9. Cấu trúc luận văn
3.5. Phân tích kết quả thực nghiệm
3.5.1. Diễn biến tiến trình dạy học thực nghiệm. Kiểm tra chuẩn bị điều kiện xuất phát:
Khi nào xuất hiện dòng điện cảm ứng? Chiều của dòng điện cảm ứng này được xác định như thế nào?
HS trả lời được:
- Khi có sự biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch kín xuất hiện suất điện động cảm ứng (dòng điện cảm ứng).
- Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định theo định luật Lenxơ: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó.
Đặt vấn đề:
Chúng ta đã biết khi từ thông qua diện tích giới hạn bởi một mạch kín biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện một suất điện động cảm ứng.
Xét một ống dây có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong ống dây ấy có hiện tượng gì xảy ra?
Xét một ống dây có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong ống dây có từ thông biến đổi không? Vì sao?
HS trả lời được: Khi ống dây có dòng điện biến đổi chạy qua thì tạo ra từ trường xung quanh nó cũng biến đổi, từ trường của ống dây biến đổi làm từ thông qua ống dây cũng biến đổi.
Khi đó trong ống dây ấy có hiện tượng gì xảy ra?
HS trả lời được: Trong ống dây có hiện tượng cảm ứng điện từ tức là trong ống dây xuất hiện suất điện động cảm ứng (dòng điện cảm ứng).
ở đây, chấp nhận định luật cảm ứng điện từ thì ta bảo phải có. Nhưng ta vẫn còn nghi ngờ điều đó.
Vậy vấn đề đặt ra là:
Liệu có phải rằng: Khi một mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong mạch có suất động cảm ứng? kiểm nghiệm điều này thế nào?
Giải quyết vấn đề:
Để trả lời câu hỏi này thì giải pháp của chúng ta là như thế nào?
HS: không trả lời được.
Khi một mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong mạch có suất động cảm ứng. Bây giờ chúng ta xét mạch của chúng ta là một ống dây có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong ống dây có một suất điện động cảm ứng. Lúc này ống dây đóng vai trò như một nguồn điện tạm thời.
Để quan sát thấy rõ vai trò như một nguồn của ống dây lúc này ta có thể sử dụng những thiết bị nào?
HS trả lời: Bóng đèn hoặc điện kế.
Nếu sử dụng điện kế để quan sát thì sẽ rất khó nhìn rõ. Vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng bóng đèn làm thiết bị kiểm tra sự xuất hiện suất động cảm ứng trong mạch điện khi mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua.
Có những cách nào làm thay đổi cường độ dòng điện chạy qua một ống dây?
HS trả lời: Mắc ống dây vào nguồn một chiều và dùng biến trở thay đổi cường độ dòng điện qua ống.
Chúng tôi tiếp tục định hướng HS:
Ngoài hai phương án trên, nếu dùng nguồn điện một chiều còn cách nào thay đổi cường độ dòng điện qua ống dây tăng hay giảm nhanh không?
HS trả lời được là: Đóng hay ngắt mạch điện qua ống dây.
Như vậy mạch điện của chúng ta đã có thiết bị: Một nguồn điện một chiều, một ống dây, bóng đèn, khoá K dùng đóng hoặc ngắt mạch.
Vậy thì giải pháp để "Kiểm nghiệm điều: Khi một mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong mạch có suất động cảm ứng" là gì?
HS : Thiết kế mạch điện có bóng đèn, ống dây, nguồn điện, khoá K để khi đóng ngắt mạch điện ta quan sát được hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch.
Do câu trả lời của HS chưa rõ ràng, GV trình bày lại giải pháp:
Giải pháp để "kiểm nghiệm điều: Khi một mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong mạch có suất động cảm ứng" là : Ta bố trí một mạch điện có bóng đèn và cuộn dây sao cho khi làm cho dòng điện do nguồn cung cấp tăng hay giảm nhanh (đóng hoặc ngắt mạch) nếu trong cuộn dây có suất điện động cảm ứng thì cuộn dây đóng vai trò như một nguồn điện bổ xung trong mạch. Dự đoán có gì khác biệt trong sự sáng lên/tắt đi của đèn so với trường hợp nếu không có cuộn dây ở trong mạch. Làm thí nghiệm để kiểm tra dự đoán trên và nêu kết luận.
Chia lớp thành 4 nhóm. GV phát phiếu học tập số1.
Hãy thiết kế mạch điện với các thiết bị tối thiểu là: Một nguồn điện một chiều, một ống dây, bóng đèn, khoá K dùng đóng hoặc ngắt mạch và có thể
cần thêm một số thiết bị khác để quan sát được sự khác biệt trong quá trình sáng lên của đèn mắc với ống dây khi đóng khoá K so với trường hợp đèn không có cuộn dây trong mạch?
Các nhóm HS làm việc.
Các nhóm HS đều gặp lúng túng không thiết kế được mạch điện theo yêu cầu nên GV gợi ý
Để quan sát được sự khác biệt trong quá trình sáng lên của đèn mắc với ống dây khi đóng khoá K so với trường hợp đèn không mắc với ống dây trong mạch thì cần mạch điện mắc như thế nào?
HS trả lời: Mắc ống dây nối tiếp với 1 bóng đèn sau đó mắc song song với bóng đèn còn lại.
Nếu vậy thì độ sáng của hai bóng đèn như thế nào với nhau?Vì sao?
HS trả lời: Độ sáng của 2 bóng đèn không như nhau vì điện trở hai nhánh khác nhau.
GVđịnh hướng tiếp:
Để có sự khác biệt trong quá trình sáng lên của đèn mắc với ống dây khi đóng khoá K so với trường hợp đèn không mắc với cuộn dây trong mạch thì độ sáng của hai bóng đèn khi dòng điện không biến đổi như thế nào với nhau? Khi đó mạch phải được bố trí như thế nào để thoả mãn điều trên?
HS trả lời được: Khi dòng điện không biến đổi độ sáng của hai bóng đèn là như nhau. Nên cần mắc hai bóng đèn song song, bóng thứ nhất mắc nối tiếp với ống dây, bóng thứ hai mắc nối tiếp với biến trở R để đảm bảo điện trở hai nhánh là như nhau.
Hình 3.1: Học sinh đang thiết kế mạch điện cho trường hợp tự cảm khi đóng mạch điện.
GV yêu cầu các nhóm HS trình bày kết quả thiết kế được.
Trong 4 nhóm thì 3 nhóm thiết kế hoàn chỉnh được mạch điện. Còn nhóm thứ tư kết quả thiết kế không hoàn chỉnh.
Sau cùng GV thông báo mạch điện được thiết kế hoàn chỉnh là
Với mạch điện hình 2.4, khi ta bắt đầu đóng mạch hãy dự đoán hiện tượng xảy ra ở đoạn mạch có cuộn dây?
HS không có câu trả lời.
GV thêm câu hỏi gợi ý để đạt được mục tiêu:
Ngay sau khi đóng khoá K, độ sáng của hai bóng đèn có giống nhau không? Vì sao?
K
R
R Đ
HS trả lời theo phương án 1 là 2/3, HS trả lời theo phương án 2 là 1/3. Phương án 1: "Có, vì điện trở hai nhánh là như nhau".
Phương án 2: "Không, vì điện trở hai nhánh là như nhau nhưng cấu tạo thiết bị trong hai nhánh là khác nhau".
GV yêu cầu HS quan sát kĩ lại cấu tạo của biến trở nhiệt và ống dây để lựa chọn được câu trả lời đúng.
Khi ta bắt đầu đóng mạch, hãy dự đoán hiện tượng xảy ra ở đoạn mạch có cuộn dây?
HS đã trả lời được: Lúc mới đóng mạch điện, ở đoạn mạch có cuộn dây thì cuộn dây đóng vai trò như một nguồn điện. Theo định luật Lenxơ suất điện động của nguồn điện này có chiều chống lại sự tăng dòng điện từ nguồn cung cấp đi vào đoạn mạch ấy. Kết quả thì sự tăng của dòng điện từ nguồn cung cấp đi vào đoạn mạch ấy phải chậm hơn. Bóng đèn ở đoạn mạch có cuộn dây sáng lên chậm hơn bóng đèn không nối với cuộn dây.
GV yêu cầu các em hãy lắp ráp mạch điện hình 2.4. Tiến hành thí nghiệm, hãy chú ý quan sát tới độ sáng của 2 bóng đèn rồi cho nhận xét.
Trong quá trình làm thí nghiệm, các em có hơi lúng túng khi lắp mạch điện song song. Mặt khác sự điều chỉnh cho độ sáng của hai bóng đèn như nhau khi dòng điện không đổi của HS mất nhiều thời gian vì HS không được khéo léo. Tuy nhiên tất cả các nhóm đều làm thành công thí nghiệm.
Các nhóm đối chiếu kết quả của dự đoán hiện tượng xảy ra trong mạch và kết quả qua quan sát thí nghiệm để rút ra kết luận?
HS trả lời: Các dự đoán suy luận từ lí thuyết hoàn toàn đúng như kết quả thí nghiệm thu được.
Để tăng tính thuyết phục, GV yêu cầu HS đổi vị trí 2 bóng đèn cho nhau và đóng khoá K quan sát lại độ sáng cuả 2 bóng đèn đó và vẫn thu được kết quả như cũ. Kết quả này khiến cho HS rất hứng thú với bài giảng.
Khi đóng mạch thì đúng là có hiện tượng cảm ứng điện từ. Vậy khi ngắt mạch liệu có hiện tượng cảm ứng điện từ không? GV yêu cầu học sinh lại hoạt động theo nhóm. GV phát phiếu học tập số 2.
Hãy thiết kế mạch điện với các thiết bị tối thiểu là: Một nguồn điện một chiều, một ống dây, bóng đèn, khoá K để quan sát được sự khác biệt trong sự tắt của đèn mắc với ống dây khi ngắt khoá K ?
Hình3.3: HS đang tiến hành điều chỉnh cho độ sáng của hai đèn như nhau trước khi ngắt mạch bằng cách thay đổi biến trở.
Cả 3 nhóm đều cho kết quả là: ống dây mắc nối tiếp với bóng đèn sau đó mắc nối tiếp với khoá K rồi nối với nguồn điện. Một nhóm còn lại thiết kế đạt
yêu cầu. Nên GV đưa câu hỏi giúp HS nhận ra đáp án đúng hay sai.
Khi ngắt khoá K, có dòng điện từ nguồn vào ống dây không? Vậy các
thiết bị đã được cung cấp sẽ mắc như thế nào với ống dây thì đúng?
HS trả lời: Khi ngắt khoá K, không có dòng điện từ nguồn vào ống dây. Vậy bóng đèn mắc song song với ống dây rồi cả đoạn mạch mắc nối tiếp với
khoá K rồi mắc nối tiếp với nguồn một chiều.
Với mạch điện hình 2.5, khi ngắt mạch hãy dự đoán hiện tượng xảy trong đoạn mạch đó?
HS trả lời được: Khi ngắt mạch điện thì cuộn dây đóng vai trò như nguồn điện. Theo định luật Lenxơ suất điện động của nguồn điện này có chiều chống lại sự biến thiên của dòng điện đã sinh ra nó. Tức là nó chống lại sự giảm dòng điện khi ngắt mạch và làm bóng đèn loé sáng.
Các em hãy tiến hành thí nghiệm để kiểm tra điều dự đoán ở trên. Tuy nhiên suất điện động do ống dây sinh ra khá nhỏ nên để quan sát rõ ta sử dụng bóng đèn là một điốt phát quang để điện trở của mạch nhỏ.
GV phát các bộ thí nghiệm tới từng nhóm HS. HS lắp ráp mạch điện vừa thiết kế ở trên khá nhanh. Ngay sau đó HS tiến hành thí nghiệm tuy nhiên chỉ có 2 nhóm là cho kết quả ngay lập tức còn 2 nhóm thì cần GV trợ giúp bằng cách hướng dẫn HS đổi chân đèn. Nguyên nhân là đèn điốt chỉ phát sáng khi dòng điện đi vào là thuận.
R Đ
K
Các nhóm đối chiếu kết quả dự đoán hiện tượng xảy ra trong mạch và kết quả qua quan sát thí nghiệm để rút ra kết luận?
HS trả lời: Các dự đoán suy luận từ lí thuyết hoàn toàn đúng như kết quả làm thí nghiệm. Ngắt khoá K bóng đèn loé sáng rồi tắt.
Sự phù hợp của các dự đoán suy luận từ lí thuyết với thực nghiệm một lần nữa khẳng định niềm tin của chúng ta vào định luật Faradây.
Tóm lại kết luận thu được từ vấn đề đặt ra là gì? HS trả lời câu hỏi trên ở mức độ:
1. Khi một mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong mạch có hiện tượng cảm ứng điện từ.
2. Nguyên nhân xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch là do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó.
Vì HS chưa đưa được câu trả lời sát với câu hỏi nên GV chính xác lại kết luận về kiến thức mới.
1. Khi một mạch điện có dòng điện biến đổi chạy qua thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng (có hiện tượng cảm ứng điện từ).
2. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra gọi là suất điện động tự cảm
3. Hiện tượng xuất hiện suất điện động tự cảm trong mạch (hiện tượng cảm ứng điện từ trong mạch do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra) gọi là hiện tượng tự cảm.
Hiện tượng tự cảm là trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Để chuyển tiếp sang mục hai của bài học GV nêu tiếp câu hỏi.
Hãy viết biểu thức tính suất điện động cảm ứng và biểu thức tính từ
thông của một mạch điện?
HS trả lời:
- Biểu thức suất điện động cảm ứng của một khung dây có N vòng dây khi từ thông qua nó biến thiên là:
- Biểu thức tính từ thông qua một diện tích S giới hạn bởi một mạch kín là:
cos
BS
.
Đặt vấn đề:
Ta đã biết suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra gọi là suất điện động tự cảm.
Vậy vấn đề đặt ra là:
Độ lớn của suất điện động tự cảm phụ thuộc vào sự biến thiên của dòng điện trong mạch theo công thức như thế nào?
Giải quyết vấn đề:
Để thực hiện các mục tiêu đã đề ra GV từng bước hướng dẫn HS giải quyết nhiệm vụ theo yêu cầu từ cao tới thấp và vừa sức với HS.
GV ra câu hỏi gợi ý để đạt được mục tiêu:
Hãy xây dựng biểu thức tính suất điện động tự cảm qua sự biến thiên của dòng điện?
HS vẫn không có câu trả lời.
Nên GV gợi ý tiếp .
Hãy viết biểu thức tính suất điện động tự cảm qua sự biến thiên của cảm ứng B?
HS trả lời được: e N t
mà từ thông tính theo công thức cos
BS
với cos=1 nên
tc BS B e N NS t t .
Hãy biểu diễn mối quan hệ giữa sự biến thiên của cảm ứng B và sự biến thiên của dòng điện i ?
HS không trả lời được.
Đến đây GV định hướng tiếp cho HS
Hãy viết công thức tính: Cảm ứng từ của dòng điện thẳng đặt trong không khí , cảm ứng từ ở tâm của dòng điện tròn mà khung dây có N vòng đặt trong không khí , cảm ứng từ bên trong ống dây dài đặt trong không khí? Từ đó cho nhận xét về mối quan hệ giữa B và i?
HS trả lời:
+ Cảm ứng từ của dòng điện thẳng đặt trong không khí: 7
2.10 I
B
r
.
+ Cảm ứng từ ở tâm của dòng điện tròn mà khung dây có N vòng đặt trong không khí B 2 .10 7 I
R
.
+ Cảm ứng từ bên trong ống dây dài đặt trong không khí 7
4 .10
B nI
.
Vậy: B i.
Biểu diễn mối quan hệ giữa sự biến thiên của cảm ứng B và sự biến thiên của dòng điện i ?
HS trả lời: VìB i thì B i nên B i
t t
Vậy biểu thức tính suất điện động tự cảm qua sự biến thiên của dòng
điện được viết như thế nào?
Hãy phát biểu kết luận về biểu thức tính suất điện động tự cảm theo sự