9. Cấu trúc của luận văn
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
Với sự hỗ trợ của máy vi tính, từ bảng số liệu thu được trong quá trình làm TN, chúng ta vẽ được các đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực từ (F) và các yếu tố: cường độ dòng điện (I), chiều dài dây dẫn (l), góc giữa cảm ứng từ và dòng điện (α ), số nam châm.
α
Hình 2.22. Đồ thị lực từ - số nam châm và đường Linear Fit tương ứng
Dựa vào các đồ thị này, GV tổ chức cho HS nhận xét mối quan hệ giữa F và các đại lượng I, l, α . Đồng thời từ đồ thị Hình 2.22, HS thấy rằng, với các nam
Hình 2.23. TN đo từ trường Trái Đất châm khác nhau thì hệ số B (
F
=B
I.l.sinα ) khác nhau (vì đồ thị không phải là đường song song với trục hoành), vậy hệ số tỉ lệ B đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực và đó chính là độ lớn cảm ứng từ.
Ngoài ra, trong phần mềm DataStudio, công cụ Fit đồ thị giúp GV có thể so sánh đồ thị vẽ được từ TN với các dạng đồ thị toán học sẵn có. Qua đó, GV kiểm chứng nhận xét của HS một cách nhanh chóng và thuận lợi.
Với sự hỗ trợ của máy vi tính, kết quả của TN hiển thị một cách rõ ràng, HS được tham gia vào quá trình phát hiện mối liên hệ giữa lực F và các đại lượng I, l,
α. Từ đó, HS sẽ tin tưởng vào kết quả TN cũng như kiến thức thu nhận được, tính
tích cực trong hoạt động nhận thức của HS được bồi dưỡng.
e. Phương án sử dụng thí nghiệm
Với những khả năng hỗ trợ và ưu điểm như đã nêu trên, TN lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện có thể được dùng làm TN khảo sát khi dạy bài “Cảm ứng từ - Định luật Am-pe”.
2.3.3.2. Thí nghiệm 2: Đo từ trường Trái Đất a. Mục tiêu thí nghiệm
TN nhằm mục tiêu xác định các thành phần nằm ngang và thẳng đứng của từ trường Trái Đất, từ trường Trái Đất, góc từ khuynh.
b. Dụng cụ và bố trí thí nghiệm
Để tiến hành TN, chúng tôi sử dụng máy vi tính cài sẵn phần mềm DatuStudio; Sensor từ trường (Magnetic field sensor) của hãng Pasco, Sensor chuyển động quay (Rotary motion sensor)
bộ Interface 750 của hãng Pasco; kim nam châm gắn sẵn thước đo góc và có mặt phẳng quay thay đổi được; thước đo góc, buồng Zero Gaus và một số phụ kiện, giá đỡ không nhiễm từ. Các thiết bị được ghép nối với nhau như Hình 2.23.
Đo thành phần nằm ngang từ trường Trái Đất
Bước 1: Điều chỉnh thiết bị kẹp Sensor chuyển động quay sao cho góc chỉ thị là 90 độ, khi đó Sensor từ trường có thể chuyển động trong mặt phẳng ngang.
Bước 2: Đặt kim nam châm để nó có thể quay trong mặt phẳng ngang, xoay Sensor chuyển động quay dọc theo hướng của kim nam châm, sau đó đưa kim nam châm ra xa để không ảnh hưởng đến TN.
Bước 3: Xoay đầu dò của Sensor từ trường vuông góc với chiều dài Sensor chuyển động quay. Trượt buồng Zero Gauss lên trên đầu dò Sensor từ trường và ấn nút “tare” trên đỉnh của Sensor từ trường. Điều này sẽ bảo đảm độ lớn của Sensor từ trường không bị vượt quá trong suốt quá trình TN.
Bước 4: Nhấn nút “Start” trong DataStudio, xoay chậm và đều ròng rọc của sensor chuyển động quay đi một vòng theo chiều dương.
Đo từ trường Trái Đất
Bước 1: Điều chỉnh cái kẹp của Sensor chuyển động quay sao cho kim đo góc chỉ 0 độ, khi đó Sensor từ trường có thể quay trong mặt phẳng thẳng đứng.
Bước 2: Xoay đầu đo của sensor đo từ trường theo phương ngang (dọc theo chiều dài của Sensor chuyển động quay), trượt buồng Zero Gauss lên trên đầu dò Sensor từ trường và nhấn vào nút “tare” trên sensor.
Bước 3: Khi Sensor từ trường vẫn nằm ngang, nhấn nút “Start” trong DataStudio. Xoay chậm và đều ròng rọc của sensor chuyển động quay đi một vòng theo chiều dương (chỉ sẵn trên sensor chuyển động quay).
d. Kết quả thí nghiệm
Hình 2.24. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thành phần nằm ngang từ trường Trái Đất vào góc quay
Hình 2.26. Đồ thị thu được từ thực nghiệm và đường Sine Fit
Căn cứ vào đồ thị, HS có thể đoán nhận sự phụ thuộc của cảm ứng từ vào góc quay theo quy luật dạng hàm sin nhờ công cụ Fit trong DataStudio. Kết quả này
phù hợp với lí thuyết vì các giá trị đo được của từ trường Trái Đất theo các phương chính là hình chiếu của từ trường Trái Đất lên các phương đó.
Từ số liệu thu thập được, thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất (Bngang) và từ trường Trái Đất (Btổng) được xác định như sau:
ngang max ngang min -4
ngang
(B ) + (B ) 0,451+0,398
B = = = 0,4245Gs = 0,4245.10 T,
2 2
tong max tong min -4
tong
(B ) + (B ) 0,454+0,459
B = = = 0,4565Gs = 0,4565.10 T.
2 2
Dựa vào kết quả tính toán thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất và từ trường Trái Đất, góc từ khuynh θ được xác định như sau:
ngang 0 ' tong B 0,4245 cosθ = = θ 21 35 . B 0,4565 ⇒ ≈ .
e. Phương án sử dụng thí nghiệm
TN này có thể được dùng để tổ chức dạy học bài “Từ trường Trái Đất” và cũng có thể xây dựng, phối hợp với các thiết bị TN hiện có ở trường THPT để dạy bài “Thực hành: Xác định thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất”.