuối, khoai tây, … hoặc các dung dịch chất điện phân như muối CuSO4,…
Hình 2.3. Thí nghiệm kiểm tra hoạt động của nguồn điện tự tạo bằng từ trường
Thí nghiệm 3. Tương tác giữa 2 dòng điện thẳng dài • Mục đích thí nghiệm
- Kiểm tra chiều của lực tương tác giữa hai dòng điện chạy trong hai dây dẫn thẳng dài đặt song song.
• Chế tạo thí nghiệm
Dùng dây đồng 0.4 mm quấn thành hai khung dây giống nhau hình chữ nhật kích thước 8cm10cm. Mỗi khung dây quấn khoảng 40 vòng. Dùng keo 502 nhỏ lên khung dây để khung dây cứng cáp hơn.
Dùng hai chai nhựa chiều cao 22 cm đặt thẳng đứng cách nhau 35 cm làm giá đỡ. Dưới nắp mỗi chai chừng 5 cm, ta tạo một lỗ nhỏ trên mỗi chai để đặt một thanh nhôm nằm ngang qua hai lỗ nhỏ.
Treo hai khung dây vào thanh nhôm nằm ngang bằng hai dây chỉ sao cho mặt phẳng hai khung dây cùng nằm trong mặt phẳng thẳng đứng. Lắp công tắc vào mạch.
Hình 2.4. Thí nghiệm kiểm tra chiều lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng • Tiến hành thí nghiệm
Điều chỉnh để hai cạnh thẳng đứng của hai khung dây song song nhau và ở khoảng cách gần (cỡ 1 cm). Mắc nối tiếp hai đầu dây ở gần nhau lại với nhau sao cho hai dòng điện chạy trong hai cạnh đặt song song nhau là cùng chiều, hai đầu còn lại của khung dây được mắc vào nguồn. Bật công tắc, ta thấy khung dây bị quay, hai dòng điện song song cùng chiều hút lại gần nhau.
Nếu hai dòng điện trong hai cạnh thẳng đứng là ngược chiều ta thấy hai dòng điện này bị đẩy ra xa nhau và cũng làm cho hai khung dây quay.
• Giải thích thí nghiệm
Mỗi cạnh của khung dây gồm 40 dòng điện chạy cùng chiều, ta có thể coi mỗi cạnh đó có một dòng điện 40I chạy qua (với I là cường độ dòng điện chạy trong một dây dẫn). Vì các khung dây có các cạnh thẳng đứng xa nhau nên ta coi như chỉ có dòng điện trong hai cạnh gần nhau tương tác với nhau.
Lực tương tác giữa hai dòng điện chạy song song cùng chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Hai lực này ngược chiều và hướng vào nhau nên chúng hút nhau. Tương tự, khi hai dòng điện chạy song song ngược chiều thì lực tương tác ngược chiều và hướng ra xa nên chúng đẩy nhau. Độ lớn lực tương tác này được xác định theo công thức: F 2.10 7 I I1 2l
r
Trong đó r là khoảng cách hai dây dẫn; l là chiều dài dây. Theo công thức này ta thấy độ lớn lực tương tác tỉ lệ với cường độ dòng điện qua hai dây.
• Chú ý
Dây treo các chai nhựa có thể làm từ nhiều loại dây khác nhau như chỉ, đồng … Khi tiến hành thí nghiệm với dây chỉ có hệ số xoắn nhỏ, ta thấy các khung dây dễ quay hơn, tuy nhiên lại khó khăn trong việc điều chỉnh sao cho các chai nhựa ở vị trí ban đầu theo ý muốn.
Thí nghiệm 4. Tương tác giữa nam châm và dòng điện thẳng • Mục đích thí nghiệm
- Xác định chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng dài. - Minh họa cho nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều.
• Chế tạo thí nghiệm:
Hình 2.5. Động cơ điện hai khung dây
Động cơ điện có hai bộ phận chính: phần cảm (tạo ra từ trường) và phần ứng (tạo ra suất điện động cảm ứng). Ngoài ra còn có bộ góp để đổi chiều dòng điện.
Phần cảm: tạo ra từ trường từ các nam châm thẳng.
Phần ứng: được tạo ra từ một chai nhựa (nằm ngang) và hai khung dây (1). Dùng dây đồng 0.4 mm quấn hai khung dây giống nhau, kích thước mỗi khung khoảng 9cmx10cm, mỗi khung dây gồm 60 vòng và quấn theo một chiều. Dùng băng dính hai mặt dính hai khung dây vào cùng một chai nhựa sao cho các cạnh khung dây nằm dọc theo chai nhựa và song song với nhau. Nối các đầu gần nhau của hai khung dây lại với nhau.
Khoan hai lỗ ở giữa nắp và đáy của chai nhựa đã gắn khung dây. Xuyên thanh nhôm qua hai lỗ vừa khoan để làm trục quay. Để trục quay vào hai ổ quay trên hai giá đỡ cũng bằng hai chai nhựa khác đặt thẳng đứng.
Bộ góp: dùng để đổi chiều dòng điện. Bộ góp gồm hai bán khuyên (2) và hai chổi quét (3). Hai bán khuyên được tạo ra bằng cách cắt hai mảnh hình chữ nhật từ vỏ lon. Gắn hai bán khuyên vào hai nửa của cổ chai nhựa sao cho hai rãnh giữa hai bán khuyên thẳng hàng với hai rãnh giữa của hai khung dây. Nối hai đầu còn lại của hai khung dây vào hai bán khuyên. Chổi quét được làm từ hai lá kim loại hình chữ nhật cắt từ vỏ lon sữa kích thước khoảng 2cmx10cm. Đầu dưới của chổi quét được
bẻ gập vuông góc để dán lên đế đỡ bằng keo 502. Phần trên của hai chổi quét tiếp xúc nhẹ nhàng với hai bán khuyên.
• Tiến hành thí nghiệm
Đặt nam châm (4) dưới khung dây. Nối hai đầu bên dưới của hai chổi quét với hai cực của nguồn điện một chiều 9V, ta thấy khung dây quay xung quanh ổ quay. Khi đổi cực nối vào hai chổi quét, khung dây quay theo chiều ngược lại.
• Giải thích kết quả thí nghiệm
Khi có dòng điện chạy qua khung dây đặt trong từ trường của nam châm, cạnh phía dưới của khung dây sẽ bị tác động bởi một lực, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng ngược lại. Hai lực này tạo thành ngẫu lực làm cho khung dây quay. Đến khi cạnh trên của khung dây lại gần nam châm thì ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây theo chiều ngược lại làm cho khung dây có xu hướng đổi chiều quay. Tuy nhiên, nhờ bộ góp điện gồm có hai bán khuyên và hai chổi quét làm cho mỗi khi khung dây quay hết nửa chu kì đầu thì dòng điện đổi chiều, vì vậy lực từ tác dụng lên khung dây ở nửa chu kì sau cũng giống như ban đầu nên khung dây lại tiếp tục quay theo chiều cũ.
• Lưu ý
- Để động cơ dễ quay ta nên cung cấp cho nó một vận tốc đầu.
- Nếu các khung dây được quấn theo hai chiều khác nhau thì phải nối hai đầu dây cách xa nhau của hai khung dây vào bán khuyên sao cho chiều dòng điện chạy trong hai cạnh gần nhau của hai khung dây là cùng chiều.
Ngoài động cơ điện 2 khung dây, ta có thể chế tạo động cơ gồm 1, 3, 4, … khung dây. Nếu động cơ có nhiều khung dây (3, 4 … khung dây), các khung dây mắc đều xung quanh chai nhựa.
Phương án 2. Động cơ điện một chiều một khung dây
Đối với động cơ chỉ có một khung dây, ta có thể làm như sau:
Phần ứng của động cơ này được tạo ra từ một chai nhựa (nằm ngang) và một khung dây. Để quấn khung dây quanh chai nhựa, ta khoét 4 lỗ trên chai nhựa tạo thành hình chữ nhật kích thước 5cm10cm. Dùng dây đồng 0.4 mm chiều dài khoảng 12m luồn qua các lỗ đã khoét sẵn xung quanh chai nhựa để tạo khung dây.
Nối hai đầu khung dây với hai bán khuyên. Phần cảm, bộ góp, trục quay và giá đỡ làm tương tự với động cơ điện hai khung dây. Để thiết bị vững vàng hơn khi hoạt động ta cố định hai chai nhựa thẳng đứng với bảng nhựa bằng đinh ốc.
Hình 2.6. Động cơ điện một khung dây
Cách tiến hành thí nghiệm và giải thích tương tự như động cơ điện hai khung dây.
Phương án 3. Động cơ điện không bộ góp
Ta cũng có thể chế tạo động cơ một khung dây có thể hoạt động được mà không cần bộ góp.
Dùng dây đồng 1.4 mm quấn khung dây hình chữ nhật (1) kích thước 4cm5cm gồm 8 vòng. Hai đầu khung dây được căng thẳng và cạo sạch lớp sơn cách điện ở một nửa bên của mỗi đoạn dây. Khung dây đặt nằm ngang trên hai giá đỡ làm từ vỏ lon nhôm (2). Để có sự tiếp điện tốt giữa hai đầu dây đồng với giá đỡ bằng vỏ lon nhôm, ta bẻ gập đầu của hai lá nhôm xuống. Hai giá đỡ được gắn chặt trên bảng nhựa bằng ốc vít.
Tiến hành thí nghiệm: Đặt nam châm (3) bên dưới khung dây, nối hai giá đỡ với hai cực của nguồn điện, ta thấy khung dây quay trên giá đỡ.
Hình 2.7. Động cơ điện không bộ góp
Giải thích thí nghiệm: tương tự như các phương án trên, khung dây chịu tác dụng của ngẫu lực từ nên chuyển động quay. Tuy nhiên, do hai đầu dây bị cạo sạch chỉ một bên lớp sơn cách điện nên ngẫu lực từ chỉ tác dụng lên khung dây ở nửa chu kì đầu, nửa chu kì sau do không có dòng điện nên khung dây không chịu tác dụng của ngẫu lực từ, khung dây không đổi chiều chuyển động nhưng nó không dừng lại mà vẫn tiếp tục quay theo chiều cũ do quán tính. Hiện tượng này được lặp lại sau mỗi chu kì của chuyển động quay nên khung dây quay liên tục.
Thí nghiệm 5. Động cơ Ritchie (Tương tác giữa dòng điện tròn và nam châm)
• Mục đích thí nghiệm: Minh họa cho nguyên tắc hoạt động của động cơ Ritchie.
• Chế tạo dụng cụ thí nghiệm
Tạo một khung gỗ hình chữ nhật có chiều cao 42 cm, rộng 28 cm, bên dưới có đế phẳng nằm ngang. Dùng dây đồng 0.4 mm quấn quanh một lõi sắt hình chữ U (1) từ cạnh này sang cạnh kia khoảng 200 vòng. Lõi sắt được ghép từ các lá sắt hình chữ U được cắt ra từ các vỏ lon sữa và được bọc bằng băng dính cách điện.
Cưa thẳng đứng một chai nhựa 200 ml (2) từ cổ chai xuống đến vị trí cách cổ chai 1,5cm để tạo thành hai rãnh đối xứng. Gắn chặt khung dây có lõi sắt vào hai rãnh vừa cưa, sau đó đậy nắp chai.
Bộ góp điện gồm hai bán khuyên và hai chổi quét. Hai bán khuyên được tạo ra như ở động cơ điện một chiều, nối hai đầu dây của khung dây với hai bán khuyên. Dùng sợi chỉ dài (3) treo chai nhựa lên giá đỡ nằm ngang sao cho đáy chai nhựa cách mặt phẳng đỡ bên dưới 1 cm. Hai chổi quét được tạo bởi hai dây dẫn điện mềm không vỏ bọc (4) đặt đối diện, song song nhau, nằm ngang