Chương 2 XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BTTN
2.1. Xây dựng hệ thống BTTN phần Từ học Vật lý 11 nâng cao
2.1.1. Khái quát nội dung, cấu trúc phần Từ học Vật lý 11 nâng cao
a. Khái quát nội dung
Trong những năm gần đây, chương trình và SGK phổ thông nói chung, chương trình và SGK Vật lý 11 nói riêng đã được biên soạn lại theo chương trình phân ban và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lựợng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi mới của Ngành Giáo dục nước nhà.
Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn, chúng tôi chỉ nghiên cứu phần Từ học gồm 2 chương: chương “Từ trường” và chương “Cảm ứng điện từ” thuộc Vật lý 11 nâng cao. Nội dung của hai chương này có ba nhóm kiến thức cơ bản: Từ trường, lực từ và cảm ứng điện từ [33].
Nhóm thứ nhất là Từ trường bao gồm các vấn đề: Khái niệm từ trường, khái niệm cảm ứng từ, khái niệm đường sức từ (mô tả từ trường bằng phương pháp hình học), khái niệm từ trường đều, từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản.
Nhóm thứ hai là Lực từ bao gồm các vấn đề: Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện, lực từ tác dụng lên một khung dây dẫn mang dòng điện (mômen ngẫu lực từ), lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động (lực Lo-ren- xơ) và ứng dụng của lực từ.
Nhóm thứ ba là Cảm ứng điện từ bao gồm các vấn đề: Hiện tượng cảm ứng điện từ, khái niệm từ thông, khái niệm suất điện động cảm ứng, định luật Len-xơ và hiện tượng tự cảm.
Xét về mặt lịch sử thì các lực từ và từ trường đã được các nhà khoa học phát hiện và sử dụng từ rất sớm, sớm hơn cả các lực điện. Đó là vì trong thiên nhiên có sẵn các nam châm (NC) tự nhiên và trong không gian xung quanh chúng có từ trường trong đó có lực từ tác dụng. Nhờ chúng mà con người đã phát hiện ra từ trường của Trái Đất. Tuy nhiên khái niệm lực từ và từ trường cùng các đại lượng đặc trưng cho từ trường phức tạp hơn rất nhiều so với khái niệm điện trường và các đại lượng đặc trưng cho điện trường. Vì vậy mà chương trình và SGK Vật lý 11 THPT nghiên cứu điện trường trước từ trường. Khi nghiên cứu từ trường, HS đã nắm vững những kiến thức cơ bản về điện trường nên rất thuận lợi trong việc tiếp nhận những kiến thức cơ bản về từ trường.
Có thể nói, những hiện tượng cơ bản được đề cập trong phần này đã được nghiên cứu ở lớp 9. Tuy nhiên, do trình độ nhận thức của HS còn thấp nên các hiện tượng đó chỉ được khảo sát một cách định tính, sơ lược và có tính chất giới thiệu mà không khảo sát định lượng và không đi sâu giải thích bản chất của hiện tượng. Phần Từ học lớp 11 phổ thông nghiên cứu các hiện tượng này cả về mặt
định tính và định lượng, đồng thời đi sâu giải thích rõ bản chất vật lý các hiện tượng [33].
Các hiện tượng và các khái niệm về từ trường có một số đặc điểm tương tự với các hiện tượng và các khái niệm về điện trường và trường hấp dẫn mà HS đã được học từ trước. Vì vậy, có thể coi đây là một thuận lợi rất lớn khi dạy học phần này. Trong dạy học, GV có thể so sánh với điện trường hay trường hấp dẫn để hình thành khái niệm từ trường, đường sức từ hay lực từ.
Ở lớp 9, HS đã được học khái quát về từ trường. Do đó, trong dạy học phần này GV có thể kết hợp cho HS ôn tập những kiến thức đã học có liên quan và sử dụng chúng để nghiên cứu sâu hơn các hiện tượng, các khái niệm cũng như hình thành các kiến thức mới.
Các hiện tượng về từ trường và cảm ứng điện từ được ứng dụng nhiều trong kĩ thuật và đời sống, rất gần gũi với HS. Vì vậy, khi dạy học GV rất dễ dàng liên hệ với thực tiễn cuộc sống. Nhờ đó mà bài dạy trở nên sinh động và hiệu quả dạy học được nâng cao.
Các TN trong phần này hầu hết dễ thiết kế, dễ tiến hành và dễ hiểu đối với HS. Do đó, khi dạy học GV và HS có thể tiến hành nhiều TN trên lớp, ở nhà hay ở phòng TN. Đặc biệt, GV có thể giao các TN cho HS với hình thức là các BTTN.
Điều này giúp HS phát huy cao độ tính tự giác, tự lực và năng lực sáng tạo trong học tập, góp phần đáng kể nâng cao hiệu quả dạy học. Cả hai bộ SGK đều sử dụng nhiều TN để khảo sát phần Từ học, ngoài các TN có tính bắt buộc trong SGK, GV có thể giao thêm cho HS một số TN khác liên quan đến từ trường và cảm ứng điện từ dưới hình thức là BTTN.
Bản chất của từ trường phức tạp hơn điện trường rất nhiều. Điện trường do các hạt mang điện đứng yên tạo ra, còn từ trường là do các hạt mang điện chuyển động tạo ra. Từ trường gắn liền với dòng điện, là một thuộc tính của dòng điện.
Đặc biệt, sự biến đổi của điện trường cũng tạo từ trường. Vì vậy, việc dạy cho HS hiểu rõ bản chất của từ trường sẽ gặp khó khăn hơn so với bản chất điện trường.
Cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực của điện trường. Tương tự như vậy, cảm ứng từ là đại lượng đặc
trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực của từ trường. Tuy nhiên, việc hình thành khái niệm véc tơ cảm ứng từ gặp khó khăn hơn so với việc hình thành khái niệm véc tơ cường độ điện trường. Bởi vì phương của véc tơ cường độ điện trường trùng với phương của lực tĩnh điện tác dụng lên hạt mang điện đặt trong điện trường, còn véctơ cảm ứng từ thì có phương vuông góc với phương của lực từ. Đây là điểm khác biệt rất lớn giữa điện trường và từ trường. Vì vậy, có thể coi việc hình thành khái niệm véc tơ cảm ứng từ là một khó khăn lớn trong dạy học phần này. Bởi vì để xác định hướng của véc tơ cảm ứng từ ta chỉ có thể dùng NC thử nằm cân bằng trong từ trường, hướng của kim NC thử sẽ xác định hướng của từ trường. Nhưng khó có thể giải thích được vì sao hướng của NC thử lại trùng với hướng của véc tơ cảm ứng từ [4].
Xuất phát từ những khó khăn đó, cả hai bộ SGK phân ban hiện hành đã chọn phương án tối ưu là tiến hành khảo sát hai đại lượng này đan xen nhau. Trước hết SGK khảo sát định tính về lực từ. Sau đó mới khảo sát về độ lớn, phương và chiều của lực từ gắn liền với việc khảo sát cảm ứng từ.
Phần Cảm ứng điện từ mở đầu bằng suy luận hai chiều: dòng điện sinh ra từ trường, vậy từ trường có thể tạo ra dòng điện không? Dựa trên giả thuyết đó, chúng ta đi tới tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng và đi đến khái niệm về hiện tượng cảm ứng điện từ. Sau đó xét hiện tượng cảm ứng điện từ trong từng trường hợp cụ thể: hiện tượng cảm ứng điện từ suất hiện trong đoạn dây dẫn chuyển động, dòng điện Fu-cô, hiện tượng tự cảm. Cuối cùng là xét đến năng lượng từ trường.
Trên đây là những đặc điểm chính của phần Từ học Vật lý 11 THPT. GV cần quan tâm đến những đặc điểm này trong dạy học để tìm ra những giải pháp thích hợp và tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả dạy học.
b. Cấu trúc
Phần Từ học gồm 2 chương:
Chương “Từ trường” bao gồm 9 bài:
Bài 1: Từ trường
Bài 2: Phương và chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện Bài 3: Cảm ứng từ. Định luật Am-pe
Bài 4: Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản
Bài 5: Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song. Định nghĩa đơn vị ampe Bài 6: Lực Lo-ren-xơ
Bài 7: Khung dây có dòng điện đặt trong từ trường Bài 8: Sự từ hóa các chất. Sắt từ
Bài 9: Từ trường Trái Đất
Cảm ứng từ
Phương chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện
sin F BIl = α
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ cấu trúc chương “Từ trường”
Chương “Cảm ứng điện từ” gồm 5 bài:
Bài 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng
Bài 2: Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động Bài 3: Dòng điện Fu-cô
Bài 4: Hiện tượng tự cảm
Sự từ hóa các chất sắt Từ trường từ
Điểm đặt, phương, chiều
Từ trường Trái Đất Độ lớn
sin B F
Il α
= Đường sức từ Cảm
ứng từ dòng
điện thẳng
Cảm ứng từ dòng
điện trong ống dây Cảm
ứng từ dòng
điện tròn Từ trường đều
Động cơ điện một chiều Lực từ tác dụng
lên khung dây mang dòng điện Lực tương tác
giữa hai dòng điện song song
Mô men ngẫu lực từ tác dụng
lên khung dây Lực Lorentz
sin F=qvB α
Bài 5: Năng lượng từ trường
Nội dung từng bài trong chương này có cấu trúc theo chuỗi logic liên hoàn nối tiếp nhau, bài trước là cơ sở để học bài tiếp theo.