KHBD: Nguồn điện và mạch điện

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ BÀI HỌC CỦA PHẦN “DÒNG ĐIỆN, MẠCH ĐIỆN” – VẬT LÍ 11 HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC VẬT LÍ CỦA HỌC SINH

2.2. Thiết kế tiến trình dạy học cụ thể

2.1.2. KHBD: Nguồn điện và mạch điện

TÊN BÀI DẠY: NGUỒN ĐIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN Môn học: Vật lí - Lớp: 11

Thời gian thực hiện: 5 tiết Yêu cầu cần đạt:

- Định nghĩa được suất điện động qua năng lượng dịch chuyển một điện tích đơn vị theo vòng kín.

- So sánh được suất điện động và hiệu điện thế.

- Mô tả được ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.

- Thảo luận để thiết kế phương án hoặc lựa chọn phương án và thực hiện phương án, đo được suất điện động và điện trở trong của pin hoặc acquy (battery hoặc accumulator) bằng dụng cụ thực hành.

I. Mục tiêu 1. Về năng lực

1.1. Năng lực vật lí

* Nhận thức vật lí

- Định nghĩa được nguồn điện.

- Định nghĩa công của nguồn điện, công của lực lạ, suất điện động của nguồn điện.

- Định nghĩa được suất điện động qua năng lượng dịch chuyển một điện tích đơn vị theo vòng kín.

- Trình bày được quá trình dịch chuyển của các điện tích bên trong và bên ngoài nguồn điện.

- Nêu được lực lạ có bản chất khác với lực điện.

- So sánh được suất điện động và hiệu điện thế.

- Mô tả được ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.

- Nhận ra điểm sai và chỉnh sửa được nhận thức hoặc lời giải thích; đưa ra được những nhận định có liên quan đến nguồn điện; suất điện động, điện trở trong và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.

* Tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí

- Giải thích được vì sao nguồn điện có thể duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nó và nguồn điện là nguồn năng lượng.

- Đề xuất được vấn đề, đưa ra phán đoán và xây dựng giả thuyết, lập kế hoạch thực hiện và thực hiện thí nghiệm, viết và trình bày báo cáo về mối liên hệ giữa suất điện động, cường độ dòng điện và điện trở trong của nguồn và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.

* Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học

- Vận dụng được được kiến thức đã học để giải quyết bài toán về hiệu điện thế do cá chình điện phóng ra.

- Đánh giá được ảnh hưởng của dòng điện đó đối với bản thân cá chình và con mồi.

- Đề xuất, thảo luận để thiết kế phương án hoặc lựa chọn phương án và thực hiện phương án, đo được suất điện động và điện trở trong của pin hoặc acquy (battery hoặc accumulator) bằng dụng cụ thực hành.

- Nêu được giải pháp và thực hiện được một số giải pháp để bảo vệ thiên nhiên, thích ứng với biến đổi khí hậu; có hành vi, thái độ hợp lí đối với việc bảo vệ môi trường.

1.2. Phẩm chất và năng lực chung

- Năng lực tự học: Hiểu được suất điện động của nguồn điện, nguồn điện thông qua việc tìm hiểu trước bài học ở nhà; Thực hiện được thí nghiệm thông qua hướng dẫn tiến trình làm thí nghiệm.

- Năng lực hợp tác: Biết cách làm việc nhóm để thực hiện nhiệm vụ học tập ở trên lớp và ở nhà do GV giao thông qua PHT.

II. Thiết bị dạy học và học liệu

- Hình ảnh mô phỏng về sự tương tự giữa hoạt động của nguồn điện và người đưa bi lên dốc.

- Một số viên bi, mặt phẳng nghiêng.

- Laptop, giấy A0, bút màu.

- 4 bộ thiết bị thí nghiệm dòng điện không đổi: pin, dây dẫn, 2 đồng hồ vạn năng (hoặc vôn kế và ampe kế), điện trở, biến trở.

- 4 bộ dây tóc bóng đèn sợi đốt, nhiệt điện trở PTC, NTC.

- 4 bộ: pin, dây bạc, bông y tế.

- Phiếu hỗ trợ học tập:

+ Phiếu hỗ trợ học tập số 1:

PHIẾU HỖ TRỢ HỌC TẬP SỐ 1 Yêu cầu 1.

Mức 2.

- Nghiên cứu SGK, và https://www.kythuatcodienlanh.com/nguon-dien-la-gi- tac-dung-cua-nguon-dien/

https://diennuockhanhtrung.com/nguon-dien-la-gi để thực hiện các câu hỏi trên.

Mức 1.

- Nguồn điện có tác dụng gì?

- Dưới tác dụng của điện trường các điện tích âm, điện tích dương di chuyển như thế nào? Điện tích dương về cực nào, điện tích âm về cực nào?

- Nếu các điện tích âm, điện tích dương tiếp tục dịch chuyển theo tác dụng của điện trường về các điện cực như vậy thì điều gì xảy ra?

- Các điện tích dương, điện tích âm di chuyển như thế nào để về lại vị trí cũ?

Chiều di chuyển này có khác gì so với chiều di chuyển dưới tác dụng của điện trường?

- Muốn các điện tích dương, âm di chuyển về lại vị trí cũ thì cần có tác động gì?

Tác dụng đó do lực nào gây ra?

- So với lực điện, lực đó có bản chất như thế nào? Nó có tác dụng gì?

Yêu cầu 2.

Mức 2.

- Viên bi lăn xuống nhờ tác dụng của lực nào? Lực này tương tự với lực nào bên trong mạch điện, nguồn điện?

- Viên bi được đưa lên cao nhờ lực nào? Lực này tương tự với lực nào bên trong mạch điện, nguồn điện?

- Nguồn điện tương tự cái gì trong mô hình trên? Vì sao?

- Ngoài các đại lượng trên, bên trong nguồn điện còn đại lượng nào? Vì sao?

Mức 1.

- Mô tả quá trình chuyển động của viên bi.

- Làm thế nào để nâng các quả cầu từ chân mặt phẳng nghiêng lên đỉnh mặt phẳng nghiêng?

- Viên bi lăn xuống nhờ tác dụng của lực nào? Lực này tương tự với lực nào bên trong mạch điện, nguồn điện?

- Viên bi được đưa lên cao nhờ lực nào? Lực này tương tự với lực nào bên trong mạch điện, nguồn điện?

- Ngoài các lực kể trên, trong quá trình chuyển động, các quả cầu còn chịu tác dụng của lực gì? Lực này có tác dụng gì và tương tự như cái gì trong mạch điện kín?

- Trong mạch điện và nguồn điện có cấu tạo gì giống nhau? Bên trong nguồn điện, có lực điện không? Từ đó chứng tỏ nguồn điện có thêm đại lượng nào?

Yêu cầu 3.

Mức 2.

- Một vật có khả năng sinh công thì ta nói vật đó có gì? Từ đó nhận xét nguồn điện về phương diện năng lượng.

- Để so sánh khả năng thực hiện công của các nguồn điện, ta so sánh như thế nào? Từ đó nêu định nghĩa suất điện động của nguồn điện. Công thức tính và đơn vị của suất điện động của nguồn điện.

- Quan sát trên viên pin, cho biết số liệu nào chỉ suất động của nguồn điện? Và giá trị này được dùng dụng cụ đo như thế nào?

Mức 1.

- Từ yêu cầu 2, cho biết bên trong nguồn điện lực nào sinh công? Công của nguồn điện là gì? Một vật có khả năng sinh công thì ta nói vật đó có gì?

Từ đó nhận xét nguồn điện về phương diện năng lượng.

- Để so sánh khả năng thực hiện công của các nguồn điện, ta so sánh như thế nào? Từ đó nêu định nghĩa suất điện động của nguồn điện. Công thức tính và đơn vị của suất điện động.

- Quan sát trên viên pin, cho biết số liệu nào chỉ suất động của nguồn điện? Dùng Vôn kế đo hiệu điện thế giữa hai đầu viên pin và từ đó nêu nhận xét về suất điện động của viên pin và hiệu điện thế giữa hai đầu của viên pin khi chỉ mắc với vôn kế.

+ Phiếu hỗ trợ học tập số 2:

PHIẾU HỖ TRỢ HỌC TẬP SỐ 2 Yêu cầu 1. So sánh suất điện động và hiệu điện thế.

Mức 2.

- Điểm giống nhau giữa suất điện động và hiệu điện thế là gì?

- Điểm khác nhau giữa suất điện động và hiệu điện thế là gì?

Mức 1.

- Điểm giống nhau giữa suất điện động và hiệu điện thế về mặt hình thức:

Đơn vị của chúng là gì?

Dụng cụ đo của chúng là gì?

Khi nào thì giá trị của suất điện động bằng giá trị của hiệu điện thế?

- Điểm khác nhau giữa suất điện động và hiệu điện thế về mặt bản chất:

Suất điện động đặc trưng cho đại lượng nào?

Hiệu điện thế được đặc trưng cho đại lượng nào?

Yêu cầu 2. Dự đoán và chứng minh mối liên hệ giữa điện trở trong của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện (hay mối liên hệ giữa suất điện động và hiệu điện thế giữa hai đầu nguồn điện trong mạch kín).

Mức 2.

- Ta tách điện trở trong của nguồn điện ra bên ngoài khi đó nguồn điện được xem là lí tưởng và không có điện trở trong. Nguồn điện trong thực tế bao gồm nguồn điện lí tưởng và điện trở trong được mô tả trong phần đường nét đứt.

Lựa chọn 1 trong hai cách sau:

Cách 1: Sử dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng và định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ chứa điện trở để tìm ra mối liên hệ giữa hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện UAC và suất điện động E.

Cách 2. Sử dụng công thức tính hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch trong đoạn mạch ghép nối tiếp và định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ chứa điện trở để tìm ra mối liên hệ giữa hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện UAC và suất điện động E.

- Đề xuất và thực hiện thí nghiệm:

Từ các dụng cụ: Pin (E, r), dây dẫn, biến trở R, vôn kế, ampe kế. Hãy nêu vai trò của từng dụng cụ như thế nào?

Từ dụng cụ đó có thể bố trí sơ đồ mạch điện như thế nào? Ta cần đi đo đại lượng nào trong mạch điện đó?

Từ các số liệu, vẽ đồ thị và cho biết phương trình đường biểu diễn trên (có thể dùng máy tính hoặc vẽ tay). Từ đó kiểm chứng lại mối liên hệ giữa U, E và r.

Mức 1.

- Dự đoán mối liên hệ giữa điện trở trong của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện (hay mối liên hệ giữa suất điện động và hiệu điện thế giữa hai đầu nguồn điện trong mạch kín bằng cách sử dụng vôn kế để đọc số chỉ giữa hai cực của nguồn điện khi mạch kín và mạch hở).

Lựa chọn 1 trong hai cách sau:

- Công của nguồn điện sinh ra được tính theo công thức gì?

- Công của nguồn điện được chuyển hóa thành năng lượng gì ở đâu trong mạch?

- Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở r và R lần lượt được tính theo công thức nào?

- Sử dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật Ohm để biến đổi rút ra mối liên hệ giữa hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện UAC và suất điện động E, điện trở trong r.

- Từ đó mô tả ảnh hưởng của điện trở trong lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.

- Viết biểu thức liên hệ giữa hiệu điện thế UAB và suất điện động E.

- Viết biểu thức liên hệ giữa hiệu điện thế UAB và UR; Ur. - Dựa vào tính chất bắc cầu, viết liên hệ giữa E, UR, Ur.

- Sử dụng định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ chứa điện trở để viết ra mối quan hệ giữa UAC, E và r.

- Từ đó mô tả ảnh hưởng của điện trở trong lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.

Đề xuất và thực hiện thí nghiệm:

- Bố trí mạch điện theo sơ đồ:

- Nêu tên và vai trò của từng dụng cụ trong mạch.

Thay đổi giá trị R và đọc số chỉ Vôn kế, ampe kế trong từng lần và điền vào bảng sau:

U(V) I(A)

Từ các số liệu, vẽ đồ thị và cho biết phương trình đường biểu diễn U – I ở trên.

Khi I = 0 thì U = ? Giá trị U lúc này chính là đại lượng nào?

Từ đó kiểm chứng lại mối liên hệ giữa U, E và r.

+ Phiếu hỗ trợ học tập số 3:

PHIẾU HỖ TRỢ HỌC TẬP SỐ 3 Mức 2.

- Công thức nào chứa suất điện động và điện trở trong? Nêu các đại lượng có thể xác định bằng dụng cụ đo trong công thức?

- Từ các dụng cụ trên, ta có thể mắc các dụng cụ trên theo sơ đồ mạch điện nào?

- Từ đó nêu cách thực hiện cho từng cách mắc và công thức.

Mức 1.

Lựa chọn một trong các cách thực hiện dưới đây và nêu cơ sở lí thuyết của từng cách đo:

Cách 1.

– Mắc mạch điện theo sơ đồ:

- Đóng khóa K, thay đổi giá trị biến trở R, đọc số chỉ vôn kế và ampe kế tương ứng, và ghi lại số liệu:

U (V) I (A)

- Với 2 cặp U, I giải hệ phương trình 1 1

2 2

U E I r

 = −

 = −

 từ đó tìm ra được E, r.

Cách 2.

- Mắc mạch điện theo sơ đồ:

- Đóng khóa K, thay đổi giá trị biến trở R, đọc số chỉ vôn kế và ampe kế tương ứng, và ghi lại số liệu:

U (V) I (A)

- Vẽ đường liên hệ U, I (có thể vẽ bằng excel) từ đó xác định E, r.

- Kéo dài đường liên hệ này cắt trục U tại giá trị E (suất điện động của pin), điện trở trong của pin U

r I

= 

 .

+ Phiếu hỗ trợ học tập số 4:

PHIẾU HỖ TRỢ HỌC TẬP SỐ 4

- Bộ nguồn gồm m nguồn giống nhau ghép nối tiếp, mỗi nguồn có suất điện động E, điện trở trong r thì bộ nguồn có suất điện động và điện trở trong Eb = mE; rb = mr.

- Bộ nguồn gồm n nguồn giống nhau ghép song song, mỗi nguồn có suất điện động E, điện trở trong r thì bộ nguồn có suất điện động và điện trở trong lần lượt là Eb

= E; rb = r/n.

- Tham khảo thêm tư liệu từ các nguồn, ví dụ: https://clbsinhvatcanh.vn/ca- chinh-dien-song-o-dau-giat-co-sao-khong-co-che-bien-an-duoc-

khong/#:~:text=Ngu%E1%BB%93n%20g%E1%BB%91c%20c%E1%BB%A7a%2 0C%C3%A1%20ch%C3%ACnh,tuy%E1%BB%87t%20ch%E1%BB%A7ng%20tro ng%20S%C3%A1ch%20%C4%90%E1%BB%8F. [15]

- PHT:

+ PHT số 1

PHIẾU HỌC TẬP SỐ 1

Yêu cầu 1. GV yêu cầu HS tìm hiểu về nguồn điện thông qua các phương tiện, tư liệu có thể và trả lời các câu hỏi sau:

- Nguồn điện là gì? Vai trò của nguồn điện là gì?

- Nguồn điện hoạt động theo nguyên tắc chung như thế nào?

Yêu cầu 2. GV yêu cầu HS quan sát hình ảnh, hoặc thực hiện thí nghiệm cho một số viên bi lăn trên mặt phẳng nghiêng và dùng tay đưa các viên bi đã lăn xuống về lại đỉnh của máng nghiêng để tiếp tục duy trì quá trình trên. Từ đó, nêu sự tương tự giữa hoạt động giữa mô hình trong thí nghiệm trên và nguồn điện.

Hình 2.1. Sự tương tự giữa hoạt động của nguồn điện và mô hình thực tế Yêu cầu 3.

- Từ đó, nhận xét về nguồn điện về phương diện năng lượng. Công của nguồn điện là gì?

- Định nghĩa suất điện động của nguồn điện. Nêu công thức và đơn vị tính.

- Suất điện động của nguồn điện được xác định như thế nào trên nguồn và trong mạch điện?

+ PHT số 2:

PHIẾU HỌC TẬP SỐ 2

Yêu cầu 1. Thực hiện cá nhân so sánh suất điện động và hiệu điện thế.

Yêu cầu 2. Thực hiện theo nhóm:

- Dự đoán mối liên hệ giữa điện trở trong của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.

- Dựa vào kiến thức đã học, chứng minh được mối liên hệ trên.

- Đề xuất và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng mối liên hệ trên.

+ PHT số 3:

PHIẾU HỌC TẬP SỐ 3

Yêu cầu: Thảo luận nhóm đề xuất cơ sở lí thuyết, phương án đo và tiến hành thí nghiệm xác định suất điện động và điện trở trong của nguồn điện và hoàn thành PHT.

1. Cơ sở lí thuyết:

2. Phương án đo:

3. Kết quả:

+ PHT số 4:

PHIẾU HỌC TẬP SỐ 4 Bài tập. Cá chình điện:

Cá chình điện (Electrophorus) ẩn náu trong các sông ở Nam Mỹ giết chết các con cá mà nó bắt làm mồi bằng các xung điện. Nó thực hiện điều đó bằng cách tạo ra một hiệu điện thế vài trăm vôn dọc theo thân của nó, khi đó dòng điện chạy từ phía đầu đến đuôi của nó qua nước xung quanh. Phân tích sâu cơ quan phát điện của cá thấy rằng đó là các lớp mỏng bao quanh một lớp dịch trong và sệt, các lớp cơ tạo điện đồng bộ và được điều khiển sự phóng điện nhờ não cá, dòng điện này hình thành từ các Pin sinh học được gọi là các bản điện. Các bản điện có suất điện động E = 0,15V và điện trở trong r = 0,25Ω, được sắp xếp thành 140 dãy, mỗi dãy chứa 5000 bản điện, trải dài theo thân cá.

1. Nếu nước có điện trở Rn = 800Ω. Hãy vẽ mạch điện theo mô tả trên và tính dòng điện mà cá có thể gửi qua nước từ gần đầu đến đuôi của nó? Hiệu điện thế tối đa mà nó tạo ra ở mỗi lần phóng là bao nhiêu?

2. Hỏi dòng điện đi qua mỗi dãy có cường độ là bao nhiêu?

3. Vì sao với dòng điện đó, nó có thể làm cho con mồi choáng váng hay bị giết chết trong khi đó nó vẫn bình thường?

4. Tình trạng của loài cá này hiện nay, nguyên nhân dẫn đến tình trạng này?

5. Đề xuất giải pháp để hạn chế và khắc phục tình trạng trên? Trong các giải pháp đó, em hãy thực hiện các giải pháp có thể.

III. Tiến trình dạy học

1. Hoạt động 1: Khởi động: Từ thí nghiệm vui xác định được vấn đề cần nghiên cứu: Nguồn điện, mạch điện chứa nguồn và điện trở (20 phút)

Các phương pháp, kĩ thuật dạy học PTNL