2.1.3. Phân tích nội dung và những khó khăn khi dạy học chương cảm ứng điện từ điện từ
Chương “Cảm ứng điện từ” là chương cuối cùng của phần kiến thức điện học lớp 11. Ở chương này, hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng đặc biệt, quan trọng cả về mặt khoa học cũng như về mặt kỹ thuật và những ứng dụng trong đời sống như máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều, máy biến thế,… Việc nghiên cứu, giảng dạy hiện tượng cần tìm hiểu sâu sắc để HS không những tìm hiểu hiện tượng mà còn tích lũy kiến thức, đảm bảo nắm chắc những ứng dụng kỹ thuật của hiện tượng này. SGK hiện hành chỉ giới hạn khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ trong phạm vi lý thuyết, phần ứng dụng chỉ nói đến dòng điện Fu-Cô và hiện tượng tự cảm. Qua điều tra cho thấy GV và HS đều gặp những khó khăn và hạn chế nhất định nên kết quả học tập kiến thức này chưa cao.
a. Khái niệm từ thông
SGK Vật lý lớp 11 trình bày về khái niệm từ thông đầu tiên vì hiện tượng cảm ứng điện từ được định nghĩa qua khái niệm từ thông. Vì vậy, khái niệm từ thông là cần thiết để nghiên cứu những hiện tượng sau này. “Từ thông gởi qua diện tích S: Φ = BScosα”. Định nghĩa nhấn mạnh từ thông là một đại lượng đại số, không giải thích gì thêm. Điều này làm GV và HS gặp khó khăn khi HS chấp nhận công thức và không biết ý nghĩa của đại lượng này. Chúng ta cần bổ sung thêm ý nghĩa của đại lượng từ thông cũng như các cách làm biến đổi từ thông để HS hiểu rõ hơn và thuận lợi khi dạy các kiến thức về sau.
b. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Sách đưa ra vấn đề: “Dòng điện gây ra từ trường. Câu hỏi ngược lại: Trong điều kiện nào từ trường gây ra dòng điện?” Điều này kích thích suy nghĩ của HS. Nhưng lại đưa khái niệm từ thông trước, rồi trình bày TN chứng tỏ từ trường biến thiên sinh ra dòng điện. Điều này làm cho HS không mạch lạc, liên tục trong suy nghĩ. Tuy nhiên, về sau đưa ra các TN về sự dịch
chuyển tương đối giữa nam châm và vòng dây mới đưa ra kết luận: “Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ”.
Trên thực tế, ở lớp 9, HS đã được học về cảm ứng điện từ rồi. HS đã biết khi số đường sức từ qua diện tích của cuộn dây dẫn kín biến thiên sẽ làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dân kín đó. Để giúp HS hiểu rõ vấn đề này hơn, GV tổ chức, hướng dẫn HS tiến hành các TN, đặc biệt là các TN minh họa sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch kín từ nam châm điện để HS thuận lợi hơn khi học về hiện tượng tự cảm. Khi đó, HS dễ dàng phát hiện ra hiện tượng tự cảm là trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ.
c. Định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng
Nội dung định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng được phân tích từ các thí nghiệm hình 23.3a và 23.3b với quy ước chiều dương trên mạch kín (C) phù hợp với chiều đường sức từ của nam châm. Định luật Len-xơ phát biểu như sau: “Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín”.
Từ trên, cho HS quan sát các TN và xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong từng TN. Cái quan trọng là phân tích từ “chống lại” để HS hiểu theo nghĩa rộng. Nếu từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện kín giảm thì trong thời gian đó xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch sao cho từ trường do nó sinh ra cùng chiều với từ trường sinh ra nó.
Khó khăn khi học phần này là sử dụng khái niệm từ thông để giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ (khái niệm từ thông được đưa ra trước). Nếu không hiểu ý nghĩa của khái niệm từ thông thì HS không thể tiếp thu phần này. Như vậy, ta phải đưa thêm ý nghĩa khái niệm từ thông cho HS. Bên cạnh đó, các TN xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ tuy dễ làm nhưng cần có điện kế nhạy. Qua khảo sát thực tế ở trường phổ thông, kết quả cho thấy đa số
GV đều dạy kiến thức này bằng hình thức thông báo là chủ yếu. Khi từ thông qua (C) biến thiên do một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên. Trên thực tế khi làm thí nghiệm với các vòng dây trong bộ TN lực từ ở phổ thông, HS không cảm nhận được tác động “chống lại” này vì từ trường của thanh nam châm không đủ mạnh.
d. Suất điện động cảm ứng
Sau khi khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ chủ yếu về mặt định tính, thì tiếp tục khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ về mặt định lượng. Việc đi đến khái niệm suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín là dựa vào suy luận, có dòng điện thì phải có suất điện động, suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng gọi là suất điện động cảm ứng. Đưa ra phương án thí nghiệm (dịch chuyển nhanh hay chậm) để rút ra nhận xét: tốc độ biến thiên từ thông càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng lớn và ngược lại. Sau đó, thông báo công thức tính độ lớn của suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch: ec = -∆Φ /∆t
Đây là một biểu thức định lượng nhưng HS khó khái quát được. Vì thế để nên làm TN kiểm chứng để đưa ra biểu thức tính độ lớn của suất điện động cảm ứng.
d. Dòng điện Fu-cô
Dòng điện Fu-cô là một ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Trước hết, dòng điện Fu-cô được phát hiện từ kết quả thực nghiệm. Thực nghiệm chứng tỏ rằng dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối chuyển động trong từ trường hoặc được đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Fu-cô. Sau đó, trình bày 2 thí nghiệm minh họa, tính chất, công dụng và cách hạn chế dòng Fu-cô trong các trường hợp có hại. Tuy nhiên, 2 TN đã trình bày không khả thi trong phòng TN vì thiếu thiết bị. Mặt khác, cả 2 TN cùng một mục đích, chỉ minh họa được một tính chất là mọi kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của lực hãm điện từ.
Trong đó, các ứng dụng của dòng Fu-cô rất phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. GV liên hệ với máy biến thế, bếp điện, công tơ điện để HS thấy được ứng dụng của các hiện tượng này trong thực tế.
e. Hiện tượng tự cảm
Hiện tượng tự cảm là từ thông riêng của một mạch kín Φ = Li. Trong đó L là hệ số tự cảm, chỉ phụ thuộc vào cấu tạo và kích thước của mạch kín gọi là độ tự cảm. Để đưa ra biểu thức tính hệ số tự cảm, cần xác định cảm ứng từ của dòng điện trong ống dây kết hợp với từ thông riêng. Từ đó đưa định nghĩa: “Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch”.
Từ đó, trình bày 2 TN về hiện tượng tự cảm những ví dụ minh họa cho hiện tượng tự cảm. Trật tự nội dung trong SGK bắt đầu cách trình bày từ thông riêng của một mạch kín. Sau đó trình bày định nghĩa hiện tượng tự cảm. SGK đưa ra hai ví dụ: Hiện tượng tự cảm khi đóng và ngắt mạch điện, dùng mô hình đường cảm ứng từ và định luật Len-xơ về chiều của dòng điện cảm ứng để giải thích hiện tượng… Cách trình bày này thuận lợi để tổ chức cho HS hoạt động nhận thức theo PPTN so với sách nâng cao vì khi đó HS thực hiện các thí nghiệm khi đã rõ mục đích.
Cái khó khăn khi dạy về hiện tượng tự cảm là trước đó, chỉ để cập đến từ trường của nam châm có thể sinh ra dòng điện trong một mạch kín nhưng không đề cập đến việc từ trường của dòng điện, của nam châm điện cũng có thể sinh ra dòng điện cảm ứng trong một mạch kín. Ngày nay, hầu hết các dòng điện cảm ứng đều được tạo ra từ từ trường của dòng điện, nam châm điện. SGK không giới thiệu trước mà vào ngay hiện tượng tự cảm làm HS gặp khó khăn, không thể hiểu được hiện tượng tự cảm có bản chất là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Suất điện động tự cảm được suy ra từ biểu thức của suất điện động cảm ứng: etc L i t
Năng lượng từ trường bên trong ống dây là năng lượng tích lũy trong
ống dây khi có dòng điện chạy qua: 1 2
w
2 L i
Nhận xét: Kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” theo SGK Vật lý lớp 11 viết
tương đối ngắn gọn, súc tích. Tuy nhiên, còn một vài chỗ cần bổ sung thêm. Ví dụ: Khái niệm từ thông là một khái niệm trừu tượng, ta có thể đưa thêm ý nghĩa của từ thông: “Từ thông qua diện tích S bằng số đường sức qua diện tích S đặt vuông góc với đường sức”. Hiện tượng cảm ứng điện từ cần có nhiều thí nghiệm khác nhau để thấy một cách tổng quát điều kiện xuất hiện dòng cảm ứng trong một mạch kín. Hơn nữa, việc không nói đến ứng dụng của hiện tượng này làm HS không biết phần lý thuyết này có ý nghĩa như thế nào trong đời sống và kỹ thuật. Mặc dù đây là một phần kiến thức quan trọng, được ứng dụng rất phổ biến trong thực tiễn. Từ những kiến thức trên, tôi triển khai xây dựng quy trình thiết kế bộ TNTT giúp học sinh hiểu rõ phần kiến thức trong chương “Cảm ứng điện từ”.
2.2. Xây dựng quy trình thiết kế bộ thí nghiệm tự tạo chương “cảm ứng điện từ” vật lí 11 cơ bản điện từ” vật lí 11 cơ bản
2.2.1. Đặc điểm của bộ thí nghiệm đã có ở trường phổ thông
Hiện nay trong các nghiên cứu TN vật lí đã có phương án TN về xây dựng hiện tượng cảm ứng điện từ và với các thiết bị gồm:
- 1 bộ nguồn. - 1 điện kế G.
- 1 cuộn dây đồng, dây nối
- Nam châm vĩnh cửu, nam châm điện.
+ Với phương án TN này có một số khó khăn khi làm: Khi cho nam châm lại gần ống dây thì điện kế G lệch khỏi vị trí cân bằng nhưng do điện kế G nhỏ và lớp học rộng nên HS khó quan sát, khó khăn trong việc di chuyển. Thứ
hai là do khi điện kế G bị lệch thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng, nhưng đây là kiến thức hàm lâm HS khó có thể biết được.
Vì vậy, tôi đề xuất phương án tự tạo thí nghiệm cảm ứng điện từ với mong muốn là khắc phục được những hạn chế trên nhằm nâng cao hiệu quả của việc sử dụng TN trong quá trình tổ chức hoạt động DH.
2.2.2. Các bước tạo bộ thí nghiệm tự tạo
Bước 1. Xác định mục tiêu dạy học
- Biết được các cách làm thay đổi từ thông, mối quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ, khi nào thì có dòng điện trong mạch.
- Hiểu được định luật Len-xơ, định luật Faraday,.. Bước 2. Nghiên cứu nội dung bài học
Qua nghiên cứu những nội dung kiến thức trong bài học, tôi nhận thấy rằng những nội dung kiến thức sau có thể xây dựng TNTT để DH:
- Định nghĩa về từ thông. - Hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Chiều dòng điện cảm ứng trong định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng.
- Quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ. Bước 3. Tìm hiểu thực trạng cơ sở vật chất, thiết bị TN
TN chương “Cảm ứng điện từ” đã được trang bị ở trường THPT Hương Cần khá là đầy đủ ( mục 1.4.4) nhưng qua thời gian sử dụng các bộ nguồn, các cuộn dây đồng bị hỏng , các dây nối thì bị rỉ, đứt dẫn đến tình trạng TN thiếu hoặc thiết bị không hỏng thì lại không đồng bộ và không tiến hành TN được.
Bước 4. Đề xuất, lựa chọn phương án TN