Thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị và các thí nghiệm cần tiến hành

B thay đổi xảy ra các trường hợp: Dịch chuyển khung dây (với α không đổi) đi ra đi vào từ trường, khi gắn thêm hoặc nhấc ra khỏi bản từ các nam châm gốm, đưa vào hay nhấc ra khỏ

2.2.3.2. Thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị và các thí nghiệm cần tiến hành

Các thiết bị thí ngiệm:

Các bộ phận của TBTN bao gồm: Bản từ; hai khung dây;

Giá trượt trên hai ray inox; động cơ nhỏ; Dây cu roa, các dây dẫn có dăt cắm;

Điện kế HS và nguồn điện một chiều 12V.

b) Các thí nghiệm cần tiến hành:

TN về sự phụ thuộc của SĐĐCƯ ec trên khung dây vào tốc độ biến thiên.

TN về sự phụ thuộc của SĐĐCƯ ec trên khung dây vào số vòng dây được quấn trên khung.

TN về sự phụ thuộc của SĐĐCƯ ec trên khung dây vào diện tích khung.

2.2.3.3. Tiến trình xây dựng kiến thức

Sau khi đã phát biểu được điều kiện xuất hiện SĐĐCƯ và nó sinh ra trong khung dây dẫn kín. Câu hỏi được đặt ra là: SĐĐCƯ trong mạch phụ thuộc vào những yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào vào những yếu tố đó?

Để tránh sự áp đặt, buộc HS thừa nhận nội dung định luật Fa-ra-đây về CƯĐT, GV có thể hướng dẫn HS từ các kiến thức đã biết (phương, chiều và độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây mang dòng điện được đặt trong từ trường, biểu thức tính công của lực, mối liên hệ giữa công của lực phát động và công của lực cản trong chuyển động thẳng đều), trên quan điểm năng lượng, suy luận lí thuyết, trong đó có suy luận toán học để rút ra được nội dung định luật. Quá trình suy luận này được thực hiện thông qua việc giải một bài tập sau, mặc dù đây chỉ là một trường hợp riêng của định luật: Một khung dây dẫn phẳng hình chữ nhật, có n vòng dây ABCD chuyển động thẳng đều từ ngoài vào miền từ trường đều MNPQ và sau đó, lại chuyển động từ miền ngoài từ trường ra ngoài sao cho các cạnh AB và CD luôn nằm trên hai đường thẳng song song với nhau, còn các cạnh AD và BC luôn vuông góc với nhau cảm ứng từ B

hướng thẳng đứng lên tên (Hình 2.39). Hãy tìm công thức tính SĐĐCƯ ec xuất hiện trên khung dây.

Việc hướng dẫn HS giải bài tập này phải bắt đầu từ việc phân tích quá trình chuyển động của khung để tìm được cách giải, trước khi giải cụ thể.

Khi khung chuyển động từ miền từ trường, Φ qua tiết diện khung tăng nên trên khung xuất hiện SĐĐCƯ ec và ec sinh ra DĐCƯ Ic có chiều như (H 2.38).

Khung mang dòng điện Ic chuyển động tịnh tiến trong từ trường nên chịu tác dụng của lực từ. Do tổng hợp của các lực từ tác dụng lên AB, CD bằng 0 (các lực từ này cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn) và lực từ tác dụng lên AD nằm ngoài miến từ trường có thể coi bằng 0 nên lực từ tác dụng lên khung là lực từ Ft tác dụng lên cạnh BC. Lực từ Ft nằm trong mặt phẳng khung dây, có phương vuông góc với

BC, hướng về bên trái và có độ lớn Ft = BIc với  là độ dài của đoạn BC. Như vậy,

Ftđóngvai trò nhưlựccảnchuyển động củakhung vềbên phải.

Vì vậy, để khung chuyển động về bên phải thì nhất thiêt phải có ngoại lực F tác dụng lên khung. Công A1 của ngoại lực được chuyển hóa thành điện năng SĐĐCƯ ec, tương tự như điện năng do một nguồn điện sản ra và được dùng để thắng công A2 của lực từ Ft. Khi khung chuyển động thẳng đều A1 = A2. Từ các biểu thức tính A1, A2, ta sẽ rút ra được công thức tính ec.

* Tính toán cụ thể:

Giả sử trong khoảng thời gian t , BC dịch

chuyển từ vị trí 1 tới vị trí 2 (được một đoạn x) thì A1 = ecIc t , còn A2 = Ftx = BIc x = IcB

S = Ic  Φ, trong đó S là diện tích tăng thêm

nằm trong miền từ trường của khung, B S

chính làđộ lớn tăng từ thông  Φ quatiết diện khung. Khi khung chuyển động thẳng đều thì A2 = - A1, ecIc t = - Ic  Φ. Từ đó, suy ra được công thức tính SĐĐCƯ trên

khung dây ec =  

t . Khi khung có số vòng dây n cố định và diện tích S của tiết diện

khung là không đổi thì độ lớn ec =  = t

B B

nS , trong đó là tốc độ biến thiên của

t t

độ lớn cảm ứng từ B.

Sau khi đã rút ra được công thức tính SĐĐCƯec, GV hướng dẫn HS thảo luận để xác định các TN sau đây cần tiến hành nhằm kiểm nghiệm công thức này:

*TN kiểm nghiệm ec xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông (có Φ) nhưng độ lớn  ec

 

không phụ thuộc vào Φ, mà vào tốc độ biến thiên Φ ( t ). Ứng với một khung dây

nhất định (n, S không đổi) thì ec ~ B (tốc độ biến thiên của độ lớn cảm ứng từ B).

Để giúp HS đưa ra các dự đoán có cơ sở về độ lớn ec trong quá trình khung chuyển động từ ngoài vào trong miền từ trường và về sự khác nhau của ec khi khung chuyển động với tốc độ khác nhau thì trước khi làm TN, GV yêu cầu HS vẽ các đồ thị biểu diễn sự biến đổi của Φ qua tiết diện khung dây và sự biến đổi của ec trên khung theo thời gian khi khung chuyển động thẳn đều từ ngoài vào miền từ trường (như Hình 2.9).

TN kiểm nghiệm ec ~ n, ứng với khung có S không đổi, nhưng có hai cặp đầu dây lấy ra n1 và n2 vòng dây, chuyển động với cùng tốc độ.

TN kiểm nghiệm ec ~ S, ứng với khung có S khác nhau nhưng có cùng số vòng dây n và chuyển động với cùng tốc độ.

- Tiếp theo, các nhóm HS sẽ tiến hành 3 TN trên để khẳng định tính đúng đắn của các dự đoán đã nêu ra. Trước khi HS tiến hành TN, GV cần yêu cầu HS thiết kế các phương án TN tương ứng. HS có thể thực hiện được yêu cầu này do trước đó đã được tiến hành TN với bài tập TN về hiện tượng CƯĐT.

- Tiến trình xây dựng kiến thức về định luật CƯĐT nêu trên được thể hiện bằng sơ đồ

2.3.

HS đã biết: Vấn đề cần nghiên cứu:

Khi có sự biến thiên Φ qua mặt giới Suất điện động cảm ứng trên mạch phụ hặn bởi mạch kin thì trên mạch điện thuộc vào những yếu tố nào và phụ xuất hiện SĐĐCƯ (ec). Suất điện thuộc như thế nào vào những yếu tố

động này sinh ra Icư. đó?

Đề xuất giải pháp và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề: (bằng con đường suy luận lí thuyết từ các kiến thức đã biết thông qua giải bài tập): Một khung dây dẫn phẳng hình chữ nhật, có n vòng dây ABCD chuyển động thẳng đều từ ngoài vào miền từ trường đều MNPQ và sau đó lại chuyển động từ miền từ trường ra ngoài

Sao cho các cạnh AB và CD luôn nằm trên hai đường thẳng song song với nhau, còn các cạnh AD và BC luôn vuông góc với cảm ứng từ B hướng thẳng đứng lên trên. Tìm công thức tính SĐĐCƯ ec xuất hiện trên khung dây.

Giải: Khi khung dây chuyển động từ ngoài vào miền từ trường, do Φ tăng thì trên khung dây xuất hiện ec và Icư. Khung dây mang dòng điện Icư chuyển động trong từ trường nên chịu tác dụng của lực từ Ft = BIc (đóng vai trò là lực cản chuyển động của khung). Vì vậy, phải tác dụng ngoại lực F vào khung dây để thắng lực cản Ft. Công AF chuyển hóa thành điện năng. Khi khung dây chuyển động thẳng đều thì AF =- At ec =  . Khi khung dây có n, S nhất định thì ec =nSB .

t t

Kết luận:

(định luật Fa-ra-đây) ec =  

t . Khi khung dây có n vòng diện tích S nhất định thì ec =nS

 B B

t .

Suy luận lôgíc từ kết luận ra các hệ quả kiểm tra được bằng TN:

SĐĐCƯ ec không phụ thuộc vào  Φ, mà vào ; ec ~ n (S,

t B không đổi). t  B t không đổi); ec ~ S (n,

Thiết kế phương án và tiến hành các TN kiểm nghiệm các hệ quả rút ra

TN kiểm nghiệm: ec không phụ thuộc vào  Φ mà vào  ; ec ~ n (S,

t B không đổi). t ở trên: B không đổi); ec ~ S (n, t

Sơ đồ 2.3. Tiến trình dạy học kiến thức về định luật cảm ứng điện từ

3.2.3.4. Tiến trình dạy học kiến thức

Hoạt động 1: Làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu (làm việc chung)

Hoạt động của GV Hoạt động của HS

- Nhắc lại nội dung kiến thức CƯĐT mà HS đã biết khi có - Tiếp thu kiến thức GV sự biến thiên Φ qua mạch giói hạn bởi mạch kín thì trong nhắc lại.

mạch xuất hiện SĐĐCƯ (ec). ec sinh ra Icư trong mạch.

- Vấn đề cần nghiên cứu là: Độ lớn của ec trong mạch phụ - Tiếp nhận vấn đề cần thuộc vào những yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào vào nghiên cứu.

các yếu tố đó ?(H3.1)

b) Hoạt động 2: Giải quyết vấn đề cần nghiên cứu thông qua việc giải bài tập (thảo luận chung và làm việc cá nhân)

Hoạt động của GV Hoạt động của HS

- Đọc nội dung bài tập phù hợp với - Ghi nội dung bài tập, tiếp nhận yêu cầu vần đề cần nghiên cứu, yêu cầu HS

giải bài tập đó? (H2.3)

- Điều khiển, gợi ý sự thảo luận của - Thảo luận chung cả lớp để đi tới cách giải

HS về cách giải bài tập. bài tập:

* Khi khung dây chuyển động từ ngoài vào vùng từ trường Φ qua tiết diện của khung tăng nên trên khung xuất hiện ec và ec sinh ra Icư trên khung.

* Khung mang dòng điện nên chịu tác dụng của lực từ.

Thông báo cho HS biết đã có mặt đại lượng ec cần tìm trong các biểu thức này.

Cụ thể hóa công thức tính độ lớn ec trong trường hợp khung dây có S, n không đổi: ec=nSB .

t

Phân tích các lực từ tác dụng lên các cạnh khung để thấy lực từ tác dụng lên khung là lực từ Ft tác dụng lên cạnh BC.

Xác định phương, chiều, độ lớn của Ft để thấy Ft đóng vai trò như lực cản chuyển động của khung.

Vì vậy, cần có ngoại lực F công A1 của F được chuyển hóa thành điện năng của suất điện động ec. Khi khung dây chuyển động thẳng đều A1 = A2 (công của Ft).

Viết các biểu thức A1, A2 và tính toán, sẽ rút ra được công thức tính ec

- Làm việc cá nhân, tính toán rút ra công thức ec = - 

t

Hoạt động 3: Xácđịnh nộidung các TN cầntiến hành cầnkiểm nghiệmcông thức tính ec (thảo luận chung cả lớp và làm việc cá nhân)

Hoạt động của GV

Nêu câu hỏi về nội dung các TN cần tiến hành để kiểm nghiệm công thức

ec. Dựa vào công thức tính ec cần tiến hành những TN nào để kiểm nghiệm công thức này? (H3.3)

Bổ sung thêm nội dung TN2.1 và yêu cầu vẽ các đồ thị Φ - t và ec - t

Ở TN2.1, để việc xác định Bt trong quá trình khung chuyển động được thuận lợi, ta nên vẽ đồ thị Φ - t và đồ thị ec - t và làm thế nào để có thể vẽ được đồ thị Φ - t và đồ thị ec - t ? (H3.4)

Hoạt động của HS

Thảo luận chung cả lớp:

Dựa vào công thức tính ec cần tiến hành 3 TN sau đây:

* TN2.1: Đối với một khung dây nhất định

(n, S không đổi) thì ec ~ B (tốc độ biến

t

thiên của độ lớn cảm ứng từ).

* TN2.2: Đối với các khung có cùng S, B

t

như nhau nhưng có n khác nhau thì ec ~ n

* TN2.2: Đối với các khung có cùng n, B

t

- Yêu cầu từng HS vẽ đồ thị vào vở và - Thảo luận chung cả lớp về quá trình gọi 1 HS lên bảng vẽ các vị trí đặc biệt chuyển động của khung từ ngoài vào miền từ của khung trong quá trình chuyển trường và lại từ miền từ trường ra ngoài. động đề từ đó, vẽ đồ thị Φ - t và đồ thị - HS vẽ các vị trí đặc biệt của khung trong

ec - t (H3.5). quá trình chuyển động từ ngoài vào miền từ Theo dõi, giúp đỡ HS trong quá trình trường và lại từ miền từ trường ra ngoài

vẽ các đồ thị. (H2.21) để từ đó, xác định được các giá trị

Φ, ec ở những vị trí này và vẽ được các đồ thị Φ - t và ec - t .

- GV vẽ lại đồ thị lên bảng và phân - Theo dõi đồ thị, lắng nghe GV giải thích. tích sự biến đổi của Φ, ec theo thời

gian trong quá trình chuyển động thẳng đều của khung để rút ra nhận xét: Khi có biến đổi Φ (có  Φ) thì trên khung xuất hiện ec (Icư) nhưng ec

không phụ thuộc vào  Φ mà vào  .

t

Cho nên, nếu khung chuyển động thẳng đều thì  sẽ không đổi và ec là

t

hằng số. Suất điện động ec là khác nhau nếu chuyển động thẳng đều với các tốc độ khác nhau.

- Tóm tắt nội dung của TN cần tiến - Lắng nghe, ghi chép nội dung TN2.1 cần

hành: tiến hành sau đó.

* Sự biến đổi của ec theo thời gian khi khung chuyển động như trên hình vẽ. * Kiểm nghiệm ec ~ B . Nếu không

t B

biết được giá trị cụ thể của thì cũng

t

cần phải kiểm nghiệm khi tăng tốc độ chuyển động của khung thì ec cũng càng lớn.

d) Hoạt động 4: Thiết kế phương án TN để tiến hành các TN đã xác định (thảo luận

chung)

Hoạt động của GV Hoạt động của HS

- Yêu cầu HS thiết kế phương án TN - Thảo luận chung cả lớp để thiết kế phương để tiến hành 3 TN đã nêu: Làm thế nào án TN:

để có thể tiến hành được 3 TN đã nêu * Cần các khung dây đã biết S, n (cho TN2.2 (cần có nhưng dụng cụ nào, bố trí và TN2.3).

chúng ra sao, tiến hành TN như thế * Dùng bàn từ để tạo từ trường (như ở các nào, sẽ phải thu thập những số liệu TN đã làm trước đó).

nào?) (H3.6)

Hướng dẫn, bổ sung thêm vào nội * Khung dây chuyển động thẳng đều trên

dung thảo luận của HS. bản từ nhờ động cơ kéo. Có thể thay đổi tốc

độ kéo của động cơ để thay đổi tốc độ chuyển động của khung dây.

* Dùng điện kế đo ec của khung dây.

- Yêu cầu các nhóm HS tìm hiểu - Các nhóm HS tìm hiểu các bộ phận trong TBTN vẽ SĐĐCƯ trên khung dây TBTN và cách sử dụng chúng.

dẫn? (H3.7). Giúp đỡ HS trong quá trình tìm hiểu TBTN và nêu chức năng của các bộ phận phụ trợ trong TBTN.

e) Hoạt động 5: Tiến hành các TN kiểm nghiệm công thức tính ec và báo cáo các kết quả TN (Làm việc theo nhóm và thảo luận chung cả lớp)

Hoạt động của GV Hoạt động của HS

- Yêu cầu tất cả các nhóm HS tiến - Các nhóm HS thảo luận, lắp ráp các bộ

hành TN2.(H3.8) phận và tiến hành TN2.1 để:

* Chia nhiệm vụ cho các nhóm HS: Ba * Kiểm nghiệm sự biến đổi ec theo thời gian nhóm tiến hành TN với khung dây (2) như đã vẽ trên đồ thị.

với cặp đầu day lấy ra 300 vòng, ba * Đọc giá trị e1 ứng với khung (2) và giá trị nhóm với khung dây (3) với cặp đầu e2ứng với khung (3).

dây lấy ra 300 vòng. * Kiểm nghiệm sự tăng của ec khi tăng tốc

- Theo dõi, giúp đỡ các nhóm HS độ chuyển động của khung (nhờ tăng tốc độ

trong quá trình làm TN. quay của động cơ).

* Lưu ý HS: chú ý cả chiều quay của * Các nhóm lặp lại TN với khung chuyển kim điệ kế trong quá trình khung động theo chiều ngược lại để thấy kết quả

chuyển động. TN không thay đổi.

* Có thể yêu cầu các nhóm HS dùng công tắc để làm đảo chiều quay của động cơ, cho khung chuyển động theo chiều ngược lại và đọc các giá trị ec

trên điện kế.

- Phân chia nhiệm vụ tiến hành TN2.2 - Các nhóm tiến hành các TN kiểm nghiệm và TN2.3: Ba nhóm tiến hành TN2.2 ec~ n và ec~ S để thấy:

kiểm nghiệm ec~ n vẫn với khung (2), * Vẫn với khung 2 chuyển động với tốc độ