Phương pháp giải các bài tập điển hình về hiện tượng cảm ứng điện từ

Để phần nào giúp các học sinh của mình cảm thấy dễ dàng tiếp nhận kiếnthức về từ học, đặc biệt là hiện tượng cảm ứng điện từ, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài: “ Phương pháp giải các bài tậ

1.MỞ ĐẦU 1.1 Lý do lựa chọn đề tài

Trong quá trình dạy học môn Vật lý, các bài tập vật lý có tầm quan trọng đặcbiệt Hiện nay để thực hiện tốt chương trình giáo khoa và dạy học theo phươngpháp đổi mới có hiệu quả thì việc hướng dẫn học sinh biết phân loại, nắm vữngphương pháp và làm tốt các bài tập sẽ góp phần không nhỏ vào việc thực hiệnthành công mục tiêu giảng dạy cũng như kiểm tra chính xác mức độ hiểu kiến thứccủa học sinh

Từ học là một phần không thể thiếu của Vật lý Trong chương trình THPT,

từ học được giảng dạy ở Vật lý lớp 11 Tuy nhiên, mảng kiến thức chính này hiệnnay chưa có được sự quan tâm thỏa đáng với tầm quan trọng của nó từ phía họcsinh và ngay cả từ phía giáo viên dạy Vật lý vì nhiều lý do Thứ nhất, từ học là mộtphần kiến thức khó và mang tính trừu tượng cao với nhiều quy tắc và suy luận vìvậy gây cảm giác mơ hồ cho người học, điều này dễ nhận thấy nhất khi giảng dạychương “Cảm ứng điện từ” Thứ hai, lượng kiến thức về từ học không được sửdụng nhiều trong kỳ thi tuyển sinh vào các trường Đại học và Cao đẳng, điều nàykhiến cả người dạy và người học không có hứng thú với việc tìm tòi và tiếp thunhững kiến thức này

Để phần nào giúp các học sinh của mình cảm thấy dễ dàng tiếp nhận kiếnthức về từ học, đặc biệt là hiện tượng cảm ứng điện từ, tôi đã chọn nghiên cứu đề

tài: “ Phương pháp giải các bài tập điển hình về hiện tượng cảm ứng điện từ’’.

Với đề tài này tôi hi vọng sẽ làm cho học sinh mình thấy sự logic, rõ ràng và thú vị

về hiện tượng cảm ứng điện từ qua hệ thống bài tập

1.2 Mục đích nghiên cứu

Giúp học sinh có cái nhìn khái quát về hiện tượng cảm ứng điện từ Từ đóhiểu rõ bản chất của hiện tượng này ở các trường hợp cụ thể qua các tình huống màbài tập đưa ra và định hướng được cách giải nhanh chóng

Củng cố, bồi đắp hứng thú học tập, nâng cao khả năng tự học và tự nghiêncứu của học sinh

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng tôi đã thực hiện phương pháp mới này là học sinh lớp 11ATrường trung học phổ thông Hà Trung năm học 2016-2017

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Khi đã xác định được vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu tôi đã sử dụng cácphương pháp sau:

- Phương pháp điều tra giáo dục

1

- Phương pháp quan sát sư phạm

- Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh

- Phương pháp mô tả, mô phỏng bằng thí nghiệm ảo

- Các phương pháp thực nghiệm trong giảng dạy vật lý

Bộ môn vật lý được đưa vào giảng dạy trong nhà trường phổ thông nhằm cung cấpcho học sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, có hệ thống toàn diện về vật lý

Hệ thống kiến thức này phải thiết thực, có tính tổng hợp và đặc biệt phải phù hợpvới quan điểm vật lý hiện đại Để học sinh có thể hiểu được một cách sâu sắcnhững kiến thức và áp dụng các kiến thức đó vào thực tiễn cuộc sống thì cần phảirèn luyện cho các học sinh những kỹ năng, kỹ xảo thực hành như: Kỹ năng kỹ xảogiải bài tập, kỹ năng đo lường, quan sát …

Bài tập vật lý với tư cách là một phương pháp dạy học, nó có ý nghĩa hết sứcquan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học vật lý ở nhà trường phổ thông.Thông qua việc giải tốt các bài tập vật lý các học sinh sẽ có được những kỹ năng sosánh, phân tích, tổng hợp … do đó sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển tư duycủa học sinh Đặc biệt bài tập vật lý giúp học sinh củng cố kiến thúc có hệ thốngcũng như vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết những tình huống

cụ thể, làm cho bộ môn trở nên hấp dẫn, lôi cuốn các em hơn

2.2 Thực trạng của vấn đề

2.2.1 Thuận lợi

Trong quá trình giảng dạy, khi tìm hiểu tâm tư nguyện vọng của một số họcsinh lớp 11 tôi được biết có rất nhiều học sinh thích học môn vật lí, nhiều học sinh

có nguyện vọng thi vào đại học khối A và đăng kí học các ngành vật lí

Theo cấu trúc của chương trình và sách giáo khoa vật lí lớp 11 thì trước khi họcchương Cảm ứng điện từ, học sinh đã được học một số kiến thức cơ bản như: từtv.v Vì vậy giáo viên có thể giúp học sinh phát triển những kiến thức này lên cácmức cao hơn như: Các lực cơ học, từ trường, lực từ, dòng điện không đổi…Vì vậygiáo viên có thể giúp học sinh phát triển những kiến thức này lên các mức cao hơn

để vận dụng giải bài tập cảm ứng điện từ

2.2.2 Khó khăn

Là một giáo viên khi dạy tiết bài tập về hiện tượng cảm ứng điện từ, tôi thấysách giáo khoa chỉ đề cập đến hiện tượng cảm ứng điện từ trong những trường hợpđơn giản với số lượng bài tập không nhiều trong khi đó các bài tập phần này rất đadạng Khi gặp các bài toán thuộc dạng vận dụng nhiều kiến thức tổng hợp, nhữngcâu hỏi lạ thì học sinh thường lúng túng không biết cách giải hoặc phải mất rấtnhiều thời gian cho một bài

2.4 Biện pháp phân loại bài tập và thiết lập công thức theo từng dạng.

2.4.1.Bài tập xácđịnh chiều của dòngđiện cảm ứng

2.4.1.1 Tóm tắt lý thuyết

* Từ thông Φ qua diện tích S đặt trong từ trường đều ⃗B

được tính bởi công thức:

là góc hợp bởi các đường sức từ và pháp tuyến của mặt phẳng khung dây;

Φ là từ thông (Wb)

* Hiện tượng cảm ứng điện từ:

- Điều kiện: 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.

- Định luật Len-xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó

2.4.1.2 Phương pháp giải bài tập

* Áp dụng định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng:

⃗⃗ là cảm ứng từ của từ trường ban đầu;

* Các bước xác dịnh chiều dòng điện cảm ứng:

- Xác định chiều của từ trường ban đầu ⃗⃗ B .

- Xét từ thông |Φ|

(số đường sức từ) qua tiết diện khung dây tăng hay giảm.

⃗⃗

- Dựa vào định luật Len-xơ để xác định chiều của B c

- Áp dụng quy tắc đinh ốc để xác định chiều của dòng điện cảm ứng

Ví dụ: Cho hệ thống như hình vẽ: Nam châm chuyển động lên phía trên theo

phương thẳng đứng, xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây Dưới tácdụng của lực từ, vòng dây có thể chuyển động theo chiều nào? [1]

Giải:

- Từ trường do nam châm sinh ra đi qua vòng dây sẽ tạo ra một từ thông

qua vòng dây

- Khi nam châm ra xa vòng dây, số đường sức qua tiết diện vòng dây là

giảm Do đó, từ thông qua vòng dây có độ lớn giảm dần và trong vòng

dây xuất hiện dòng điện cảm ứng Ic

- Áp dụng định luật Len-xơ ta thấy: Ic sinh ra từ trường có cảm ứng từ

⃗⃗B

c cùng chiều với ⃗B .

- Theo quy tắc đinh ốc, ta suy ra đòng điện Ic có chiều như hình vẽ

- Dòng điện cảm ứng Ic khiến vòng dây có tác dụng như một nam châm mà mặttrên là mặt Nam, mặt dưới là mặt Bắc Do đó, vòng dây bị nam châm hút Vậyvòng dây có thể chuyển động lên phía trên M P

N Q

Hình 1

2.4.1.3 Bài tập củng cố

Bài 1 Một thí nghiệm được bố trí như hình vẽ.

Hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng trong mạch C khi con chạy biến trở đi

Bài 2 Một nam châm đưa lại gần vòng dây như hình vẽ.

Hỏi dòng điện cảm ứng trong vòng dây có chiều như thế nào

và vòng dây sẽ chuyển động về phía nào?[2]

Bài 3 Một vòng dây kim loại treo trên sợi dây mảnh song

song với mặt cắt của một cuộn dây Cuộn dây được mắc vào

mạch điện như hình vẽ Khi khóa K đóng thì trong

vòngHìnhkim4 loại xuất hiện dòng điện cảm ứng có chiều

như thế nào và vòng kim loại chuyển động ra sao? [1]

Trong đó:

- ΔΦ là độ biến thiên từ thông trong thời gian Δt;

- ec: là suất điện động cảm ứng của khung dây

4.2.2 Phương pháp giải bài tập

- Áp dụng công thức tính từ thông: Φ=NB.S.cos α Từ đó tính ΔΦ.

- Áp dụng định luật Faraday để tính suất điện động cảm ứng

- Kết hợp với công thức định luật Ohm cho toàn mạch để tìm cường độ dòng điện cảm ứng

Ví dụ 1: Một cuộn dây phẳng có 100 vòng, bán kính mỗi vòng dây là 0,1m Cuộn

dây được đặt trong từ trường đều, mặt phẳng cuộn dây vuông góc với các đườngcảm ứng từ Lúc đầu cảm ứng từ của từ trường có giá trị 0,2T Cuộn dây có điện trở

là r = 2,1Ω Tìm suất điện động cảm ứng trung bình trong cuộn dây và dòng điệnchạy trong cuộn dây nếu trong khoảng thời gian 0,1s [3]

a) cảm ứng từ của từ trường tăng đều đặn lên gấp đôi

b) cảm ứng từ của từ trường giảm đều đặn đến 0

Giải:

- Dòng điện chạy trong cuộn dây là: r 2,1 (A)

Ví dụ 2: Một dây dẫn chiều dài l = 2m, điện trở R = 4Ω được uốn thành một hình

vuông Các nguồn E1 = 10V, E2 = 8V, r1 = r2 = 0, được mắc vào các cạnh hình

⃗⃗

vuông như hình Mạch được đặt trong một từ trường đều B vuông góc với mặt

phẳng hình vuông và hướng ra sau hình vẽ, B tăng theo thời gian theo quy luật

B = kt, k = 16T/s Tính cường độ dòng điện chạy trong mạch.[4] E1

Giải:

Do B tăng nên trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động B EC

Ec; dòng điện cảm ứng do Ec sinh ra phải có chiều sao cho từ trường

⃗⃗

do nó sinh ra ngược chiều với từ trường ngoài B

Suất điện động cảm ứng Ec được biểu diễn như hình vẽ:

Ví dụ 3: Cuộn dây kim loại (có điện trở suất ρ = 2.10-8Ωm), N = 1000 vòng, đườngm), N = 1000 vòng, đường

kính d = 10cm, tiết diện dây S = 0,2mm 2có trục song song với ⃗⃗B của từ trườngđều Tốc độ biến thiên của từ trường là 0,2T/s Lấy πR = 3,2.[3]

a) Nối hai dầu cuộn dây với tụ điện có điện dung C = 1μF Tính điện tích của tụ F Tính điện tích của tụ

điện

6

b) Nối hai đầu cuộn dây với nhau Tính cường độ dòng cảm ứng và công suất nhiệttrong cuộn dây.

q = C.U = 10-6.1,6 = 1,6.10-6 (C) = 1,6 (μF Tính điện tích của tụ C)

b) Nối hai đầu cuộn dây với nhau, ta được một mạch điện kín

- Điện trở của cuộn dây là:

Ví dụ 4: Vòng dây dẫn diện tích S = 1m2 đặt trong một từ trường

đều có ⃗⃗B vuông góc với mặt phẳng vòng dây Hai tụ điện C1 =

1μF Tính điện tích của tụ F, C2 = 2μF Tính điện tích của tụ F được mắc nối tiếp trong vòng dây ở vị trí xuyên tâm đối Cho B thayđổi theo thời gian B = kt, k = 0,6T/s Tính hiệu điện thế và điện tích của mỗi tụ.[1]

7

0,2Ω đặt nghiêng góc 30º với B , B = 0,02T như hình.

Xác định suất điện động cảm ứng, độ lớn và chiều dòng

điện cảm ứng trong vòng nếu trong thời gian Δt = 0,01s,

a) Giảm đều từ B xuống đến không

Bài 2 Trong hình vẽ Oc là một thanh cách điện có thể α

quay quanh trục đi qua O và vuông góc với mặt phẳng

của hình vẽ Tại đầu c của thanh đó có gắn một thanh kim O

loại mảnh ab Cho biết ac = cb, ab = Oc = R và α = 60º Khi hệ nói trên quay đều quanh O với tốc độ góc ω (theo theo chiều kim đồng hồ) người ta đặt vào hệ một từ

⃗⃗ có hướng vuông góc với mặt phẳng hình vẽ và

trường đều, vecto cảm ứng từ B

hướng ra phía sau Hãy tìm biểu thức của hiệu điện thế U giữa hai đầu a và b.[1]

Bài 3 Cuộn dây có N = 100 vòng, diện tích mỗi vòng S = 300cm2 có trục song

song với ⃗B của từ trường đều, B = 0,2T Quay đều cuộn dây để sau Δt = 0,5s,

trục của nó vuông góc với ⃗B

Tính suất điện động cảm ứng trung bình trong cuộn dây [4]

Bài 4 Vòng dây đồng (ρ = 1,75.10-8Ωm) đường kính d = 20cm, tiết diện S0 = 5mm2

⃗⃗ của từ trường đều Tính độ biến thiên ΔB/Δt của cảm ứng từ

đặt vuông góc với B

khi dòng điện cảm ứng trong vòng dây I = 2A.[1]

Bài 5 Cuộn dây N = 1000 vòng, diện tích mỗi vòng S = 20cm2 có trục song song

⃗⃗ của từ trường đều Tính độ biến thiên ΔB của cảm ứng từ trong thời gian

với B

Δt = 10-2s khi có suất điện động cảm ứng Ec = 10V trong cuộn dây.[1]

Bài 6 Vòng dây dẫn diện tích S = 100cm2, điện trở R = 0,01Ω quay đều trong từtrường đều B = 0,05T, trục quay là một đường kính của vòng dây và vuông góc với

2.4.3 Bài tậpvề mạch điện có suấtđiện động tạo bởi đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường

- B là cảm ứng từ của từ trường đều (T);

- v là tốc độ chuyển động của đoạn dây (m/s);

- α=(⃗B;v⃗ )

* Quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra

90o hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trònhư một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cựcdương của nguồn điện đó

2.4.3.2 Phương pháp giải bài tập

- Áp dụng công thức về suất điện động tạo bởi đoạn dây chuyển động trong từ trường

- Kết hợp với công thức của các định luật về dòng điện không đổi để tính các đại lượng điện

- Kết hợp với các định luật Newton để tính các đại lượng cơ học

Ví dụ 1:Dây dẫn chiều dài l = 20cm chuyển động với vận tốc v = 18km/h theo

phương vuông góc với các đường sức từ của một từ trường đều có cảm ứng từ B =0,5T Tính từ thông qua diện tích mà dây quét trong thời gian Δt = 1s và suất điệnđộng xuất hiện ở hai đầu dây.[5]

Ví dụ 2: Một đoạn dây dẫn thẳng AB, chiều dài l = 20cm được treo nằm ngang bằng

hai dây dẫn mảnh nhẹ thẳng đứng, chiều dài L = 40cm Hệ thống được đặt trong một

từ trường đều thẳng đứng, B = 0,1T Kéo lệch AB để dây treo hợp với phương thẳngđứng một góc α 0 = 60o rồi buông tay Tìm biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiệntrong thanh AB khi dây treo lệch một góc α so với phương thẳng đứng Bỏ qua lực cảnkhông khí Từ đó suy ra suất điện động cảm ứng cực đại.[4]

9

B

- Chọn gốc thế năng tại vị trí đoạn dây AB khi dây treo có phương thẳng đứng

- Theo định luật bảo toàn cơ năng, ta có:

- Suất điện động cảm ứng Ec đạt giá trị cực đại khi E, r

cosα = 1, tức là α = 0 (vị trí dây treo có phương thẳng

( Ec)max=B l.v √ 2gL ( 1−cosα0) =0,04 (V)

Ví dụ 3: Cho mạch điện như hình vẽ, nguồn E = 1,5

⃗⃗ vuông góc khung dây, hướng từ trên

c) Muốn ampe kế chỉ 0, MN phải chuyển động về hướng nào với vận tốc bao nhiêu?

Giải:

a) Khi thanh MN được giữ đứng yên:

- Số chỉ của ampe kế bằng cường độ dòng điện qua đoạn

Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn MN có chiều như hình vẽ

b) Khi thanh MN chuyển động đều sang phải với v = 3m/s:

- Suất điện động cảm ứng trên đoạn dây MN là:

I = E+ E c = 1,5+0,3 =0,6

R+r 2,9+0,1 (A)

- Lực từ tác dụng lên đoạn dây MN:

F=I l.B sin90 o =0,06 (N)

Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn MN có chiều như hình vẽ

c) Để ampe kế chỉ số 0, trên thanh MN phải xuất hiện một

suất điện động cảm ứng Ec xung đối với E, có độ lớn Ec = E

- Trên hình vẽ, theo quy tắc bàn tay phải, ta xác định được:

thanh MN phải chuyển động sang trái

a) Khi hệ thống được đặt thẳng đứng như hình vẽ:

- Ban đầu, do tác dụng của trọng lực ⃗P

, thanh AB sẽ trượtxuống Lúc đó, từ thông qua mạch ABCD tăng, xuất hiện

một suất điện động cảm ứng Ec và dòng điện cảm ứng có

cường độ Ic Thanh AB có dòng điện Ic đi qua sẽ chịu tác

dụng của lực từ ⃗F của từ trường đều ⃗B .

B B C

- Để chống lại sự biến thiên từ thông qua mạch, lực từ ⃗F sẽ có chiều hướng lên

- Khi thanh AB rơi, vận tốc v tăng dần, Ec, Ic và F cũng tăng dần Đến một lúc nào

đó, F = P, thì thanh MN sẽ bắt đầu rơi đều

- Dùng quy tắc bàn tay phải, ta xác định được chiều dòng điện cảm ứng Ic trên

- Tốc độ chuyển động đều của thanh AB là:

- Cường độ dòng điện cảm ứng trong mạch:

b) Khi các thanh ray được đặt nghiêng góc α so với mặt phẳng ngang:

- Khi các ray hợp với mặt ngang góc α, hiện tượng xảy ra tương tự như trên, chỉ khác hướng vận tốc của thanh AB

- Cường độ dòng điện cảm ứng trong mạch:

Ví dụ 5: Một thanh kim loại MN nằm ngang có khối

lượng m có thể trượt không ma sát dọc theo hai thanh

ray song song, các thanh ray hợp với phương mặt

phẳng ngang một góc α Đầu dưới của hai ray nối với

một tụ điện C(hình vẽ) Hệthống đặt trongmột từ trường

B2 l2 sin α

Khoảng cách giữa hai ray là l Bỏ qua điện trở của

mạch Tính gia tốc chuyển động của thanh MN.[4]

Khi đó, tụ được tích điện: q = C.u = C.e c = B.C.l.v.cosα.

- Thanh MN chuyển động có gia tốc nên suất điện động cảm ứng trên thanh MNthay đổi theo thời gian, tức là điện tích của tụ có sự thay đổi Như vậy trong mạchxuất hiện dòng chuyển dời các điện tích giữa hai bản tụ, tức là xuất hiện dòng điện.Cường độ dòng điện trong mạch:

12