Bài 23: TỪ THÔNG. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ (tiết 1)
I. MỤC TIÊU 1. Kiến thức
- Viết được công thức tính từ thông qua một diện tích, biết được ý nghĩa và nêu được đơn vị đo của từ thông. Nêu được các cách làm biến đổi từ thông.
- Mô tả được T/N về hiện tượng CƯĐT.
- Hiểu được nguyên nhân làm xuất hiện DĐCƯ, phát biểu được khái niệm hiện tượng CƯĐT.
2. Kĩ năng
- Có kỹ năng sử dụng điện kế, tạo sự chuyển động giữa NC và KD.
- Làm được các T/N về hiện tượng CƯĐT, thu thập thông tin, phân tích hiện tượng và rút ra các kết luận cần thiết.
- Biết vận dụng công thức tính từ thông và hiện tượng CƯĐT và để giải thích được các hiện tượng và làm được những bài tập theo yêu cầu.
- Phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong bài học, tìm hiểu được ứng dụng của hiện tượng CƯĐT trong đời sống: tìm hiểu cách tạo ra sự biến thiên từ thông qua KD trong thời gian dài để tạo ra DĐCƯ tồn tại trong thời gian dài, máy phát điện một chiều, đinamô ở xe đạp...
3. Thái độ
- Hứng thú học môn Vật lý, tin tưởng vào các kiến thức khoa học về CƯĐT được xây dựng trên cơ sở TN.
- Trung thực, khách quan, tính kiên trì trong T/N hiện tượng CƯĐT.
II. CHUẨN BỊ
GV :
- T/N để xây dựng khái niệm từ thông và hiện tượng CƯĐT. - Các T/N ảo khảo sát về sự thay đổi số ĐST qua KD kín. - Phiếu học tập:
Bài 1. Em hãy giải thích tại sao khi vòng dây đặt cố định trong từ trường đều hoặc đặt cạnh NC SN thì không có DĐCƯ xuất hiện ?
Bài 2. Một mạch điện kín đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B. Hỏi trong mạch có xuất hiện DĐCƯ không ? Nếu:
a) Mạch điện (C) chuyển động trong từ trường.
b) Kéo dài mạch (C) trong từ trường. + + + + + c) Quay mạch xung quanh một trục song + + + + +
song với mặt phẳng chứa mạch. + + + + + + + + + + + + B+ + C +
HS :
- Ôn lại hiện tượng CƯĐT ở THCS.
- Ôn lại các kiến thức về từ trường, ĐST đã học ở chương trước.
III. TIẾN XÂY DỰNG KIẾN THỨC III.1. Ý tưởng sư phạm
- Tiến trình DH được thực hiện có sự thay đổi trình tự mà SGK Vật lý 11 cơ bản đã biên soạn. Cụ thể là SGK cơ bản trình bày khái niệm từ thông trước sau đó mới đi nghiên cứu hiện tượng CƯĐT. Để khai thác những kiến thức về CƯĐT HS đã học ở lớp 9, chúng tôi thiết kế theo trình tự là nghiên cứu các T/N về hiện tượng CƯĐT trước, sau đó mới nghiên cứu khái niệm từ thông. Cuối cùng kết luận về hiện tượng CƯĐT.
Ở phần T/N chúng tôi thiết kế không sử dụng T/N như SGK mà sử dụng bộ T/N điện từ vì HS đã được sử dụng ở bài lực từ và các trường THPT hiện nay đều được cấp bộ T/N này.
- Khó khăn của HS khi học bài này: HS khó tưởng tượng được sự thay đổi của số ĐST qua KD (C) kín để giải thích hiện tượng CƯĐT. Nếu dạy theo trình tự như SGK: Đầu tiên thông báo khái niệm mới từ thông, chúng ta thấy các kiến thức các
e m đã học ở THCS không hề được nhắc lại cho có hệ thống logic. Nội dung kiến thức hoàn toàn mới đối với HS, HS bị áp đặt.
- Biện pháp khắc phục của GV: Để HS thấy được sự thay đổi số ĐST qua KD (C) trong các T/N, GV trình chiếu T/N mô phỏng sau khi yêu cầu HS làm T/N
thật. Từ đó rút ra kết luận chung về điều kiện tồn tại và xuất hiện DĐCƯ: khi số ĐST qua KD (C) biến thiên thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ, DĐCƯ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian mà số ĐST qua KD (C) biến thiên.
- Thông báo khái niệm từ thông. Chỗ cần xây dựng tình huống là giải thích hiện tượng CƯĐT.
+ Hiện tượng CƯĐT liên quan đến sự biến thiên số ĐST qua KD (C) , để diễn tả số ĐST qua KD (C), GV dẫn dắt HS hình thành một khái niệm mới ‘‘Từ thông’’.
+ GV yêu cầu HS xác định xem, trên cơ sở của khái niệm từ thông, trong các T/N trên thì từ thông có thay đổi không. Từ đó giải thích được nguyên nhân làm xuất hiện DĐCƯ là sự biến thiên của từ thông và cuối cùng kết luận về hiện tượng CƯĐT.
III.2. SƠ ĐỒ LÔGIC TIẾN TRÌNH DẠY HỌC
Vấn đề: DĐ sinh ra từ trường, ngược lại từ trường có sinh ra DĐ không ?
TN 1. Đưa NC SN lại gần hay ra xa KD (C) và ngược lại.
TN 2. NC điện đứng yên gần KD (C) có gắn điện kế G, khoá K, biến trở con chạy R. Đóng, ngắt khoá K hoặc di chuyển con chạy biến trở R.
TN 3. NC SN đứng yên, KD (C) bị biến dạng.
TN 4. NC SN đứng yên cho KD (C) quay xung quanh một trục song song với mặt phẳng chứa mạch. T/N hiện tượng CƯĐT - Khi số ĐST qua KD (C) biến thiên thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ.
- DĐCƯ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian mà số ĐST qua KD (C) biến thiên. Từ thông Vấn đề: Để diễn tả số ĐST xuyên qua một mặt phẳng đặt trong từ trường đưa ra khái niệm từ thông.
Phát biểu vấn đề: Từ thông (số ĐST) xuyên qua một mặt phẳng phụ thuộc vào yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào vào những yếu tố đó ?
GQVĐ: Từ 4 T/N trên chúng ta thấy từ thông phụ thuộc vào 3 yếu tố: Cảm ứng từ B, diện tích S của KD và góc .
Định nghĩa Ý nghĩa Đơn vị
Sơ đồ 2.2. Tiến trình DHPH và GQVĐ trong dạy học bài: ‘‘Từ thông. Cảm ứng điện từ’’ (Vật lý 11)
IV. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY VÀ HỌC
Hoạt động 1 (7 phút): Kiểm tra bài cũ. Đặt vấn đề vào bài mới.
Hoạt động của HS Hướng dẫn của GV Nội dung cơ bản
- Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một DĐ hay một NC đặt trong đó.
- Từ trường tồn tại xung quanh một NC hoặc xung quanh một DĐ. Vẽ các ĐST của NC lên bảng.
- Một em hãy cho biết, từ trường là gì ? Hãy vẽ ĐST của một thanh NC thẳng vĩnh cửu và NC hình chữ U.
- Nhận xét
+ Từ trường của thanh NC thẳng là từ trường không đều nên các ĐST từ không song song nhau.
+ Từ trường bên trong của NC hình chữ U là từ
ChươngV: Cảm ứng điện từ
Bài 23: Từ thông. Cảm ứng điện từ
Kết luận: điều kiện xuất hiện và tồn tại DĐCƯ, khái niệm hiện tượng CƯĐT.
Hiện tượng CƯĐT
Phát biểu vấn đề: Sử dụng khái niệm từ thông, khi đó điều kiện xuất hiện và tồn tại DĐCƯ phụ thuộc như thế nào vào từ thông?
GQVĐ: Khi có sự biến thiên từ thông qua KD (C) thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ.
Vận dụng: bài tập, giải thích hiện tượng.
- Ở lớp 9: Từ trường sinh ra DĐ khi số ĐST xuyên qua tiết diện S của cuộn dây kín biến thiên.
trường đều nên các ĐST song song nhau.
- Chúng ta đã biết DĐ sinh ra từ trường, vậy ngược lại từ trường có sinh ra DĐ không ?
- Đúng, vấn đề hiện tượng CƯĐT này đã được nghiên cứu ở lớp 9. Ở chương V này, chúng ta đi nghiên cứu đầy đủ hơn hiện tượng CƯĐT về mặt định lượng.
Bài đầu tiên của chương chúng ta đi nghiên cứu là:
‘‘Từ thông. Cảm ứng điện từ’’.
Hoạt động 2 (15 phút): Tiến hành thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ. Hoạt động của HS Hướng dẫn của GV Nội dung cơ bản
- Nêu lại T/N đã được học ở lớp 9:
- Để trả lời cho câu hỏi trên chúng ta đi tiến hành T/N.
- Ở lớp 9, T/N về hiện tượng CƯĐT đã được làm như thế nào ?
I. Hiện tượng cảm ứng điện từ
1. Thí nghiệm
+ NC SN chuyển động lại gần, ra xa cuộn dây kín có gắn với đèn LED làm cho đèn sáng.
+ Đặt NC điện gần cuộn dây có gắn đèn LED, trong thời gian đóng, ngắt mạch điện thì đèn sáng.
- Tiến hành T/N theo nhóm dưới sự hướng dẫn của GV (Từ kết quả của T/N, thảo luận nhóm và đưa ra kết luận)
- Chúng ta sẽ làm T/N tương tự nhưng thay đèn LED bằng một điện G (để xác định chiều và cường độ DĐ cuộn dây bằng KD (C) trong bộ T/N điện từ.
- Trước tiên chúng ta đi làm T/N đơn giản sau: T/N 1. Đưa NC SN lại gần (ra xa) KD (C) hoặc ngược lại đưa KD lại gần (ra xa) NC.
- GV đưa ra phương án T/N chung, giới thiệu mục đích, dụng cụ, cách bố trí T/N và phát cho mỗi nhóm HS một bộ dụng cụ T/N gồm: 1NC thẳng, 1 điện kế G, dây nối mềm, KD (C). Sau đó hướng dẫn HS tiến - T/N 1. Đưa NC SN lại gần hay ra xa KD (C) hoặc ngược lại.
- Khi có sự chuyển động tương đối giữa NC SN và KD (C), kim điện kế G lệch khỏi vị trí số 0 theo hai chiều ngược nhau. Khi NC SN và KD (C) ngừng chuyển động thì trong mạch kín (C) không có DĐ. - Chứng tỏ trong KD (C) có DĐ. - Từ trường có thể tạo ra DĐ. - Khi có sự chuyển động tương đối giữa NC SN và KD (C) thì trong KD (C) xuất hiện DĐ. (Giả thuyết
hành T/N 1 và lưu ý HS động tác T/N phải dứt khoát từng thao tác, không cho NC chuyển động vào ra liên tục. - Yêu cầu HS quan sát và cho biết kim của điện kế G như thế nào khi tiến hành T/N ?
- Hiện tượng trên xảy ra chứng tỏ điều gì ?
- Em có kết luận gì về mối quan hệ giữa từ trường và DĐ ?
- Đúng, hiện tượng dùng từ trường của NC SN tạo ra DĐ trong KD (C) trong T/N được gọi là hiện tượng CƯĐT, còn DĐ chạy trong KD (C) gọi là DĐCƯ.
- Em có kết luận gì về T/N trên ?
(b)
1).
- Tiến hành T/N theo nhóm dưới sự hướng dẫn của GV: từ kết quả của T/N, thảo luận nhóm và đưa ra kết luận:
Trong khoảng thời gian đóng, ngắt mạch điện hoặc di chuyển con chạy của biến trở thì trong KD (C) xuất hiện DĐ, khi khoá K đã đóng ổn định hoặc khi không di chuyển con chạy của biến trở thì trong mạch kín (C) không có DĐ.
- Không có.
- Giả thuyết 1 không đúng, bác bỏ giả thuyết 1.
- Để kiểm tra giả thuyết mà các em đưa ra, chúng ta tiến hành T/N 2 dùng NC điện được nối với một nguồn điện, dùng một khoá K để đóng ngắt mạch điện hoặc một biến trở để thay đổi điện trở của mạch. Các em hãy quan sát kim của điện kế G khi đóng, ngắt khoá K hoặc khi di chuyển con chạy của biến trở sang phải và sang trái.
- Vậy trong T/N trên trong lúc xuất hiện DĐ trong KD (C) thì có sự chuyển động tương đối giữa NC và vòng dây không ?
- Vậy giả thuyết 1 còn đúng không ?
- Vậy yếu tố nào quyết định từ trường sinh ra DĐCƯ ? Chúng ta cùng quan sát T/N mô phỏng các T/N trên. - T/N 2. NC điện đứng yên gần KD (C) có gắn điện kế G, khoá K, biến trở con chạy R. Đóng, ngắt khoá K hoặc di chuyển con chạy biến trở R.
- DĐCƯ xuất hiện trong KD (C) khi số ĐST qua KD biến thiên (giả thuyết 2).
- Giả thuyết 2 là đúng.
- Khi số ĐST qua KD (C) biến thiên thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ. DĐCƯ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian mà số ĐST qua KD (C) biến thiên.
- Với các T/N mô phỏng mà các em vừa quan sát DĐCƯ xuất hiện trong KD (C) thì trong những T/N đó có yếu tố chung nào ?
- Để kiểm tra giả thuyết 2, GV cho HS tiến hành làm T/N: + T/N 3. NC SN đứng yên, làm KD (C) bị biến dạng. + T/N 4. NC SN đứng yên, cho KD (C) quay xung quanh một trục song song với mặt phẳng chứa mạch.
- Sau đó cho HS quan sát T/N mô phỏng và yêu cầu HS hãy kết luận về giả thuyết 2 ?
- Vậy điều kiện xuất hiện và tồn tại DĐCƯ là gì ?
- Như vậy qua 4 T/N , ta thấy số ĐST qua KD (C) biến thiên bằng cách thay
- T/N 3. NC SN đứng yên, làm KD (C) bị biến dạng.
- T/N 4. NC SN đứng yên, cho KD (C) quay xung quanh một trục song song với mặt phẳng chứa mạch.
Kết luận:
+ Khi số ĐST qua KD (C) biến thiên thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ. + DĐCƯ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian mà số ĐST qua KD (C) biến
đổi: + Độ lớn của cảm ứng từ B. + Diện tích KD (C). + Thay đổi góc ( , )n B . Thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ. Đây là mặt định tính của hiện tượng CƯĐT.
thiên.
Hoạt động 3 (10 phút): Tìm hiểu khái niệm từ thông.
Hoạt động của HS Hướng dẫn của GV Nội dung cơ bản
- Như vậy qua 4 T/N trên , ta thấy số ĐST qua KD (C) biến thiên bằng cách thay đổi:
+ Độ lớn của cảm ứng từ
B: cho NC chuyển động hoặc thay đổi cường độ DĐ I. + Diện tích KD (C): làm biến dạng KD (C). + Thay đổi góc ( , )n B : quay KD. Thì trong KD (C) xuất hiện DĐCƯ. Đây là mặt định tính của hiện tượng CƯĐT. Còn để xác định mặt định lượng của hiện tượng CƯĐT người ta
- Từ thông qua KD (C), có diện tích S, đặt trong từ trường đều B
là đại lượng, kí hiệu là
cho bởi: Scos B - Từ thông phụ thuộc vào 3 yếu tố: độ lớn cảm ứng từ B, diện tích S của KD và góc . - Từ thông là đại lượng đại số: có thể âm, dương hoặc bằng 0.
- Từ thông có số đo bằng số ĐST xuyên qua diện tích S đặt vuông góc với ĐST.
đưa ra khái niệm từ thông. Từ thông diễn tả số ĐST xuyên qua một mặt phẳng đặt trong từ trường.
- Yêu cầu HS đọc SGK và trả lời câu hỏi: Từ thông là gì ?
- Từ thông phụ thuộc vào những yếu tố nào ?
- Từ thông là đại lượng đại số hay vectơ ?
- Lưu ý: nếu KD có N vòng dây: Scos NB - Khi 0,S 1 B. Nếu đưa ra quy ước vẽ các ĐST sao cho số ĐST xuyên qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với ĐST thì bằng trị số cảm ứng từ B. Khi đó từ thông có ý nghĩa gì ? a) Định nghĩa Từ thông qua KD (C), có diện tích S, đặt trong từ trường đều B là đại lượng, kí hiệu là cho bởi:
Scos B • : Từ thông • B (T): Độ lớn cảm ứng từ. • S (m2) : diện tích KD (C). • ( , )n B , n là vectơ pháp tuyến của S. Nhận xét:
- Từ thông phụ thuộc vào 3 yếu tố: độ lớn cảm ứng từ B, diện tích S của KD và góc . - Từ thông là đại lượng đại số: có thể âm, dương hoặc bằng 0.
b) Ý nghĩa
- Trong hệ SI đơn vị của từ thông là vêbe (Wb).
1Wb = 1 T.m2
- Nếu diện tích S không vuông góc với số ĐST thì số đo từ thông qua S bằng số ĐST qua diện tích hình chiếu của S trên phương vuông góc ĐST.
- Hãy cho biết đơn vị của từ thông trong hệ SI ?
- Từ thông có số đo bằng số ĐST xuyên qua diện tích S đặt vuông góc với ĐST.