sau khi học chương này
1. Về nội dung kiến thức
* Trƣờng hợp cảm ứng điện từ
Sau khi kết thúc bài, sinh viên ngành điện, cơ khí có khả năng: - Trình bày đƣợc khi nào có hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
- Trình bày các thí nghiệm từ đó phát biểu đƣợc định luật Lenz theo những cách khác nhau.
- Thiết lập biểu thức suất điện động cảm ứng trong mạch kín, mạch hở và phát biểu định luật về suất điện động cảm ứng (Định luật Pharađây)
- Vận dụng các công thức đã học để tính đƣợc suất điện động cảm ứng trong một số trƣờng hợp đơn giản. Trình bày ứng dụng của hiện tƣợng cảm ứng điện từ: Máy phát điện.
- Nghiên cứu hiện tƣợng và vai trò của dòng điện Fucô trong kỹ thuật. * Trƣờng hợp tự cảm
- Phát biểu đƣợc định nghĩa từ thông tự cảm và thiết lập đƣợc công thức độ tự cảm của mạch kín.
- Thiết lập đƣợc công thức tính suất điện động tự cảm. - Trình bày đƣợc thí nghiệm về năng lƣợng ống dây.
Chứng tỏ rằng nguồn gốc năng lƣợng ống dây tự cảm chính là của từ trƣờng do ống dây đó gây ra khi trong ống dây có dòng điện.
* Trƣờng hợp mạch dao động
- Trình bày đƣợc dao động điện tự do trong mạch LC theo các trƣờng hợp: + Trƣờng hợp mạch dao động có điện trở R không đáng kể.
+ Trƣờng hợp mạch dao động có điện trở R đáng kể. - Trình bày đƣợc dao động cƣỡng bức.
- Biết vận dụng kiến thức để giải các bài toán liên quan tới mạch dao động.
2. Về kỹ năng
Sinh viên phải có đƣợc các kỹ năng
- Sử dụng đƣợc các công thức để giải các bài toán liên quan.
- Thực hiện đƣợc các bƣớc trong dạy học giải quyết vấn đề: Đề xuất đƣợc giải pháp và thực hiện giải pháp đề ra.
- Có kỹ năng làm việc theo nhóm, kỹ năng thuyết trình, bảo vệ tri thức trƣớc tập thể, qua đó rèn luyện ngôn ngữ, kỹ năng phân tích-tổng hợp khi khai thác văn bản.
- Nhận diện đƣợc các thiết bị máy móc trong thực tế có nguyên tắc hoạt động dựa trên các hiện tƣợng cảm ứng điện từ, dòng điện Fucô, tự cảm, mạch dao động để giải thích hoạt động của các thiết bị máy móc liên quan (Các thiết bị ngoài phần trình bày trong giáo trình)
3. Về tình cảm thái độ
- Sinh viên đón nhận nhiệm vụ học tập của mình một cách tính cực, tự giác, có hứng thú. Qua đó rèn luyện và pháp triển tích cực, tự lực, sáng tạo giải quyết vấn đề.
- Có tinh thần hợp tác trong hoạt động giữa các cá nhân, có ý thức trách nhiệm trong hoạt động nhóm, tập thể lớp.
- Hình thành và pháp triển nhu cầu nhận thức,sự đam mê nghiên cứu khoa học của mỗi sinh viên.
4. Sơ đồ cấu trúc Lôgic nội dung chương “Cảm ứng điện từ-điện từ trường”
Sơ đồ 2.3:Cấu trúc Lôgic nội dung chương “Cảm ứng điện từ-điện từ trường”
Định lý Lenz về chiều dòng điện cảm ứng
Định luật về suất điện động cảm ứng Cảm ứng điện từ Tự cảm Dao động điện Dòng Fucô Từ thông tự cảm Năng lƣợng ống dây tự cảm Dao động điện từ Dao động tự do trong mạch LC Dao động cƣỡng bƣớc Năng lƣợng từ trƣờng Suất điện động tự cảm
2.3.2 Điều tra dạy học chương “cảm ứng điện từ - điện từ trường”
2.3.2.1 Mục đích điều tra
- Tìm hiểu thực trạng dạy học chƣơng này trong trƣờng Cao Đẳng Công nghiệp Thái Nguyên và trƣờng Cao Đẳng Kinh tế- Kĩ thuật- Đại học Thái nguyên. Thông qua tìm hiểu phân phối chƣơng trình nhằm xác định thời lƣợng giảng dạy tại các trƣờng, các chuyên nghành.
- Tìm hiểu việc soạn giáo án bài giảng của các giáo viên để nắm đƣợc những ƣu điểm và những mặt còn hạn chế của giáo án; tìm hiểu cách tổ chức dạy học của các giáo viên, tình hình về thiết bị thí nghiệm và việc sử dụng các thiết bị đó trong dạy học phần kiến thức này.
- Xác định kiến thức xuất phát của sinh viên trƣớc học kiến thức này, mức độ quan tâm, hứng thú của ngƣời học, ngƣời dạy với phần kiến thức này. Từ đó xác định những khó khăn của giáo viên gặp phải khi dạy học và những khó khăn, sai lầm của Sinh Viên để bƣớc đầu đề xuất những nguyên nhân của những khó khăn đó, làm cơ số soạn thảo một tiến trình dạy học phù hợp.
2.3.2.2 Phương pháp điều tra
Để thực hiện đƣợc các mục tiêu trên chúng ta tiến hành:
- Dùng phiếu điều tra, nghiên cứu giáo án, bài giảng, trao đổi trực tiếp với giáo viên (phụ lục 01).
- Dự giờ dạy một số giáo viên.
- Dùng phiếu điều tra, xem bài kiểm tra, trao đổi trực tiếp với SV (phụ lục 02).
2.2.2.3 Kết quả điều tra
Chúng tôi đã tiến hành đối với 12 giáo viên dạy các học phần về Vật lý tại 2 trƣờng Cao Đẳng Công nghiệp Thái Nguyên và trƣờng Cao Đẳng Kinh tế- Kĩ thuật- Đại học Thái nguyên và 160 sinh viên trƣờng Cao Đẳng Công nghiệp Thái Nguyên thông qua kết quả thu đƣợc từ quá trình điều tra, chúng tôi thấy rằng.
1) Về tình hình dạy của giáo viên
Có tới hơn 70% giáo viên đƣợc điều tra thực sự nắm chắc các kiến thức chƣơng “Cảm ứng điện từ và điện từ trƣờng”.
Tuy nhiên các bài giảng của giáo viên chủ yếu là tóm tắt lại nội dung kiến thức trong giáo trình, chƣa hoạch định đƣợc hoạt động của giáo viên và sinh viên. Vai trò tổ chức, định hƣớng điều khiển của giáo viên chƣa đƣợc thể hiện rõ.
Phƣơng pháp dạy học chủ yếu là truyền thụ mang tính một chiều, thông qua lời nói của mình giáo viên giảng giải, thông báo kiến thức, nhấn mạnh để sinh viên ghi nhớ các công thức, các khái niệm, các hiện tƣợng liên quan, còn các ứng dụng của kiến thức này trong kỹ thuật giáo viên thƣờng cố gắng thông báo nhƣ trong nội dung của giáo trình.
Một số giáo viên đã cố đã cố gắng tính tích cực hoá hoạt động của sinh viên nhƣ:
- Đặt ra các câu hỏi để sinh viên tìm cách giải quyết nhƣng các câu hỏi hoặc rộng quá hoặc vụn vặt, giản đơn nên không có nhiều tác dụng trong việc kích thích ngƣời học.
- Giáo viên yêu cầu sinh viên nghiên cứu trƣớc tài liệu, buổi sau lên trình bày lại nội dung
Giáo viên chƣa dạy học phần này theo hƣớng thực sự phát huy tính tích cực, tự lực của sinh viên, chƣa đƣa ngƣời học vào hoạt động giải quyết vấn đề.
2) Tình hình học tập của sinh viên
Đa số các sinh viên rất thụ động, chƣa tích cực, tự lực trong quá trình học tập. Họ thƣờng lƣời hoạt động, chủ yếu ngồi nghe giảng, chờ giáo viên đọc, ghi bảng để chép. Rất ít sinh viên đọc trƣớc tài liệu trƣớc khi lên lớp.
Rất ít sinh viên thể hiện đƣợc tƣ duy phê phán khi nghiên cứu các vấn đề của bài học. Họ ít đặt ra các câu hỏi, trao đổi với giáo viên, dễ dáng chấp nhận các kiến thức mà giáo viên trình bày.
Khả năng tƣ duy sáng tạo của sinh viên cũng hạn chế, họ không có thói quen đặt câu hỏi dạng tại sao? Làm thế nào? Trƣớc các vấn đề bài họcvà cũng không tự đƣa ra các dự đoán, giả thiết cho vấn đề tự đặt ra.
Sinh viên còn rất lúng túng khi trình bày một vấn đề khoa học nào đó trƣớc tập thể, việc sử dụng các từ ngữ khoa học đôi khi còn chƣa chính xác, chƣa có kỹ năng làm việc theo nhóm, theo tập thể.
3) Về thiết bị
Chƣa có thiết bị dạy học trực quan nào đƣợc sử dụng trong qua trình dạy học chƣơng này, giáo viên chủ yếu là dạy chay, không chú trọng đến thí nghiệm trong giờ học.
Về thực hành: Chỉ có một bộ thí nghiệm về hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
2.3.3 Những khó khăn, sai lầm sinh viên gặp phải khi học chương “Cảm ứng điện từ và điện từ trường”
- Có tới 35/160 (22%) số sinh viên đƣợc điều tra không xác định đƣợc hoặc xác định sai chiều dòng điện cảm ứng.
- Sinh viên quên các ứng dụng trong kĩ thuật của kiến thức khi học ở THPT, có tới 37 sinh viên đƣợc điều tra (23%) không có đáp án hoặc đáp án sai về dòng Fucô.
- Sinh viên gặp khó khăn khi sử dụng các kiến thức toán học để nghiên cứu về năng lƣợng ống dây tự cảm.
2.3.4 Nguyên nhân dẫn đến những khó khăn sai lầm của sinh viên
Theo chúng tôi nguyên nhân dẫn đến những khó khăn sai lầm của sinh viên là: * Về nội dung kiến thức chƣơng trình
Đa số các giáo viên đƣợc điều tra cho rằng các nội dung về ứng dụng của các kiến thức vật lý vào kỹ thuật trình bày trong giáo trình còn hạn chế về số lƣợng, sơ sài, quá rút gọn về kiến thức. Các nội dung của kiến thức trình bày chƣa liền mạch.
* Về phía giáo viên
- Giáo viên chỉ chú ý đến việc thông báo, giảng giải những nội dung chính sao cho dễ hiểu, rõ ràng mà chƣa quan tâm phát triển tƣ duy ngƣời học, năng lực giải quyết vấn đề, rèn luyện ngôn ngữ, hình thành các kỹ năng hoạt động nhóm, khả năng trình bày, tranh luận bảo vệ ý kiến của sinh viên trƣớc tập thể…
- Giáo viên chƣa quan tâm tạo động cơ, hứng thú của sinh viên đối với kiến thức sẽ học, chƣa gắn kết đƣợc giữa lý thuyết sinh viên học đƣợc với thực tiễn cuộc sống.
- Giáo viên chƣa vận dụng các kiến thức đã có của sinh viên trong việc dạy học.
* Về phía sinh viên
- Một số sinh viên quên kiến thức về phần này khi học ở lớp 11
- Sinh viên vẫn quen cách học ở phổ thông: Thầy giảng bài, làm mẫu; học sinh nghe, ghi chép học thuộc làm theo; sinh viên chỉ tập trung ghi nhớ các định lý, khái niệm, công thức để phục vụ mục tiêu kiểm tra, đánh giá cuối kì.
- Có những thiết bị kĩ thuật mà sinh viên chƣa đƣợc nhìn thấy, chỉ nghe qua giảng để tƣởng tƣợng ra và từ đó tìm ra nguyên tắc hoạt động. Vì vậy không kích thích đƣợc hứng thú của sinh viên.
- Một nguyên nhân nữa ảnh hƣởng đến hiệu quả của việc dạy học là trình độ nhận thức của sinh viên khu vực là thấp so với mặt bằng chung của cả nƣớc.
2.3.5 Tiến trình dạy học bài “Cảm ứng điện từ”
2.3.5.1 Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức “Cảm ứng điện từ”
Vấn đề 1: Hiện tƣợng cảm ứng điện từ
Sơ đồ 2.4: Tiến trình xây dựng kiến thức vấn đề 1
Thí nghiệm Ơ-xtet cho biết dòng điện sinh ra từ trƣờng. Ngƣợc lại từ trƣờng có thể sinh ra
dòng điện đƣợc không? - Mạch kín(C) đặt trong từ trƣờng.
- Khi þm biến thiên qua (C) thì có hiện tƣợng gì xảy ra?
- Khi þm ngừng biến thiên có hiện tƣợng gì không?
- Thí nghiệm và quan sát. 0 N S Bc 0 N S N S Bc Bc B c 0 N S Bc Bc 0 N S N S Hình 1a Hình 1b
- Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện dòng điện, dòng điện đó gọi là dòng điện cảm ứng.
- Hiện tƣợng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch biến thiên.
Tiến trình nhận thức vấn đề 1 đƣợc diễn đạt nhƣ sau:
Ta đã biết dòng điện sinh ra từ trƣờng, vậy từ trƣờng có sinh ra dòng điện hay không? Thí nghiệm đã cho thấy:
Khi cho từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện một dòng điện.
Dòng điện đó đƣợc gọi là dòng điện cảm ứng và hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
Nhƣ vậy: Từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch kín sẽ sinh ra dòng điện.
Dòng điện đó do một suất điện động sinh ra, suất điện động đó đƣợc gọi là suất điện động cảm ứng.[2]
Vấn đề 2: Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng.
Sơ đồ 2.5: Tiến trình xây dựng kiến thức vấn đề 2
Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có tác dụng chống lại nguyên nhân
sinh ra nó.
Khi thay đổi sự biến thiên þm (tăng, giảm) dẫn đến chiều dòng điện
trong mạch thay đổi)
- Khi dòng điện cảm ứng có chiều i1 thì dòng điện này gây ra từ trƣờng có đƣờng sức từ ngƣợc chiều với các đƣờng sức của của từ trƣờng nam châm.
- Khi dòng điện cảm ứng có chiều là i2 gây ra với các đƣờng sức từ cùng chiều với đƣờng sức từ của nam châm
Hai vấn đề đó có liên quan tới nhau vậy nó có tuân theo một quy luật nào không?
- Xét thí nghiệm nhƣ hình vẽ - Khi þm tăng chiều dòng điện là i1 - Khi þm tăng chiều dòng điện là i2
* Tiến trình nhận thức vấn đề 2 được diễn đạt như sau:
Khi thay đổi chiều biến thiên của từ thông qua mạch kín (C), thì chiều dòng điện cảm ứng cũng thay đổi.
Trong thí nghiệm 1, nam châm dịch chuyển dịch chuyển lại gần mạch kín (C), đƣờng sức từ qua (C) tăng lên: chiều dòng điện cảm ứng là i1. Trong thí nghiệm 2, nam châm dịch chuyển ra xa mạch kín (C), số đƣờng sức từ qua (C) giảm đi chiều dòng điện cảm ứng là i2.
Phát biểu 1
Qua thí nghiệm cho thấy: Khi dòng điện cảm ứng có chiều i1 thì dòng điện này gây ra từ trƣờng có các đƣờng sức từ đi qua (C) ngƣợc chiều với các đƣờng sức từ của nam châm. Trái lại, khi dòng điện cảm ứng có chiều là i2 thì các đƣờng sức do i2 gây ra cùng chiều với đƣờng sức từ của nam châm (Gọi từ trƣờng của nam châm - từ trƣờng gây ra từ thông m qua mạch kín (C) là từ trƣờng ban đầu). Căn cứ vào những kết quả thực nghiệm có thể phát biểu định luật Lenz (Phát biểu 1): Khi số đƣờng sức qua mạch kín(C) tăng thì dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có đƣờng sức từ ngƣợc chiều với các đƣờng sức từ ban đầu. Khi số đƣờng sức qua mạch kín (C) giảm thì dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có đƣờng sức từ cùng chiều với đƣờng sức từ ban đầu.
Phát biểu 2
Khi tính từ thông m qua mặt (C), ta phải chọn một chiều dƣơng trên mặt (C) và mặt S ( mặt S tựa trên (C)) đƣợc định hƣớng theo chiều dƣơng là chiều thuận đối với chiều dƣơng trên (C). Với những qui tắc đó có thể phát biểu định luật Lenz (phát biểu 2): Khi từ thông m qua(C) tăng thì chiều dòng điện cảm ứng là chiều âm trên (C); khi từ thông m qua (C) giảm thì chiều dòng điện cảm ứng là chiều dƣơng trên (C).
Phát biểu 3
Khi nam châm dịch chuyển lại gần mặt kín C: Chiều dòng điện cảm ứng là i1. Mặt kín C trở thành một nam châm có cực hƣớng về nam châm là cực N và ngăn cản nam châm dịch lại gần. Ngƣợc lại, nam châm dịch chuyển ra xa mạch kín (C), chiều dòng điện cảm ứng là i2. Mặt kín C trở thành một nam châm có cực hƣớng về nam châm là cực S và ngăn cản nam châm dịch ra xa. Từ thực nghiệm đã chứng tỏ chiều dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenz (Phát biểu 3): Khi sự biến thiên từ thông m qua mạch (C) gây ra bởi một dịch chuyển nào đó thì dòng điện cảm ứng xuất hiện trong (C) có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có tác dụng chống lại sự dịch chuyển ấy. Một cách tổng quát có thể phát biểu định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do đó gây ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. [2]
Vấn đề 3: Định luật về suất điện động cảm ứng
Tiến trình nhận thức vấn đề 3 đƣợc diễn đạt nhƣ sau:
* Xét một mạch kín (C) chuyển động trong một từ trƣờng dừng. trong khoảng thời gian dt mạch kín dịch chuyển vi phân từ vị trí (C1) sang vị trí (C2) trong đó từ thông qua (C) biến thiên từ: