9. Cấu trúc của luận văn
2.4.1. Bài 1: Từ trường
a. Mục tiêu bài học
Về kiến thức, HS cần phải:
- Nêu được khái niệm tương tác từ, từ trường, tính chất cơ bản của từ trường; - Trình bày được khái niệm cảm ứng từ, đường sức từ, từ phổ, những tính chất của đường sức từ;
- Trả lời được câu hỏi từ trường đều là gì và nêu được một số ví dụ về từ trường đều.
Về kĩ năng, HS rèn luyện được những kĩ năng sau:
- Quan sát, phân tích, tổng hợp các hiện tượng vật lí trong các TN, từ đó rèn luyện tư duy phân tích, tổng hợp, khái quát hóa;
- Làm được TN từ phổ;
- Vẽ được dạng đường sức từ bên ngoài nam châm thẳng, nam châm chữ U. Về thái độ:
- HS được bồi dưỡng tác phong làm việc khoa học, cẩn thận; - Có hứng thú trong học tập.
b. Lôgic hình thành kiến thức
Về khái niệm tương tác từ, trước hết xuất phát từ TN tương tác giữa các nam châm mà HS đã được biết ở THCS, đặt ra vấn đề là nam châm còn tác dụng lên các vật khác. TN tiếp theo sẽ đưa đến nhận xét là nam châm cũng có tác dụng lên dòng điện.Từ đó, theo định luật III Niu-tơn, dòng điện cũng có tác dụng lên nam châm và dòng điện và nam châm phải có cùng bản chất. Vấn đề đặt ra tiếp theo là dòng điện và nam châm có cùng một bản chất nào đó và có tương tác giữa chúng, vậy giữa các dòng điện có tương tác hay không? Dùng TN tiếp theo để đưa đến nhận xét là giữa
các dòng điện cũng có tương tác. Đến đây, có thể dùng TN mô phỏng lại các tương tác trên và khái quát hóa tương tác giữa các nam châm, giữa nam châm với dòng điện và giữa các dòng điện với nhau là tương tác từ.
Về khái niệm từ trường, có một số phương án để định nghĩa, tuy nhiên, các tác giả SGK nâng cao chọn phương án định nghĩa dựa vào yếu tố duy nhất là lực từ. Do đó, vấn đề duy nhất là chỉ “hình thành khái niệm lực từ là đủ” [20]. Trên lôgic đó, sau khi đã xây dựng khái niệm tương tác từ, khái niệm lực từ cũng được nêu ra dưới dạng định tính “lực tương tác trong các trường hợp đó gọi là lực từ”[11]. Tiếp đến, khái niệm từ trường được đề cập một cách cụ thể “xung quanh thanh nam châm hay xung quanh dòng điện có từ trường” và “xung quanh điện tích chuyển động có từ trường”. Tính chất cơ bản của từ trường cũng được nêu lên, từ đó, chỉ ra về mặt nguyên tắc phương pháp phát hiện sự tồn tại của từ trường thông qua biểu hiện lực từ.
Khái niệm từ trường được xây dựng ở SGK nâng cao dựa vào lực từ là tương tự như xây dựng khái niệm trường hấp dẫn ở lớp 10 và khái niệm điện trường ở đầu lớp 11. Cách xây dựng này đã tránh được tình trạng “xô lệch” giiữa các khái niệm trường hấp dẫn, điện trường, từ trường và do đó góp phần hình thành khái niệm trường một cách thống nhất cho HS. Phương án hình thành khái niệm từ trường trong SGK vật lí 11 nâng cao, về mặt nội dung khái niệm và việc tổ chức hình thành khái niệm đều đơn giản và phù hợp với qui luật phát triển tâm lí, phát triển nhận thức của HS [20].
Khái niệm đường sức từ và từ trường đều được xây dựng tương tự khái niệm đường sức điện và điện trường đều mà HS đã học. Ở đây GV thuyết trình và làm một số TN để minh họa cho HS về từ phổ, từ trường đều và mô phỏng đường sức từ.
c. Tiến trình dạy học
Theo phân tích trên, khái niệm tương tác từ có thể được hình thành cho HS theo chiến lược giải quyết vấn đề. Sơ đồ tiến trình thể hiện ở Hình 2.27.
Sử dụng TN được trực quan hóa nhờ máy tính chiếu cho HS quan sát Giữa các nam châm có tương tác với nhau, vậy giữa nam châm và dòng điện có tương tác với nhau hay không?
Tiến hành TN khảo sát
Sử dụng TN được trực quan hóa nhờ máy tính chiếu cho HS quan sát
Giữa nam châm và dòng điện có tương tác với nhau; tương tác đó cùng bản chất với tương tác giữa các nam châm.
châm tương tác với nam châm, nam châm tương tác với dòng điện, vậy giữa các dòng điện có tương tác với nhau hay không?
Một mặt suy luận từ định luật III Niu-tơn, mặt khác tiến hành TN khảo sát Vận dụng định luật III Niu-tơn để suy luận
Dòng điện có cùng bản chất như nam châm nên giữa các dòng điện cũng có tương tácCó tương tác giữa các dòng điện
Tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa nam châm với dòng điện và giữa dòng điện với nhau có cũng bản chất, đó là tương tác từ. Lực tương tác trong các trường hợp đó là lực từ.
2.4.2. Bài 2: Cảm ứng từ. Định luật Ampe a. Mục tiêu bài học
Về kiến thức, HS cần phải:
- Phát biểu được định nghĩa và nêu được ý nghĩa của cảm ứng từ;
- Viết được công thức của định luật Am-pe về lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện;
- Phát biểu được nội dung nguyên lí chồng chất từ trường. Về kĩ năng, HS cần phải:
- Vận dụng được kiến thức để giải một số bài tập trong SGK và sách bài tập; - Biết sử dụng các thiết bị TN như cân Ohaus, bộ nguồn một chiều;
- Rèn luyện kĩ năng đọc và thu thập số liệu, xử lí số liệu bằng máy vi tính, nhận xét kết quả thực nghiệm.
Về thái độ, góp phần bồi dưỡng cho HS:
- Tác phong làm việc khoa học, tính cẩn thận tỉ mĩ; - Tính trung thực, tinh thần hợp tác trong học tập.
b. Lôgic hình thành kiến thức
Ở các bài trước, chúng ta đã phát biểu một cách định tính định nghĩa cảm ứng từ, khảo sát phương, chiều của lực từ. Bài học này, sau khi tiến hành các TN khảo sát lực từ tác dụng lên dây dẫn, biểu thức định lượng của khái niệm cảm ứng từ sẽ được xây dựng. Mặt khác, trên cơ sở biểu thức độ lớn cảm ứng từ, công thức định luật Am- pe về lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều sẽ được thiết lập. Như vậy, đến bài học này, cả hai khái niệm cảm ứng từ và lực từ sẽ được xây dựng hoàn chỉnh.
Nội dung tiếp theo của bài học là phát biểu nguyên lí chồng chất từ trường. Phần này, trên cở sở nguyên lí chồng chất điện trường đã được học, GV thông báo nội dung nguyên lí này như là một nội dung tương tự.
c. Tiến trình dạy học
Trên cơ sở phân tích lôgic hình thành kiến thức của bài học, kiến thức trọng tâm được xác định là khái niệm cảm ứng từ. Hình 2.28 dưới đây thể hiện tiến trình dạy học nội dung kiến thức này.
Độ lớn lực từ (F) tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường phụ thuộc vào những yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào vào các yếu tố đó? α . .sin F B I l α =
Hệ số tỉ lệ B sẽ như thế nào với các từ trường khác nhau? α
α
2.4.3. Bài 3: Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giảna. Mục tiêu bài học a. Mục tiêu bài học
Về kiến thức, HS cần phải:
- Mô tả được dạng các đường sức từ và phát biểu đúng quy tắc xác định chiều các đường sức từ của dòng điện thẳng dài, dòng điện tròn và ống dây có dòng điện;
- Viết đúng công thức tính cảm cảm ứng từ của dòng điện thẳng, tại tâm dòng điện tròn và bên trong ống dây dài mang dòng điện;
- Biết phương pháp thực nghiệm để khảo sát từ trường của các mạch điện. Về kĩ năng, HS phải:
- Áp dụng được các quy tắc để vẽ các đường sức từ biểu diễn từ trường của dòng điện thẳng, dòng điện tròn và của ống dây có dòng điện chạy qua.
-Vận dụng kiến thức giải được các bài tập trong SGK và sách bài tập. Về thái độ:
- Có hứng thú trong học tập.
b. Lôgic hình thành kiến thức
Sau khi có khái niệm từ trường, cảm ứng từ, lực từ, đến bài này HS tìm hiểu từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản. Trong bài này, HS được khảo sát ba dạng mạch điện là dòng điện thẳng, dòng điện tròn và dòng điện trong ống dây. Lôgic chung cho việc khảo sát từ trường của các dạng mạch điện cụ thể là: làm TN từ phổ để biết hình dạng và sự phân bố các đường sức từ, tiếp đến làm TN với nam châm thử để xác định chiều đường sức từ, biểu thức cảm ứng từ được thông báo.
c. Tiến trình dạy học
Khó khăn của bài này chính là làm sao đảm bảo tính trực quan của các TN và giúp HS tin tưởng các biểu thức cảm ứng từ của các dạng dòng điện. Bởi vì biểu biểu thức cảm ứng từ của các dòng điện rất khó chứng minh mà buộc HS phải thừa nhận, do đó việc minh họa các kết quả này là cần thiết. Chính vì vậy, các TN được trực quan hóa nhờ máy tính được khai thác và sử dụng nhằm khắc phục khó khăn ấy.
Hình vẽ dưới đây trình bày tiến trình chung nhất để giải quyết bài toán nhận thức của HS về từ trường của dòng điện. Kết quả của việc giải bài toán này, HS sẽ biết được đặc điểm từ trường của các dòng điện cụ thể như dòng điện thẳng, dòng
Xung quanh dòng điện có từ trường, từ trường của dòng điện phụ thuộc vào những yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào vào các yếu tố đó?
khảo sát từ phổ và kim nam châm để khảo sát từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản.
Từ trường của dòng điện phụ thuộc vào hình dạng dòng điện và độ lớn cảm ứng từ tại một điểm phụ thuộc vào vị trí của nó đối với dòng điện và tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện điện tròn, ống dây mang dòng điện. Đồng thời HS có được sự hiểu biết khái quát về
từ trường của dòng điện.
Hình 2.30. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức về từ trường của các dòng điện
2.4.4. Bài 4: Lực Lo-ren-xơa. Mục tiêu bài học a. Mục tiêu bài học
Về kiến thức, HS cần phải:
-Trình bày được phương của lực Lo-ren-xơ, quy tắc xác định chiều của lực Lo-ren-xơ, công thức xác định độ lớn của lực Lo-ren-xơ;
-Trình bày được nguyên tắc lái tia điện tử bằng từ trường. Về kĩ năng, HS phải:
- Vẽ được phương, chiều, tính được độ lớn của lực tác dụng lên các điện tích chuyển động trong từ trường;
- Giải được các bài tập trong SGK;
- Giải thích được một số ứng dụng lực Lo-ren-xơ. Về thái độ:
- HS được rèn luyện tác phong làm việc khoa học; HS có hứng thú trong học tập.
b. Lôgic hình thành kiến thức
Đến bài học này, HS đã biết có lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Bản chất dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, vậy bản thân các điện tích chuyển động trong từ trường có chịu tác dụng của lực từ hay không? Và nếu có thì đặc điểm của lực đó như thế nào? Việc tìm câu trả lời cho các câu hỏi này sẽ dẫn đến sự hình thành khái niệm lực Lo-ren-xơ.
Ở SGK nâng cao, khái niệm lực Lo-ren-xơ được đưa ra từ TN điện tích (electron) chuyển động trong từ trường của cuộn dây Hem-hôn. Tuy mắt ta không thể nhìn thấy trực tiếp electron chuyển động nhưng căn cứ vào hình dạng vệt sáng mà nó tạo ra khi iôn hóa do va chạm với các phân tử khí trong bình để biết hình dạng quỹ đạo chuyển động của lectron. Lúc đầu, chưa cho dòng điện vào vòng dây Hem-hôn thì vệt sáng màu xanh có dạng đường thẳng, nghĩa là ban đầu electron chuyển động thẳng. Sau khi cho dòng điện vào cuộn dây Hem-hôn thì electron chuyển động tròn. Điều đó chứng tỏ lúc này đã có lực nào đó tác dụng lên electron. Khi cuộn dây Hem-hôn có dòng điện thì xung quanh có từ trường, vậy lực tác dụng lên electron chỉ có thể là lực từ. Như vậy, TN này chứng tỏ điện tích chuyển động trong từ trường chịu lực từ tác dụng, lực đó gọi là lực Lo-ren-xơ.
Từ hình dạng quỹ đạo electron tác giả SGK lập luận để đưa ra đặc điểm về phương của lực Lo-ren-xơ. Quỹ đạo của electron nằm trong mặt phẳng vuông góc với đường sức từ chứng tỏ phương của lực Lo-ren-xơ vuông góc với các đường sức từ. Mặt khác, quỹ đạo là đường tròn chứng tỏ phương của lực Lo-ren-xơ vuông góc
với vec tơ vận tốc electron. Từ đó, đi đến kết luận phương lực Lo-ren-xơ vuông góc với mặt phẳng chứa các đường cảm ứng từ và vectơ vận tốc hạt [12].
Chiều của lực Lo-ren-xơ có thể được suy ra từ chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện với lưu ý về dấu điện tích của hạt còn độ lớn lực Lo-ren-xơ được thông báo.
Phần ứng dụng lực Lo-ren-xơ giới thiệu nguyên tắc lái tia điện tử bằng từ trường trong ống phóng điện tử. Phần này rất sát với nội dung của về lực Lo-ren-xơ do đó HS có thể vận dụng dễ dàng.
c. Tiến trình dạy học
Sau khi phân tích lôgic hình thành kiến thức, chúng tôi nhận thấy rằng, có thể tổ chức hoạt động nhận thức cho HS nghiên cứu sự tồn tại của lực Lo-ren-xơ với sự hỗ trợ của các TN được trực quan hóa bằng máy tính. Giai đoạn này rất quan trọng đối với sự hình thành niềm tin ở HS về định luật lực Lo-ren-xơ. Vì vậy, cần thiết phải sử dụng các TN về chuyển động điện tích trong từ trường. Tuy nhiên, các TN này phải quan sát trong buồng tối nên việc tiến hành TN trên lớp gặp nhiều khó khăn. Hơn nữa, các TN này chưa được trang bị ở trường phổ thông một cách đại trà nên việc dùng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính là một giải pháp tốt.
Ở giai đoạn này, bằng cả hai con đường, một là suy luận từ lí thuyết dựa trên bản chất của dòng điện, hai là dùng các TN để đi đến kết luận về sự tồn tại của lực từ tác dụng lên các điện tích chuyển động trong từ trường.
Phần tiếp theo, GV yêu cầu HS liên hệ với lực Am-pe và hiện tượng xảy ra trong các TN vừa quan sát để lập luận, đưa ra các đặc điểm của lực Lo-ren-xơ. Về độ lớn lực Lo-ren-xơ, GV thông báo, HS có thể xem chứng minh ở phần chữ nhỏ SGK.
Cuối cùng, trong phần vận dụng, GV yêu cầu HS tự đọc SGK và trình bày. GV giúp đỡ giải đáp những vướng mắc của HS.
Hình 2.31 dưới đây thể hiện sơ đồ tiến trình tổ chức cho HS tìm hiểu vấn đề về sự tồn tại của lực Lo-ren-xơ.
Bản chất dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Do đó, có lực từ tác dụng lên dòng điện thì cũng sẽ có lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động. Trong từ trường, khi dây dẫn không có dòng điện, các điện tích (electron tự do) chuyển động hỗn độn nên mặc dù có lực tác dụng lên các điện tích đó nhưng hợp lực tác dụng lên dây dẫn bằng không. Khi có dòng điện, các điện tích chuyển động có hướng ưu tiên vì vậy lực từ tác dụng lên dây dẫn khác không.
Hình 2.31. Sơ đồ tiến trình tìm hiểu sự tồn tại của lực Lo-ren-xơ
2.5. Kết luận chương 2
Dựa trên cơ sở lí luận về tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học