9. Cấu trúc của luận văn
2.3. Xây dựng, khai thác thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính
2.3.1. Khai thác các thí nghiệm trực quan hóa nhờ máy vi tính
Vận dụng quy trình đã nêu trên, chúng tôi đã tiến hành khai thác được hơn 16 hình ảnh TN và 58 video clip TN. Sau đây là một số TN khai thác được và phương án sử dụng chúng trong dạy học:
2.3.1.1. Thí nghiệm 1: Tương tác giữa hai dây dẫn mang dòng điện
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN này nhằm mục đích khảo sát sự tương tác giữa
hai dây dẫn song song mang dòng điện đặt gần nhau. Cụ thể, mục tiêu của TN là giúp HS trả lời các câu hỏi:
1- Giữa hai dây dẫn mang dòng điện đặt gần nhau có tương tác hay không? 2- Chiều của lực tương tác đó phụ thuộc vào yếu tố nào?
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: TN được sử dụng để tổ chức cho HS tìm hiểu
khái niệm tương tác từ. Với sự hỗ trợ của máy vi tính, đoạn phim TN được GV điều khiển chiếu và dừng đúng chỗ để giới thiệu dụng cụ TN, yêu cầu HS dự đoán hiện tượng, sau đó chiếu cho HS quan sát. Sau khi quan sát, HS sẽ biết được là giữa hai dây dẫn mang dòng điện có tương tác, chiều của lực
2.3.1.2. Thí nghiệm 2: Phương, chiều lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Mục tiêu của TN này là giúp HS nhận thức vấn
đề cần tìm hiểu phương và chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện và trả lời được câu hỏi: Phương và chiều lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện phụ thuộc vào những yếu tố nào?
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: GV dùng đoạn phim thứ nhất về “dây nhảy” để
đặt vấn đề vào bài. Ở đây, GV giới thiệu dụng cụ TN và trên cơ sở HS đã biết nam châm có tác dụng lực từ lên dòng điện, yêu cầu HS dự đoán hiện tượng gì sẽ xảy ra khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn. Đa số HS dự đoán là dây sẽ bị hút vào một trong hai cực của nam châm. Tiếp đến, GV chiếu đoạn phim và thấy rằng dây nhảy lên chứ không bị hút vào nam châm. HS sẽ bất ngờ và nảy sinh nhu cầu tìm hiểu. GV chưa vội giải thích mà yêu cầu HS dự đoán tiếp hiện tượng gì sẽ xảy ra khi đổi chiều dòng điện, lúc này có thể có một số HS dự đoán đúng là dây bị giật mạnh xuống dưới. Đến đây HS đã có sự hình dung ban đầu về sự phụ thuộc của của chiều lực từ vào chiều dòng điện và cảm ứng từ.
Hình 2.4. TN “dây nhảy”
TN thứ hai dùng để củng cố sau khi đã kết luận về phương chiều lực từ tác dụng lên dòng điện. GV tiến hành theo các bước: giới thiệu dụng cụ, yêu cầu HS dự đoán hiện tượng, cho HS quan sát. Thông qua số dự đoán đúng và sai GV có thể biết được mức độ hiểu và vận dụng kiến thức của HS.
Hình 2.5. TN lực từ tác dụng lên dây dẫn thẳng mang dòng điện
2.3.1.3. Thí nghiệm 3: Thí nghiệm từ phổ của nam châm thẳng và nam châm chữ U
Hình 2.6. TN từ phổ của một số nam châm
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Sau khi tiến hành TN, HS biết được hình dạng và
sự phân bố tương đối của các đường sức từ xung quanh nam châm thẳng và nam châm chữ U.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Dùng làm TN minh họa cho từ phổ các loại
Hình 2.8. Đo cảm ứng từ trong vòng Hem-hôn
2.3.1.4. Thí nghiệm 4: Thí nghiệm từ phổ của các dòng điện có dạng khác nhau
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Sử dụng TN nhằm giúp HS có được sự hình
dung về dạng của các đường sức từ của từ trường xung quanh các dây dẫn thẳng, tròn và ống dây mang dòng điện. Qua TN này HS có thể vẽ được dạng các đường sức xung quanh dây dẫn thẳng dài, tròn, ống dây mang dòng điện.
Hình 2.7. Từ phổ của dòng điện thẳng và tròn
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Các TN này dùng ở giai đoạn khảo sát đặc điểm
từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản. Kết hợp với TN về kim nam châm, HS có thể vẽ được các đường sức từ biểu diễn từ trường của dòng điện thẳng dài, tròn và của ống dây có dòng điện chạy qua.
2.3.1.5. Thí nghiêm 5: Độ lớn cảm ứng từ trong lòng cuộn dây Hem-hôn mang dòng điện
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Giúp HS biết được một trong các cách đo cảm ứng
từ trên thực tế. Qua đó, TN góp phần bồi đắp lòng tin của các em về các biểu thức định lượng cảm ứng từ tại một điểm của từ
trường gây bởi dòng điện thẳng dài vô hạn, tại tâm của dòng điện tròn và tại một điểm trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua. Mặt khác, TN này cũng chứng tỏ từ trường giữa cuộn Hem-hôn là từ trường đều, điều này giúp HS không bỡ ngỡ khi nghiên cứu TN về lực Lo-ren-xơ ở sau này, trong đó, có dùng cuộn Hem-hôn.
Hình 2.9. Hiện tượng cực quang [30]
a) Dụng cụ và bố trí TN
b) Khi chưa có dòng điện qua cuộn Hem-hôn
c) Vòng tròn sáng xuất hiện khi có dòng điện qua cuộn Hem-hôn
2.3.1.6. Thí nghiệm 6: Hiện tượng cực quang a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Tạo nhu cầu, hứng thú tìm hiểu ở HS về các hiện tượng có liên quan đến lực Lo-ren-xơ.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Dùng làm
TN mở đầu bài “Lực Lo-ren-xơ”, minh họa cho hiện tượng cực quang.
2.3.1.7. Thí nghiệm 7: Lực Lo-ren-xơ
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN giúp HS
trả lời được câu hỏi: Có lực từ tác dụng lên các hạt mang điện chuyển động trong từ trường hay không?
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Dùng để khảo sát sự tồn tại của lực Lo-ren-xơ.
Hình 2.10. TN về chuyển động của electron trong từ trường
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Giới thiệu cho HS một mô hình đơn giản về động cơ điện một chiều, tạo hứng thú trong học tập cho HS vì qua TN, HS có thể tự chế tạo được một động cơ điện một chiều.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Minh họa về động cơ điện một chiều
Hình 2.11. Mô hình động cơ điện một chiều
2.3.1.9. Thí nghiệm 9: Điện kế khung quay
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: Giới thiệu cấu tạo, hoạt động của một điện kế
khung quay.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Minh họa về cấu tạo, hoạt động của điện kế
khung quay.
Hình 2.12. Điện kế khung quay
2.3.1.10. Thí nghiệm 10: Thí nghiệm về sự tồn tại nhiệt độ Quy-ri
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN giúp HS xác nhận sự tồn tại của nhiệt độ
Hình 2.13. Thí nghiệm về sự tồn tại nhiệt độ Quy-ri
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Kiểm chứng, minh họa về sự tồn tại của nhiệt
độ Quy-ri trong khi dạy bài “Sự từ hóa các chất - Sắt từ”.
2.3.2. Khai thác các thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo
Số lượng thí nghiệm mô phỏng chúng tôi khai thác được là 11 TN. Dưới đây là một số TN trong số đó:
2.3.2.1. Thí nghiệm 1: Mô phỏng tương tác từ
Hình 2.14. TN mô phỏng tương tác từ
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN nhằm khái quát hóa tương tác từ trên cơ sở
minh họa lại hiện tượng xảy ra ở các TN thật trước đó. Nhờ TN mô phỏng, GV và HS tiết kiệm được thời gian vì không phải tiến hành lại lần lượt các TN thật trước đó; lột tả được bản chất của hiện tượng do loại bỏ các yếu tố không cần thiết.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: Phối hợp với các TN thật, dùng ở giai đoạn
2.3.2.2. Thí nghiệm 2: Đường sức từ
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN nhằm mô tả cách xây dựng đường sức từ của
từ trường, minh họa các tính chất của đường sức từ.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: TN dùng minh họa cho khái niệm đường sức
từ, dùng phối hợp với thuyết trình, giảng giải của GV.
Hình 2.15. TN đường sức từ
2.3.2.3. Thí nghiệm 3: Khung dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường
a. Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN giúp HS biết được tác dụng của lực từ lên
khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường. Ngoài ra TN cũng minh họa cho cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều đơn giản.
b. Phương án sử dụng thí nghiệm: TN dùng ở giai đoạn khảo sát lực từ tác dụng
lên khung dây có dòng điện đặt trong từ trường; minh họa khi trình bày cấu tạo và hoạt động của động cơ điện một chiều.
2.3.3. Xây dựng các thí nghiệm thực với sự hỗ trợ của máy vi tính
Bên cạnh việc khai thác các TN mô phỏng và các TN trực quan hóa nhờ máy tính, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng được hai TN thực với sự hỗ trợ của máy vi tính.
TN khảo sát lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện được máy tính hỗ trợ ở khâu lưu trữ, xử lí số liệu và hiển thị kết quả thực nghiệm, đồng thời các công cụ fit đồ thị hỗ trợ cho HS trong việc phát hiện quy luật thực nghiệm từ đồ thị.
TN đo từ trường Trái Đất được máy tính hỗ trợ trong tất cả các khâu từ thu thập, lưu trữ, xử lí số liệu, hiển thị kết quả TN một cách nhanh chóng, chính xác, trực quan cao.
2.3.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện a. Mục tiêu thí nghiệm
TN nhằm đưa ra biểu thức định nghĩa cảm ứng từ và từ đó suy ra biểu thức định luật Am-pe. Như vậy, TN này có hai mục tiêu đó là hoàn chỉnh khái niệm cảm ứng từ và khái niệm lực từ về mặt định lượng.
b. Dụng cụ và bố trí thí nghiệm
Dụng cụ TN gồm: Máy vi tính đã cài sẵn phần mềm DataStudio, cân Ohaus, bộ nguồn điện áp thấp, bộ cân dòng cơ bản, cuộn dây có gắn sẵn thước đo góc, các nam châm vĩnh cửu, đế và que đỡ làm bằng vật liệu chống nhiễm từ.
Các thiết bị được lắp ráp và bố trí như trong Hình 2.17.
c. Tiến hành thí nghiệm
Để hoàn thành mục tiêu trên, phải tiến hành tuần tự ba TN khảo sát sự phụ thuộc lực từ vào cường độ dòng điện (I), chiều dài dây dẫn (l), góc hợp bởi dây dẫn với đường sức từ (α). Cuối cùng làm TN thứ tư nhằm khảo sát hệ số tỉ lệ B đối với
các nam châm khác nhau.
Khảo sát sự phụ thuộc lực từ vào cường độ dòng điện
Bước 1: Đặt từ 4 đến 6 nam châm vào giá đỡ nam châm để tạo ra một từ trường không đổi.
Bước 2: Chọn một trong những mẫu dây dẫn để làm TN. Xác định khối lượng của giá đỡ nam châm và nam châm khi chưa có dòng điện chạy qua.
Bước 3: Mở file DataStudio, chọn “Force_Current.ds” để chuẩn bị nhập các giá trị của cường độ dòng điện và lực từ (đo bằng đơn vị gam) vào bảng số liệu “Force vs. Current table”.
Bước 4: Bật nguồn nuôi và đặt dòng điện là 0,5A. Xác định giá trị “khối lượng” mới của bộ giá đỡ và nam châm, ghi giá trị của “lực từ” sau khi đã trừ đi khối lượng của giá đỡ và nam châm khi chưa có dòng điện chạy qua vào bảng số liệu trong “Force vs. Current.ds”.
Bước 5: Tăng cường độ dòng điện lên từng bước 0,5A đến giá trị cực đại là 5,0 A, lặp lại thao tác như bước 4.
Khảo sát sự phụ thuộc lực từ vào chiều dài dây dẫn
Bước 1: Đặt từ 4 đến 6 nam châm vào giá đỡ nam châm để tạo ra một từ trường không đổi.
Bước 2: Mở DataStudio, mở sẵn file “Force_ConductorLength.ds” để chuẩn bị nhập dữ liệu lực từ và chiều dài dây dẫn.
Bước 3: Chọn một mẫu dây dẫn ngắn nhất để bắt đầu TN.
Bước 4: Xác định khối lượng của giá đỡ nam châm và nam châm khi chưa có dòng điện chạy qua dây dẫn.
Bước 5: Bật nguồn nuôi và đặt dòng điện giữa 2,0 và 3,0 A, giữ nguyên giá trí này trong suốt quá trình làm TN. Xác định giá trị “khối lượng” mới của bộ giá đỡ và nam châm, ghi lại giá trị “lực từ” sau khi đã trừ đi khối lượng của giá đỡ và nam châm lúc chưa bật nguồn vào bảng số liệu trong “Force_ConductorLength.ds”.
Bước 6: Lần lượt thay các đoạn dây dẫn khác và lặp lại các bước 4, 5.
Khảo sát sự phụ thuộc lực từ vào góc giữa dây dẫn và đường sức từ
Bước 1: Đặt giá đỡ nam châm nhỏ nhất trong bộ dụng cụ lên bàn cân. Gắn bộ phụ kiện cân dòng (Hình 2.18) lên cánh tay đòn của cân dòng và hạ thấp cuộn dây vào trong từ trường của nam châm, không để cuộn dây chạm vào giá đỡ nam châm.
Hình 2.18. Bộ phụ kiện cân dòng
Bước 2: Điều chỉnh góc α ở vị trí 0° sao cho mặt phẳng cuộn dây vuông góc
với các đường sức từ. Xác định khối lượng của giá đỡ nam châm và các nam châm khi không có dòng điện chạy qua.
Bước 3: Mở DataStudio, mở sẵn file “Force_Angle.ds” để chuẩn bị nhập dữ liệu lực từ, góc α .
Bước 4: Bật nguồn và đặt giá trị dòng điện giữa 2,0 A và 3,0 A, giữ nguyên giá trị này trong suốt quá trình làm TN. Điều chỉnh góc α bằng -90°, xác định giá
trị “khối lượng” mới của bộ nam châm, nhập giá trị “lực từ” sau khi đã trừ đi khối lượng của giá đỡ và nam châm lúc chưa bật nguồn vào bảng số liệu trong “Force_Angle.ds”.
Bước 5: Thay đổi góc α, mỗi bước tăng 10°, đến giá trị cực đại là 90°, nhập
số liệu lực từ và góc vào bảng số liệu trong “Force_Angle.ds”.
Trong TN này giữ nguyên I, l, α, chỉ thay đổi số nam châm đặt vào giá đỡ
nam châm, khảo sát hệ số F
=B
I.l.sinα ở các nam châm khác nhau. Các bước tiến hành TN như sau:
Bước 1: Mở DataStudio, mở sẵn file “Force_MagField.ds” để chuẩn bị nhập số liệu.
Bước 2: Đặt một nam châm vào chính giữa giá đỡ, chọn một trong các mẫu dây dẫn để sử dụng trong suốt TN.
Bước 3: Xác định khối lượng của giá đỡ và nam châm khi chưa có dòng điện chạy qua dây dẫn.
Bước 4: Bật nguồn nuôi và đặt dòng điện giữa 2,0 A và 3,0 A, giữ nguyên giá trị này trong suốt quá trình làm TN. Nhập số nam châm và giá trị lực từ (sau khi đã trừ đi khối lượng lúc chưa có dòng điện chạy qua dây dẫn) vào bảng số liệu trong file “Force_MagField.ds”.
Bước 5: Tắt nguồn nuôi để đưa cường độ dòng điện về 0, thêm số nam châm vào giá đỡ nam châm sao cho các nam châm ở chính giữa. Đặt giá đỡ lên bàn cân với cực Bắc và cực Nam có cùng hướng với phép đo trước. Lặp lại các bước 3, 4 cho đến khi số nam châm ở trên giá là 6.
d. Kết quả thí nghiệm
Bảng 2.1. Bảng số liệu lực từ - cường độ dòng điện
α
Hình 2.19. Đồ thị lực từ - cường độ dòng điện
Hình 2.20. Đồ thị lực từ - chiều dài dây dẫn