IX Cấu trúc và nội dung luận văn
2.2.2 Sơ đồ cấu trúc nội dung kiến thức chương Từ trường (Vật lí 11)
Nội dung kiến thức chƣơng Từ trƣờng có thể mô hình hóa theo sơ đồ sau
Bộ sách giáo khoa Vật lí lớp 11 - Chƣơng trình Chuẩn, nội dung kiến thức chƣơng từ trƣờng đƣợc phân phối nhƣ sau:
Bảng phân phối chương trình chương Từ trường
Tiết Tên bài học
1 Từ trường
2 Lực từ. Cảm ứng từ
3 Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn có hình dạng đặc biệt
4 Bài tập
5 Lực Lo-ren-xơ
6 Bài tập
NAM CHÂM DÒNG ĐIỆN
TƢƠNG TÁC TỪ TỪ TRƢỜNG TỪ TRƢƠNG TRÁI ĐÁT TỪ TRƢƠNG CỦA DÒNG ĐIỆN LỰC TỪ CẢM ỨNG TỪ LỰC LO REN XƠ
Các kiến thức cơ bản của chƣơng này học sinh đã đƣợc học ở cấp Trung học cơ sở, tuy nhiên chủ yếu chỉ nghiên cứu dƣới dạng định tính và rất đơn giản, ở chƣơng trình Vật lí lớp 11 kiến tức Từ trƣờng đƣợc nghiên cứu sâu và chi tiết về nguồn gốc của từ trƣờng và các hiện tƣợng từ. Nội dung chính của chƣơng này gồm những kiến thức nhƣ sau:
- Khái niệm Từ trƣờng, nguồn gốc và tính chất của Từ Trƣờng - Đƣờng sức từ, các tính chất của đƣờng sức từ.
- Từ trƣờng Trái Đất
- Lực từ: Phƣơng, chiều và độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn đặt trong từ trƣờng đều.
- Khái niệm Cảm ứng từ
- Từ trƣờng của dòng điện chạy trong các dây dẫn có hình dạng đặc biệt.
- Lực Lo-ren-xơ.
2.2.3. Mục tiêu về kiến thức, kỹ năng và thái độ
* Mục tiêu về kiến thức:
- Nêu đƣợc định nghĩa từ trƣờng, biết đƣợc từ trƣờng tồn tại ở đâu và có tính chất gì.
- Nêu đƣợc định nghĩa đƣờng sức từ, các tính chất của đƣờng sức từ, nêu đƣợc đặc điểm của đƣờng sức từ của nam châm thẳng, của nam châm chữ U, của dòng điện thẳng dài, của dòng điện trong khung dây tròn, của ống dây hình trụ có dòng điện chạy qua.
- Phát biểu đƣợc định nghĩa cảm ứng từ và nêu đƣợc cảm ứng từ tại một điểm của từ trƣờng, nêu đƣợc đơn vị đo cảm ứng từ.
- Viết đƣợc công thức tính cảm ứng từ tại một điểm trong từ trƣờng gây bởi dòng điện thẳng dài vô hạn, cảm ứng từ tại tâm vòng dây tròn có
dòng điện chạy qua, cảm ứng từ tại một điểm trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua.
- Viết đƣợc công thức tính lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trƣờng đều.
- Nêu đƣợc lực Lo-ren-xơ là gì và viết đƣợc biểu thức lực Lo-ren-xơ. * Mục tiêu về kỹ năng:
- Vẽ đƣợc các đƣờng sức biểu diễn từ trƣờng của thanh nam châm thẳng, của dòng điện thẳng dài, của dòng điện trong khung dây tròn, của ống dây có dòng điện chạy qua và của từ trƣờng đều.
- Xác định đƣợc độ lớn, phƣơng, chiều của véc tơ cảm ứng từ tại một điểm trong từ trƣờng gây bởi dòng điện thẳng dài, tại tâm khung dây tròn có dòng điện chạy qua, tại một điểm trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua.
- Xác định véc tơ cảm ứng từ tại một điểm do nhiều dòng điện gây ra .
- Xác định đƣợc véc tơ lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có
dòng điện chạy qua đặt trong từ trƣờng đều.
- Xác định đƣợc độ lớn, phƣơng, chiều của lực Lo-ren-xơ tác dụng lên một điện tích q chuyển động với vận tốc v
trong mặt phẳng vuông góc với đƣờng sức từ của từ trƣờng đều.
- Thực hiện thí nghiệm, phân tích và xử lí kết quả thí nghiệm - Giải đƣợc một số bài toán về lực từ, cảm ứng từ, Lực Lo-ren-xơ - Vận dụng kiến thức từ trƣờng giải thích đƣợc một hiện tƣợng vật lí trong thực tế.
* Mục tiêu về thái độ:
- Hăng hái tham gia các hoạt động học tập, tích cực phát biểu xây dựng bài.
- Hứng thú, chủ động, tích cực trong quá trình giải quyết các vấn đề đặt ra.
- Nghiêm túc, khẩn trƣơng khi tham gia các hoạt động học tập. - Đoàn kết, hợp tác, giúp đỡ nhau trong học tập.
2.3. Phân loại bài tập chƣơng Từ trƣờng
2.3.1. Bài tập về cảm ứng từ của dòng điện:
* Bài tập định tính:
1. Một dây dẫn thẳng dài đặt trong mặt phẳng P. Cho dòng điện cƣờng độ I chạy qua dây dẫn.Xét hai điểm M1, M2 trong mặt phẳng P đối xứng nhau qua dây dẫn. Hai điểm M1, M2 có cùng nằm trên một đƣờng sức từ không? So sánh phƣơng, chiều của véc tơ cảm ứng từ tại M1, M2.
2. Nhìn vào một mạch điện kín ta thấy chiều dòng điện trong mạch ngƣợc
chiều kim đồng hồ. Xác định mặt Bắc và mặt Nam của mạch điện đó.
3. Một dây dẫn thẳng dài theo phƣơng Đông - Tây. Tại hai điểm A1, A2 rất gần dây dẫn (A1 ở trên và A2 ở dƣới) có hai la bàn. Hỏi khi cho dong điện chạy qua dây dẫn thì kim của các la bàn bị lệch nhƣ thế nào?
* Bài tập định lượng:
1. Một dòng điện I = 20A chạy trong dây dẫn thẳng dài. Xác định cảm ứng từ tại điểm cách dây một khoảng l = 0,5cm.
2. Một ống dài có 1200 vòng dây.Cảm ứng từ trong lòng ống dây là 7,5.10-3
T. Tính cƣờng độ dòng điện trong ống dây. Cho biết ống dây dài 20cm.
3. Một dòng điện cƣờng độ 5A chạy trong dây dẫn thẳng dài. Cảm ứng từ tại điểm M cóc giá trị bằng 4.10-5T. Hỏi điểm M cách dòng điện một khoảng là bao nhiêu?
4. Một khung dây tròn bán kính R= 5cm.Khung dây gồm 12 vòng dây. Tính cảm ứng từ tại tâm của khung dây nếu trong mỗi vòng dây của khung có dòng điện cƣờng độ 0,5A chạy qua.
5. Hai dây dẫn thẳng, dài song song cách nhau 32cm trong không khí, cƣờng độ dòng điện chạy trên dây 1 là I1 = 5A, cƣờng độ dòng điện chạy trên dây 2 là I2. Điểm M nằm trong mặt phẳng 2 dòng điện, ngoài khoảng 2 dòng điện và cách dòng I2 8cm. Để cảm ứng từ tại M bằng không thì dòng điện I2 có cƣờng độ và chiều nhƣ thế nào?
6. Hai dây dẫn thẳng, dài song song cách nhau 32 (cm) trong không khí, dòng điện chạy trên dây 1 là I1 = 5 (A), dòng điện chạy trên dây 2 là I2 = 1 (A) ngƣợc chiều với I1. Điểm M nằm trong mặt phẳng của hai dây và cách đều hai dây. Cảm ứng từ tại M có độ lớn là bao nhiêu?
7. Hai dây dẫn thẳng dài song song với nhau, nằm cố định trong mặt phẳng P và cách nhau một khoảng d. Dòng điện chạy trong hai dây dẫn có cùng cƣờng độ I. Tính cảm ứng từ tại những điểm nằm trong mặt phẳng P và cách đều hai dây dẫn trong hai trƣờng hợp:
a). Dòng điện trong hai dây dẫn cùng chiều. b). Dòng điện trong hai dây dẫn ngƣợc chiều. Cho biết I = 10A, d = 16cm
8. Một dây dẫn rất dài căng thẳng, ở giữa dây đƣợc uốn thành vòng tròn bán kính R = 6 (cm), tại chỗ chéo nhau dây dẫn đƣợc cách điện. Dòng điện chạy trên dây có cƣờng độ 4 (A). Tính cảm ứng từ tại tâm vòng tròn do dòng điện gây ra.
9. Có một dây đồng điện trở R = 1,1Ω , đƣờng kính 0,8mm, lớp sơn cách điện bên ngoài rất mỏng. Ngƣời ta dùng dây đồng này để quấn một ống dây có đƣờng kính d = 2cm, dài l = 40cm.Hỏi nếu muốn từ trƣờng trong lòng ống dây có cảm ứng từ B = 6,28.10-3T thì phải đặt ống dây vào hiệu điện thế là bao nhiêu ? Cho biết điện trở suất của đồng là 1,76.10-8Ωm. Coi các vòng dây quấn sát nhau.
I
10. Hai dây dẫn thẳng, dài vô hạn đặt song song trong không khí , cách nhau một khoảng d = 12cm, có các dòng điện ngƣợc chiều I1 = 2A, I2 = 4A đi qua. Xác định vị trí các điểm có cảm ứng từ tổng hợp bằng không.
2.3.2. Bài tập về lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện
* Bài tập định tính:
1. Hai dòng điện I1 và I2 chạy trong hai dây dẫn thẳng, dài, đồng phẳng, trực giao nhau nhƣ hình vẽ. Xác định hƣớng của lực từ do dòng I1 tác dụng lên dòngI2.
2. Dòng điện cƣờng độ I1 chạy trong khung dây dẫn hình tròn tâm 0. xác định lực từ do dòng I1 tác dụng lên dòng điện I2 chạy trong dây dẫn thẳng dài đi qua tâm 0 và vuông góc với mặt phẳng chứa I1.
3. Phần tử dòng điện
I l
đƣợc treo nằm trong một từ trƣờng đều. Hƣớng và độ lớn của cảm ứng từ
B
phải nhƣ thế nào để lực từ cân bằng với trọng lực
mg
của phần tử dòng điện
* Bài tập định lượng:
1. Dây dẫn thẳng dài có dòng điện I1 = 15 đặt trong không khí không khí. a). Tính cảm ứng từ tại điểm cách dây dẫn 15cm.b).
Tính lực tác dụng lên 1m của dòng điện thẳng I2 = 10A đạt song song, cách I1
là 5cm.
2. Một dây dẫn đƣợc gập thành khung dây có dạng tam giác vuông cân MNP.
Cạnh MN = NP = 10 (cm). Đặt khung dây vào trong từ trƣờng đều B = 10-2 (T)có chiều nhƣ hình vẽ. Cho dòng điện I có cƣờngđộ 10 (A) vào khung dây theo chiều MNPM. Tính lực từ
I1 I2 Hình 2.3 B P M N Hình 2.4
tác dụng vào các cạnh của khung dây.
3. Thanh MN dài l = 20 (cm) có khối lƣợng 5 (g) treo nằm ngang bằng hai sợi chỉ mảnh CM và DN. Thanh nằm trong từ trƣờng đều có cảm ứng từ B = 0,3 (T) nằm ngang vuông góc với thanh có chiều nhƣ hình vẽ. Mỗi sợi chỉ treo thanh có thể chịu đƣợc lực kéo tối đa là 0,04 (N). Dòng điện chạy qua thanh MN có cƣờng độ nhỏ nhất là bao nhiêu thì một
trong hai sợi chỉ treo thanh bị đứt? Chỉ rõ chiều dòng điện đó. Cho gia tốc trọng trƣờng g = 9,8 (m/s2
)
4. Cho một khung dây dẫn hình chữ nhật, kích thƣớc 30cm x 20cm, trong có dòng điện I = 5A; khung dây đƣợc đặt trong từ trƣờng đều có phƣơng vuông góc với mặt phẳng chứa khung và có độ lớn B = 0,1T. Hãy xác định:
a). Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung dây.
b). Lực tổng hợp của các lực từ ấy .
5. Cho một khung dây hình vuông ABCD, cạnh a = 4cm, có dòng điện I1=20A và một dây dẫn thẳng dài, song song với AD, nằm trong mặt phẳng của khung dây, cách AD một đoạn b = 2cm nhƣ hình vẽ, có dòng điện I2 = 15A. Xác định lực từ tổng hợp do dòng điện I2 tác
dụng lên khung dây.
2.3.3. Bài tập về lực từ tác dụng lên một điện tích chuyển động trong từ trường ( bài tập về lực Lo-ren-xơ).
* Bài tập định tính: B D C N M Hình 2.5 A B D C I2 I1 Hình 2.6
1. Xác định hƣớng của từ trƣờng đều tác dụng lực Lo-ren-xơ lên một hạt điện tích q chuyển động theo quỹ đạo tròn tâm C trong mặt phẳng vuông góc với đƣờng sức từ nhƣ hình vẽ sau:
2. Một prôtôn bay với vân tốc
v
0vào trong một miền có từ trƣờng đều
B
. a).
v
0B
b).v
0 B
c).
0 0, 30
v B
Trong mỗi trƣờng hợp trên hãy nêu hình dạng quỹ đạo của prôtôn và sự biến thiên vận tốc của prôtôn.
3. Eclectron có vận tốc
v
đi vào một điện trƣờng đềuE
(E v
). Cần có một từ trƣờngB
có hƣớng và độ lớn nhƣ thế nào trong vùng điện trƣờng để electron vẫn chuyển động thẳng?* Bài tập định lượng:
1. Một hạt prôtôn chuyển động với vận tốc 2.106 (m/s) vào vùng không gian có từ trƣờng đều B = 0,02 (T) theo hƣớng hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 300. Biết điện tích của hạt prôtôn là 1,6.10-19 (C). Tính lực Lo-ren-xơ tác dụng
q>0 C v a) q<0 C v b) Hình 2.7 E v Hình 2.8
2. Một electron với vận tốc ban đầu bằng 0, đƣợc gia tốc qua một hiệu điện thế U = 400V. Tiếp đó, nó đƣợc dẫn vào một từ trƣờng đều sao cho vận tốc
v B
. Quỹ đạo của electron trong từ trƣờng đó là một đƣờng tròn bán kính R = 7cm. Xác định cảm ứng từ B
.
3. Một prôtôn chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính 5cm trong một từ trƣờng đều B = 10-2
T.
a) Xác định vận tốc của prôtôn.
b) Xác định chu kỳ chuyển động của prôtôn. Khối lƣợng của prôtôn là 1,672.10-27kg.
4. Một điện tích 1,0.10-6C chuyển động với vận tốc 500m/s theo một đƣờng thẳng song song với một dây dẫn thẳng, dài vô hạn tại khoảng cách 100mm; trong dây dẫn xó dòng điện 2A chạy theo chiều chuyển động của hạt. Xác định hƣớng và độ lớn của lực từ tác dụng lên hạt đó.
5. Sau khi đƣợc tăng tốc bởi hiệu điện thế U trong ống phát êlectron, êlectron đƣợc phóng ra theo hƣớng Ox để sau đó đi tới đƣợc điểm M cách O một khoảng d nhƣ hình vẽ. Hãy xác định dạng quỹ đạo của êlectron và véc tơ cảm ứng từ
B
trong hai tƣờng hợp:
a)
B
có phƣơng vuông góc với mặt phẳng hình vẽ.
b)
B
có phƣơng song song với OM.
2.4. XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH GIẢI BÀI TẬP CHO CHƢƠNG TỪ TRƢỜNG (VẬT LÍ 11) THEO HƢỚNG PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC VÀ TỰ LỰC CỦA HOC SINH THPT MIỀN NÖI
Vận dụng tiến trình giải bài tập đã thiết kế ở trên, trong chƣơng này chƣơng này chúng tôi thiết kế đƣợc 2 tiết bài tập thuộc chƣơng từ trƣờng
O v x M d α Hình 2.9
(Vật lí 11- Chƣơng trình chuẩn) theo phân phối chƣơng trình của Bộ Giáo dục và Đào tạo.
2.4.1 Tiết 1(Tiết 41 theo PPCT)
BÀI TẬP VỀ CẢM ỨNG TỪ CỦA DÕNG ĐIỆN
I. MỤC TIÊU
1.Kiến thức:
- Nắm vững phƣơng, chiều và độ lớn của véc tơ cảm ứng từ - Nắm vững quy tắc nắm tay phải, quy tắc ra bắc vào nam
- Nắm vững đặc điểm của véc tơ cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng, của dòng điện trong vòng dây tròn, của dòng điện trong ống dây.
2. Kĩ năng:
- Vận dụng các quy tắc nắm tay phải, quy tắc ra bắc vào nam - Vận dụng biểu thức tính lực từ, biểu thức tính cảm ứng từ
- Vận dụng các quy tắc toán học; quy tắc hình bình hành, quy tắc cộng véc tơ,…
- Giải một số bài tập về cảm ứng từ của dòng điện
3.Thái độ:
- Hứng thú trong học tập, tích cực chủ động chiếm lĩnh kiến thức - Tinh thần hợp tác, học hỏi trong học tập.
- Khả năng làm việc tự lực, tự tìm tòi học tập
II. CHUẨN BỊ
1.Giáo viên:
- Lập kế hoạch bài giảng, chuẩn bị hệ thống bài tập, các phƣơng tiện dạy học, máy vi tính, máy chiếu.
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 1
Câu 1
:
Chọn các nội dung tƣơng ứng nhau ở cột phải và cột trái.1. Đƣờng sức từ của dòng điện thẳng dài 2. Cảm ứng từ của dòng điện thẳng dài 3. Cảm ứng từ (tại tâm vòng dây) của dòng điện tròn
4. Đƣờng sức từ của từ trƣờng đều
5. Cảm ứng từ của dòng trong ống dây hình trụ
6. Quy tắc nắm tay phải
a. 7 4 .10 N I l b. những đƣờng tròn c. 7 2 10 I r d. chiều cảm ứng từ e. I B l. . .sin f. 7 2 .10 N I R g. là cácđƣờng thẳng song song h. 7 10 I r Đáp án 1 – e 2 – c 3 – f 4 – g 5 – a 6 – d
Câu 2: Phát biểu nào dƣới đây là Đúng?
A. Đƣờng sức từ của từ trƣờng gây ra bởi dòng điện thẳng dài là những đƣờng thẳng song song với dòng điện
B. Đƣờng sức từ của từ trƣờng gây ra bởi dòng điện tròn là những đƣờng tròn C. Đƣờng sức từ của từ trƣờng gây ra bởi dòng điện tròn là những đƣờng thẳng song song cách đều nhau
D. Đƣờng sức từ của từ trƣờng gây ra bởi dòng điện thẳng dài là những đƣờng tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn
Câu 3 : Phát biểu nào sau đây là không đúng? A. Tƣơng tác giữa hai dòng điện là tƣơng tác từ.
B. Cảm ứng từ là đại lƣợng đặc trƣng cho từ trƣờng về mặt gây ra tác dụng từ.
