Tiến trình dạy học bài “TỰ CẢM”

Chương 2. VẬN DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN (MULTIMEDIA) TRONG XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CÁC BÀI CHƯƠNG “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” - VẬT LÍ 11 THPT NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ LỰC VÀ SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH

2.3. Xây dựng tiến trình dạy học các bài học của chương “Cảm ứng điện từ” - Vật lí 11 THPT

2.3.4. Tiến trình dạy học bài “TỰ CẢM”

 Mục tiêu bài học

 Kiến thức

- Học sinh giải thích được hiện tượng tự cảm khi đóng, ngắt khóa K.

- Học sinh phát biểu được định nghĩa hiện tượng tự cảm.

- Học sinh nêu được công thức Φ = L.i , ý nghĩa vật lý của độ tự cảm, công thức xác định độ tự cảm của ống dây dài đặt trong không khí: L = 4Π.10-7 n2V - Vận dụng để giải bài tập tìm hệ số tự cảm của ống dây dài.

- Học sinh nêu được công thức tính suất điện động tự cảm: tc

e L i t

  



 Kỹ năng

- Học sinh đưa ra được 2 cách làm thay đổi cường độ dòng điện trong mạch (gồm cuộn dây mắc vào nguồn 1 chiều thông qua khóa K) là đóng hoặc ngắt khóa K.

- Học sinh vận dụng được định luật cảm ứng điện từ để chứng tỏ sự tồn tại của suất điện động cảm ứng khi đóng hoặc ngắt khóa K.

- Học sinh đưa ra được các phương án thiết kế mạch điện để phát hiện sự tồn tại của dòng điện cảm ứng.

- Học sinh quan sát được thí nghiệm và rút ra kết luận.

- Học sinh phát hiện được nguyên nhân gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong 2 trường hợp đóng hoặc ngắt khóa K là do sự biến thiên của dòng điện trong

mạch.

- Học sinh vận dụng được công thức tính từ thông, cảm ứng từ của ống dây dài để tìm biểu thức xác định độ tù cảm của ống dây dài đặt trong không khí.

- Vận dụng để giải bài tập tìm hệ số tự cảm của ống dây dài.

- Học sinh vận dụng được công thức để tìm suất điện động tự cảm khi biết sự biến thiên theo thời gian của cường độ dòng điện.

 Thái độ - Tình cảm

- Tập trung theo dõi các thí nghiệm do giáo viên biểu diễn (trình chiếu).

- Tích cực trong quá trình học tập.

- Yêu thích bài học Vật lý.

- Tiếp tục phát triển niềm đam mê Vật lý ở học sinh.

 Chuẩn bị

- Bộ thí nghiệm về hiện tượng tự cảm.

- Bài giảng trên mạng tại trang http://lophoc.thuvienvatly.com/camungdientu + Hệ thống câu hỏi chuẩn bị cho từng bài học;

+ Hệ thống hóa bài học;

+ Nội dung của bài học;

+ Các thí nghiệm ảo, hình ảnh đoạn phim minh họa;

+ Vật lý và đời sống;

+ Bài tập tự luận;

+ Hệ thống câu hỏi trắc nghiệm;

+ Bài tự kiểm tra 15 phút;

 Tiến trình dạy học cụ thể

* Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát

Nêu điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng? Phát biểu định luật Lenxơ? Viết biểu thức xác định suất điện động cảm ứng? (Học sinh trả lời, nhận xét câu trả lời)

* Đặt vấn đề vào bài:

Ta đã biết, hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong mọi trường hợp khi từ thông qua mạch kín biến đổi mà không phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra sự biến đổi từ thông đó. Ví dụ: có thể thay đổi từ trường B hoặc thay đổi diện tích mạch S hoặc thay đổi góc α. Bài hôm nay chóng ta sẽ nghiên cứu một trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ, đó là hiện tượng tự cảm.

* Giải quyết nhiệm vụ bài học

Vấn đề 1: Khái niệm hiện tượng tự cảm - Kích thích hoạt động nhận thức

Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi từ thông qua diện tích mạch biến thiên.

Từ thông đó do từ trường ngoài tạo ra.

Vậy, một câu hỏi đặt ra là: Phải chăng hiện tượng cảm ứng điện từ cũng xảy ra khi có sự biến thiên từ thông do chính sự thay đổi của dòng điện trong mạch gây ra? Thiết kế mạch điện thế nào để phát hiện được điều đó?

Khi gặp câu hỏi này học sinh bị đặt vào 1 tình huống không quen thuộc. Ở các bài trước học sinh đã biết các cách làm thay đổi từ thông do từ trường ngoài tạo ra (thay đổi từ trường B, hoặc thay đổi diện tích của mạch S, hoặc thay đổi góc α) nhưng trong trường hợp này sự biến thiên của từ thông lại gây bởi chính sự thay đổi của cường độ dòng điện trong mạch.

Có thể học sinh chưa có câu trả lời, nhưng đã ở trong tình huống có vấn đề. Câu hỏi này giúp định hướng học sinh vào mục tiêu hoạt động.

- Định hướng hành động giải quyết vấn đề

Giáo viên từng bước hướng dẫn học sinh giải quyết nhiệm vụ theo yêu cầu từ cao đến thấp và vừa sức với học sinh. Đầu tiên giáo viên định hướng bằng 1 câu hỏi để học sinh tự lực tìm tòi. Nếu học sinh không đáp ứng được thì sử dụng những câu hỏi gợi ý.

+ Câu hỏi 1: Có những cách nào làm thay đổi cường độ dòng điện trong mạch?

Có thể học sinh trả lời theo các phương án sau:

Phương án 1: Mắc mạch điện vào nguồn xoay chiều.

Phương án 2: Thay đổi điện trở của mạch bằng cách dùng biến trở.

Để thu hẹp phạm vi tìm tòi của học sinh, giáo viên gợi ý tiếp: Trong mạch điện gồm cuộn dây mắc vào nguồn 1 chiều thông qua khóa K (hình vẽ) thì thay đổi cường độ dòng điện trong mạch bằng cách nào?

Phương án 1: Đóng hoặc ngắt khóa K.

Phương án 2: Có thể học sinh chưa tìm ra câu trả lời. Khi đó giáo viên gợi ý:

Trong mạch, khóa K có vai trò gì?

+ Câu hỏi 2: Xét trường hợp đóng khóa K. Hiện tượng gì sẽ xảy ra khi đóng khóa K?

Để học sinh dự đoán được hiện tượng, giáo viên gợi ý như sau: Tại sao lại dùng cuộn dây mà không thay vào đó 1 điện trở? Cuộn dây có vai trò gì?

Giáo viên thu hẹp mức độ tìm tòi bằng câu hỏi định hướng: Cường độ dòng điện trong mạch, từ trường do cuộn dây sinh ra thay đổi thế nào khi đóng khóa K?

Học sinh: Dòng điện tăng từ 0 đến giá trị xác định I, từ trường do cuộn dây sinh ra có cảm ứng từ tăng từ 0 đến giá trị B xác định.

Vậy hiện tượng gì sẽ xảy ra khi đóng khóa K? Tại sao?

Phương án 1: Xuất hiện dòng điện cảm ứng vì từ thông qua cuộn dây tăng lên.

Phương án 2: Học sinh chưa đưa ra được câu trả lời. Giáo viên tiếp tục gợi ý như sau: Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, từ thông gửi qua cuộn dây tạo bởi từ trường của dòng điện chạy trong chính cuộn dây. Từ thông này thay đổi thế nào khi đóng khóa K?

Giáo viên tiếp tục định hướng suy nghĩ của học sinh bằng câu hỏi: Dòng điện cảm ứng xuất hiện có tác dụng gì? Nguyên nhân sinh ra dòng cảm ứng ở trường hợp này là gì?

Học sinh: Dòng cảm ứng chống lại sự tăng của dòng điện trong mạch làm dòng này tăng lên từ từ.

Tóm lại, khi đóng khóa K, dòng điện trong mạch không tăng ngay tới giá trị xác định I mà tăng lên từ từ.

Giáo viên giao nhiệm vụ cho các nhóm: Hãy đưa ra các phương án thiết kế mạch điện để phát hiện được sự tăng từ từ của dòng điện khi đóng khóa K. Phân tích tính khả thi của từng phương án, từ đó lựa chọn phương án tối ưu.

Các nhóm tiến hành trao đổi, thảo luận. Giáo viên làm việc với các nhóm để giúp đỡ, định hướng nhóm. Có thể các nhóm thực hiện nhiệm vụ ở những mức độ sau:

+ Phương án 1: Các nhóm đưa ra được 2 phương án thiết kế là: phương án 1:

Mắc mạch điện song song gồm 2 nhánh, nhánh 1 gồm cuộn dây nối tiếp với bóng đèn, nhánh 2 gồm điện trở có giá trị bằng điện trở của cuộn dây và bóng đèn giống ở nhánh 1, mạch điện được nối với nguồn qua khóa K; phương án 2: Mắc mạch điện song song gồm 2 nhánh, nhánh 1 gồm cuộn dây nối tiếp với điện kế, nhánh 2 gồm điện trở có giá trị bằng điện trở của cuộn dây và điện kế giống ở nhánh 1, mạch điện được nối với nguồn qua khóa K; và lựa chọn được phương án tối ưu là phương án 1.

+ Phương án 2: Các nhóm đưa ra được 2 phương án thiết kế như trên nhưng chưa biết làm thế nào để lựa chọn phương án tối ưu. Khi đó giáo viên gợi ý: Phương án nào dễ phát hiện được sự tăng từ từ của dòng điện hơn?

Sau khi đã chọn được phương án tối ưu, giáo viên tiến hành thí nghiệm trên mô hình mạch đã lựa chọn nhưng trước khi đóng khóa K, giáo viên nhắc nhở học sinh phải chú ý quan sát đến độ sáng của 2 bóng đèn trong lúc làm thí nghiệm (Để tăng tính thuyết phục, GV đổi vị trí của 2 bóng đèn cho nhau rồi lại đóng khóa K như trên. Khi đó học sinh vẫn thấy đèn ở nhánh có cuộn dây sáng lên chậm hơn bóng đèn ở nhánh có điện trở).

Sau khi tiến hành thí nghiệm, giáo viên tiếp tục đặt câu hỏi để học sinh giải thích: Sau khi đóng khóa K một thời gian ngắn độ sáng của 2 bóng đèn như thế nào?

Tại sao?

Phương án 1: Độ sáng của 2 đèn là như nhau vì khi đó không còn dòng điện cảm ứng nữa, bởi lúc đó dòng điện qua cuộn dây đã đạt tới giá trị xác định I, từ thông qua cuộn dây không thay đổi.

Phương án 2: Có thể học sinh chỉ đưa ra được câu trả lời: Độ sáng của 2 đèn là như nhau vì khi đó cường độ dòng điện trong 2 nhánh bằng nhau. Lúc đó, giáo viên gợi ý như sau: Khi đóng khóa K, đèn Đ2 sáng lên từ từ là do có dòng cảm ứng xuất hiện. Vậy khi 2 đèn có độ sáng như nhau chứng tỏ điều gì? Vì sao?

Giáo viên tiếp tục định hướng để học sinh giải quyết vấn đề tiếp theo bằng câu hỏi: Trở lại mạch điện ban đầu, câu hỏi tương tự là hiện tượng gì sẽ xảy ra khi ngắt khóa K? Giải thích?

Học sinh: Khi ngắt K, xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ, xuất hiện suất điện động cảm ứng trong cuộn dây vì dòng điện trong cuộn dây giảm từ giá trị xác định I đến 0, từ thông qua cuộn dây giảm.

Giáo viên giao nhiệm vụ cho các nhóm: Hãy đưa ra các phương án thiết kế mạch điện để phát hiện được suất điện động cảm ứng khi ngắt khóa K. Phân tích tính khả thi của từng phương án, từ đó lựa chọn phương án tối ưu.

Các nhóm tiến hành trao đổi, thảo luận. Giáo viên làm việc với các nhóm để giúp đỡ, định hướng nhóm. Có thể các nhóm học sinh thực hiện nhiệm vụ ở những mức độ sau:

+ Phương án 1: Các nhóm đưa ra 2 phương án thiết kế: phương án 1: mắc bóng đèn song song với cuộn dây thành mạch kín rồi mắc vào nguồn qua khóa K;

phương án 2: mắc điện kế song song với cuộn dây thành mạch kín rồi mắc vào nguồn qua khóa K và lựa chọn được phương án 1 là tối ưu.

+ Phương án 2: Các nhóm đưa ra được 2 phương án thiết kế như trên nhưng chưa lựa chọn được phương án tối ưu. Khi đó giáo viên gợi ý: Phương án nào dễ phát hiện được suất điện động hơn?

+ Vì sao đèn lóe sáng lên rồi mới tắt?

+ Đèn lóe sáng lên chứng tỏ điều gì?

+ Theo định luật cảm ứng điện từ độ lớn của suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào điều gì?

+ Vì sao đèn chỉ lóe sáng một lúc rồi tắt ngay?

Để tăng tính thuyết phục, giáo viên tiến hành thêm 1 thí nghiệm phụ như sau.

Thay cuộn dây bằng điện trở thuần có giá trị bằng điện trở thuần của cuộn dây, rồi lại ngắt khóa K. Khi đó học sinh sẽ thấy đèn không lóe sáng như khi có cuộn dây.

Giáo viên: Hiện tượng xảy ra khi đóng, ngắt khóa K thực chất là hiện tượng gì?

Hiện tượng này có gì đặc biệt?

+ Phương án 1: Thực chất đều là hiện tượng cảm ứng điện từ nhưng đặc biệt ở chỗ nguyên nhân gây ra sự biến thiên từ thông qua mạch là do chính sự biến thiên dòng điện trong mạch.

+ Phương án 2: Học sinh chỉ trả lời được 1 phần câu hỏi: Thực chất là hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi đó giáo viên gợi ý: Nguyên nhân dẫn tới sự biến thiên từ thông qua mạch là gì?

Vấn đề 2: Hệ số tự cảm

- Kích thích hoạt động nhận thức

Ta đã biết, nguyên nhân gây ra hiện tượng tự cảm là do sự biến thiên của dòng điện trong mạch. Một mạch điện kín có dòng điện i chạy qua, từ thông qua mạch được tạo bởi từ trường do chính dòng điện i trong mạch sinh ra.

Từ đó, nảy sinh câu hỏi: Từ thông Φ qua diện tích của mạch quan hệ với dòng điện i trong mạch đó như thế nào? Đại lượng vật lý nào đặc trưng cho mối

quan hệ đó? Với ống dây dài đặt trong không khí đại lượng Etc được xác định bởi biểu thức nào?

- Định hướng hành động giải quyết vấn đề

Giáo viên sử dụng các câu hỏi sau để định hướng suy nghĩ của học sinh:

+ Từ thông quan hệ với cảm ứng từ B như thế nào? (gợi ý: Dùng biểu thức định nghĩa từ thông.)

+ Cảm ứng từ B quan hệ với dòng điện i như thế nào? (gợi ý: Viết biểu thức tính cảm ứng từ B của dòng điện tròn, dòng điện trong ống dây? Nhận xét mối quan hệ giữa B và i?)

+ Có thể rút ra kết luận gì về mối quan hệ giữa Φ và i?

Như vậy, từ thông Φ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện trong mạch, có thể viết Φ = L.i, trong đó L là hệ số tỉ lệ.

Bằng thực nghiệm, khi nghiên cứu hiện tượng tự cảm với những mạch điện có dạng khác nhau người ta thấy hệ số L có giá trị không đổi với mỗi mạch và khác nhau với những mạch khác nhau, và L phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của mạch điện, phụ thuộc vào tính chất của môi trường trong đó ta đặt mạch điện. Người ta gọi L là hệ số tự cảm hay độ tự cảm.

Từ biểu thức Φ = L.i → Li

, Trong hệ SI đơn vị của độ tự cảm là: H A Wb 1 1

1  (

Henri )

Vấn đề 3: Suất điện động tự cảm - Kích thích hoạt động nhận thức

Hiện tượng tự cảm xảy ra do sự biến thiên của dòng điện trong mạch gây ra. Vì vậy, hợp lý hơn cả là ta biểu diễn suất điện động tự cảm qua sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.

Vậy, suất điện động tự cảm quan hệ với sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch như thế nào?

- Định hướng hành động giải quyết vấn đề

Hiện tượng tự cảm thực chất là hiện tượng cảm ứng điện từ nên suất điện động tự cảm được xác định bởi biểu thức nào? (etc



 

 )

Một mạch điện không có lõi sắt thì L là đại lượng không đổi. Biến thiên từ thông được xác định thế nào? Xác định suất điện động tự cảm? ( . tc i

L i e L

 t

     

Lịch sử vấn đề nghiên cứu