7. Bố cục khóa luận
2.1.1. Đặc điểm chung của chương “Cảm ứng điện từ”
“Cảm ứng điện từ” là chƣơng kết thúc phần: “Điện học - Điện từ học”.
Có thể nói, chƣơng “Cảm ứng điện từ” là nhịp cầu nối giữa các hiện tƣợng điện từ đã nghiên cứu trƣớc đó (dòng điện sinh ra từ trƣờng, từ trƣờng của một số dòng điện đơn giản) với những nội dung sẽ nghiên cứu (nguyên tắc sinh ra dòng điện xoay chiều; nguyên tắc hoạt động của máy phát điện một chiều và xoay chiều, máy biến thế, động cơ kh ng đồng bộ ba pha...). Học sinh có thể hiểu sâu sắc bản chất vật lí của những ứng dụng kĩ thuật sẽ học ở lớp 12 khi hiểu về bản chất của hiện tƣợng cảm ứng điện từ và những quy luật tri phối hiện tƣợng này. Chƣơng này giúp học sinh nắm vững những hiện tƣợng, khái niệm, định luật và nguyên lí của các ứng dụng liên quan giữa hai hiện tƣợng: “điện” và “từ” thƣờng gặp trong đời sống, khoa học kĩ thuật. Cùng với đó chƣơng học này còn là phƣơng tiện để rèn luyện các kĩ năng thực hành, hoạt động trí óc và tay chân, qua đó mở rộng vốn hiểu biết cơ bản đồng thời phát huy tính tích cực, tự lực, năng lực sáng tạo của học sinh.
2.1.2. Nội dung kiến thức cơ ản thuộc chương “Cảm ứng điện từ”
Trong chƣơng trình SGK Vật lí 11(nâng cao) chƣơng “Cảm ứng điện từ” gồm các bài đƣợc sắp xếp nhƣ sau:
Bài 38: Hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng
Bài 39: Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động Bài 40: Dòng điện Fu-cô
Bài 41: Hiện tƣợng tự cảm Bài 42: Năng lƣợng từ trƣờng Bài 43: Bài tập về cảm ứng điện từ
Nội dung kiến thức chương:
* Hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng:
Khái niệm từ thông
Hiện tƣợng cảm ứng điện từ
Suất điện động trong một đoạn dây dẫn chuyển động
Dòng điện Fu-cô * Hiện tƣợng tự cảm:
Hiện tƣợng tự cảm
Suất điện động tự cảm
Năng lƣợng từ trƣờng
2.1.2.1. Các kiến thức cơ bản về hiện tượng cảm ứng điện từ và suất điện động cảm ứng
* Khái niệm từ thông
- Định nghĩa: Giả sử có một mặt phẳng diện tích S đƣợc đặt trong từ trƣờng đều B,
n là véctơ pháp tuyến của S. Chiều
n có thể chọn tùy ý. Góc hợp bởi B và n kí hiệu là . Đại lƣợng = BScos đƣợc gọi là từ thông qua diện tích S.
- nghĩa: từ th ng đặc trƣng cho số đƣờng sức từ xuyên qua một diện tích nào đó.
- Đơn vị: Wb (vêbe)
- Hiện tƣợng cảm ứng điện từ là sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi từ thông qua mạch đó biến đổi. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín là suất điện động cảm ứng.
- Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông biến thiên; nếu ngừng biến đổi thì dòng điện cảm ứng tắt.
- Chiều dòng điện cảm ứng (Định luật Len-xơ): Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng mà nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
- Định luật Fa-ra-đây: Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín, nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy (tức là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ th ng) và đƣợc tính bằng biểu thức:
|ec| = k|
t
|
- Trong hệ SI: k = 1. Nếu kể đến định luật Len-xơ thì trong hệ SI công thức xác định suất điện động cảm ứng đƣợc viết dƣới dạng:
ec=
t
(dấu trừ biểu diễn định luật Len-xơ)
- Nếu mạch kín có N vòng dây thì ec= N t
. Trong đó: là từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây.
* Suất điện cảm ứng điện từ trong một đoạn dây dẫn chuyển động
Xét một khung dây MNPQ trong đó thanh MN có thể chuyển động đƣợc. Khung dây đặt trong từ trƣờng đều. Khi đoạn MN chuyển động không vuông
góc với các đƣờng sức từ thì trong đoạn dây dẫn xuất hiện một suất điện động cảm ứng.
- Chiều: Xác định bằng quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải hứng các đƣờng sức từ, ngón cãi choãi ra 900
hƣớng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây đóng vai trò là một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dƣơng của nguồn điện đó”.
- Độ lớn: Xác định bằng công thức: |ec| = Blv l: là chiều dài thanh MN
v: vận tốc thanh MN
* Dòng điện Fu-cô
Dòng điện cảm ứng đƣợc sinh ra ở trong một khối vật dẫn khi vật dẫn chuyển động trong từ trƣờng hay đặt trong từ trƣờng biến đổi theo thời gian là dòng Fu-cô.
Đặc tính chung của dòng Fu-cô là tính chất xoáy hay các đƣờng dòng của dòng Fu-c là các đƣờng cong kín trong khối vật dẫn.
2.1.2.2. Các kiến thức cơ bản về hiện tượng t cảm * Hiện tượng t cảm
- Hiện tƣợng tự cảm là hiện tƣợng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch điện đó gây ra.
Trong mạch điện của dòng điện kh ng đổi, hiện tƣợng tự cảm thƣờng xảy ra khi đóng mạch (dòng điện tăng lên đột ngột từ trị số 0) và khi ngắt mạch (dòng điện giảm đến bằng 0). Trong mạch điện xoay chiều luôn luôn có xảy ra hiện tƣợng tự cảm.
* Suất điện động t cảm
- Suất điện động đƣợc sinh ra do hiện tƣợng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm.
- Công thức xác định suất điện động tự cảm:
etc= L i t
trong đó i là độ biến thiên cƣờng độ dòng điện trong mạch trong thời gian t; L là hệ số tự cảm (hay độ tự cảm) của mạch có giá trị tùy thuộc hình dạng và kích thƣớc của mạch, có đơn vị là henri (H); dấu trừ biểu thị định luật Len-xơ.
Từ thông tự cảm qua mạch có dòng điện i: = Li
Độ tự cảm của ống dây dẫn dài có chiều dài l và số vòng dây N:
Trong đó n là số vòng dây trên đơn vị dài của ống.
V là thể tích của ống.
* Năng ượng từ trường
- Khi có dòng điện chạy qua ống dây thì trong ống dây có từ trƣờng. Vì vậy, ngƣời ta quan niệm rằng năng lƣợng của ống dây chính là năng lƣợng từ trƣờng trong ống dây đó và đó đƣợc tính bằng biểu thức:
2 7 2 1 1 .10 2 8 W Li B V
(B là cảm ứng từ của từ trƣờng trong ống dây) - Mật độ năng lƣợng từ trƣờng là: 1 7 2
w .10
8 B
2.2 Soạn thảo tiến trình dạy một số bài thuộc chƣơng “Cảm ứng điện từ” trong SGK Vật lí 11 (nâng cao)
Bài 38: HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ SUẤT ĐỘNG CẢM ỨNG (Tiết 1)
I. Mục tiêu
1. Kiến thức
- Phát biểu đƣợc định nghĩa, ý nghĩa của từ thông.
- Viết đƣợc biểu thức của từ th ng và đơn vị của từ thông.
- Nắm đƣợc khái niệm dòng điện cảm ứng, suất điện động cảm ứng, hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
2. Kĩ năng
Sử dụng biểu thức định nghĩa từ th ng để giải các bài tập liên quan.
II. Chuẩn bị
1. Giáo viên
Dụng cụ: Một ống dây, một thanh nam châm, một điện kế rất nhạy, một vòng dây hoặc một cuộn dây phẳng, một biến trở, một khóa đóng ngắt điện, một bộ pin hoặc ac - quy.
2. Học sinh
Ôn lại hiện tƣợng cảm ứng điện từ đã học ở lớp 9.
III. Tiến trình dạy học
1. Ổn định tổ chức 2. Kiểm tra i cũ
Câu hỏi kiểm tra: Khi đƣa một nam châm lại gần một dây dẫn mang dòng điện thì có hiện tƣợng gì xảy ra? Và có kết luận gì?
a. Đặt vấn đề: Thí nghiệm Ơ-xtét cho biết dòng điện sinh ra từ trƣờng. Ngƣợc lại từ trƣờng có thể sinh ra dòng điện đƣợc không và trong trƣờng hợp nào có thể sinh ra đƣợc? Để tìm hiểu vấn đề này ta vào bài học ngày hôm nay.
b. Nội dung
Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung cơ bản
- GV giới thiệu cho HS thí nghiệm 1 trong SGK: + Dụng cụ: nam châm thẳng, ống dây, điện kế. + Bố trí thí nghiệm: nhƣ hình 38.1 SGK. + Tiến hành:
- Nam châm và ống dây đứng yên, rồi nối ống dây với điện kế.
- GV đặt câu hỏi:
+ Hiện tƣợng gì xảy ra? + Nam châm gây ra xung quanh nó một từ trƣờng từ trƣờng này có sinh dòng điện không?
- Cho nam châm dịch chuyển lại gần và ra xa ống dây (hoặc cho ống dây dịch chuyển lại gần và ra xa nam châm) Hoạt động 1: Tìm hiểu thí nghiệm mở đầu - HS lắng nghe GV giới thiệu thí nghiệm. - Quan sát hiện tƣợng trả lời: Kim điện kế ở vị trí 0 kh ng có dòng điện trong mạch. + Từ trƣờng không sinh ra dòng điện. - HS quan sát GV tiến hành thí nghiệm và rút ra nhận xét: khi có sự dịch chuyển tƣơng đối
1.Thí nghiệm a. Thí nghiệm 1 - Dụng cụ: nam châm thẳng, ống dây, điện kế. - Bố trí thí nghiệm: nhƣ hình 38.1 SGK. - Tiến hành: - Kết quả: + Từ trƣờng không sinh ra dòng điện. + Khi có sự dịch chuyển tƣơng đối giữa nam châm và ống dây thì kim điện kế lệch khỏi vị trí 0 trong ống dây xuất hiện dòng điện.
- Nhận xét: Trong mạch kín không có nguồn điện mà xuất hiện dòng điện thì phải
- GV đặt câu hỏi: Trong mạch kín không có nguồn điện vậy dòng điện xuất hiện trong mạch là do nguyên nhân nào?
- GV giới thiệu tiếp thí nghiệm 2 trong SGK: - Dụng cụ: một vòng dây, một điện kế, một ống dây, một biến trở, một nguồn điện, một ngắt điện - Bố trí thí nghiệm: nhƣ hình 38.2 SGK. - Tiến hành: di chuyển con chạy trên biến trở - GV tiến hành thí nghiệm yêu cầu học sinh quan sát rút ra nhận xét. - GV đặt câu hỏi: Trong thí nghiệm trên không có sự dịch chuyển tƣơng đối giữa nam châm với mạch
giữa ống dây và nam châm thì kim điện kế lệch khỏi vị trí 0 chứng tỏ trong ống dây có dòng điện.
+ HS thảo luận dự đoán là do có sự dịch chuyển tƣơng đối giữa nam châm với mạch kín. - HS lắng nghe GV giới thiệu thí nghiệm 2. - HS chú ý quan sát GV tiến hành thí nghiệm và rút ra nhận xét: khi dịch chuyển con chạy trên biến trở thì thấy kim điện kế lệch khỏi vị trí 0, khi ngừng di chuyển con chạy thì kim điện kế lại trở về vị trí 0 chứng tỏ trong vòng dây có dòng điện khi dịch chuyển con chạy trên biến trở.
có sự dịch chuyển tƣơng đối giữa nam châm và mạch kín. b.Thí nghiệm 2 - Dụng cụ: - Bố trí thí nghiệm: nhƣ hình 38.2 SGK. - Tiến hành: - Kết quả: khi dịch chuyển con chạy trên biến trở thì thấy kim điện kế lệch khỏi vị trí 0, khi ngừng di chuyển con chạy thì kim điện kế lại trở về vị trí 0 chứng tỏ trong vòng dây có dòng điện khi dịch chuyển con chạy trên biến trở.
- Nhận xét: không có sự dịch chuyển tƣơng đối giữa vòng dây và nam châm mà trong mạch xuất hiện dòng điện là do từ trƣờng trong ống dây biến đổi.
kín vậy dòng điện xuất hiện trong mạch kín là do nguyên nhân nào?
- GV đặt câu hỏi: Trong cả 2 thí nghiệm trên khi mạch kín xuất hiện dòng điện thì em có nhận xét gì về số đƣờng sức từ qua mạch kín? - GV có thể trình chiếu thí nghiệm mô phỏng để HS nhận xét về số đƣờng sức từ qua ống dây khi nam châm dịch chuyển tƣơng đối với ống dây và khi từ trƣờng trong ống dây biến đổi.
- GV thông báo : khi số đƣờng sức từ xuyên qua một đơn vị diện tích biến thiên thì có một đại lƣợng vật lí cũng biến thiên theo. Đại lƣợng vật lí đó là gì nghĩa của nó ra sao chúng ta cùng tìm hiểu phần tiếp theo.
- HS suy nghĩ trả lời câu hỏi: khi từ trƣờng trong ống dây biến đổi thì trong vòng dây xuất hiện dòng điện.
- HS thảo luận và đƣa ra câu trả lời: Số đƣờng sức từ xuyên qua mạch kín biến đổi thì trong mạch xuất hiện dòng điện.
- HS lắng nghe và hình dung vấn đề nghiên cứu tiếp theo.
c. Kết luận:
Khi số đƣờng sức từ xuyên qua mạch kín biến đổi thì trong mạch kín xuất hiện dòng điện.
- GV thông báo cho học sinh về khái niệm từ thông. Giả sử có một mặt phẳng diện tích S đƣợc đặt trong từ trƣờng đều B . Vẽ véc tơ pháp tuyến n
của S. Chiều của n có thể chọn tùy ý. Góc hợp bởi B và n kí hiệu là thì đại lƣợng: = BScos (38.1) Gọi là cảm ứng từ thông qua diện tích S, gọi tắt là từ thông qua diện tích S. - Từ biểu thức định nghĩa từ thông em có nhận xét gì?
- GV th ng báo: để đơn giản ngƣời ta quy ƣớc nếu không có những quy định bắt buộc đối với chiều của
n, thì ta chọn chiều của véctơ n sao cho α là góc nhọn. Từ đó
Hoạt động 2: Tìm hiểu khái niệm từ thông
- HS suy nghĩ trả lời: Theo định nghĩa từ th ng là đại lƣợng đại số, dấu của từ thông phụ thuộc vào việc chọn chiều của
n.
- HS lắng nghe, ghi nhận.
2. Khái niệm từ thông
a. Định nghĩa từ thông Giả sử có một mặt phẳng diện tích S đƣợc đặt trong từ trƣờng đều B , n là véctơ pháp tuyến của S. Chiều
n có thể chọn tùy ý. Góc hợp bởi B và n kí hiệu là . Đại lƣợng = BScos (38.1) đƣợc gọi là từ thông qua diện tích S. - Theo định nghĩa từ th ng là đại lƣợng đại số, dấu của từ thông phụ thuộc vào việc chọn chiều của
n - Quy ƣớc chọn chiều của véctơ n sao cho α là góc nhọn.
ta có Φ là đại lƣợng dƣơng.
- GV nêu câu hỏi: Trong công thức (38.1) nếu lấy α = 0 và S = 1 thì Φ = B. Từ đẳng thức này em có nhận xét gì?
- GV nhận xét và thông báo: Ngƣời ta dùng khái niệm từ th ng để diễn tả số đƣờng sức từ xuyên qua một diện tích nào đó. Đó là ý nghĩa của từ thông. - GV đặt câu hỏi: Từ th ng có đơn vị là gì? - HS suy nghĩ rút ra nhận xét: Φ = B thì số đƣờng xuyên qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với đƣờng sức từ thì bằng trị số của cảm ứng từ B. Nhƣ vậy, từ thông bằng số đƣờng sức từ xuyên qua diện tích S đặt vuông góc với đƣờng sức. - Từ th ng có đơn vị là vêbe (Wb). Theo (38.1) nếu cosα = 1, S = 1 m2, B = 1 T thì Φ = 1 Wb Vậy 1Wb =1T.1m2 b. nghĩa của từ thông Ngƣời ta dùng khái niệm từ th ng để diễn tả số đƣờng sức từ xuyên qua một diện tích nào đó.
c. Đơn vị của từ thông Trong hệ SI từ thông có đơn vị là vêbe (kí hiệu là Wb)
1Wb =1T.1m2
- GV yêu cầu học sinh từ thí nghiệm 1,2 và dùng khái niệm từ thông hãy phát biểu lại kết luận đƣa ra trong phần 1.
- Từ đó GV th ng báo: Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông
Hoạt động 3: Tìm hiểu về hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
- HS suy nghĩ, thảo luận đƣa ra câu trả lời: khi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín biến đổi theo thời gian thì
3. Hiện tƣợng cảm ứng điện từ
a. Dòng điện cảm ứng