Đề tài Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường

DIỄN GIẢI SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TIẾN TRÌNH KHOA HỌC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ, ĐỀ XUẤT KIẾN THỨC “SỰ XUẤT HIỆN SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG. CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG” Theo kiến thức đã biết, một hạt mang điện chuyển động trong từ trường thì chịu tác dụng của lực Lorenxơ, lực này có phương, chiều và độ lớn xác định. Ta biết trong dây dẫn có các các electron tự do, nếu dây dẫn chuyển động với vận tốc
trong từ trường thì có hiện tượng gì xảy ra đối với các electron đó? Từ điều trên, vấn đề đặt ra là: Nếu có một đoạn dây dẫn chiều dài l, chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì có hiện tượng gì xảy ra với các electron trong đoạn dây dẫn đó. Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn khác tạo thành một mạch kín thì có hiện tượng gì xảy ra trong mạch kín này? Với câu hỏi này thì hướng giải quyết là gì? Vận dụng điều đã biết ở trên và để ý ta thấy: Khi đoạn dây chuyển động thì các electron trong đoạn dây cũng chuyển động cùng với nó và do đó, chúng cũng chịu tác dụng của lực Lorenxơ. Xét tác dụng của lực Lorenxơ lên các electron trong dây dẫn khi chúng chuyển động cùng với dây dẫn trong từ trường, từ đó rút ra câu trả lời cho vấn đề đặt ra. Theo suy luận ở trên, do có lực Lorenxơ tác dụng, các electron tự do sẽ chuyển động về một đầu đoạn dây làm cho đầu này thừa electron nên tích điện âm, đầu kia tích điện dương, giữa hai đầu đoạn dây dẫn có một hiệu điện thế U. Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn khác thành mạch kín thì trong mạch sẽ có dòng điện. Khi đó, đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường đóng vai trò như một nguồn điện, tức là có suất điện động, ta gọi suất điện động này là suất điện động cảm ứng (c ( nếu mạch hở thì U = (c ). Theo phân tích ở trên ta còn thấy, bên trong đoạn dây dẫn, do các electron chuyển động theo hướng của lực Lorenxơ, còn chiều của dòng điện (quy ước là chiều chuyển động của hạt mang điện dương) lại ngược với chiều chuyển động của electron tức ngược với chiều của lực Lorenxơ. Nếu biết chiều của lực Lorenxơ tác dụng lên các electron, ta sẽ biết được chiều của dòng điện chạy trong đoạn dây dẫn. Mặt khác, lực Lorenxơ có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái, vậy thì liệu chiều của dòng điện chạy trong đoạn dây có theo quy luật nào không? Để giải đáp thắc mắc này ta hãy xét các trường hợp khác nhau: hoặc chuyển động với vận tốc có hướng khác nhau của đoạn dây hoặc giữ nguyên hướng chuyển động ta thay đổi chiều của từ trường, thì ta thấy chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong thanh tuân theo một quy tắc gọi là quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn). Vận dụng quy tắc này có thể xác định được chiều của dòng điện chạy trong đoạn dây dẫn và cũng từ đây suy ra được chiều của dòng điện trong mạch kín. Vậy ta kiểm nghiệm kết luận trên đây như thế nào ? Có thể làm thí nghiệm như thế nào để chứng minh những điều suy luận trên là đúng? Nếu làm được điều này thì một mặt xây dựng được kiến thức + Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. + Chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. Mặt khác, kiểm tra được sự tồn tại của lực Lorenxơ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường. Từ những lập luận lí thuyết ở trên và suy nghĩ về một thí nghiệm kiểm chứng, thấy rằng: dụng cụ làm thí nghiệm cần phải có: + Đoạn dây dẫn, nhưng nếu chỉ với đoạn dây dẫn thì có thể không quan sát được hiện tượng xảy ra nên ta cần phải quấn thành một khung dây hình vuông hoặc hình chữ nhật với nhiều vòng dây và khi làm thí nghiệm với đoạn dây thì ta chỉ cho một cạnh của khung dây đặt trong từ trường. + Nam châm vĩnh cửu chữ U để tạo từ trường (hoặc dùng nam châm điện nếu có) + Điện kế nhạy dùng để nhận biết sự tồn tại của dòng điện trong mạch kín. + Các dây nối để nối hai đầu đoạn dây với với hai đầu điện kế tạo thành mạch kín. Nếu tiến hành lắp ráp thí nghiệm theo sơ đồ (hình vẽ) và làm thí nghiệm này, thấy rằng: - Khi đoạn dây đứng yên (v = 0), các electron không chuyển động theo thanh, thì không có lực Lorenxơ tác dụng (I = 0): kim điện kế chỉ vạch số 0. - Khi cho đoạn dây chuyển động theo hướng như hình vẽ, các electron cũng chuyển động theo với cùng vận tốc, thì có lực Lorenxơ tác dụng lên các electron, theo quy tắc bàn tay trái lực
hướng từ N đến M. Kết quả: đầu M thừa electron nên tích điện âm, đầu N tích điện dương ( dòng điện chạy trong thanh có chiều từ M đến N : kim điện kế bị lệch sang trái khỏi vạch số 0. - Khi cho đoạn dây chuyển động theo chiều ngược lại với trường hợp trên, lực Lorenxơ
hướng từ M đến N. Kết quả: đầu N thừa electron nên tích điện âm, đầu M tích điện dương ( dòng điện chạy trong thanh có chiều từ N đến M : kim điện kế bị lệch sang phải khỏi vạch số 0. Từ kết quả trên, ta có thể chứng minh được rằng những suy luận để rút ra các kết luận trên là đúng và ta đi đến kết luận cuối cùng: + Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn thành một mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra gọi là dòng cảm ứng. + Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong mạch kín là chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tuân theo quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn). Từ đây cho ta biết chiều của dòng điện chạy trong mạch kín nếu nối hai đầu đoạn dây thành một mạch kín. II. MỤC TIÊU DẠY HỌC KIẾN THỨC “SỰ XUẤT HIỆN SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG. CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG” 1. Nội dung kiến thức cần xây dựng. - Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn thành một mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra gọi là dòng cảm ứng. - Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong mạch kín là chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tuân theo quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn). Từ đây cho ta biết chiều của dòng điện chạy trong mạch kín nếu nối hai đầu đoạn dây thành một mạch kín. 2. Mục tiêu đối với quá trình học. - Học sinh tham gia đề xuất vấn đề “Nếu có một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì có hiện tượng gì xảy ra đối với electron trong đoạn dây dẫn đó? Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn thành mạch kín thì có hiện tượng gì xảy ra trong mạch kín đó?” - Học sinh tham gia đề xuất giải pháp để trả lời được vấn đề nêu trên bằng cách xét tác dụng của lực Lorenxơ lên các electron trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường cắt các đường sức từ. - Học sinh thực hiện được giải pháp để chỉ ra được khi đoạn dây dẫn chuyển động thì các electron sẽ chuyển động cùng đoạn dây trong từ trường và khi đó có lực Lorenxơ tác dụng lên chúng. Dưới tác dụng của lực Lorenxơ, các electron tự do chuyển động về một đầu đoạn dây làm cho một đầu tích điện âm, đầu kia tích điện dương, giữa hai đầu đoạn dây dẫn có một hiệu điện thế. Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn khác thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện. Trong đoạn dây dẫn, chiều của dòng điện ngược với chiều của lực Lorenxơ tác dụng lên electron, từ đó ta có thể xác định được chiều của dòng điện chạy trong đoạn dây dẫn theo quy tắc bàn tay phải và suy ra được chiều của dòng điện trong mạch kín. - Học sinh tham gia đề xuất giải pháp kiểm nghiệm kết luận được rút ra từ lí thuyết. - Học sinh thực hiện được giải pháp đã đề ra để kiểm nghiệm kết luận rút ra từ lí thuyết. - Học sinh phát biểu được các kết luận cho vấn đề nêu ra. 3. Mục tiêu đối với kết quả học. - Trả lời được câu hỏi “Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường cắt các đường sức từ thì có hiện tượng gì xảy ra trên đoạn dây dẫn đó?” - Học sinh phát biểu được quy tắc bàn tay phải và vận dụng được quy tắc này để xác định chiều dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện) trong từng trường hợp cụ thể. - Học sinh vận dụng được các kiến thức đã học để giải các bài tập có liên quan. 4. Đề kiểm tra kết quả mục tiêu. Câu 1. (3 điểm) Giải thích sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ? Câu 2. (2 điểm) Hãy phát biểu quy tắc bàn tay phải xác định chiều dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ? Câu 3. (2 điểm) Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong thanh dây dẫn chuyển động trong từ trường tựa trên các thanh ray tạo thành mạch kín như hình vẽ? Câu 4. (3 điểm) Cho hệ thống như hình vẽ, thanh dẫn AB có khối lượng trượt thẳng đứng trên hai ray,
nằm ngang. Ban đầu thanh được giữ đứng yên sau đó thả ra cho chuyển động. Hãy cho biết hiện tượng gì xảy ra đối với điện trở R? III. PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC. - 04 bộ thí nghiệm gồm: Nam châm chữ U, điện kế, dây nối, đoạn dây dẫn chiều dài l. - Thiết bị hỗ trợ dạy học khác. IV. NỘI DUNG GHI BẢNG. SỰ XUẤT HIỆN SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG. CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG 1) Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. + Xét một đoạn dây dẫn MN, chiều dài l, đặt trong từ trường. + Cho đoạn dây chuyển động trong từ trường với vận tốc
( đoạn dây và (
,
) = ( thì các electron trong đoạn dây đó cũng chuyển động với vận tốc
( có lực Lorenxơ tác dụng lên các electron tự do làm cho chúng chuyển động về một đầu đoạn dây. Kết quả: đầu này thừa electron nên tích điện âm, đầu còn lại tích điện dương, hình thành ở hai đầu đoạn dây một hiệu điện thế U ( trong đoạn dây dẫn xuất hiện một (cư = U và nó có vai trò như một nguồn điện. 2) Chiều của dòng điện cảm ứng. + Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn khác thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện. + Chiều của dòng điện chạy trong mạch kín cũng là chiều của dòng điện chạy trong đoạn dây và được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. * Quy tắc bàn tay phải: SGK 3) Thí nghiệm kiểm chứng. + Dụng cụ: + Sơ đồ mạch điện: + Kết quả: - Thanh đứng yên: kim điện kế chỉ vạch số 0 - Thanh chuyển động thì kim điện kế bị lệch khỏi vạch số 0 4. Kết luận. - Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn khác thành một mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra gọi là dòng cảm ứng. - Chiều của dòng điện chạy trong mạch kín cũng là chiều của dòng điện chạy trong đoạn dây và được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. V. TIẾN TRÌNH HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC KIẾN THỨC “SỰ SUẤT HIỆN SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG. CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ TRƯỜNG” 1. Đề xuất vấn đề. ( Một điện tích q chuyển động trong từ trường với vận tốc
sao cho
thì điện tích này chịu tác dụng của lực nào? Lực đó có đặc điểm gì? ( Học sinh suy nghĩ, trả lời. ( Nhận xét câu trả lời của học sinh và cùng học sinh nảy sinh vấn đề: nếu có một đoạn dây dẫn mà bên trong nó có các electron tự do, khi cho đoạn dây chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì có hiện tượng gì xảy ra đối với electron trong đoạn dây dẫn đó ? Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn thành mạch kín thì có hiện tượng gì xảy ra trong mạch kín đó? 2. Giải quyết vấn đề. * Định hướng giải pháp. ( Các em hãy suy nghĩ, thảo luận theo nhóm bàn và cho ý kiến về hướng trả lời cho các câu hỏi này? ( Học sinh suy nghĩ, trao đổi và phát biểu ý kiến. ( Nhận xét các ý kiến của học sinh, giúp đỡ nếu học sinh gặp khó khăn bằng các câu hỏi nhỏ. ( Từ kiến thức đã học nào có thể gợi cho ta câu trả lời? ( Học sinh trả lời: Ta xét tác dụng của lực Lorenxơ lên các electron trong dây dẫn khi chúng chuyển động cùng với dây dẫn. * Thực hiện giải pháp, nêu kết luận. ( Các em hãy làm việc theo nhóm bàn, viết ra câu trả lời trên giấy nháp theo cách làm mà ta đã thống nhất. ( Học sinh làm việc theo nhóm bàn và đưa ra các kết luận của mình. ( Nhận xét các kết luận học sinh đưa ra, bổ sung và thống nhất kết luận cho vấn đề đặt ra. ( Một em hãy phát biểu kết luận? ( Học sinh phát biểu được kết luận với các ý sau: - Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động cảm ứng. - Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn thành một mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra gọi là dòng cảm ứng. - Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong mạch kín là chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường, - Chiều của dòng cảm ứng trong đoạn dây chuyển động trong từ trường tuân theo quy tắc bàn tay phải có nội dung: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn). * Kiểm nghiệm kết luận vừa thu được. ( Làm thế nào có thể kiểm nghiệm kết luận nêu trên? ( Học sinh suy nghĩ, trao đổi, đề xuất ý kiến. ( Các em hãy suy nghĩ, trao đổi với nhau và cho biết xem để làm thí nghiệm ta cần có các dụng cụ nào? Và nêu phương án làm thí nghiệm của mình? ( Học sinh suy nghĩ, trao đổi, đề xuất ý kiến. ( Nhận xét, bổ sung, thống nhất về một giải pháp để tiến hành kiểm nghiệm. Chia lớp thành 4 nhóm. ( Các em sẽ làm việc theo nhóm, công việc cụ thể như đã thống nhất: + Mắc mạch điện theo sơ đồ, + Tiến hành làm thí nghiệm: Kéo đoạn dây chuyển động theo các hướng khác nhau. + Quan sát kim điện kế khi thanh không chuyển động, khi thanh chuyển động theo các hướng khác nhau. + Lập luận, so sánh với kết quả suy luận từ lí thuyết và báo cáo kết quả. ( Các nhóm học sinh làm việc. ( Yêu cầu các nhóm báo cáo kết quả. ( Đại diện các nhóm báo cáo. ( Các em hãy trao đổi và thống nhất đi đến kết luận cuối cùng? ( Học sinh trao đổi chung toàn lớp và phát biểu về kết luận cuối cùng đã thống nhất. 3. Khái quát, củng cố kết luận về kiến thức mới. ( Tổng kết , thống nhất và nêu kết luận về kiến thức mới: - Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với
một góc ( thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn khác thành một mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra gọi là dòng cảm ứng. - Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong mạch kín là chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tuân theo quy tắc bàn tay phải. ( Giao bài làm về nhà. Yêu cầu học sinh làm bài tập trong đề kiểm tra kết quả học tập trong phần mục tiêu dạy học.