9. Cấu trúc luận văn
2.1. Xây dựng nội dung chủ đề “Cảm ứng điện từ” Chương trình Cambridge
Cảm ứng điện từ là nội dung học thuật HS được học ngay từ năm lớp 10 tuy nhiên sẽ chỉ là những kiến thức cơ bản nhằm giới thiệu khái niệm về hiện tượng cảm ứng điện từ và một vài ứng dụng đời sống có liên quan. Khi lên đến năm lớp 12, HS được ôn tập củng cố lại các khái niệm về các đại lương vật lí có liên quan, cùng với đó là học thêm mới định luật Faraday và định luật Lenz. Tuy nhiên trong giới hạn đề tài này tôi sẽ chỉ nghiên cứu về chương trình Cambridge của lớp 12.
Ở lớp 10, HS đã được tìm hiểu khái niệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, những yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động cảm ứng và nguyên lí hoạt động của máy phát điện xoay chiều và máy biến áp. Tuy nhiên HS chỉ mới được học về khái niệm của hiện tượng cảm ứng điện từ, HS chỉ hiểu được rằng khi cho nam châm chuyển động cạnh sợi dây dẫn kín hoặc cuộn dây kín thì có xuất hiện dòng điện cảm ứng. HS chưa biết và không được học về khái niệm đường sức từ, từ thông. Vì vậy tổng quan kiến thức HS biết chỉ là sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây sinh ra dòng điện, được giới thiệu những yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn dòng điện cảm ứng và suất điện động cảm ứng. Điều đó có nghĩa là những nguyên lí hoạt động máy biến áp chỉ được giới thiệu dựa trên những kiến thức cơ bản đó.
Ở lớp 12, HS được tự mình tìm hiểu hiện tượng, phát hiện mâu thuẫn, phát biểu vấn đề câu hỏi cần trả lời và thiết kế phương án thí nghiệm nhằm giải quyết cho vấn đề HS đã phát biểu. Cụ thể nội dung chủ đề “Cảm ứng điện từ” - Chương trình Cambridge HS được học ở chương trình lớp 12:
- Từ thông được tính bằng tích của cảm ứng từ B và phần diện tích vuông góc với đường sức từ.
- Chiều của dòng điện cảm ứng trong dây dẫn chuyển động trong từ trường được xác định bằng quy tắc bàn tay phải của Fleming. Quy tắc phát biểu như sau: Ngón trỏ và ngón cái được giữ vuông góc với nhau, ngón trỏ chỉ chiều của từ trường, ngón cái chỉ chiều chuyển động của dây dẫn, ngón giữa chỉ chiều của suất điện động cảm ứng.
- Định luật Faraday phát biểu rằng suất điện động cảm ứng có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông.
- Định luật Lenz phát biểu rằng dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra có chiều chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
- Định luật Faraday và định luật Lenz có thể được tổng quát lại bằng công thức trong đó E là suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ biến thiên từ thông. Dấu trừ biểu thị rằng suất điện động có chiều chống lại sự biến thiên từ thông.
Tới đây, ta có thể nhận thấy rõ mức độ kiến thức ở từng khối được dạy phù hợp với khả năng nhận thức của HS ở từng độ tuổi. Nếu như ở lớp 10, HS chỉ được học rằng sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây đã sinh ra dòng điện cảm ứng, đây chỉ là một nguyên nhân rất nhỏ cho lí giải của hiện tượng cảm ứng điện từ, mà trong một số trường hợp nguyên nhân này lại không đúng. Cụ thể nếu ta thay nam châm trên bằng nam châm điện, và đặt nam châm điện đứng yên bên cạnh cuộn dây, thì dù không có sự chuyển động tương đối giữa nam châm điện và cuộn dây, vẫn xuất hiện dòng điện cảm ứng. Khi đó, chương trình lớp 12 đã đi sâu hơn vào việc lí giải để đưa ra một câu trả lời tổng quát và chính xác nhất, đó là khi số đường sức từ xuyên qua diện tích của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng, hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Nội dung tiếp theo dưới đây sẽ nêu rõ từng bước đề GV tổ chức dạy học chủ đề “Cảm ứng điện từ” - Chương trình Cambridge. Bao gồm năm bước như đã liệt kê ở chương 1.
2.1.1. Bước 1: Xây dựng tên chủ đề dạy học và thời lượng
Nội dung kiến thức chủ đề “Cảm ứng điện từ” - Chương trình Cambridge lớp 12 ta có thể chia ra thành 3 câu hỏi, tương ứng với 3 mục kiến thức lớn của chủ đề này. Đó là ba câu hỏi:
- Câu hỏi 1: Nguyên nhân nào gây ra dòng điện cảm ứng?
- Câu hỏi 2: Suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào những yếu tố nào? - Câu hỏi 3: Chiều dòng điện cảm ứng xác định theo quy tắc nào?
Nhằm tìm ra câu trả lời cho 3 câu hỏi, ta sẽ chia chủ đề “Cảm ứng điện từ” thành ba bài học, đó là:
- Bài 1 (90 phút): Hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Bài 2 (90 phút): Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng.
- Bài 3 (90 phút): Định luật Faraday về độ lớn suất điện động cảm ứng.
2.1.2. Bước 2: Xây dựng mục tiêu cần đạt của chủ đề
Nhằm phát triển năng lực GQVĐ của HS, mục tiêu cần đạt của chủ đề hướng tới các mục tiêu dưới đây:
- HS phân tích được hiện tượng từ các thí nghiệm, từ đó phát hiện được mâu thuẫn, phát biểu được câu hỏi vấn đề của bài học.
- HS đề xuất được giải pháp, phương án để trả lời cho các câu hỏi và để kiểm chứng tính đúng đắn của các giả thuyết.
- HS lập được kế hoạch khả thi một cách đầy đủ, chi tiết và chính xác. - HS thực hiện được phương án, thu thập đầy đủ các dữ kiện liên quan. Từ đó đưa ra được nhận xét và nêu được kết luận.
Bên trên là mục tiêu năng lực GQVĐ cần đạt chung của chủ đề, đối với từng bài học sẽ có các mục tiêu dạy học tương ứng và riêng biệt. Vì vậy tác giả sẽ trình bày mục tiêu dạy học song song với tiến trình dạy học Bài 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ tương ứng ở mục 2.2.
Ở chương 2 tác giả xin trình bày tiến trình xây dựng kiến thức, tiến trình dạy học, phiếu học tập và phiếu đánh giá cho Bài 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ. Tiến trình xây dựng kiến thức, tiến trình dạy học, cùng các phiếu học tập và phiếu đánh giá dành cho Bài 2: Định luật Lenz và Bài 3: Định luật Faraday, tác giả để ở phần phụ lục.
2.1.3. Bước 3: Xây dựng logic hình thành kiến thức của chủ đề
1. Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết 1.1. Kiến thức đã biết
Dòng điện được sinh ra là nhờ có các phản ứng hóa học có trong pin, hoặc nhờ có nguồn điện. Điều đó có nghĩa là nếu không có nguồn điện hoặc pin, thì không thể có dòng điện trong mạch.
1.2. Thí nghiệm làm nảy sinh vấn đề
Tiến hành thí nghiệm, bố trí như hình bên
Thí nghiệm bao gồm một cuộn dây dẫn kín được mắc nối tiếp với một ampe kế.
Thí nghiệm 1: Cầm nam châm đặt cạnh cuộn dây, nhận thấy kim điện kế chỉ số 0. Nghĩa là không có dòng điện trong trường hợp này.
Thí nghiệm 2: Cho nam châm chuyển động tịnh tiến ra xa lại gần vào trong cuộn dây. Nhận thấy kim điện kế dao động lệch khỏi số 0. Nghĩa là có dòng điện được sinh ra trong trường hợp này.
Từ thí nghiệm trên, ta phát hiện ra mâu thuẫn giữa tình huống quan sát được và kiến thức cũ, đó là dù trong thí nghiệm trên không hề có pin hay nguồn điện, thì trong mạch (cuộn dây) vẫn xuất hiện dòng điện. Dòng điện này gọi là dòng điện cảm ứng.
2. Phát biểu vấn đề cần giải quyết (Câu hỏi cần trả lời)
Nguyên nhân nào làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín?
3. Giải quyết vấn đề theo con đường thực nghiệm 3.1. Đề xuất giả thuyết ban đầu
“Nguyên nhân gây ra dòng điện cảm ứng là do sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây”
3.2. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết bằng thực nghiệm
Ta thay bằng nam châm thường ở thí nghiệm tình huống ban đầu bằng nam châm điện. Tiến hành thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết.
- Xác định nội dung cần kiểm nghiệm nhờ thí nghiệm: Sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây là nguyên nhân sinh ra dòng điện trong cuộn dây dẫn mặc dù không cần có pin hay nguồn điện nào khác.
- Tiến hành bố trí thí nghiệm và các bước khảo sát giống như thí nghiệm tình huống, tuy nhiên chỉ đặt nam châm điện đứng yên bên cạnh cuộn dây, và thay đổi giá trị cường độ dòng điện ở nguồn điện được kết nối với nam châm điện.
- Quan sát và nêu nhận xét: Trong trường hợp này, không có sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây, vẫn có thể sinh ra dòng điện cảm ứng.
=> Kết luận: Vậy giả thuyết đã đề ra ở đầu bài là sai. Cần phải đi tìm hiểu tiếp nguyên nhân nào mới thực sự là nguyên nhân làm sinh ra dòng điện cảm
ứng trong cuộn dây.
Sử dụng hai miếng bìa trong suốt, một miếng vẽ nam châm và có biểu diễn số đường sức từ, một miếng bìa trong suốt vẽ cuộn dây. Nhằm mục đích giúp hình dung được rằng khi đưa nam châm ra xa hoặc lại gần cuộn dây, thì số đường sức từ đi vào cuộn dây biến thiên.
3.3. Đề xuất giả thuyết mới
“Nguyên nhân gây ra dòng điện cảm ứng là do sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây”
3.3.1. Suy luận lí thuyết
Mục đích là đi kiểm chứng xem khi có sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây thì xuất hiện dòng điện cảm ứng. Vậy ta có thể suy luận lí thuyết cách làm các thay đổi sau để dẫn đến được sự thay đổi của từ thông
- Cách 1: Bố trí thí nghiệm tương tự thí nghiệm 1, tuy nhiên ta cho nam châm quay xung quanh một trục cố định ở một vị trí cố định bên ngoài cuộn dây. Việc quay nam châm như vậy sẽ làm thay đổi được số đường sức từ đi vào cuộn dây, vì mật độ đường sức từ ở hai đầu của nam châm và ở hai bên cạnh của nam châm là khác nhau. Nếu giả thuyết trên là đúng, thì khi tiến hành thí nghiệm, kim điện kế sẽ bị lệch.
- Cách 2: Vẫn giữ nguyên nam châm như vậy, bố trí thí nghiệm tương tự thí nghiệm 1, tuy nhiên ta tăng/giảm diện tích mặt cắt của cuộn dây bằng
cách bóp méo hoặc làm phình ra. Nếu giả thuyết trên là đúng, thì trong quá trình thay đổi diện tích cuộn dây như vậy, kim điện kế sẽ bị lệch.
Cuối cùng, dự kiến kết quả từ lí thuyết và sau đó tiến hành làm thí nghiệm kiểm tra xem điều xảy ra có đúng như suy luận không.
3.3.2. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết mới bằng thí nghiệm
Tiến hành 2 thí nghiệm, ta thu được kết quả: Trong cả 2 cách đề xuất giải pháp trên, kim điện kế đều lệch.
=> Chứng tỏ có sinh ra dòng điện cảm ứng.
4. Kết luận
Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiệu suất điện động cảm ứng.
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Hiện tượng cảm ứng điện từ
Ở quá trình GQVĐ ban đầu, HS đã hiểu được rằng sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây không phải là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng. Tuy nhiên HS chưa thể biết được rằng nguyên nhân chính là do sự biến thiến của từ thông qua diện tích mặt cắt của cuộn dây. Bởi vì từ thông là một khái niệm hình tượng hóa, không thể quan sát bằng mắt thường được. Vì vậy ở đây HS có thể sử dụng miếng bìa trong suốt để vẽ lại phần kiến thức về đường sức từ, từ thông xung quanh nam châm đã được học ở chương Từ trường để vẽ ra mô hình.
2.1.4. Bước 4: Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề
Ở giai đoạn xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề “Cảm ứng điện từ” - Chương trình Cambridge, tác giả sẽ trình bày kế hoạch dạy học chủ đề bao gồm: tiến trình dạy học, các phiếu học tập tương ứng với từng hoạt động nhằm phát triển năng lực GQVĐ của HS. Tác giả xin trình bày phần nội dung này ở mục 2.2.
2.1.5. Bước 5: Xây dựng tiêu chí đánh giá
Tác giả xin trình bày bảng tiêu chí đánh giá các chỉ số hành vi của năng lực GQVĐ chủ đề “Cảm ứng điện từ” - Chương trình Cambridge ở mục 3.5.
2.2. Soạn thảo tiến trình dạy học Bài 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ
2.2.1. Mục tiêu dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề
- HS phát hiện ra mẫu thuẫn giữa kiến thức cũ và hiện tượng quan sát được đó là dù không có nguồn điện hay pin nhưng trong cuộn dây vẫn xuất hiện dòng điện cảm ứng.
- HS đặt được câu hỏi vấn đề: “Nguyên nhân nào sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây”.
- HS đưa ra được một hoặc nhiều phương án để kiểm chứng tính đúng đắn của hai giả thuyết: “Sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây” và “Sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây”.
- HS đánh giá, chọn ra được các phương án tối ưu khả thi và lập được kế hoạch thực hiện các giải pháp đó.
- HS thực hiện được giải pháp và thu thập, rút ra kết luận.
- HS vận dụng kiến thức đã học để giải thích nguyên lí hoạt động của máy biến áp và các hiện tượng đời sống có liên quan.
2.2.2. Xây dựng các dụng cụ thí nghiệm
Trong Bài 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ, sẽ bao gồm các thí nghiệm nhằm giúp HS gợi nhớ lại hiện tượng cảm ứng điện từ đã học ở lớp dưới và đi sâu hơn việc tìm hiểu hiện tượng này. Thông qua các thí nghiệm, HS phát hiện được hiện tượng, phát biểu được câu hỏi vấn đề, bố trí thí nghiệm để kiểm chứng các giả thuyết. Cụ thể các thí nghiệm đó là:
- Thí nghiệm 1: Nam châm chuyển động tương đối so với cuộn dây
+ Mục đích: Phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ. Làm nảy sinh câu hỏi vấn đề “Nguyên nhân nào sinh ra dòng điện cảm ứng?”
+ Dụng cụ và bố trí:
Dụng cụ bao gồm: Nam châm vĩnh cửu, ampe kế, cuộn dây, dây dẫn. Bố trí thí nghiệm: Mắc nối tiếp cuộn dây dẫn kín với một ampe kế bằng hai dây dẫn điện.
+ Tiến hành và kết quả:
Bước 1: Cầm nam châm đặt cạnh cuộn dây, nhận thấy kim điện kế chỉ số 0. Nghĩa là không có dòng điện trong trường hợp này.
Bước 2: Cho nam châm chuyển động tịnh tiến ra xa lại gần vào trong cuộn dây. Nhận thấy kim điện kế dao động lệch khỏi số 0. Nghĩa là có dòng điện được sinh ra trong trường hợp này.
=> Kết luận: Dù trong thí nghiệm trên không hề có pin hay nguồn điện, thì trong mạch (cuộn dây) vẫn xuất hiện dòng điện. Dòng điện này gọi là dòng điện cảm ứng.
Từ đây HS phát biểu được vấn đề “Nguyên nhân nào sinh ra dòng điện cảm ứng” và đưa ra giả thuyết “Sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng”.
- Thí nghiệm 2: Nam châm điện đứng yên so với cuộn dây
+ Mục đích: Kiểm chứng tính đúng đắn của giả thuyết “Sự chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng”.
+ Dụng cụ và bố trí:
Ta tiến hành kết nối nam châm điện với nguồn điện, đặt nam châm điện