9. Cấu trúc của luận văn
2.4.4. Bài 4 Lực Lo-ren-xơ
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