Chương 2. SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO VÀO DẠY HỌC CHƯƠNG “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” VẬT LÝ 11 THPT
2.1 Phân tích đặc điểm kiến thức chương “Cảm ứng từ”
2.1.1 Chương trình lớp 9
HS được học về hiện tượng cảm ứng điện từ sau khi đã tìm hiểu về từ trường của NC vĩnh cửu, NC điện, biết dòng điện sinh ra từ trường.
Những nội dung cơ bản liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ được phân bố trong bốn bài học trong 4 tiết thuộc chương “Điện từ” đó là:
Bài 31: Hiện tượng cảm ứng điện từ.
Bài 32: Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Bài 33. Dòng điện xoay chiều.
Bài 34: Máy phát điện xoay chiều.
Chương trình học đảm bảo cho HS đạt được những mục tiêu về kiến thức và kỹ năng sau:
- Làm được TN dùng NC vĩnh cửu hoặc NC điện để tạo ra dòng điện cảm ứng.
- Mô tả được cách làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín bằng NC vĩnh cửu hoặc NC điện.
- Sử dụng đúng hai thuật ngữ mới là dòng điện cảm ứng và hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Xác định được có sự biến thiên (tăng hay giảm) của số đường sức từ xuyên qua tiết diện S của dây dẫn kín khi làm TN với NC vĩnh cửu hoặc NC điện.
- Dựa trên quan sát TN, xác lập được mối quan hệ giữa sự xuất hiện dòng điện cảm ứng và sự biến thiên của số đường sức từ xuyên qua tiết diện S của cuộn dây dẫn kín.
- Phát biểu được điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng.
- Vận dụng được điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng để giải thích dự đoán những trường hợp cụ thể trong đó xuất hiện hay không xuất hiện
34
dòng điện cảm ứng.
- Nêu được sự phụ thuộc của chiều dòng điện cảm ứng vào sự biến thiên của số đường sức từ qua tiết diện S của cuộn dây.
- Phát biểu được đặc điểm của dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều luân phiên thay đổi.
- Bố trí được TN tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn dây dẫn kín theo hai cách, cho NC quay hoặc cho cuộn dây quay.
- Dựa vào quan sát TN để rút ra điều kiện chung làm xuất hiện dòng điện cảm ứng xoay chiều.
- Nhận biết được hai bộ phận chính của máy phát điện xoay chiều. chỉ ra được rôto và stato của mỗi máy.
- Trình bày được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều.
- Nêu được cách làm cho máy phát điện liên tục.
Nội dung kiến thức được xây dựng theo logic là ở bài đầu tiên mới chỉ yêu cầu HS quan sát kỹ lưỡng, mô tả chính xác tỉ mỉ hiện tượng:
Trong trường hợp nào thì một NC vĩnh cửu hay NC điện có thể tạo ra dòng điện. Đó mới là những nhận xét ban đầu, dấu hiệu bên ngoài của hiện tượng. Đến bài sau mới phân tích, so sánh chúng để rút ra kết luận chung về nguyên nhân, bản chất của hiện tượng. Trong bài thứ hai về điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng do HS chưa biết khái niệm “Từ thông” và
“Suất điện động” nên SGK mới chỉ đưa ra kết luận chung cho trường hợp riêng chỉ ra trong bài là “dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện S của cuộn dây biến thiên” bằng TN đưa NC vào hay kéo NC ra khỏi một cuộn dây dẫn kín. Bài tiếp theo đưa ra khái niệm dòng điện xoay chiều và HS tìm hiểu hai cách tạo ra dòng điện xoay chiều là do NC quay trước một cuộn dây và cuộn dây quay trong từ trường, những cách này đều dựa trên nguyên tắc là thay đổi số đường sức từ xuyên qua tiết diện S. Bài cuối là loại bài ứng dụng kĩ thuật của vật lí học. Vì HS thiếu kiến thức về sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng vào số vòng dây và tốc độ biến thiên từ thông nên HS không đề xuất mẫu thiết
kế máy phát điện xoay chiều mà tham gia hoạt động tìm hiểu các bộ phận chính của máy phát điện xoay chiều thông qua MH, rồi dựa vào nguyên tắc tạo ra dòng điện cảm ứng xoay chiều để giải thích tại sao máy quay lại cho dòng điện xoay chiều. Sau đó GV giới thiệu thêm một số đặc điểm của máy phát điện trong kĩ thuật và trong sản xuất.
Cuối chương “Điện từ” HS được học về máy biến thế với tính năng làm tăng hay giảm hiệu điện thế xoay chiều. Tính chất này được thiết lập bằng TN chứ không phải suy ra từ hiện tượng cảm ứng điện từ vì HS chưa được cung cấp đủ kiến thức.
2.1.2 Chương trình lớp 11 – Ban cơ bản
Dựa trên cơ sở là những kiến thức tương ứng đã học ở chương trình lớp 9, SGK đem lại sự nghiên cứu chuyên sâu hơn về hiện tượng cảm ứng điện từ và các định luật liên quan đến hiện tượng này. Có thể nói sự biến thiên từ thông như một nguyên nhân gây ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín nhưng đúng hơn chỉ nên coi sự biến thiên từ thông là dấu hiệu chứng tỏ có sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch. Còn việc giải thích nguyên nhân sâu xa thì phức tạp hơn nhiều. HS không chỉ biết dòng điện cảm ứng có chiều thay đổi mà HS còn biết sự thay đổi chiều này phụ thuộc vào sự biến thiên (tăng hay giảm) của từ thông qua mạch và định luật Len xơ giúp phát hiện chiều dòng điện cảm ứng. Do HS đã biết mỗi khi trong một mạch kín có dòng điện thì phải có suất điện động sinh ra dòng điện ấy nên có thể suy luận dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín phải được gây ra bởi suất điện động gọi là suất điện động cảm ứng. Suất điện động cảm ứng tỉ lệ với độ biến thiên từ thông. Khi từ thông qua tiết diện S của mạch điện kín biến thiên thì trong cuộn dây xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Như vậy suất điện động xuất hiện trong mạch kín có tác dụng như một nguồn điện. Nếu mạch kín thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Nếu mạch hở thì ở hai đầu cuộn dây sẽ xuất hiện hiệu điện thế giống như hai cực của một quả pin.
SGK giới hạn việc nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ trong phạm
36
vi lý thuyết là chủ yếu nên chỉ đề cập đến một ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ là dòng Fu-cô. Hai ứng dụng quan trọng của hiện tượng cảm ứng điện từ là máy phát điện và máy biến thế sẽ được khảo sát ở chương trình lớp 12 vì liên quan đến một hiện tượng vật lí là dao động.
Qua hiện tượng tự cảm HS được làm quen khái niệm độ tự cảm là một đại lượng đặc trưng cho các dòng điện biến thiên. Độ tự cảm của một đoạn mạch điện phụ thuộc vào dạng hình học của mạch.
Cơ bản nội dung của chương “Cảm ứng điện từ” được thể hiện qua các sơ đồ cấu trúc Logic sau:
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc logic nội dung
Từ thông Hiện tượng
cảm ứng điên từ
Khái niệm dòng điện cảm ứng
Chiều dòng điện cảm ứng, đinh luật Lenxơ
Dòng điện Fu-cô
Hiện tượng tự cảm
Khái niệm suất điện động cảm ứng
Biểu thức suất điện động cảm ứng trong mạch kín
Khái niệm dòng điện Fu-cô
Tác dụng
của dòng
điện Fu-cô
Khái niệm hiện tượng tự cảm
Năng lượng
từ trường
Suất điện động tự cảm
Hình 2.2: Sơ đồ biểu đạt logic của quá trình nhận thức khao học chương
“Cảm ứng điện từ”
Trên cơ sở TN về sự xuất hiện dòng điện trong mạch kín khi số đường sức từ qua mạch biến đổi đưa ra khái niệm từ thông.
Từ TN và khái niệm từ thông giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ, khái niệm dòng điện cảm ứng, suất điện động cảm ứng.
Phân tích kết quả TN tìm ra quy tắc xác định chiều dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín (Định luật Len- xơ).
Từ TN dòng điện cảm ứng xuất hiện khi khối vật dẫn chuyển động trong từ trường đưa ra khái niệm dòng điện Fu-cô.
Từ TN dòng điện cảm ứng xuất hiện do chính sự biến đổi dòng điện trong mạch đó gây ra giải thích hiện tượng tự cảm.
Suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch (Định luật Fa-ra- đây).
Giải thích sự xuất hiện dòng điện Fu-cô đưa ra khái niệm lực hãm điện từ.
Từ biểu thức định nghĩa từ thông, sự phụ thuộc của B vào i tìm được sự phụ thuộc của vào i.
Từ đó có khái niệm độ tự cảm.
Từ biểu thức suất điện động cảm ứng và biểu thức = Li tìm biểu thức suất điện động tự cảm.
Từ định luật Fa- ra-đây, định luật Len-xơ tìm ra mối quan hệ giữa hai định luật đó.
Tìm hiểu tính chất và công dụng của dòng điện Fu-cô.
Giải thích tác dụng có lợi, có hại của dòng điện Fu-cô trong một số thiết bị, máy móc.
Năng lượng từ trường
38