4.1. Dạy học điện học ở lớp 7
4.1.3. Đặc điểm về nội dung
4.1.3.1. Tạo cho HS những biểu tợng ban đầu về hiện tợng điện
Chơng trình điện học ở THCS chia làm hai vòng : vòng thứ nhất ở lớp 7 và vòng thứ hai ở lớp 9.
ở vòng thứ nhất, HS lần đầu tiên đợc làm quen với các hiện tợng điện. Bởi vậy chơng trình chú trọng đến việc tạo cho HS những biểu tợng ban đầu để nhận biết một số đặc tính của hiện tợng điện, nhất là của dòng điện mà không
đi sâu vào xây dựng khái niệm, đa ra định nghĩa rõ ràng.
Ví dụ : HS nhận biết tính dẫn điện, vật dẫn điện tốt, dẫn điện kém thông qua so sánh số chỉ của ampe kế trong cùng một mạch điện có các vật dẫn khác nhau chứ không đa ra khái niệm điện trở để biểu thị tính chất này.
HS nhận biết dòng điện có cờng độ mạnh hay yếu dựa trên quan sát một tác dụng của dòng điện nh tác dụng nhiệt : bóng đèn càng nóng sáng chứng tỏ dòng điện càng mạnh, gọi là dòng điện có cờng độ càng lớn. Không đa ra định nghĩa cờng độ dòng điện.
Nhận biết hiệu điện thế thông qua số vôn ghi trên các nguồn điện (pin, acquy) và quan sát thí nghiệm ; hiệu điện thế đặt ở hai đầu bóng đèn càng lớn thì dòng điện qua bóng đèn càng mạnh, hiệu điện thế bằng 0 thì không có dòng
điện. Không đa ra định nghĩa hiệu điện thế.
Theo chơng trình truyền thống thì phần dòng điện một chiều này có rất nhiều công thức định lợng. Nhng vì chơng trình điện ở lớp 7 mới cha yêu cầu
đa ra những định nghĩa định lợng về các đại lợng cơ bản (cờng độ dòng điện, hiệu điện thế, điện trở) cho nên cha thể thiết lập các công thức định lợng có liên quan. Phần lớn chơng trình chỉ khảo sát một số tính chất của dòng điện ở mức định tính.
4.1.3.2. Chú trọng rèn luyện kĩ năng thực hành khi sử dụng các dụng cụ
điện thông dụng
Để giúp HS có thể hoạt động, thao tác đợc khi sử dụng các dụng cụ điện thông thờng, chơng trình rất chú trọng đến việc rèn luyện cho HS kĩ năng sử dụng các dụng cụ điện thông dụng và lắp các mạch điện đơn giản. Ví dụ nh sử dụng nguồn điện (pin và acquy) sử dụng ampe kế và vôn kế, mắc các dụng cụ sử dụng điện vào mạch đúng hiệu điện định mức) lắp mạch điện theo sơ đồ, tuân thủ các quy tắc an toàn điện... Những kĩ năng ban đầu đó tạo điều kiện cho HS có thể thực hiện thành công các hoạt động tự lực khi học về điện ở lớp 7 và nhất là ở lớp 9 sau này.
HS chỉ cần nắm đợc quy tắc thực hành khi sử dụng các dụng cụ điện đó chứ cha cần hiểu lí thuyết về nguyên tắc hoạt động của chúng. Nhờ việc nắm
đợc những quy tắc nên HS có thể dựa trên quan sát thí nghiệm mà xác định đ ợc quy luật về sự phân bố cờng độ dòng điện và hiệu điện thế trong các đoạn mạch nối tiếp và song song. Đây là kiến thức duy nhất ở phần điện học lớp 7 có nội dung định lợng đợc diễn tả bằng công thức.
4.1.3.3. Sự nhiễm điện do cọ xát
1. Có nhiều cách để làm cho một vật nhiễm điện : nhiễm điện do cọ xát, nhiễm điện bằng hởng ứng, nhiễm điện bằng tiếp xúc. ở lớp 7 chỉ nghiên cứu hiện tợng nhiễm điện do cọ xát. Tuy vậy GV cũng phải biết phân biệt ba loại nhiễm điện này để tránh nhầm lẫn.
Nhiễm điện do cọ xát thờng thể hiện rõ ở các chất cách điện, ví dụ nh thủy tinh, hổ phách, nhựa êbônit, nilông. ở chỗ bị cọ xát, do mất êlectrôn hay có thêm êlectrôn mà vật trở thành nhiễm điện dơng hay âm. Vì vật cách điện nên
điện tích xuất hiện ở đâu thì nằm yên tại chỗ đó, cho nên cọ xát càng mạnh, càng nhiều lần thì điện tích tụ lại ở chỗ đó càng nhiều.
Do các vật nhiễm điện bằng cọ xát có thể đẩy nhau hoặc hút nhau nên ng ời ta phân biệt hai loại điện tích. Ngay từ xa xa các nhà khoa học quy ớc là điện tích xuất hiện trên thủy tinh bị cọ xát bằng lụa là điện tích dơng.
Hai thanh thủy tinh đều bị nhiễm điện do cọ xát vào lụa đẩy nhau. Nh vậy các điện tích dơng đẩy nhau.
Thanh nhựa bị cọ xát bằng vải khô hút thanh thủy tinh tích điện d ơng. Vậy
điện tích của thanh nhựa khác với điện tích của thanh thủy tinh. Ta gọi điện tích của thanh nhựa bị cọ xát là điện tích âm. Nh vậy các điện tích trái dấu hút nhau.
Hai thanh nhựa bị cọ xát bằng vải khô cùng mang điện tích dơng. Thí nghiệm cho thấy chúng cũng đẩy nhau. Vậy các điện tích cùng dấu (dù là d ơng hay ©m) ®Èy nhau.
Ta không trông thấy các điện tích, hạt mang điện tích (êlectrôn hay nguyên tử mất êlectrôn) mà chỉ nhìn thấy các vật mang điện tích nên ta nói rằng : Các vật mang điện cùng dấu đẩy nhau và các vật mang điện trái dấu hót nhau.
2. Sự nhiễm điện bằng hởng ứng
87
Treo một thanh kim loại cân bằng dới một sợi dây mềm (hình 4.1). Đa thanh thủy tinh bị cọ xát bằng lụa (nhiễm điện dơng) lại gần một đầu thanh kim loại, đầu này bị hút lại gần thanh thủy tinh. Vậy đầu này thanh kim loại đã
bị nhiễm điện âm.
Nếu thay thanh thủy tinh bằng thanh nhựa êbônit bị cọ xát vào vải thô (tích
điện âm) thì thanh kim loại vẫn bị hút. Lần này thanh kim loại lại mang điện dơng. Hiện tợng nhiễm điện của thanh kim loại nh trên gọi là sự nhiễm điện bằng hởng ứng. Nguyên nhân của hiện tợng nhiễm điện bằng hởng ứng đợc giải thích nh sau. Trong thanh kim loại có các êlectrôn tự do, bình thờng các êlectrôn tự do phân bố đều trong thanh kim loại nên thanh này trung hòa về
điện. Khi đa đầu thanh thủy tinh tích điện dơng lại gần một đầu thanh kim loại thì các êlectrôn tự do bị đầu thanh thủy tinh hút và dồn lại đầu A gần đầu thanh thủy tinh. Kết quả là đầu A có thêm êlectrôn và mang điện tích âm, còn đầu B bớt êlectrôn nên mang điện dơng. Nếu đa thanh thủy tinh nhiễm điện ra xa thì
thanh kim loại trở về trung hòa điện.
Mỗi phân tử tạo thành vật đều là một lỡng cực điện. Vì thế khi đa đầu thanh thủy tinh lại gần vật cách điện, đầu âm của lỡng cực điện bị thanh thủy tinh hút lại gần, đầu dơng bị đẩy ra xa. Vì thế lực hút luôn lớn hơn lực đẩy. Kết quả là vật cách điện cũng bị nhiễm điện bằng h ởng ứng. Chỉ có điều khác với vật bằng kim loại (dẫn điện) ở chỗ, trong vật cách điện bị nhiễm điện bằng h - ởng ứng thì các điện tích dơng và âm vẫn ở gần nhau tại chỗ chứ không di chuyển ra hai đầu của vật nh thanh kim loại.
Nh vậy vật bị nhiễm điện có khả năng hút tất cả các vật khác dù là vật cách
điện hay vật dẫn điện, dù là vật nặng hay vật nhẹ chứ không phải chỉ hút những vật cách điện nhẹ nh mẩu giấy, miếng bấc. Tuy nhiên, vì không học hiện tợng nhiễm điện bằng hởng ứng khá phức tạp, cho nên ở mức độ sơ lợc ban đầu ta thờng căn cứ vào khả năng hút các vật nhẹ để nhận biết vật bị nhiễm điện.
4.1.3.4. Dòng điện, nguồn điện
Theo định nghĩa, dòng điện là dòng của các điện tích chuyển động có h - ớng. Trong dây dẫn bằng kim loại thì dòng điện là dòng của các êlectrôn chuyển động có hớng. Tuy nhiên, trong thực tế, không thể quan sát đợc sự chuyển động của các êlectrôn. Định nghĩa này đ ợc thừa nhận vì từ đó có thể suy ra nhiều hệ quả phù hợp với thực tiễn.
Để tránh những sự phức tạp về mặt lí thuyết, ở lớp 7 thừa nhận có dòng
điện trong dây dẫn, nh vẫn thờng gặp trong ngôn ngữ hàng ngày. Sau đó so
sánh dòng điện với dòng nớc cho dễ hiểu, đồng thời hiểu đợc vai trò của nguồn
điện trong việc tạo ra dòng điện.
Chơng trình lớp 7 không nghiên cứu nguyên tắc hoạt động của các nguồn
điện một chiều (pin và acquy), không xét đến cơ chế tạo ra hiệu điện thế ở hai cực của nguồn mà chỉ cho biết dấu hiệu để nhận biết nguồn điện là có khả
năng cung cấp dòng điện để các dụng cụ điện hoạt động và phân biệt hai cực của nguồn điện nhờ các dấu âm () và dơng (+) ghi ở mỗi cực. Trên mỗi nguồn
điện còn ghi số vôn. Số vôn đó đúng bằng số chỉ của Vôn kế khi mắc vào hai cực của nguồn điện. Những kiến thức đó đủ để HS có thể sử dụng pin và acquy trong các công việc thông thờng về điện cần đến dòng điện.
GV cũng cần phải lu ý rằng số vôn ghi trên mỗi nguồn điện (pin hay acquy) là hiệu điện thế ở hai cực của nguồn khi mạch điện hở. Còn nếu khi mạch ngoài kín, đợc nối với một bóng đèn chẳng hạn, thì hiệu điện thế ở hai cực của nguồn lúc đó (đo bằng vôn kế) sẽ nhỏ hơn hiệu điện thế khi mạch hở.
Điều này chỉ có thể giải thích đợc khi học định luật Ôm cho toàn mạch. Kiến thức này không có trong chơng trình THCS. Bởi vậy mỗi khi sử dụng pin hay acquy thì phải dùng vôn kế để đo hiệu điện thế ở hai cực của nguồn. Số vôn ghi ở mỗi nguồn là hiệu điện thế lớn nhất mà nguồn đó có thể cho.
Đối với những pin hay acquy đã hỏng thì hiệu điện thế giữa hai cực giảm rất nhiều, có thể bằng 0. Khi đó pin hay acquy không thể cung cấp dòng điện cho dụng cụ dùng điện mắc vào hai cực của pin.
4.1.3.5. Chất dẫn điện và chất cách điện
Về phơng diện điện, các vật liệu đợc chia làm hai loại : chất dẫn điện và chất cách điện. Những vật mà điện tích có thể dịch chuyển tới khắp mọi điểm của vật gọi là vật dẫn điện, những vật mà điện tích chỉ định xứ ở những điểm bị nhiễm điện gọi là vật cách điện.
Kim loại, than chì, các muối và bazơ nóng chảy, các dung dịch muối, axit, bazơ... là những vật liệu dẫn điện.
Không khí khô, nớc nguyên chất, thủy tinh, sứ, cao su, nhựa êbônit, hổ phách... là những vật liệu cách điện.
Sự phân chia ra vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện chỉ là tơng đối. Mọi vật liệu đều dẫn điện ít nhiều hoặc có thể chuyển từ cách điện trở thành dẫn
điện. Ví dụ, trong điều kiện bình thờng không khí cách điện, nhng dới hiệu
điện thế rất cao, không khí có thể trở thành dẫn điện. Các tia chớp khi có sét
đánh là những dòng điện chạy qua không khí. Nớc cất nguyên chất không dẫn
điện, nhng nớc dùng thông thờng có pha tạp chất, muối, axit, bazơ lại trở thành dẫn điện. Lấy hai ngón tay chạm vào hai cực của một pin, không thấy có dòng
điện, nh vậy có thể coi nh cơ thể ngời cách điện. Nhng với mạng điện có hiệu
điện thế từ 42V trở lên thì cơ thể trở thành dẫn điện, cho dòng điện chạy qua có thể gây nguy hiểm tới tính mạng. Bởi thế trong lớp học chỉ đ ợc cho HS làm việc với các nguồn điện có hiệu điện thế 15V 20V.
Chất bán dẫn cũng là loại vật liệu dẫn điện, nh ng chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều xác định. Đèn LED làm bằng chất bán dẫn nên chỉ sáng (cho dòng điện chạy qua) theo một chiều xác định.
ở lớp 7 không giải thích nguyên nhân của hiện t ợng dẫn điện hay cách
điện của các vật liệu. Chỉ nhận biết tính dẫn điện hay cách điện qua thí nghiệm (cho hay không cho dòng điện chạy qua).
4.1.3.6. Cờng độ dòng điện
Về mặt lí thuyết, cờng độ dòng điện là đại lợng vật lí đặc trng cho độ mạnh yếu của dòng điện và đợc đo bằng điện lợng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian :
I = q t
Đơn vị cờng độ dòng điện là ampe (A) 1A = 1C (culông)
1s (gi©y)
Định nghĩa cờng độ dòng điện và đơn vị đo cờng độ dòng điện nh trên là quá trừu tợng, không thể nhận biết đợc trong thực tế, do đó không phù hợp với HS lớp 7 và lớp 9.
Hiện nay định nghĩa hợp pháp của cờng độ dòng điện dựa trên tác dụng từ của dòng điện có thể quan sát đợc : “Ampe là cờng độ dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn song song dài vô hạn, tiết diện ngang rất nhỏ đặt cách nhau 1m trong chân không thì mỗi mét chiều dài của mỗi dây có một lực từ tác dụng là 2.107N”.
ở lớp 7 cũng căn cứ vào tác dụng nhiệt của dòng điện để so sánh dòng
điện mạnh hay yếu một cách định tính có thể chấp nhận đ ợc : Dòng điện qua một bóng đèn càng mạnh (cờng độ càng lớn) thì đèn càng sáng (càng nóng).
Nhng nhận xét định tính đó cha đủ để có thể đo đợc độ mạnh yếu một cách
định lợng, chính xác. Phải kết hợp với một dụng cụ đo là ampe kế. Mắc ampe kế nối tiếp với một bóng đèn. Khi có dòng điện chạy qua, đèn sáng, đồng thời
kim của ampe kế quay. Đèn càng sáng (cờng độ dòng điện càng lớn) thì góc quay của kim ampe kế càng lớn. Vậy căn cứ vào góc quay của kim có thể biết cờng độ dòng điện lớn hay nhỏ. Thừa nhận rằng góc quay của kim tỉ lệ với c- ờng độ dòng điện.
HS cũng thừa nhận đơn vị đo cờng độ dòng điện là ampe mà không học
định nghĩa của đơn vị ampe.
4.1.3.7. Hiệu điện thế
Về mặt lí thuyết : Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N của điện tr ờng là đại lợng vật lí đo bằng công của lực điện tr ờng thực hiện khi di chuyển một đơn vị
điện tích dơng từ điểm M đến N :
UMN = MN A
q
Đơn vị hiệu điện thế
1 vôn = 1jun 1J 1culông 1C
Cũng giống nh với cờng độ dòng điện, định nghĩa hiệu điện thế và đơn vị
đo hiệu điện thế nh trên quá nặng về lí thuyết, không nhận biết đợc trong thực tế nên không thích hợp với THCS.
Chơng trình chỉ yêu cầu HS nhận biết đợc hai cực của nguồn điện một chiều (pin và acquy), giữa hai cực có một hiệu điện thế đo đ ợc bằng vôn kế, nhờ có hiệu điện thế mà nguồn điện có thể cung cấp dòng điện chạy qua dây dẫn nối với hai cực của nguồn điện.
Vậy ta có thể xuất phát từ một hiểu biết đơn sơ mà HS đã có trong đời sống hàng ngày là trên vỏ các pin thông dụng thờng có ghi số vôn : 1,5V ; 4,5V ; 6V... và tìm hiểu ý nghĩa của số vôn đó, nếu nối hai cực của pin (hay acquy) đó với một dụng cụ gọi là vôn kế thì thấy vôn kế chỉ đúng số vôn ghi trên mỗi nguồn điện. Tiếp theo, nếu nối hai đầu bóng đèn pin với hai cực của pin có ghi 1,5V thì đèn sáng lờ mờ, nếu nối vào hai cực của nguồn có ghi 3V thì đèn sáng hơn lên, nếu mắc vào hai cực của pin đã hỏng, vôn kế chỉ 0V và đèn không sáng. Đến đây đa ra thông báo : số vôn ghi ở mỗi nguồn điện cho biết hiệu
điện thế ở hai cực của nguồn điện. Từ đó rút ra nhận xét : nhờ có hiệu điện thế giữa hai cực mà nguồn điện có thể cung cấp dòng điện. Hiệu điện thế càng cao thì cờng độ dòng điện càng lớn.
Mỗi nguồn điện chỉ có một hiệu điện thế xác định giữa hai nguồn khi mạch hở. Khi mạch điện kín, mắc vôn kế vào hai cực của nguồn điện, vôn kế sẽ chỉ một giá trị nhỏ hơn khi mạch hở. Điều này chỉ có thể giải thích đ ợc khi học
định luật Ôm cho toàn mạch, do đó không thể giải thích cho HS THCS. Muốn có hiệu điện thế với các giá trị nhỏ hơn hiệu điện thế ghi trên các nguồn điện
thì có thể mắc nối tiếp một biến trở vào mạch điện (hình 4.2) hoặc dùng biến trở nh một biến thế kế (hình 4.3). Tuy nhiên điều này chỉ coi là một quy tắc thực hành. Sau này đến lớp 9 HS mới hiểu đợc.
H×nh 4.2 H×nh 4.3
4.1.3.8. Đoạn mạch nối tiếp và đoạn mạch song song
Chơng trình yêu cầu HS nhận biết đợc hai bóng đèn mắc nối tiếp và hai bóng đèn mắc song song. Dựa trên thí nghiệm rút ra nhận xét về sự phân bố hiệu điện thế và cờng độ dòng điện trong đoạn mạch nối tiếp và trong đoạn mạch song song. Nhng vì cha học điện trở cho nên chỉ mới đa ra đợc hai nhận xÐt ban ®Çu :
Trong đoạn mạch nối tiÕp (h×nh 4.4a)
I1 = I2
UAB = U1 + U2 = UAC + UCB
Trong đoạn mạch song song (h×nh 4.4b):
UAB = U1 = U2
I = I1 + I2
Khi hai bóng đèn (hay dụng cụ điện khác) mắc nối tiếp trong đoạn mạch thì cờng độ dòng điện qua hai bóng đèn bằng nhau. Nhận xét đó rút ra từ phép
đo cờng độ dòng điện bằng ampe kế. Tuy nhiên dòng điện qua ampe kế A1
chính bằng dòng điện qua đèn Đ1 (hình 4.4a) là điều phải thừa nhận từ bài “c- ờng độ dòng điện”. Điều lạ đáng chú ý là hai bóng đèn có công suất định mức khác nhau mắc nối tiếp với nhau trong đoạn mạch thì tuy cờng độ dòng điện đi qua hai đèn vẫn bằng nhau nhng độ sáng của hai đèn lại khác nhau. Điều này chỉ có thể giải thích đợc ở lớp 9 sau khi đã học về định luật Jun Len-xơ. Tơng tự nh vậy, ở lớp 7 cha giải thích đợc vì sao dây dẫn nối và bóng đèn mắc nối tiếp có cùng một dòng điện chạy qua nhng bóng đèn thì nóng sáng, còn dây dẫn thì
C C
H×nh 4.4