Chương 2. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC DỰA TRÊN VẤN ĐỀ CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI” VẬT LÍ 11 NẦNG CAO
2. Công và công suất của nguồn điện
2.3.2. Thiết kế tiến trình dạy học bài 13: Định luật Ôm đối với toàn mạch
Kiến thức
- Phát biểu được quan hệ giữa suất điện động của nguồn và tổng độ giảm điện thế trong và ngoài nguồn.
- Phát biểu được nội dung định luật Ôm cho toàn mạch.
- Tự suy ra định luật Ôm cho toàn mạch từ định luật bảo toàn năng lượng.
- Trình bày được khái niệm hiệu suất của nguồn điện.
Kỹ năng
- Mắc mạch theo sơ đồ.
- Giải các dạng bài tập có điện quan đến định luật Ôm cho toàn mạch.
b) Xây dựng vấn đề cần nghiên cứu
Thấy tiền điện tăng cao, ba Tùng thực hiện nhiều biện pháp tiết kiệm điện cho cả nhà như là mọi người bật một chiếc tivi để xem chung chứ không bật hai, ba chiếc cùng một lúc. Hôm đó, gia đình Tùng vừa ăn cơm vừa xem chương trình “Thế giới động vật”. Chương trình đang chiếu về một loại cá chình ở Nam Mỹ có thể giết chết các con cá mà nó bắt làm mồi bằng các dòng điện xung đến 1A. Tùng cảm thấy khá ngạc nhiên vì con cá lại có thể sản ra đươc dòng điện lớn như vậy mà chính nó không bị giật chết? Đang mãi suy nghĩ về vấn đề này thì điện thoại báo chuông, vài phút sau mẹ thông báo với cả nhà một tin không vui là bác của Tùng bị thương khá nặng vừa nhập viện. Mẹ có nói sơ về nguyên nhân bác Tùng bị tai nạn là do nghe điện thoại lúc đang sạc pin và máy bị phát nổ. Lúc vào bệnh viện, thấy bác băng bó đầy mình, Tùng thực sự cảm thấy thương bác vì không ngờ hậu quả lại nghiêm trọng đến thế. Trong đầu Tùng không khỏi thắc mắc, vì sao chương trình Tùng xem trưa nay, con cá phóng ra dòng điện xung đến 1A mà nó không bị làm sao, còn bác mình bị dòng điện của nguồn phóng qua lại bị tai nạn nặng đến vậy, phải chăng có sự khác nhau giữa hai nguồn điện này?
Phần 1: “Cuộc sống kì lạ của chú cá Chình”
Tùng không hết băn khoăn nên mang câu chuyện chia sẻ với bạn bè, nhóm bạn cùng học với Tùng sẵn sàng tìm kiếm thông tin, nghiên cứu sách vở báo chí để giải đáp thắc mắc của Tùng và cũng là của chính nhóm bạn đó.
Câu hỏi 1: Giúp Tùng tìm hiểu tại sao con cá chình lại có thể phát ra dòng điện được?
Các bạn Tú, Thanh, Hà, Mạnh cùng Tùng tìm kiếm thông tin. Nhóm bạn chia thành 2 nhóm nhỏ: Nhóm 1 gồm có Mạnh, Tú tìm kiếm thông tin trên internet và nhóm 2 gồm có Hà, Thanh, Tùng tìm kiếm trên SGK, báo chí và một số tài liệu tham khảo.
Sau một ngày tìm kiếm thì nhóm của Mạnh, Tú đã thu thập đầy đủ về chú cá chình có kèm theo giải thích về hiện tượng phóng điện của nó.
Hình 2.4. Cá chình điện Nam Mỹ
Mạnh và Tú đưa thông tin: cá chình sông ở vùng sông Amazon (Nam Mỹ), tại những nơi có ít khí ôxy. Ở hai bên sống lưng của cá chình điện, có 2 “nhà máy điện”, mỗi “nhà máy” gồm 70 “cột điện” đấu song song, mỗi “cột” là một chồng gồm 6.000 tế bào phát điện đấu nối tiếp. Lúc gặp mồi hoặc kẻ thù, cá chình điện có thể phóng một loạt từ 10 đến 30 “cú điện” với điện thế lên tới 900V đến 1000V có thể quật ngã và làm tê liệt đối thủ.
Ngoài ra, cá chình điện còn có thể phát liên tục những xung động điện với điện thế thấp để định hướng và thăm dò môi trường trong những vùng nước đục
hoặc tối tăm. Thực ra cơ quan phát điện chính của cá nằm ở phần thân, điện ở đuôi tạo ra yếu hơn và giữ vai trò định vị, định hướng bơi của cá. Ngoài ra 550V là điện áp phát ra từ một con cá chình Nam Mỹ trung bình, với con trưởng thành điện áp lên tới 750V. Cá chình điện Nam Mỹ (Electrophorus electricus) hay còn gọi là Lươn điện (The Electric Eel) sống ở phía Bắc Nam Mỹ chủ yếu ở lưu vực sông Amazon và sông Orinoco Peru, con trưởng thành có thể dài 2,5m nặng 20 kg.
Chúng có một vũ khí săn mồi đáng sợ, đó là cơ quan phát điện của cá (EOD electric organ discharges) được tổng hợp từ 3 phần: phần chính tích điện (Main Organ), phần săn mồi phát động điện (Hunter’s Organ) và phần đuôi định vị (Sach’s Organ) [40].
Như vậy các bạn đã giải thích được phần nào cho Tùng về tại sao cá chình lại có thể phát ra điện đó chính là bên trong cá chình có bộ phận đóng vai trò là một nguồn điện.
Tuy nhiên Tùng vẫn băn khoăn nên đưa ra câu hỏi thứ 2: Tại sao con cá chình có thể phóng điện giết chết hoặc làm tê liệt con cá khác mà lại không giết chết hoặc làm tê liệt cơ thể của nó?.
Nhóm bạn tiếp tục tìm kiếm, họ tìm thấy trong SGK và mạng internet nói rằng: Bộ nguồn điện của cá chình điện Nam Mỹ gồm các bản điện (nguồn) được xếp thành 140 dãy, mỗi dãy chứa 5000 bản điện ghép nối tiếp, mỗi bản này có suất điện động 0,15V và điện trở trong r = 0,25Ω. Như vậy, bộ nguồn sinh học của cá có suất điện động 750V và điện trở trong 8,93Ω. Nếu nước có điện trở R = 800Ω thì dòng điện mà cá phóng qua nước từ đầu đến đuôi của nó là 0,93A. Nhờ đó, cá chình có thể giết chết con cá mà nó bắt làm mồi. Còn dòng điện chạy qua các bộ phận thân thể của nó chỉ bằng 0,0066A mà thôi.
Nhân đưa ra câu hỏi: Tại sao dòng qua con cá chình lại bé như vậy?
Nhóm của Tùng và Hà đưa ra nhận xét: Có lẽ do điện trở của con cá chình lớn quá chăng?
Tùng nghiên cứu SGK và đưa ra nhận định: Do dòng điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế và tỉ lệ nghịch với điện trở nên có lẽ điện trở của con cá chình quá lớn nên dòng điện chạy qua mình nó quá nhỏ.
Các bạn tìm ra được công thức định luật Ôm đó là I U
= R Phần 2: Truy tìm thủ phạm
Tùng tiếp tục băn khoăn và đưa ra câu hỏi thứ 3: Dòng điện qua con cá chình nhỏ nên nó không bị giật điện chết hoặc tê liệt dây thần kinh vậy tại sao bác của Tùng chỉ vì cắm sạc điện thoại với hiệu điện thế nhỏ mà lại có thể bị tai nạn nặng như vậy?
Để giải đáp thắc mắc của Tùng, các bạn trong nhóm tiếp tục truy tìm thủ phạm gây ra tai nạn cho bác bằng cách tìm kiếm thông tin trên internet và tham khảo SGK.
Nhóm của Mạnh và Tú đã thu thập được một số hình ảnh bị chập điện khi cắm sạc điện thoại qua hệ thống internet.
Hình 2.5. Tai nạn khi sạc pin điện thoại
Các bạn tìm được nguyên nhân là do chất lượng pin của điện thoại kém nên khi cắm sạc bị chập điện dễ gây tai nạn nguy hiểm và có thể dẫn tới tử vong.
Tú băn khoăn đặt ra câu hỏi thứ 4: Vậy chập mạch là như thế nào? Tại sao khi chập mạch lại có thể gây ra tai nạn?
Tùng và Thành nghiên cứu SGK trả lời: Khi mà điện trở vô cùng nhỏ hoặc dòng được nối tắt trực tiếp thì sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch khi đó dòng vô cùng lớn sẽ gây tai nạn cho người.
Nhưng Hà vẫn thắc mắc: Tại sao pin của điện thoại hỏng lại gây ra tai nạn cho người nguy hiểm đến như vậy?
Nghiên cứu các tài liệu tìm kiếm trên mạng thì Mạnh và Tú trả lời cả nhóm là: Nguyên nhân của các tai nạn là do qua cục sạc, điện đã được nắn nguồn (vì đây là bộ phận chỉnh lưu), dòng điện đi vào điện thoại rất thấp, hiệu điện thế 2 đầu pin
của điện thoại 3V. Nếu ổ cắm không tốt, dây dẫn bị trầy xước, rò điện hay bộ nạp bị hỏng hóc dẫn tới xung điện thì thay vì điện áp 3V chạy vào pin, thì 2 đầu pin sẽ là điện áp 220V và do điện trở vô cùng nhỏ dẫn đến xung điện sẽ đánh thẳng vào điện thoại, tác động vào thái dương và tai nạn nhân. Điện giật ở tay có thể không gây tử vong, nhưng khi dòng điện cực lớn với điện áp 220V tác động trực tiếp vào tai – một vị trí vô cùng nhạy cảm trên cơ thể thì gây nguy hiểm đến tính mạng.
Kết luận: Từ việc truy tìm thủ phạm mà nhóm bạn đã tìm ra được hiện tượng đoản mạch và định luật Ôm cho mạch có máy thu điện.
c) Tiến trình dạy học cụ thể
Hoạt động 1. Ổn định lớp, đặt vấn đề, phân nhóm học tập
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Ổn định lớp.
- Hướng dẫn HS chia nhóm và phổ biến cách thức tổ chức giờ học.
- Giới thiệu vấn đề: Tai nạn liên quan đến nghe điện thoại trong quá trình sạc và việc phóng điện của cá chình điện.
- Chia nhóm theo hướng dẫn.
- Tiếp nhận thông tin.
Hoạt động 2. Tìm hiểu về định luật Ôm cho toàn mạch qua câu chuyện
"Cuộc sống kì lạ của chú cá Chình"
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Giới thiệu về câu chuyện của Tùng.
Chia sẻ lo lắng của Tùng về bệnh tình của bác.
- Yêu cầu HS làm việc theo nhóm để trả lời câu hỏi.
Câu hỏi 1: Cá chình điện phát ra điện bằng cách nào? Cấu tạo và nguyên tắc phát điện của nó?
- Hướng dẫn HS tìm hiểu thông tin qua mạng, tài liệu, SGK.
- Gợi ý:
+ Tìm hiểu lịch sử phát hiện ra dòng điện.
- Tiếp nhận thông tin.
- Thực hiện việc tìm kiếm thông tin.
+ Để phát ra dòng điện trong cuộc sống cần có những điều kiện nào?
+ Nguyên lí phát điện của các nguồn điện như thế nào?
+ Cá chình điện phát ra dòng điện bằng các bản điện.
+ Nguôn điện do con cá chình phát ra là nguồn điện nào?
Hướng HS đến thắc mắc để đưa ra nguồn điện do con cá chình phát ra là nguồn điện sinh học.
+ Vậy bộ nguồn điện của cá chình điện Nam Mỹ có cấu tạo như thế nào?
+ Điện trở của nước là bao nhiêu?
+ Dòng điện chạy qua con cá chình như thế nào?
Sau khi cho HS thảo luận về nguồn điện bên trong con cá chình và dòng điện được phát ra từ con cá chình hướng, cho đại diện nhóm HS phát biểu và GV tiếp tục kể câu chuyện để dẫn dắt HS đến.
với câu hỏi 2: Vì sao con cá chình không bị chết bởi dòng điện do nó phóng ra qua cơ thể nó mà nó lại có thể giết chết được con cá khác?
HS tìm hiểu thông tin qua mạng, tài liệu, SGK.
- Gợi ý:
+ Nguồn điện sinh học bên trong con cá chình là bao nhiêu?
+ Điện trở của nước là bao nhiêu?
+ Vậy cường độ dòng điện do con cá
- HS tiếp nhận thông tin, suy nghĩ để thảo luận.
- HS thảo luận nhóm và đại diện nhóm trả lời.
- HS tiếp nhận thông tin, đọc SGK và tham khảo qua mạng để thảo luận.
- HS thảo luận, đại diện nhóm trả lời về nguồn điện bên trong con cá chình và cách phóng điện của con cá chình, cho HS so sánh với kết quả các bạn của Tùng trong câu chuyện GV đưa ra.
- HS đọc SGK, xem video qua power point; nghiên cứu cùng thảo luận để tìm ra nguyên nhân và giải thích hiện tượng, hướng HS đến mối quan hệ giữa
chình phát ra là bao nhiêu?
Hướng HS đến kết luận về con cá chình:
Bộ nguồn điện của cá chình điện Nam Mỹ gồm các bản điện (nguồn) được xếp thành 140 dãy, mỗi dãy chứa 5000 bản điện ghép nối tiếp, mỗi bản này có suất điện động 0,15V và điện trở trong r = 0,25Ω. Như vậy, bộ nguồn sinh học của cá có suất điện động 750V và điện trở trong 8,93Ω. Nếu nước có điện trở R = 800Ω thì dòng điện mà cá phóng qua nước từ đầu đến đuôi của nó là 0,93A.
Nhờ đó, cá chình có thể giết chết con cá mà nó bắt làm mồi. Còn dòng điện chạy qua các bộ phận thân thể của nó chỉ bằng 0,0066A mà thôi.
- Tiếp tục cho các nhóm tìm hiểu về mối quan hệ của E, I và R bằng cách cho HS trả lời câu hỏi thứ 3: Đối với con cá chình thí dòng điện và suất điện động quan hệ với nhau như thế nào?
- Cho HS tính toán dòng điện chạy qua con cá chình.
suất điện động, điện trở và cường độ dòng điện.
- HS thảo luận đưa ra kết luận về suất điện động và cường độ dòng điện tỉ lệ thuận với nhau.
- HS tiếp nhận công việc, thảo luận nhóm và giải bài toán do GV đưa ra:
Suất điện động tổng cộng dọc theo một dãy gồm có 5000 bản điện
Edãy = 5000E = 5000. 0,15 = 750 V Điện trở tổng cộng dọc theo một dãy bằng tổng các điện trở nội
Rdãy = 5000r = 5000. 0,25 = 1250Ω Hình (b), suất điện động giữa điểm A và điểm B trên 1 dãy nào đó bằng 750V (các điểm B đều có cùng điện thế). Ta có thể vẽ lại mạch như hình (c)
Điện trở tương đương Rtd = Rdãy /140 = 8,93Ω. Áp dụng quy tắc mạch vòng cho đoạn mạch Edãy - iRnước - iRtđ =0
Suy ra i = 750/(800+8,93) = 0,93 A
- GV kể tiếp kết quả câu chuyện của nhóm bạn Tùng đã tìm ra, yêu cầu HS đối chiếu với kết quả của mình.
- Cho HS xem video giới thiệu về concá chình ở Nam Mỹ.
- GV xây dựng nội dung định luật Ôm.
Vì các dãy giống nhau nên dòng đi vào và dòng đi ra của cá điện là idãy = i/140
= 0,93/140 = 6,6.10-3 A
Như vậy dòng đi qua cá điện là nhỏ nên nó không bị choáng váng hay tự giết chết mình.
- HS tiếp nhận thông tin.
- HS thảo luận và phát biểu định luật Ôm.
Hoạt động 3. Tìm hiểu về hiện tượng đoản mạch và trường hợp mạch ngoài có máy thu điện thông qua câu chuyện "Truy tìm thủ phạm"
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Tiếp tục câu chuyện của Tùng và cho HS chia sẻ với Tùng về tai nạn của bác và giúp Tùng trả lời câu hỏi số 4: Tại sao bác của Tùng lại bị tai nạn nghiêm trọng liên quan đến nguồn điện sạc máy điện thoại còn cá chình điện phóng ra dòng điện gần bằng 1A mà cơ thể của nó không ảnh hưởng gì?
- Hướng dẫn HS tìm kiếm tài liệu trên mạng và thông qua SGK.
- Gợi ý:
+ Chú ý là dòng điện qua cơ thể con cá chình rất bé mặc dù nó phát ra dòng điện lớn
+ Vậy dòng điện chạy qua cơ thể bác của Tùng có lớn không?
- HS tiếp nhận thông tin và suy nghĩ.
- HS thảo luận nhóm để truy tìm thủ phạm gây tai nạn cho bác của Tùng.
+ Sạc điện thoại là loại nguồn nào? Máy thu hay máy phát?
Hướng HS tới việc nếu sạc bình thương thì dòng điện sẽ đi vào và tích điện cho pin của điện thoại nhưng nếu điện thoại bị trầy xước, dây cắm bị hở thì dẫn tới rò điện hay bộ nạp bị hỏng hóc do hiện tượng đoản mạch khi đó sẽ tạo ta xung điện và con người có thể chịu đựng dòng điện lớn phóng thẳng vào người với điện áp 220V gây ra tai nạn.
+ Hướng HS đến hoạt động xem việc sạc pin của điện thoại như là máy thu điện trong mạch điện và hiện tượng hỏng pin đã gây ra tai nạn cho bác của Tùng.
+ GV trình chiếu các hiện tượng đoản mạch và một số hiện tượng xung điện trong cuộc sống. Tổ chức cho HS thảo luận nếu R = 0Ω thì dòng điện quá lớn dẫn đến đoản mạch.
- HS thảo luận, đại diện phát biểu và nhóm còn lại bổ sung.
- HS thảo luận và đưa ra kết luận về hiện tượng đoản mạch.
Hoạt động 4. Tổng kết
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Tổ chức làm việc theo nhóm: Tổng kết các kiến thức đã tìm được mà HS cho là quan trọng dưới dạng văn bản và thuyết trình trước cả lớp.
- Yêu cầu các nhóm khác thảo luận và bổ sung các ý kiến khác để hoàn thiện phiếu tổng kết kiến thức.
- GV nhận xét, đánh giá kết quả làm việc của các nhóm.
- Tổng kết ghi lại kiến thức quan trọng đã và trình bày.
- HS thảo luận nhóm và phát biểu ý kiến.
- GV phát phiếu tổng kết kiến thức yêu cầu HS về nhà ghi lại vào vở.
- Tổng kết giờ học, yêu cầu HS nộp lại các phiếu học tập để GV chấm điểm, - GV giao bài tập về nhà cho HS.
- HS tiếp nhận thông tin.
- HS nộp lại sản phẩm.
- HS tiếp nhận thông tin.
Phiếu tổng kết kiến thức của bài Bảng 2.2. Phiếu tổng kết kiến thức số 2
PHIẾU TỔNG KẾT KIẾN THỨC
Bài 13: ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỐI VỚI TOÀN MẠCH ...