skkn một số thí nghiệm mô phỏng vật lý phần cảm ứng điện từ trong dạy học nội dung “điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng, định luật len xơ về chiều dòng điện c

Một số thí nghiệm mô phỏng vật lý phần cảm ứng điện từ trong dạy học nội dung “Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng, Định luật len xơ về chiều dòng... Đề tài: Một số thí nghiệm mô phỏng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG SÔNG RAY

Mã số:

Một số thí nghiệm mô phỏng vật lý phần cảm ứng điện từ trong dạy học nội dung “Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng, Định luật len xơ về chiều dòng

Đề tài: Một số thí nghiệm mô phỏng vật lý phần cảm ứng điện từ trong dạy học nội dung “Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng,

Định luật len xơ về chiều dòng điện cảm ứng” A.ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc ứng dụng CNTT trong dạy học là một điều hết sức cần thiết và là một

xu hướng tất yếu khi muốn đổi mới phương pháp dạy học “quan niệm lấyngười học làm trung tâm”

I.1.2, Bộ môn

- Chưa có hoặc đã có thì việc sắp xếp, quản lí và bảo quản các trang thiết bịthí nghiệm- đồ đùng dạy học chưa hợp lí và khoa học Còn thiếu các thiết bịthí nghiệm về phần cảm ứng điện từ

- Có những thí nghiệm biểu diễn, chứng minh về chất lượng và số lượngchưa đủ để đảm bảo tốt (thời lượng, hiệu quả…) trong quá trình dạy học

- Có những thí nghiệm khó thực hiện thành công như thí nghiệm về hiệntượng cảm ứng điện từ trong ống dây có dòng điện biến thiên do duïng cụ độchính xác chưa cao

- Có các hiện tượng Vật Lí trừu tượng, chưa thể thực hiện thí nghiệm đểquan sát thấy, ví dụ như: đường sức từ ,từ thông biến thiên …

I.1.3, Các khó khăn khi dạy học nội dung “điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng , Định luật len xơ về chiều dòng điện cảm ứng ”

Hiện tượng cảm ứng điện từ là một trong những hiện tượng hết sức cơbản được nghiên cứu trong chương trình vật lý phổ thông hiện hành Ở cảhai bậc học THCS và THPT , học sinh đều được nghiên cứu điều kiện xuấthiện dòng điện cảm ứng

Khó khăn nhất trong khi dạy học nội dung này là làm sao từ các thínghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ ( nam châm chuyển động tương đốivới mạch điện kín , hay cường độ dòng điện trong ống day đặt đồng trục vớiống dây dẫn kín thay đổi ), học sinh có thể tự lực đưa ra điều kiện xuất hiệndòng điện cảm ứng và quy tắc xác định chiều dòng điện cảm ứng mà tránhthông báo áp đặt từ phía giáo viên.

Như đã biết , để rút ra kết luận về điều kiện xuất hiện dòng điện cảmứng, dù có phát biểu điều kiện này dưới các dạng khác nhau như trong SGKvật lý lớp 9 , vật lý 11 hiện hành thì dấu hiệu bản chất nhất , quan trọng nhấtgây ra dòng điện cảm ứng, trước hết là sự thay đổi số lượng đường cảm ứng

từ gửi qua ống dây dẫn kín Chỉ từ việc quan sát tất cả các thí nghiệm gâylên dòng điện cảm ứng , học sinh đều khó có thể nghĩ và phát hiện ra mốiquan hệ giữa việc xuất hiện dòng điện cảm ứng và sự biến đổi số lượng cácđường cảm ứng từ gửi qua ống dây dẫn kín , vì các đường sức từ của namchâm điện và nam châm vĩnh cửu đều không thể nhìn thấy Để giúp học sinhphát hiện ra mối quan hệ này , giáo viên thường vẽ nam châm , các đườngsức của nó và ống dây dẫn kín trên mặt phẳng giấy trong suốt ( trong khônggian 2 chiều) , sau đó di chuyển tờ giấy có hình vẽ nam châm ( hay ống dây)lại gần tờ giấy vẽ ống dây ( hay nam châm) Đến nay , với các phương tiênday học truyền thống , một hình ảnh hay mô hình động trong không gian 3chiều mô tả các thí nghiệm về dòng điện cảm ứng điện từ đều khó hoặckhông thực hiện được Đặc biệt không thể tạo ra được hình ảnh hay mô hìnhđộng trong không gian 3 chiều về sự biến đổi dòng điện của nam châm điệnkhi đóng ngắt mạch hay di chuyển con chạy, do mật độ các đường cảm ứng

từ trong trường hợp này luôn thay đổi

I.2 Giải pháp.

Tôi đã nghiên cứu và ứng dụng phần mềm “Mô phỏng một số thí nghiệm vật

lý phần cảm ứng điện từ”kết hợp PowerPoint(với đồ dùng dạy học kèm theo:

laptop, máy chiếu Projector) trong dạy học chương “cảm ứng điện từ” Vật Lí lớp

11, chương trình chuẩn - viết tắt là C và nâng cao - viết tắt là NC Việc thiết kế,

sử dụng các thí nghiệm ảo, chứng minh, mô phỏng các hiện tượng Vật Lí đã và

3

đang đem lại hiệu quả cao trong dạy học Vật Lí Với phương pháp thay thế các

thí nghiệm thật (không kể bài thực hành) sẽ giảm được nhiều chi phí trong việc

mua trang thiết bị dạy học Vì vậy, trong năm học 2012 - 2013, tôi đã mạnh dạn

viết sáng kiến kinh nghiệm với đề tài: Một số thí nghiệm mô phỏng vật lý

phần cảm ứng điện từ trong dạy học nội dung “Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng, Định luật len xơ về chiều dòng điện cảm ứng”

II Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

II.1, Mục tiêu.

- Tạo niềm tin, đam mê, hứng thú với mônVật Lí cho học sinh.

- Phát huy tính tích cực ,chủ động ,sáng tạo của học sinh trong học tập.

- Nâng cao chất lượng bộ môn

II.2, Nhiệm vụ.

- Nghiên cứu và đề xuất các phương pháp sử dụng, thiết kế các thí nghiệm

ảo biểu diễn, chứng minh, mô phỏng phần cảm ứng điện từ Vật Lí 11 bằng phần

mềm “Mô phỏng một số thí nghiệm vật lý phần cảm ứng điện từ”

- Phát huy những ưu điểm vượt trội của phần mềm trong dạy học cá nộidung:

+ Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng

+Chiều dòng điện cảm ứng

- Khảo sát tính khả thi và hiệu quả của quá trình dạy học Vật Lí có sử dụng phần

mềm “Mô phỏng một số thí nghiệm vật lý phần cảm ứng điện từ”

III Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

III.1 , Khách thể.

Học sinh với bộ môn Vật Lí

III.2 , Đối tượng

- Phần mềm “Mô phỏng một số thí nghiệm vật lý phần cảm ứng điện từ”

- Tính khả thi và hiệu quả

III.3, Phạm vi nghiên cứu.

Chương : Cảm ứng điện từ - chương trình Vật Lí 11 THPT

III.4, Giả thuyết khoa học.

Trong tương lai, nhà trường THPT sẽ xây dựng dựa trên mô hình lớp học

TLC(Teaching And Learning With Computer), chương trình dạy học theo

dự án Phần mềm “Mô phỏng một số thí nghiệm vật lý phần cảm ứng điện

từ” là rất cần thiết và không thể thiếu trong quá trình dạy học Vật Lí đó III.5, Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp nghiên cứu lý luận:

a Thu thập những thông tin lý luận ứng dụng công nghệ thông tin trongdạy học Vật Lí trên các tập san giáo dục, các bài tham luận ở các diễn đànVật Lí trên các Website (Internet)

- Phương pháp quan sát:

Quan sát các hoạt động của học sinh trong các tiết Vật Lí

- Phương pháp điều tra:

Trò chuyện, trao đổi với học sinh Phiếu điều tra

- Phương pháp tổng kết kinh nghiệm:

+ Tham khảo những bản báo cáo , tổng kết hàng năm của nhà trường

+ Tham khảo kinh nghiệm của các trường bạn

+ Tham khảo những kinh nghiệm của các giáo viên khác trong trường mình

- Phương pháp thử nghiệm:

Áp dụng dạy học Vật Lí cho học sinh ở lớp 11, Trường THPT Sông Ray

III.6, Thời gian thực hiện.

Th.s : Nguyễn Quang Vinh

Cử nhân tin học: Phạm Tuấn Tài

I.2, Giới thiệu phần mềm

5

Phần mềm mô phỏng về hiện tượng cảm ứng điện từ là một phần mềm tinhọc hỗ trợ dạy học định luật cảm ứng điện từ (Vật lý lớp 11 – THPT) theo h-ướng dạy học giải quyết vấn đề phát huy tính tích cực, năng lực giải quyết vấn

đề, nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức của học sinh về định luật cảmứng điện từ và các hiện tượng liên quan đến định luật cảm ứng điện từ

Phần mềm thuộc dạng “tự chạy”, chạy file sau:

Thi_nghiem_vat_ly.exe

I.3 ,Yªu cÇu hÖ thèng:

+ PhÇn mÒm ch¹y trªn hÖ ®iÒu hµnh Windows9x, Me, 2000, NT, XP Tèt nhÊt lµ trªn hÖ ®iÒu hµnh Windows2000, NT, XP

+ CÇn tèi thiÓu 32 Mb RAM

+ §é ph©n gi¶i tèt nhÊt 800x600

I.4, Giao diện.

I.5, Nội dung phần mềm:

Phần mềm xây dựng đợc gồm một số chơng trình mô phỏng các thí nghiệm

về hiện tửụùng cảm ứng điện từ:

* Chơng trình mô phỏng các thí nghiệm trong đó có sự chuyển động tơng đốigiữa nam châm vaứ ống dây:

7

* Chơng trình mô phỏng các thí nghiệm trong đó có sự thay đổi cờng độ dòng một chiều qua nam châm điện.

* Chơng trình mô phỏng thí nghiệm thay đổi diện tích mạch điện

* Chơng trình mô phỏng thí nghiệm thay đổi góc giữa véctơ cảm ứng từ B vàvéctơ pháp tuyến

9

* Ch¬ng tr×nh m« pháng c¸c ph¬ng ¸n thÝ nghiÖm «n tËp cñng cè

I.6, Ưu điểm.

* Thí nghiệm mô phỏng các quá trình vật lý có đặc điểm:

- Các đường sức từ của nam châm cũng như ống dây dẫn kín nối với điện kếđựơc mô phổng trong không gian 3 chiều , trực quan với các mầu sắc hàihoà

-Các thí nghiệm mô phổng này là các thí nghiệm động có thể là lại vô hạn lần, điều khiển chạy hoặc dừng lại ở bất cứ thời điểm nào , ở bất cứ vị trí tươngđối nào giữa các đối tượng được nghiên cứu trong thí nghiệm

- Mô phỏng sự thay đổi mật độ các đường cảm ứng từ trong thí nghiệm về sựbiến đổi dòng điện của nam châm điện khi đóng ngắt mạch điện hay dichuyển con chạy

Đóng khoá K Di chuyển con chạy sang phải

* Thí nghiệm thực hành vật lý thật( video) có ưu điểm:

- Học sinh có thể quan sát, nhận biết tất cả các thiết bị trong thí nghiệm

- Các quá trình vật lý xảy ra thực sự,trược quan

11

Đặc điểm môn vật lý các tri thức đều được xây dựng theo nguyên tắc:

thực nghiệm  qui luật  lý thuyết, do đó các bài giảng được lồng ghép với các

thí nghiệm là phương án được nhiều giáo viên vật lý lựa chọn và là điều kiện bắtbuộc của 1 giờ dạy vật lý giỏi, nên thí nghiệm biểu diễn, chứng minh ảo là rất cầnthiết trong giáo án điện tử

II Một số nội dung dạy học có ứng dụng phần mềm“ Mô phỏng một số thí nghiệm vật lý phần cảm ứng điện từ”

II.1) §iÒu kiÖn xuÊt hiÖn dßng ®iÖn c¶m øng – Vật lý 11 (Cơ bản & nâng cao)

II.1.1 ,Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Điều kiện xuất hiện dòng điện

cảm ứng theo chơng trình vật lý 11 với sự trợ giúp của phần mềm.

13

Dũng điện tạo ra từ trường Vấn đề đặt ra

là nhờ từ trường cú thể tạo ra dũng điện

được khụng?

Thớ nghiệm 1 A, B

Dũng điện cảm ứng xuất

do sự chuyển động tương đối giữa nam chõm và ống dõy kớn.

Thớ nghiệm 1 C, D, E,F

F

Dũng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch điện kớn khi số đường sức từ qua mạch kớn thay đổi

Dũng điện cảm ứng xuất hiện khi từ thụng qua mạch kớn biến thiờn

Hiện tượng cảm ứng điện từ

Từ trường

sinh ra dũng

điện

Giả thuyết 1 11

Giả thuyết 2

Kết hợp khỏi niệm

từ thụng

II.1.2, Tiến trình giảng dạy

G/v: (Đặt vấn đề)

Khi nghiên cứu chơng IV chúng ta đã biết dòng điện sinh ra từ trờng Vấn đề đặt

ra là ngợc lại nhờ từ trờng có thể tạo ra dòng điện đợc không ? Để trả lời câu hỏi

này chúng ta tiếp tục nghiên cứu chơng V “Cảm ứng điện từ ” Bài đầu tiên của

ch-ơng mà chúng ta nghiên cứu là “ Khái niệm từ thông – Hiện tợng cảm ứng điện từ

”

(G/v viết đề mục chơng và bài học lên bảng).

Để trả lời câu hỏi trên chúng ta tiến hành làm thí nghiệm đơn giản sau:

(G/v giới thiệu dụng cụ, bố trí thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm 1A, 1B)

Các em hãy quan sát thí nghiệm và hãy cho biết kim của Miliampekế nh thế nàokhi tiến hành thí nghiệm?

( Thớ nghiờm 1A ) ( Thớ nghiờm 1 B )

H/s: Kim Miliampekế lệch khỏi vị trí 0 theo hai chiều ngợc nhau khi có chuyển

động tơng đối giữa Nam châm và Cuộn dây

+ G/v: Hiện tợng xảy ra ở trên chứng tỏ điều gì?

H/s: Chứng tỏ trong mạch kín (Cuộn dây và Miliampekế) có dòng điện

+ G/v: Vậy có thể sơ bộ rút ra kết luận gì về mối quan hệ giữa Từ trờng và Dòng

điện?

H/s: Nhờ từ trờng có thể tạo ra dòng điện

+ G/v: Đúng vậy! Hiện tợng nhờ từ trờng tạo ra dòng điện chạy trong cuộn dây màcác em vừa quan sát thấy trong các thí nghiệm trên đợc gọi là hiện tợng cảm ứng

điện từ và dòng điện chạy trong cuộn dây khi đó gọi là dòng điện cảm ứng

+ G/v: Vấn đề tiếp theo đặt ra là khi nào thì có hiện tợng cảm ứng điện từ?

H/s: Khi có sự chuyển động tơng đối giữa Nam châm (từ trờng) và Cuộn dây

(mạch kín) – (Giả thuyết 1).

+ G/v: Để kiểm tra giả thuyết mà các em đã nêu ra ở trên chúng ta có thể xây dựngnhững phơng án thí nghiệm nh thế nào?

(G/v gợi ý, hớng dẫn để học sinh đa ra các phơng án kiểm tra giả thuyết trên nh: Thí nghiệm Nam châm điện, cuộn dây không chuyển động, đóng ngắt khoá K có dòng cảm ứng)

Sau đó giáo viên lựa chọn và tiến hành một số thí nghiệm theo phơng án mà họcsinh đã đa ra (Hoặc cho học sinh quan sát thí nghiệm thật và thí nghiệm mô phỏng1C trên màn hình) và yêu cầu học sinh trả lời câu hỏi:

ta hãy cùng quan sát những hình ảnh mô phỏng các thí nghiệm trên

G/v cho học sinh quan sát các hình ảnh mô phỏng thí nghiệm 1A; 1B; 1C (chuyển động tơng đối giữa Nam châm với Cuộn dây; đóng ngắt khoá K của mạch Nam châm điện) và đặt vấn đề để học sinh suy nghĩ, trả lời:

Hình ảnh mô phỏng thí nghiệm : 1B; 1C

Với các thí nghiệm mô phỏng

mà các em đã quan sát khi dòng điệncảm ứng xuất hiện trong cuộn dây thìtrong những thí nghiệm đó có yếu tốnào chung?

15

H/s: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín khi số đờng cảm ứng từ qua

mạch kín (qua tiết diện của ống dây) thay đổi – (Giả thuyết 2).

+ G/v: Để kiểm tra giả thuyết mà các em đã nêu ra ở trên chúng ta có thể xây dựngnhững phơng án thí nghiệm nh thế nào?

(G/v gợi ý: Theo các em có thể làm thế nào để thay đổi số đờng cảm ứng từ qua diện tích tiết diện của mạch kín?

Hớng dẫn để học sinh đa ra các phơng án kiểm tra giả thuyết trên nh:

- Tăng, giảm số đờng cảm ứng từ qua tiết diện cuộn dây (bằng cách tăng, giảm I qua nam châm điện nhờ thay đổi R trong mạch có nam châm điện).

- Thay đổi diện tích tiết diện S của cuộn dây (bằng cách làm méo cuộn dây).

- Thay đổi góc giữa véc tơ cảm ứng từ với mặt phẳng tiết diện của cuộn dây.

Trên cơ sở các phơng án mà học sinh đã nêu ra G/v tiến hành làm các thí nghiệm

1D; 1E; 1F sau đó cho học sinh quan sát hình ảnh mô phỏng các thí nghiệm và yêucầu h/s trả lời câu hỏi:

số đờng cảm ứng từ qua mạch kín thay đổi.

+ G/v: Sử dụng khái niệm từ thông mà chúng ta vừa cùng nghiên cứu ở trên, các em

hãy suy nghĩ và phát biểu lại: Điều kiện xuất hiện và tồn tại dòng điện cảm ứng phụ thuộc nh thế nào vào từ thông

H/s: Khi từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điệncảm ứng, và dòng cảm ứng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian mà từ thông biếnthiên

+ G/v: Để kiểm tra kết luận trên chúng ta cùng quan sát lại những hình ảnh môphỏng các thí nghiệm đã tiến hành ở trên Trong khi quan sát các thí nghiệm môphỏng các em hãy chú ý đến khoảng thời gian trong đó có sự thay đổi từ thôngxem trong thời gian đó trong mạch có dòng cảm ứng hay không Đồng thời các emcũng quan sát xem khi có từ trờng qua mạch kín mà từ thông không thay đổi thì

trong mạch có hay không có dòng cảm ứng? (trong giai đoạn này G/v sử dụng các

17

thí nghiệm mô phỏng 1A; 1D;1E; 1F trong đó có hiện mặt cắt và sử dụng tuỳ chọn dừng thí nghiệm).

H/s: Đúng là chỉ khi từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch mới xuất

hiện và tồn tại đòng điện cảm ứng

+ G/v: Vậy dựa vào khái niệm từ thông các em hãy cho biết thế nào là hiện tợng

cảm ứng điện từ? Và hãy nhắc lại điều kiện xuất hiện và tồn tại dòng điện cảm ứng

Khi có sự biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng.

II.2, Định luật Len xơ về chiều dũng điện cảm ứng

II.2.1, Sơ đồ tiến trỡnh xõy dựng kiến thức.

Chiều của dũng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kớn được xỏc định theo quy tắc nào?

Nhắc lại phương phỏp xỏc định chiều dũng điện căn cứ vào chiều lệch của kim điện kế?

Xỏc định chiều dũng điện cảm ứng trong cỏc thớ nghiệm mụ phỏng 1A, 1B, 1C.Cho biết chiều dũng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự thay đổi từ thụng như thế nào?

II.2.2 Tiến trỡnh bài dạy

+ G/v: (Đặt vấn đề)

Nh đã khảo sát ở tiết trớc, chúng ta đã biết khi từ thông qua một mạch điện kínthay đổi thì trong mạch xuất hiện và tồn tại dòng điện cảm ứng Đồng thời cũngtrong tiết trớc, khi tiến hành các thí nghiệm và quan sát các thí nghiệm mô phỏngchúng ta cũng đã thấy rõ là khi từ thông thay đổi thì kim của Miliampekế đợc mắcnối tiếp trong mạch (để phát hiện dòng cảm ứng) có lúc lệch về phía bên trái, lại cólúc lệch về phía ngợc lại Hiện tợng đó chứng tỏ điều gì về chiều dòng điện cảmứng xuất hiện trong mạch?

(G/v thực hiện lại một vài thí nghiệm của tiết trớc nh thí nghiệm 1A; 1D - và cho học sinh quan sát các thí nghiệm mô phỏng tơng ứng)

H/s: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch có chiều thay đổi

+ G/v: Đúng vậy Tuy nhiên khi nào thì dòng cảm ứng thay đổi chiều và chiều củadòng cảm ứng có mối liên hệ gì với sự biến thiên từ thông hay không ? Nếu có thìmối quan hệ đó thể hiện nh thế nào ?

Để trả lời câu hỏi này chúng ta cùng nghiên cứu phần tiếp theo :

“Định luật Len xơ về chiều dũng điện cảm ứng”

Khi |Φ| qua mạch kín tăng thì dòng điện cảm ứng có

chiều sao cho từ tr ờng B’ mà nó sinh ra có chiều ng ợc

với chiều của từ tr ờng B Ng ợc lại khi |Φ| qua mạch kín

giảm thì dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ tr ờng B

' mà nó sinh ra có chiều cùng với chiều của từ tr ờng B

(B là từ tr ờng có từ thông biến thiên sinh ra dòng cảm

ứng)

Dựng cỏc thớ nghiệm ,D ,E F để kiểm tra giả thuyết 3

19

Kết luõn: Dòng điện cảm ứng

có chiều sao cho từ tr ờng B '

mà nó sinh ra luôn chống lại

sự biến thiên từ thông Φ sinh ra nó.

Định luật Lenxơ