(SKKN 2022) sử dụng sự tương tác từ để xác định nhanh chiều của dòng điện cảm ứng trong hiện tượng cảm ứng điện từ nhằm nâng cao chất lượng thi tốt nghiệp THPT môn vật lí

Bước 3: Xác định chiều của đường sức do dòng điện cảm ứng sinh ra Theo nguyên tắc của định luật Len-Xơ, để chống lại sự biến từ thông qua mạch kín thì chiều của đường sức từ d

Trang 1

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lí do chọn đề tài

Hiện nay, hình thức thi trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn vẫn được sử dụng trong kì thi tốt nghiệp THPT, trong đó có môn Vật lí Để đạt được kết quả cao trong kì thi này, học sinh không chỉ nắm chắc kiến thức môn học mà phải biết vận dụng các phương pháp giải nhanh, linh hoạt

Với phần kiến thức lớp 11, hiện nay đề thi tốt nghiệp THPT có 4 câu ở mức

độ nhận biết, thông hiểu hoặc vận dụng thấp trong đó có thể có bài toán xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong hiện tượng cảm ứng điện từ Thông thường khi xác định chiều của dòng điện cảm ứng, chúng ta thường vận dụng định luật Len – Xơ tức là dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín, phương pháp này mất nhiều bước dẫn đến mất nhiều thời gian và dễ nhầm lẫn, không phù hợp với việc thi trắc nghiệm Để xác định nhanh chiều của dòng điện cảm ứng, chúng ta có thể vận dụng sự tương tác từ tức là dòng điện cảm ứng tương tác với từ trường ngoài sao cho mạch kín có xu hướng chuyển động chống lại sự biến thiên từ thông qua mạch kín, phương pháp này mất ít bước tư duy từ đó tiết kiệm được thời gian làm bài thi trắc nghiệm

Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Sử dụng sự tương tác từ để xác định nhanh chiều của dòng điện cảm ứng trong hiện tượng cảm ứng điện từ nhằm nâng cao chất lượng thi tốt nghiệp THPT môn Vật lí” làm sáng kiến kinh nghiệm

của mình trong năm học 2021-2022 với mong muốn được chia sẻ cùng đồng nghiệp

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng giải nhanh và hiệu quả của học sinh lớp 11 THPT khi vận dụng “sự tương tác từ” so với phương pháp giải truyền thống, từ đó tiếp tục áp dụng rộng rãi hơn cho học sinh các khóa sau, giúp các em đạt kết quả cao hơn trong kỳ thi tốt nghiệp THPT

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu khả năng vận dụng sự tương tác từ vào việc xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong hiện tượng cảm ứng điện từ của các em học sinh lớp 11B37 trường THPT Triệu Sơn 3, từ đó thấy được sự hiệu quả về mặt thời gian cũng như chất lượng khi áp dụng phương pháp đã nêu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Phương pháp sử dụng sự tương tác từ

Xây dựng phương pháp sử dụng sự tương tác từ qua các bài toán mẫu

1.4.2 Phương pháp chia nhóm đối tượng

Chia học sinh trong lớp 11B37 Trường THPT Triệu Sơn 3 thành 2 nhóm có trình độ tương đương nhau về bộ môn Vật lí (dựa vào kết quả khảo sát lần 2 do nhà trường tổ chức)

- Nhóm thứ nhất là nhóm thực nghiệm, các em được học cách giải bài toán xác định chiều của dòng điện cảm ứng sử dụng sự tương tác từ

- Nhóm thứ hai là nhóm đối chứng, các em được học cách giải bài toán xác định chiều của dòng điện cảm ứng theo nguyên tắc từ trường của dòng điện cảm

Trang 2

ứng làm cho mạch kín có xu hướng chuyển động chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín đó

1.4.3 Phương pháp thu thập và xử lí dữ liệu

Sau quá trình học tập và ôn luyện, tôi cho học sinh nhóm đối chứng và nhóm thực nghiệm cùng làm bài kiểm tra khảo sát, học sinh ngồi xen kẽ nhau giữa hai nhóm Bài kiểm tra gồm 05 câu trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn thuộc chủ đề nghiên cứu, các em làm bài trong 10 phút, sau đó phân tích kết quả đạt được để thấy được tính hiệu quả của vấn đề nghiên cứu

Trang 3

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

2.1.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Là một hiện tượng do Mai-cơn –Fa-ra-đây phát hiện ra, mỗi khi từ thông qua một mạch mạch kín biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện dòng điện mà ta gọi là dòng điện cảm ứng, đây là một hiện tượng quan trọng trong Vật lí và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, là cách để “biến từ thành điện” trong máy phát điện hiện nay

2.1.2 Định luật Len-Xơ về chiều của dòng điện cảm ứng

Theo định luật Len-Xơ dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông qua mạch kín đó tức chống lại nguyên nhân sinh ra nó

2.1.3 Sự tương tác từ

Là sự tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với dòng điện hoặc giữa nam châm với dòng điện:

- Với các nam châm khi tương tác thì các cực cùng tên sẽ đẩy nhau và các cực khác tên sẽ hút nhau

- Với các dòng điện thì hai dòng điện cùng chiều sẽ hút nhau và hai dòng điện ngược chiều sẽ đẩy nhau

- Còn dòng điện tương tác với nam châm thì có thể quy ước dòng điện như một nam châm theo quy tắc nhất định, rồi dùng sự tương tác giữa hai nam châm đã nói ở trên

2.1.4 Dòng điện kín giống như một nam châm

Đối với một thanh nam

châm các đường sức từ đi ra từ cực

Bắc (màu đỏ, ký hiệu là N) và đi

vào cực Nam (màu xanh, ký hiệu

là S) (Hình 1) Để dễ nhớ ta đọc

câu “ra Bắc vào Nam” giống như

địa lí của nước ta

Đối với một dòng điện qua một mạch kín (ta gọi tắt là dòng điện kín) các đường sức từ cũng đi ra từ mặt Bắc và đi vào mặt Nam Vậy theo quy tắc nắm bàn tay phải nghĩa là nắm bàn tay phải sao

cho ngón cái choãi ra khi đó chiều từ cổ tay

đến các ngón tay là chiều của dòng điện thì

chiều của ngón tay cái chỉ chiều của các

đường sức từ ở phía trong dòng điện kín

Hoặc có thể dùng quy tắc vặn cái đinh ốc có

nghĩa là vặn cái đinh ốc sao cho chiều quay

của cái đinh ốc là chiều của dòng điện thì

chiều chuyển động tịnh tiến của cái đinh ốc là chiều của các đường sức từ bên trong dòng điện kín Chính vì vậy, khi ta nhìn vào dòng điện kín ta thấy:

- Nếu dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ (các đường sức từ bên trong dòng điện kín đang đi vào, ký hiệu ) thì đó là mặt Nam

Trang 4

- Nếu dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ (các đường sức từ bên trong dòng điện kín đang đi ra, ký hiệu ) thì đó là mặt Bắc (Hình 2)

Để dễ nhớ ta đọc câu “Nam cùng Bắc ngược” tức thấy mặt Nam thì dòng điện kín cùng chiều kim đồng hồ và thấy mặt Bắc thì chiều của dòng điện kín ngược chiều kim đồng hồ

2.1.5 Giải bài toán xác định chiều của dòng điện cảm ứng theo 2 cách

2.1.5.1 Cách giải truyền thống

Bước 1: Xác định chiều đường sức của từ trường ngoài

Theo quy tắc đường sức từ đi ra ở cực Bắc và đi vào cực Nam của một nam châm Đối với dòng điện kín thì đường sức từ đi ra mặt Bắc và đi vào mặt Nam của dòng điện

Bước 2: Xem từ thông qua mạch kín tăng hay giảm

Theo công thức tính từ thông qua mạch kín  BScos thì:

- Nếu diện tích của mạch kín không đổi, mạch kín ở gần nguồn gây ra từ trường ngoài (nam châm hoặc dòng điện) hơn tức từ trường mạnh hơn nghĩa là

B tăng thì từ thông qua mạch kín cũng tăng và mạch kín ra xa nguồn gây ra từ trường ngoài hơn thì từ thông qua mạch kín giảm

- Nếu diện tích của mạch kín không đổi, dòng điện gây ra từ trường ngoài tăng tức B tăng thì từ thông qua mạch kín cũng tăng, dòng điện gây ra từ trường ngoài giảm đi thì từ thông qua mạch kín giảm

- Nếu từ trường không đổi, diện tích của mạch kín (S) tăng thì từ thông qua mạch kín tăng và diện tích mạch kín giảm thì từ thông qua mạch kín giảm

- Ngoài ra nếu hướng của véc tơ pháp tuyến với mặt phẳng chứa mạch kín và hướng của véc tơ cảm ứng từ thay đổi thì cũng làm cho từ thông qua mạch kín thay đổi, lúc đó ta xem số đường sức qua mạch kín tăng hay giảm để xác định từ thông tăng hay giảm theo quy ước chỗ nào từ trường mạnh hơn thì vẽ nhiều đường sức hơn chỗ từ trường yếu

Bước 3: Xác định chiều của đường sức do dòng điện cảm ứng sinh ra

Theo nguyên tắc của định luật Len-Xơ, để chống lại sự biến từ thông qua mạch kín thì chiều của đường sức từ do dòng điện cảm ứng sinh ra và chiều của đường sức từ do từ trường ngoài sinh ra sẽ cùng chiều với nhau nếu từ thông qua mạch kín đang giảm và ngược chiều với nhau nếu từ thông qua mạch kín đang tăng

Bước 4: Xác định chiều của dòng điện cảm ứng

Dùng quy tắc nắm tay phải (hoặc quy tắc vặn cái đinh ốc) để xác định chiều của dòng điện cảm ứng khi đã biết chiều của đường sức mà nó gây ra

2.1.5.2 Cách giải dùng tương tác từ

Dòng điện cảm ứng sẽ tương tác với nguồn gây ra từ trường ngoài (là nam châm hay dòng điện) đảm bảo sự tương tác đó sẽ chống lại sự biến thiên từ thông qua mạch kín hoặc chống lại sự chuyển động gây ra biến thiên từ thông qua mạch kín đó

Trường hợp 1: Nam châm hoặc dòng điện đang chuyển động so với

mạch kín thì dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín sẽ tương tác lực từ lên nam châm hoặc dòng điện và chống lại sự chuyển động đó

Trang 5

Trường hợp 2: Từ trường tại nơi đặt mạch kín tăng hoặc giảm thì mạch

kín sẽ chuyển động ra xa hoặc lại gần nguồn gây ra từ trường ngoài để chống lại sự tăng hoặc giảm của từ thông qua mạch kín đó

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Khi giải những bài toán về xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong một mạch kín, phần lớn giáo viên đều hướng dẫn học sinh sử dụng phương xác định sự biến thiên từ thông qua mạch kín, vẽ đường sức từ của từ trường ngoài, xem từ thông qua mạch kín tăng hay giảm, sau đó vẽ đường sức từ do từ trường cảm ứng sinh ra, rồi vận dụng quy tắc nắm bàn tay phải để xác định chiều của dòng điện cảm ứng theo các bước đã nêu trên, dùng nhiều quy tắc, mất nhiều thời gian dẫn đến nhiều sai sót, học sinh sẽ ngại và bỏ dở bài toán

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

2.3.1 Ôn lại hiện tượng cảm ứng điện từ

Giúp học sinh nắm được nội dung của hiện tượng cảm ứng điện từ

2.3.2 Ôn lại định luật Len-Xơ về chiều của dòng điện cảm ứng

- Viết biểu thức của từ thông qua một mạch kín và phân tích những

nguyên nhân dẫn đến sự biến thiên của từ thông

- Giúp học sinh nắm được nội dung của định luật Len-Xơ về chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín

2.3.3 Ôn lại quy tắc nắm bàn tay phải

Giúp học sinh vận dụng được quy tắc nắm bàn tay phải để xác định được chiều của đường sức từ do dòng điện trong mạch kín gây ra khi biết chiều của dòng điện kín Ngược lại xác định được chiều của dòng điện trong mạch kín khi biết chiều của đường sức từ mà nó gây ra

2.3.4 Ôn lại sự tương tác từ

Giúp học sinh nắm rõ sự tương tác giữa các nam châm, giữa các dòng điện và việc quy ước mặt Bắc và Nam của dòng điện kín

2.3.5 Tổ chức dạy học

2.3.5.1 Việc phân chia không gian nhóm học

Tôi đã dạy cho học sinh lớp 11B37 - Trường THPT Triệu Sơn 3 bài toán xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong hiện tượng cảm ứng điện từ bằng việc phân chia không gian lớp thành 2 nhóm học có lực học tương đương nhau, điều này căn cứ vào điểm khảo sát chất lượng thi THPT lần 2 do nhà trường tổ chức:

- Với nhóm thực nghiệm, tôi xây dựng cho các em sử dụng sự tương tác từ để xác định chiều của dòng điện cảm ứng Tôi lần lượt đưa ra từng bài toán ví dụ và hướng dẫn giải bằng việc sử dụng sự tương tác từ

- Với nhóm đối chứng, tôi cũng lần lượt đưa ra từng bài toán ví dụ như trên nhưng hướng dẫn các em giải bằng phương pháp thông thường qua 4 bước đã trình bày ở mục 2.1.5.1

2.3.5.2 Các bài toán ví dụ

2.3.5.2.1 Bài toán chuyển động tịnh tiến của nam châm hoặc vòng dây mang dòng điện

Trang 6

Bài toán số 1:

Cho thanh nam châm thẳng đang

tiến lại gần một vòng dây kín như hình vẽ

bên (Hình 3) Xác định chiều của dòng

điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây

Cách giải thông thường

Đường sức từ do thanh nam châm gây ra đi ra từ cực Bắc (N) đi vào từ cực Nam (S) ký hiệu là  như hình vẽ (Hình

4.1), ta chỉ vẽ đại diện một đường thôi

(lẽ ra đường sức từ này phải qua tâm

nam châm nhưng ta vẽ xuống dưới một

chút để không bị che mất trục của vòng

dây)

Vì nam châm đang chuyển động về phía vòng dây làm cho từ trường ở chỗ vòng dây tăng nên từ thông qua vòng dây cũng tăng

Vì từ thông qua vòng dây đang

tăng nên để chống lại sự biến thiên của

từ thông qua vòng dây thì đường sức từ

do dòng điện cảm ứng trong vòng dây

sẽ ngược chiều với đường sức từ do

nam châm gây nên, ta vẽ một đường

sức từ do dòng điện cảm ứng gây ra,

đường  như hình vẽ bên (Hình 4.2)

Theo quy tắc nắm bàn

tay phải, ta xác định được

chiều của dòng điện cảm ứng

xuất hiện trong vòng dây như

hình vẽ bên (Hình 4.3)

Cách giải dùng sự tương tác từ

Do nam châm chuyển động lại gần

nên vòng dây phải đẩy nam châm ra xa để

chống lại sự chuyển động của nam châm,

vì vậy mặt mà ta đang nhìn thấy của vòng

dây là mặt Bắc (cực Bắc) vì hai cực cùng

tên thì đẩy nhau Vậy theo quy ước, dòng

điện sẽ ngược chiều kim đồng hồ như hình vẽ bên (Hình 5)

Trang 7

Một vòng dây kín đang chuyển động ra xa

một vòng dây khác đã có dòng điện như hình vẽ

bên (Hình 6) Xác định chiều của dòng điện cảm

ứng xuất hiện trong vòng dây chuyển động

Cách giải thông thường (Hình 7)

Bước 1: Xác định chiều đường sức của từ

trường ngoài

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của đường sức từ do mạch điện gây ra 

Từ thông qua vòng dây đang giảm vì vòng dây chuyển động ra xa mạch điện

Vì từ thông giảm nên các đường sức từ do dòng điện cảm ứng gây ra  cùng chiều với các đường sức từ do mạch điện gây ra

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định

chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng

dây

Cách giải dùng sự tương tác từ

Do vòng dây chạy ra xa chính là nguyên nhân

xuất hiện dòng điện cảm ứng nên mạch điện phải

hút vòng dây để chống lại sự chuyển động này Vì

vậy dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây

phải cùng chiều với dòng điện trong mạch điện

như hình vẽ bên (Hình 8)

2.3.5.2.2 Bài toán mạch kín đặt trong từ trường

biến thiên

Cho ống dây có dòng điện đang tăng như hình

vẽ (Hình 9) Xác định chiều của dòng điện cảm

ứng xuất hiện trong vòng dây kín

Trang 8

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của đường sức từ do ống dây mang dòng điện gây ra 

Từ thông qua vòng dây đang tăng vì dòng điện qua ống dây đang tăng

Vì từ thông tăng nên các đường sức từ do dòng điện cảm ứng gây ra  ngược chiều với các đường sức từ do ống dây mang dòng điện gây ra

Bước 4:

chiều của dòng điện cảm ứng

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây như hình vẽ (Hình 10)

Cách giải sử dụng sự tương tác từ

Vì dòng điện trong ống dây đang

tăng nên từ thông qua vòng dây cũng

tăng Vì vậy, vòng dây sẽ bị ống dây đẩy

ra xa để giảm sự tăng của từ thông qua

vòng dây, dẫn đến dòng điện qua vòng

dây và dòng điện trong ống dây phải

ngược chiều nhau như hình vẽ (Hình 11)

Hai vòng dây đặt đồng phẳng như hình vẽ bên (Hình 12)

Dòng điện trong vòng dây phía ngoài đang tăng Xác định

chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây phía

trong

Bước 1: Xác định chiều đường sức của từ trường

ngoài

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của đường

sức từ do dòng điện trong vòng dây ngoài gây ra 

Từ thông qua vòng dây trong đang tăng vì dòng điện qua

vòng dây ngoài đang tăng

Bước 3: Xác định chiều của đường sức do dòng điện

cảm ứng sinh ra

Trang 9

Vì từ thông tăng nên các đường sức từ do dòng điện cảm ứng gây ra  ngược chiều với các đường sức từ do vòng dây ngoài gây ra

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây phía trong như hình vẽ (Hình 13)

Vì dòng điện trong vòng dây ngoài tăng dẫn đến từ

thông qua vòng dây trong cũng tăng Để chống lại sự

tăng đó thì dòng điện ngoài phải đẩy dòng điện trong để

diện tích của mạch kín có xu thế giảm đi để chống lại sự

biến thiên của từ thông Vì thế dòng điện cảm ứng trong

vòng dây phía trong ngược chiều với dòng điện ở vòng

dây phía ngoài như hình vẽ (Hình 14)

Bài toán thứ 5:

Dòng điện qua dây dẫn thẳng đang

giảm như hình vẽ bên (Hình 15) Xác định

chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện

trong khung dây

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của đường sức từ do dòng điện thẳng gây ra  tại vị trí bên trong

khung dây

Bước 2: Xem từ thông qua mạch

kín tăng hay giảm

Từ thông qua khung dây đang giảm

vì dòng điện trong dây dẫn đang giảm

Bước 3: Xác định chiều của đường

sức do dòng điện cảm ứng sinh ra

Vì từ thông qua khung dây đang giảm nên các đường sức từ do dòng điện cảm ứng trong khung dây gây ra  cùng chiều với các đường sức từ do dây dẫn thẳng gây ra

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khung dây như hình vẽ (Hình 16)

Cách giải sử dụng sự tương tác

từ

Do dòng điện trong dây dẫn thẳng

đang giảm nên từ thông qua khung dây

cũng giảm, để chống lại sự giảm này

thì khung dây có xu hướng tiến lại gần

dây dẫn thẳng nên dòng điện cảm ứng

Trang 10

ở cạnh gần dây dẫn nhất của khung dây cùng chiều với dòng điện trong dây dẫn thẳng như hình vẽ (Hình 17)

(Ở cạnh xa dây dẫn lực từ có xu hướng đẩy khung dây ra xa nhưng không thắng được lực từ tác dụng lên cạnh gần dây dẫn)

2.3.5.2.3 Bài toán chuyển động quay của nam châm hoặc vòng dây

Bài toán số 6: Một thanh nam châm thẳng

đặt bên cạnh một vòng dây, thanh nam

châm quay quanh trục đi qua tâm của nó từ

vị trí 1 đến vị trí 2 như hình vẽ bên (Hình

18) Xác định chiều của dòng điện cảm

ứng xuất hiện trong vòng dây trong quá

trình thanh nam châm quay

Đường sức từ do thanh nam châm gây ra có chiều ra từ cực Bắc vào cực Nam 

Bước 2: Xem từ thông qua mạch

kín tăng hay giảm

Từ thông qua vòng dây đang giảm vì

sô đường sức qua vòng dây giảm

Bước 3: Xác định chiều của đường

sức do dòng điện cảm ứng sinh ra

Vì từ thông qua vòng dây đang giảm

nên các đường sức từ do dòng điện cảm

ứng trong vòng dây gây ra  cùng chiều với các đường sức từ do nam châm gây ra

Dùng quy tắc nắm bàn tay phải xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây như hình vẽ (Hình 19)

Vì từ thông qua vòng dây giảm (số

đường sức qua vòng dây giảm) nên vòng

dây phải bị nam châm hút về để chống lại

sự giảm của từ thông nên mặt ta đang nhìn

thấy của vòng dây là mặt Bắc nên dòng

điện ngược chiều kim đồng hồ như hình vẽ

bên (Hình 20)

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường

2.4.1 Với học sinh lớp 11B37

Để có cơ sở đánh giá kết quả, tôi chia học sinh lớp 11B37 là lớp tôi phụ trách giảng dạy thành 2 nhóm tương tương nhau về trình độ môn học, sự phân chia dựa theo điểm khảo sát chất lượng thi tốt nghiệp THPT lần 2 do nhà trường

tổ chức

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	542,5 KB