Lực Lorenxơ [3, tr.134 – 138]

7. Cấu trúc của khóa luận

2.2.4. Lực Lorenxơ [3, tr.134 – 138]

Lực tác dụng lên điện tích chuyển động được rút ra từ việc nghiên cứu lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn kim loại có dòng điện chạy qua trên cơ sở định nghĩa dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt electrôn tự do. Vì vậy, sau khi ôn lại kiến thức về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện (phương, chiều, độ lớn) cho HS qua kiểm tra đầu giờ, GV có thể đặt vấn đề: Đã biết rằng, một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực từ. Mặt khác, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Như vậy, liệu rằng các điện tích chuyển động trong từ trường có chịu tác dụng của lực từ hay không? Để giúp HS trả lời câu hỏi này, GV yêu cầu HS giải bài tập 1:

“Khi đặt một dây dẫn kim loại mang dòng điện vào trong từ trường, từng electrôn dẫn trong dây kim loại chuyển động có hướng tạo thành dòng điện có chịu tác dụng của lực từ hay không? Nếu có thì lực từ ấy có mối quan hệ gì với lực từ tác dụng lên toàn bộ dây dẫn?”

Để HS có thể giải bài tập này, GV cần định hướng cho HS: Sự khác nhau cơ bản giữa một đoạn dây dẫn có dòng điện và đoạn dây dẫn không có dòng điện là gì? Câu trả lời cho câu hỏi trên là: Trong đoạn dây dẫn có dòng điện, các hạt mang điện tự do chuyển dời có hướng tạo thành dòng điện. Còn trong đoạn dây dẫn không có dòng điện không có dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tự do.

HS thực hiện các suy luận logic để tìm câu trả lời cho bài tập 1. Điểm khác nhau nêu trên cũng là điểm khác nhau duy nhất giữa hai đoạn dây dẫn đó. Khi đặt trong từ trường, chỉ có đoạn dây dẫn có dòng điện chạy qua mới chịu tác dụng của lực từ. Như vậy có nghĩa là chỉ có đoạn dây chứa các điện tích chuyển động có hướng mới chịu tác dụng của lực từ. Do đó, các electrôn chuyển động có hướng mới chịu tác dụng của lực từ urf và lực từ tác dụng lên toàn bộ dây dẫn urF phải là hợp lực của các lực từ tác dụng lên các điện tích chuyển động: i

i

F =∑ f

ur ur

.

GV thông báo: Bằng các thí nghiệm và các quan sát, người ta đã chứng minh được rằng mọi điện tích chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của lực từ. Hendrich Antoon Lorenxơ – nhà bác học người Hà Lan – đã nghiên cứu về lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động. Để ghi nhận công lao của ông, người ta gọi lực từ tác dụng lên điện tích là lực Lorenxơ (Lorentz).

GV có thể yêu cầu HS đưa ra định nghĩa về lực Lorenxơ: Lực Lorenxơ là lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động trong từ trường.

Tiếp theo, GV tổ chức hoạt động nhận thức của HS để tìm hiểu các đặc điểm của lực Lorenxơ. Lực Lorenxơ là lực từ tác dụng lên các điện tích chuyển động trrong từ trường thì tất nhiên điểm đặt của nó phải chính là các điện tích này. Điều này HS có thể dễ dàng thu được.

Để xác định hướng của lực Lorenxơ, GV yêu cầu HS giải bài tập 2:

“Từ việc xác định phương, chiều của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện, hãy xác định xem phương của lực Lorenxơ phụ thuộc vào các yếu tố nào và mối quan hệ đó là như thế nào?”

Để tìm lời giải cho bài tập này, HS cần thực hiện các lập luận logic. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện có liên quan chặt chẽ đến hướng của vectơ cảm ứng từ urB, phương của dây dẫn và chiều của dòng điện. Nếu coi các hạt tải điện trong dây dẫn là cùng loại, dưới tác dụng của điện trường, các hạt chuyển động cùng hướng với nhau thì phương và chiều của các lực Lorenxơ tác dụng lên chúng phải giống nhau. Tức là i

i

F =∑ f và hướng của các lực Lorenxơ tác dụng lên các hạt tải điện cùng hướng với hướng của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn (urF ↑↑ urfi ). Như vậy, hướng của lực Lorenxơ cũng phụ thuộc vào hướng của vectơ cảm ứng từ Bur, phương của dây dẫn và

chiều của dòng điện. Mặt khác, chiều của dòng điện phụ thuộc vào dấu của điện tích các hạt tải và chiều chuyển động có hướng của chúng. Do đó, phương chiều của lực Lorenxơ tác dụng lên một điện tích phụ thuộc vào hướng của vectơ cảm ứng từ Bur, dấu của điện tích và hướng của vectơ vận tốc

vr của nó.

Lực Lorenxơ urf cùng hướng với lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn Fur. HS đã được biết lực từ urF có phương vuông góc với dây dẫn và cảm ứng từ Bur

nên lực Lorenxơ cũng có phương vuông góc với mặt phẳng chứa cảm ứng từ

B

ur

và vectơ vận tốc vr. Chiều của lực từ Fur được xác định thông qua chiều dòng điện và chiều vectơ cảm ứng từ Bur nên chiều của lực Lorenxơ cũng

được xác định thông qua chiều của vectơ cảm ứng từ Bur, chiều của vectơ vận

tốc vr và dấu của điện tích.

GV yêu cầu HS xác định chiều của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn kim loại có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường (có cho biết trước chiều dòng điện và hướng của vectơ cảm ứng từ Bur), xác định chiều của vectơ vận tốc vr của các electron. Nếu coi dòng điện trong dây dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương thì hướng của vectơ vận tốc của các hạt là hướng nào? Từ đó, GV có thể yêu cầu HS tự rút ra hoặc có thể đưa ra cho HS quy tắc bàn tay trái để xác định chiều của lực Lorenxơ: Để bàn tay trái mở rộng sao cho từ trường hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều của vr khi q > 0 và ngược chiều vr khi q < 0. Lúc đó, chiều của lực Lorenxơ là chiều ngón cái choãi ra.

Để tìm biểu thức xác định độ lớn của lực Lorenxơ, GV yêu cầu HS giải bài tập 3:

“Một dây dẫn kim loại mang dòng điện cường độ I được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ Bur. Gọi α là góc hợp bởi vectơ urB và phần tử dòng điện Ilr. Giả sử rằng, các electron tự do trong dât dẫn kim loại chuyển động có hướng với cùng vận tốc vr.Hãy tìm biểu thức xác định lực Lorenxơ tác dụng lên mỗi điện tích.”

Trước hết HS cần tính lực từ tác dụng lên cả đoạn dây dẫn dài l:

sin

Theo kết quả của bài tập 1: i i

F =∑ f . Mặt khác, theo giả thiết ban đầu, các electron có cùng vận tốc chuyển động có hướng nên lực Lorenxơ tác dụng lên chúng phải bằng nhau. Do đó, nếu có N electron chuyển động có hướng tạo thành dòng điện trong đoạn dây dẫn và lực Lorenxơ tác dụng lên mỗi đoạn dây dẫn là urf thì ta có: F ur = Nurf f F BIlsin N N α ⇒ = =

GV cần định hướng cho HS: N, l là các đại lượng chúng ta không được biết và chúng cũng không đặc trưng cho electron dẫn. Nên để tìm biểu thức xác định độ lớn của lực Lorenxơ, ta phải tìm mối liên hệ giữa chiều dài l của đoạn dây và số electron N trong dây dẫn. Cường độ dòng điện I cũng không phải là đại lượng đặc trưng cho các electron ta đang xét nên ta phải biểu diễn nó qua các đại lượng khác đặc trưng cho electron dẫn.

Trong điều kiện cụ thể của bài tập này, cường độ dòng điện chỉ có thể được biểu diễn qua điện tích bằng công thức định nghĩa của nó:

q I t ∆ = ∆

Nếu xét ∆t là thời gian để độ dời của electron là l và gọi n là số electron chuyển qua một tiết diện thẳng của dây dẫn sau một khoảng thời gian ∆t thì:

n N≡ và l t v ∆ = (Trong đó: n q e ∆ = , e = 1,6.10-19 C) Do đó: q eN Nev I l t l v ∆ = = = ∆ sin sin Bvl f evB N α α ⇒ = =

sinα sin[π ( , )]=sin( , )v B v B

⇒ = − r ur r ur

Vì vậy, có thể lấy: α =( , )v Br ur .

GV khái quát hóa: Từ nhiều thí nghiệm chính xác của mình, Lorenxơ thấy kết quả trên nghiệm đúng với các điện tích q bất kì. Mặt khác, trong phép biến đổi, ta cũng chỉ lấy giá trị độ lớn của điện tích mà không quan tâm đến dấu của điện tích nên kết quả trên đúng với cả hai loại điện tích. Vì vậy, lực Lorenxơ tác dụng lên điện tích q chuyển động với vận tốc vr trong từ trường

B ur là: sin f = q vB α ur ( Với α =( , )v Br ur ) 2.2.5. Phản xạ toàn phần [3, tr.168 – 173].

Sau khi ôn lại cho HS kiến thức về hiện tượng khúc xạ ánh sáng và khái niệm chiết suất, GV có thể đặt vấn đề vào bài bằng cách yêu cầu HS giải bài tập 1:

“ Chùm sáng đơn sắc hẹp coi như một tia sáng được chiếu từ thuỷ tinh có chiết suất n = 2 ra không khí (coi chiết suất bằng 1) với các góc tới là i <45o, i = 45o,i > 45o. Hãy tiến hành thí nghiệm và nhận xét hiện tượng xảy ra”.

GV giúp HS lựa chọn dụng cụ, bố trí và tiến hành thí nghiệm chiếu chùm sáng hẹp từ thủy tinh ra không khí, tăng dần góc tới i (hình 3)

Từ đó, HS đưa ra nhận xét: Khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (thủy tinh) sang môi trường chiết quang kém hơn (không khí) thì: Nếu góc tới i < 45o, tia sáng đến mặt phân cách giữa hai môi trường sẽ bị phản xạ trở lại một phần, một phần khúc xạ ra ngoài không khí. Nếu góc tới i = 45o thì vẫn có cả tia khúc xạ và tia phản xạ, tia khúc xạ lúc này có phương là là mặt phân cách giữa hai môi trường và rất mờ. Nếu góc tới i > 45o thì không còn tia khúc xạ nữa, tia sáng bị phản xạ toàn bộ tại mặt phân cách.

GV thông báo: Trong thí nghiệm trên khi góc tới i > 45o, tia sáng bị phản xạ toàn bộ trở về môi trường cũ.Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Khi tia khúc xạ là là mặt phân cách giữa hai môi trường, góc tới đạt giá trị xác định i = igh, igh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần hay góc tới hạn và bắt đầu xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. GV yêu cầu HS đưa ra định nghĩa sơ bộ về hiện tượng phản xạ toàn phần: Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

Để củng cố kiến thức vừa học cho HS, GV yêu cầu HS giải bài tập 2:

S

I1 I

2 I3

i<igh i=igh i>igh

(2)

(1)

“ Trong trường hợp ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn vào môi trường chiết quang kém hơn:

a) So sánh góc khúc xạ và góc tới. b) Tính góc giới hạn phản xạ toàn phần.

c) Chứng minh khi i > igh, không còn tia khúc xạ.” HS vận dụng kiến thức đã học để giải bài tập:

a) Theo công thức của định luật khúc xạ ánh sáng: sinr = 1 2

n n sini

Trong đó: n1, n2 lần lượt là chiết suất của môi trường (1) (chứa tia tới) và môi trường (2) (chứa tia khúc xạ).

Theo giả thiết n2 < n1⇒ > 1 2

n

n > 1 ⇒ sinr > sini ⇒ r > i.

Vậy: Khi ánh sang truyền vào môi trường chiết quang kém hơn, góc khúc xạ lớn hơn góc tới.

b) Khi i = igh , tia khúc xạ đi là là mặt phân cách ( r = 90o).

2 2 1 1 sin sin 90o gh n n i n n ⇒ = = ⇔ 2 1 arcsin gh n i n =

c) Giả sử khi i > igh,có tia khúc xạ, theo định luật khúc xạ ánh sáng ta có:

1 1

2 2

sinr n sini n sinigh

n n = > Mà 2 1 sinigh n n = 1 2 2 s inr n n 1 n n ⇒ > > (vô lí)

Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần được HS tìm ra bằng việc giải bài tập thứ ba do GV nêu ra:

“ Hãy chứng minh rằng khi ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang hơn thì không thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Từ đó hãy đưa ra các điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần.”

HS vận dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sang và kết quả bài tập 1 để giải bài tập: Trong thí nghiệm, khi tăng góc tới từ 0o đến igh thì góc khúc xạ tăng từ 0o đến 90o. Theo tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng, nếu ánh sáng truyền vào môi trường chiết quang hơn (theo chiều ngược lại) thì khi tăng góc tới từ 0o đến 90o thì góc khúc xạ tăng từ 0o đến igh , luôn có tia khúc xạ, không xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.

Như vậy để xảy ra phản xạ toàn phần thì phải có hai điều kiện sau:

- Ánh sáng truyền từ một môi trường đến môi trường chiết quang kém hơn ( n2 < n1).

CHƯƠNG 3. THỬ NGHIỆM SƯ PHẠM 3.1. Mục đích thử nghiệm sư phạm (TNSP).

- Nghiên cứu tính khả thi và hiệu quả của hệ thống bài tập nhằm hình thành KTM đã soạn thảo cũng như cách thức hướng dẫn HS giải chúng trong một số tiết học NCTLM nhằm nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và phát triển năng lực giải quyết vấn đề.

- Đối chiếu với kết quả TNSP với kết quả điều tra ban đầu (mục 1.7, chương 1). Từ đó sử lí, phân tích kết quả để đánh giả khả năng áp dụng hệ thống bài tập đã đề xuất và cách sử dụng nó trong thực tiễn dạy học.

3.2. Đối tượng TNSP.

Đối tượng TNSP là HS lớp 11 (học chương trình cơ bản) trường THPT Khoái Châu (Hưng Yên).

3.3. Tiến hành TNSP.

TNSP được tiến hành trong thời gian thực tập sư phạm tại trường THPT Khoái Châu, từ tháng 3 đến tháng 4 năm 2010.

Đầu đợt thực tập, chúng tôi đã gặp tổ trưởng bộ môn vật lí và nhờ chọn hai GV thực nghiệm thỏa mãn tương đương nhau một số tiêu chuẩn chính: 1) Có trình độ chuyên môn – nghiệp vụ vững vàng; 2) Có trách nhiệm cao; 3) Dạy ít nhất hai lớp 11 học chương trình cơ bản; 4) Trong số các lớp 11 mà GV đó dạy, có hai lớp 11 có mọi nhân tố, điều kiện ảnh hưởng đến kết quả và chất lượng học tập của HS khá tương đồng. Sau đó, chúng tôi xem xét và chọn cặp lớp đối chứng và thực nghiệm trong số các lớp 11 mà các GV đó dạy tương đương về mọi mặt (kết quả học tập ở THCS và lớp 10; kết quả học các môn có liên quan khác như toán, hóa,…; ảnh hưởng của địa phương; trang thiết bị học tập trong lớp). Nhóm thực nghiệm chúng tôi chọn được hai lớp (11A8 và 11D) có 86 HS, nhóm đối chứng cũng chọn được hai lớp (11A6 và 11A7) có 81 HS.

Do điều kiện thời gian tiến hành ngắn, chúng tôi chỉ tiến hành TNSP bài: “Phản xạ toàn phần” [3, tr.168 – 173]. Ở lớp đối chứng, GV sử dụng bài tập và dạy theo cách của mình. Ở lớp thực nghiệm, GV sử dụng hệ thống bài tập và theo cách chúng tôi đề xuất [mục 2.2, chương 2]

3.4. Kết quả TNSP.

Để đánh giá kết quả TNSP, chúng tôi tiến hành dự giờ và yêu cầu HS thuộc đối tượng trên làm bài kiểm tra 15 phút (trắc nghiệm khách quan) sau tiết học. Các câu hỏi trong đề kiểm tra đều có bốn phương án để lựa chọn, không có câu hỏi nào giống hệt câu hỏi trong SGK và sách bài tập. Đề bài được in sẵn và phát cho mỗi HS một đề, các em ngồi gần nhau làm bài với đề khác nhau bằng cách chuyển đề gốc ( đảo thứ tự các câu hỏi và các phương án