CHUYÊN ĐỀ: SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG

Ngoài ra chúng ta còn biết thêm tầm quan trọng của cuộn cảm trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp, sự cẩn thận khi ta đóng ngắt công tắc điện, cầu dao điện,…[r]

CHUYÊN ĐỀ: SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG

(2 tiết) VẬT LÍ 11

1 Xác định vấn đề cần giải quyết của chuyên đề :

Hằng ngày chúng ta đều sử dụng lưới điện quốc gia Năng lượng điện được các quốc gia chú trọng không ngừng phát triển, ngày càng tăng công suất Vậy ai là người đã đóng góp to lớn, mở ra một triển vọng về một phương thức sản xuất điện năng mới, làm nền tảng cho công cuộc điện khí hóa – cuộc cách mạng khoa học công nghệ lần thứ hai trong lịch sử tiến hóa của nhân loại Chuyên đề “Suất điện động cảm ứng”

sẽ giúp chúng ta biết được điều đó Ngoài ra chúng ta còn biết thêm tầm quan trọng của cuộn cảm trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp, sự cẩn thận khi ta đóng ngắt công tắc điện, cầu dao điện,… Qua chuyên đề, giúp học sinh có phương pháp tính toán suất điện động cảm ứng, suất điện động tự cảm trong một số bài toán đơn giản về hiện tượng cảm ứng điện từ

2 Nội dung kiến thức cần xây dựng trong chuyên đề:

Nội dung kiến thức trong chuyên đề “Suất điện động cảm ứng” được tổ chức dạy học trong 2 tiết:

 Suất điện động cảm ứng (1 tiết)

 Tự cảm – bài tập (1 tiết)

Gồm các nội dung chính sau:

2.1 Suất điện động cảm ứng trong mạch kín

2.1.1 Định nghĩa:

Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín

2.1.2 Định luật Fa-ra-day

- Công thức định luật: e c t







- Độ lớn: c

e

t







- Phát biểu: Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch điện kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó

2.2 Quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ

Chọn chiều trên mạch kín (C) và chọn chiều pháp tuyến dương

- Nếu  > 0   tăng thì ec < 0: chiều của suất điện động cảm ứng (ic) ngược với chiều của mạch

- Nếu  < 0   tăng thì ec < 0: chiều của suất điện động cảm ứng (ic) cùng với chiều của mạch

2.3 Chuyển hóa năng lượng điện trong hiện tượng cảm ứng điện từ

- Xét mạch kín (C) là một khung dây đặt trong một từ trường Để tạo ra từ thông biến thiên qua (C) thì phải có ngoại lực tác dụng vào mạch (C) và ngoại lực sinh công cơ học, công cơ học làm xuất hiện suất điện động cảm ứng nghĩa là tạo ra điện năng trong mạch (C) Bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ này là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng

- Đây là một phương thức mới trong việc sản xuất điện năng

2.4 Từ thông riêng của một mạch điện kín

  (Wb): độ biến thiên từ thông trong khoảng thời gian t

 t (s): khoảng thời gian xảy ra sự biến thiên từ thông

 Wb V

s t





 : tốc độ biến thiên từ thông

 ec (V): suất điện động cảm ứng

- Từ thông riêng của mạch (C):  = L.i

+ i (A): cường độ dòng điện i trong mạch (C)

+ L(H): độ tự cảm của mạch (C) (phụ thuộc cấu tạo và kích thước của mạch C)

- Ví dụ: Độ tự cảm của ống dây hình trụ:

2 7

4 10 N

l

 

 + N: số vòng dây trên ống

+ l (m): chiều dài ống dây

+ S (m2): tiết diện ngang của ống dây

+ Chú ý: l >> d (d là đường kín ống)

2.5 Hiện tượng tự cảm

2.5.1 Định nghĩa:

Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch

2.5.2 Một số ví dụ về hiện tượng tự cảm

2.6 Suất điện động tự cảm

- Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong hiện tượng tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm

tc

e

t





 Với  = L.i Do L = hằng số   = L.i  tc

i

t







- Suất điện động tự cảm có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch

2.7 Ứng dụng

Cuộn cảm trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp

3 Chuẩn kiến thức, kĩ năng và một số năng lực có thể được phát triển :

3.1 Kiến thức

+ Biết được suất điện động cảm ứng là gì.

+ Phát biểu được định luật Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ.

+ Biết được khái niệm từ thông riêng

+ Biết được hiện tượng tự cảm là gì.

+ Biết được suất điện động tự cảm là gì.

+ Biết được một số ứng dụng của hiện tượng tự cảm

3.2 Kĩ năng

+ Viết được công thức tính suất điện động cảm ứng và vận dụng để tính được suất điện động cảm ứng khi từ trường thay đổi đều.

+ Viết được công thức tính suất điện động tự cảm và vận dụng để tính được suất điện động tự cảm khi cường

độ dòng điện thay đổi đều.

+ Viết được và vận dụng được công thức tính độ tự cảm của ống dây hình trụ.

+ Giải thích được hiện tượng tự cảm khi đóng ngắt mạch điện

+ Phân tích được mối quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ

3.3 Thái độ

- Tự lực, tự giác học tập, tham gia xây dựng kiến thức

3.4 Năng lực có thể phát triển

- Bảng mô tả các năng lực có thể phát triển trong chủ đề

Nhóm

Nhóm

NLTP liên

quan đến

K1: Trình bày được kiến thức về các hiện tượng, đại lượng, định luật, nguyên lí vật lí

cơ bản, các phép đo, các hằng số vật lí

+ Biết được suất điện động cảm ứng là gì.

+ Phát biểu được định luật Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ.

2

sử dụng

kiến thức

vật lí

+ Biết được mối qua hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ

+ Biết được khái niệm từ thông riêng + Biết được hiện tượng tự cảm là gì.

+ Biết được suất điện động tự cảm là gì.

+ Biết được một số ứng dụng của hiện tượng tự cảm

K2: Trình bày được mối quan hệ giữa các kiến thức vật lí

+ Phân tích được mối quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ

+ Công thức: e c t





 và tc

i

t





 K3: Sử dụng được kiến thức vật lí để thực

hiện các nhiệm vụ học tập

- Sử dụng định luật định luật Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng tự cảm

để giải bài tập đơn giản K4: Vận dụng (giải thích, dự đoán, tính

toán, đề ra giải pháp, đánh giá giải pháp … ) kiến thức vật lí vào các tình huống thực tiễn

+ Giải thích được hiện tượng tự cảm khi đóng ngắt mạch điện

Nhóm

NLTP về

phương

pháp (tập

trung vào

năng lực

thực

nghiệm và

năng lực

mô hình

hóa)

P1: Đặt ra những câu hỏi về một sự kiện vật lí

P2: Mô tả được các hiện tượng tự nhiên bằng ngôn ngữ vật lí và chỉ ra các quy luật vật lí trong hiện tượng đó

+ Sự phát sinh hồ quang điện khi ta đóng ngắt công tắc điện, cầu dao động;

+ Nung cảm ứng P3: Thu thập, đánh giá, lựa chọn và xử lí

thông tin từ các nguồn khác nhau để giải quyết vấn đề trong học tập vật lí

- Thu thập, đánh giá, lựa chọn và xử lí thông tin từ các nguồn khác nhau như: đọc sách giáo khoa, sách tham khảo, Internet… để tìm hiểu nội dung định luật định luật Faraday về điện phân

P4: Vận dụng sự tương tự và các mô hình

để xây dựng kiến thức vật lí

+ Mô hình xây dụng khái niệm gia tốc:

v a t





 P5: Lựa chọn và sử dụng các công cụ toán

học phù hợp trong học tập vật lí

P6: chỉ ra được điều kiện lí tưởng của hiện tượng vật lí

P7: đề xuất được giả thuyết; suy ra các hệ quả có thể kiểm tra được

P8: xác định mục đích, đề xuất phương án, lắp ráp, tiến hành xử lí kết quả thí nghiệm và rút ra nhận xét

P9: Biện luận tính đúng đắn của kết quả thí nghiệm và tính đúng đắn các kết luận được khái quát hóa từ kết quả thí nghiệm này

Nhóm

NLTP trao

đổi thông

tin

X1: trao đổi kiến thức và ứng dụng vật lí bằng ngôn ngữ vật lí và các cách diễn tả đặc thù của vật lí

X2: phân biệt được những mô tả các hiện tượng tự nhiên bằng ngôn ngữ đời sống và ngôn ngữ vật lí (chuyên ngành )

X3: lựa chọn, đánh giá được các nguồn thông tin khác nhau,

X4: mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, công nghệ

- Máy phát điện

X5: Ghi lại được các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thông tin, thí nghiệm, làm việc nhóm… )

X6: trình bày các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thông tin, thí nghiệm, làm việc nhóm… ) một cách phù hợp

X7: thảo luận được kết quả công việc của mình và những vấn đề liên quan dưới góc nhìn vật lí

X8: tham gia hoạt động nhóm trong học tập vật lí

- Hoạt động nhóm thực hiện các nhiệm vụ học tập của GV đưa ra: giải thích hiện tượng đóng ngắt mạch điện

Nhóm

NLTP liên

quan đến

cá nhân

C1: Xác định được trình độ hiện có về kiến thức, kĩ năng , thái độ của cá nhân trong học tập vật lí

C2: Lập kế hoạch và thực hiện được kế hoạch, điều chỉnh kế hoạch học tập vật lí nhằm nâng cao trình độ bản thân

C3: chỉ ra được vai trò (cơ hội) và hạn chế của các quan điểm vật lí đối trong các trường hợp cụ thể trong môn Vật lí và ngoài môn Vật lí

C4: so sánh và đánh giá được - dưới khía cạnh vật lí- các giải pháp kĩ thuật khác nhau

về mặt kinh tế, xã hội và môi trường C5: sử dụng được kiến thức vật lí để đánh giá và cảnh báo mức độ an toàn của thí nghiệm, của các vấn đề trong cuộc sống và của các công nghệ hiện đại

C6: nhận ra được ảnh hưởng vật lí lên các mối quan hệ xã hội và lịch sử

4 Tiến trình dạy học

4.1 Nội dung 1: SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG (dự kiến dạy tiết 1 của chuyên đề)

4.1.1 Hoạt động 1: Tìm hiểu suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín

1 Chuyển giao nhiệm vụ GV giới thiệu bài mới

Giáo viên yêu cầu HS thảo luận nhóm trả lời các câu hỏi:

- Lập luận để đưa ra được định nghĩa suất điện động cảm ứng

4

- Viết công thức định luật Faraday, giải thích các đại lượng, đơn vị

- Viết công thức độ lớn suất điện động cảm ứng

- Phát biểu nội dung định luật Faraday

2 Thực hiện nhiệm vụ - Theo dõi các nhóm thảo luận, trợ giúp

- Thảo luận nhóm thực hiện yêu cầu của GV

3 Báo cáo, thảo luận - Đại diện nhóm trình bày

- Nhóm khác bổ sung và nhận xét.

4 Kết luận hoặc Nhận định hoặc hợp

thức hóa kiến thức

2.1 Suất điện động cảm ứng trong mạch kín 2.1.1 Định nghĩa:

Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín

2.1.2 Định luật Fa-ra-day

- Công thức định luật: e c t







- Độ lớn: e c t







- Phát biểu: Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch điện kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó

4.1.2 Hoạt động 2: Phân tích mối quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật lenxơ và thấy được thực chất của hiện tượng cảm ứng điện từ.

1 Chuyển giao nhiệm vụ Gv: vẽ hình 25.2, chọn chiều dương và pháp tuyến dương

Căn cứ vào công thức của định luật Faraday hãy xác định chiều của dòng điện cảm ứng khi

- Từ thông tăng

- Từ thông giảm Tại sao nói thực chất của hiện tượng cảm ứng điện từ trong trường hợp này là quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng?

2 Thực hiện nhiệm vụ - Làm việc nhóm Trả lời câu hỏi của GV

3 Báo cáo, thảo luận - Nhóm trình bày sản phẩm

4 Kết luận hoặc Nhận định hoặc Hợp

thức hóa kiến thức

2.2 Quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ

Chọn chiều trên mạch kín (C) và chọn chiều pháp tuyến dương

- Nếu  > 0   tăng thì ec < 0: chiều của suất điện

  (Wb): độ biến thiên từ thông trong khoảng thời gian t.

 t (s): khoảng thời gian xảy ra sự biến thiên từ thông.

s t





 e c (V): suất điện động cảm ứng

động cảm ứng (ic) ngược với chiều của mạch.

- Nếu  < 0   giảm thì ec < 0: chiều của suất điện động cảm ứng (ic) cùng với chiều của mạch

2.3 Chuyển hóa năng lượng điện trong hiện tượng cảm ứng điện từ

- Xét mạch kín (C) là một khung dây đặt trong một từ trường Để tạo ra từ thông biến thiên qua (C) thì phải có ngoại lực tác dụng vào mạch (C) và ngoại lực sinh công

cơ học, công cơ học làm xuất hiện suất điện động cảm ứng nghĩa là tạo ra điện năng trong mạch (C) Bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ này là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng

- Đây là một phương thức mới trong việc sản xuất điện năng

4.1.3 Hoạt động 3: Giải bài tập

1 Chuyển giao nhiệm vụ - Yêu cầu cá nhân làm bài tập từ câu 1 đến câu 6 theo thứ tự

(nếu thiếu thời gian thì những câu còn lại là BTVN)

2 Thực hiện nhiệm vụ - HS làm bài

3 Báo cáo, thảo luận - Cá nhân trình bày sản phẩm

- Cá nhân khác nhận xét, so sánh kết quả

4 Kết luận hoặc Nhận định hoặc

Hợp thức hóa kiến thức

- GV nhận xét bài làm

- Sửa chữa

4.2 Nội dụng 2: TỰ CẢM – BÀI TẬP (dự kiến dạy tiết 2 của chuyên đề)

4.2.1 Hoạt động 1: Tìm hiểu từ thông riêng của một mạch kín và hiện tượng tự cảm

1 Chuyển giao nhiệm vụ - GV giới thiệu trường hợp đặc biệt của hiện tượng cảm

ứng điện từ và thông báo một số kiến thức mới:

+ công thức từ thông riêng + công thức độ tự cảm của ống dây hình trụ + Định nghĩa hiện tượng tự cảm

- GV: tiến hành TN về hiện tượng tự cảm

- GV: yêu cầu HS sử dụng những kiến thức trên để giải thích 2 ví dụ về hiện tượng cảm ứng điện từ

2 Thực hiện nhiệm vụ - HS ghi chép kiến thức mới

- HS thảo luận theo nhóm dưới sự giám sát và trợ giúp của giáo viên

3 Báo cáo, thảo luận - Các nhóm trình bày sản phẩm

- Các nhóm nhận xét, so sánh kết quả, rút kinh nghiệm

4 Kết luận hoặc Nhận định hoặc Hợp

thức hóa kiến thức

2.4 Từ thông riêng của một mạch điện kín

- Từ thông riêng của mạch (C):  = L.i

6

+ i (A): cường độ dòng điện i trong mạch (C) + L(H): độ tự cảm của mạch (C) (phụ thuộc cấu tạo và kích thước của mạch C)

- Ví dụ: Độ tự cảm của ống dây hình trụ:

2 7

4 10 N

l

 

 + N: số vòng dây trên ống

+ l (m): chiều dài ống dây

+ S (m2): tiết diện ngang của ống dây

+ Chú ý: l >> d (d là đường kính ống)

2.5 Hiện tượng tự cảm 2.5.1 Định nghĩa:

Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường

độ dòng điện trong mạch

2.5.2 Một số ví dụ về hiện tượng tự cảm 4.2.2 Hoạt động 2: Tìm hiểu suất điện động tự cảm và ứng dụng

1 Chuyển giao nhiệm vụ -Hoạt động nhóm:

+ Xây dựng công thức suất điện động tự cảm và phát biểu + Nêu các ứng dụng của hiện tượng tự cảm

2 Thực hiện nhiệm vụ - HS thảo luận dưới sự giám sát và trợ giúp của giáo viên

3 Báo cáo, thảo luận - Các nhóm trình bày và nêu ứng dụng

- Nhóm khác nhận xét

4 Kết luận hoặc Nhận định hoặc

Hợp thức hóa kiến thức

2.6 Suất điện động tự cảm

- Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong hiện tượng tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm

tc

e

t





 Với  = L.i Do L = hằng số

  = L.i  tc

i

t







- Suất điện động tự cảm có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch

2.7 Ứng dụng

Cuộn cảm trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp

4.2.3 Hoạt động 3: Giải bài tập

1 Chuyển giao nhiệm vụ - Yêu cầu cá nhân làm bài tập từ câu 7 đến câu 10 và câu 13

2 Thực hiện nhiệm vụ - HS làm bài

3 Báo cáo, thảo luận - Cá nhân trình bày sản phẩm

- Cá nhân khác nhận xét, so sánh kết quả

4 Kết luận hoặc Nhận định hoặc

Hợp thức hóa kiến thức

- GV nhận xét bài làm

- Sửa chữa

5 Kiểm tra, đánh giá trong quá trình dạy học

5.1 Hình thức kiểm tra, đánh giá

- Đánh giá bằng nhận xét: Thông qua quan sát trao đổi và các sản phẩm học tập của học sinh, giáo

viên có thể nhận xét , đánh giá được sự tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh

- Đánh giá bằng bài tập

5.2 Công cụ kiểm tra, đánh giá

- Soạn câu hỏi/bài tập kiểm tra, đánh giá năng lực

5.2.1 Nội dung 1: Suất điện động cảm ứng

STT Mức độ Loại năng

1.1 Biết K1 1 Chọn câu đúng Suất điện động cảm ứng là suất điện động

A sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín

B sinh ra dòng điện trong mạch kín

C được sinh bởi nguồn điện hóa học

D được sinh bởi dòng điện cảm ứng

1.2 Hiểu K2 2 Chọn câu đúng Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ

với

A tốc độ biến thiên từ thông qua mạch ấy

B độ lớn từ thông qua mạch

C điện trở của mạch

D diện tích của mạch

1.3 Hiểu K3 3 Khi cho nam châm chuyển động qua một mạch kín, trong mạch xuất

hiện dòng điện cảm ứng Điện năng của dòng điện được chuyển hóa từ

A hóa năng B cơ năng

C quang năng D nhiệt năng

1.4 Vận

dụng

K4 4 Một khung dây hình vuông cạnh 20 cm nằm toàn độ trong một từ trường

đều và vuông góc với các đường cảm ứng Trong thời gian 1/5 s, cảm ứng

từ của từ trường giảm từ 1,2 T về 0 Suất điện động cảm ứng của khung dây trong thời gian đó có độ lớn là

1.5 Vận

dụng

K2,K3,K4, P5

5 Một khung dây hình tròn bán kính 20 cm nằm toàn bộ trong một từ

trường đều mà các đường sức từ vuông với mặt phẳng vòng dây Trong khi cảm ứng từ tăng đều từ 0,1 T đến 1,1 T thì trong khung dây có một suất điện động không đổi với độ lớn là 0,2 V Thời gian duy trì suất điện động

đó là

C 4 s D chưa đủ dữ kiện để xác định

1.6 Vận

dụng

K2,K3, K4 6 Một khung dây dẫn điện trở 2 Ω hình vuông cạch 20 cm nằm trong từ

trường đều các cạnh vuông góc với đường sức Khi cảm ứng từ giảm đều

từ 1 T về 0 trong thời gian 0,1 s thì cường độ dòng điện trong dây dẫn là

5.2 Nội dung 2: Suất điện động tự cảm

2.1 Biết K1 7 Chọn câu đúng Từ thông riêng của một mạch kín phụ thuộc vào

8

A cường độ dòng điện qua mạch.

B điện trở của mạch

C chiều dài dây dẫn

D tiết diện dây dẫn

2.2 Biết K1 8 Điều nào sau đây không đúng khi nói về độ tự cảm của ống dây?

A Độ tự cảm phụ thuộc vào số vòng dây của ống;

B Độ tự cảm phụ thuộc tiết diện ống;

C Độ tự cảm không phụ thuộc vào môi trường xung quanh;

D Độ tự cảm có đơn vị là H (henry)

2.3 Biết K1 9 Chọn câu đúng Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ do sự

biến thiên từ thông qua mạch gây ra bởi

A sự biến thiên của chính cường độ điện trường trong mạch

B sự chuyển động của nam châm với mạch

C sự chuyển động của mạch với nam châm

D sự biến thiên từ trường Trái Đất

2.4 Biết K1 10 Chọn câu đúng Suất điện động tự cảm của mạch điện tỉ lệ với

A điện trở của mạch

B từ thông cực đại qua mạch

C từ thông cực tiểu qua mạch

D tốc độ biến thiên cường độ dòng điện qua mạch

2.5 Vận

dụng

K4 11 Một ống dây tiết diện 10 cm2, chiều dài 20 cm và có 1000 vòng dây

Hệ số tự cảm của ống dây (không lõi, đặt trong không khí) là

2.6 Vận

dụng

K2, K3, K4 12 Một ống dây có hệ số tự cảm 20 mH đang có dòng điện với cường độ 5

A chạy qua Trong thời gian 0,1 s dòng điện giảm đều về 0 Độ lớn suất điện động tự cảm của ống dây có độ lớn là

2.7 Vận

dụng

K2, K3, K4, 13 Một ống dây tiết diện 20 cm2, chiều dài 20 cm và có 1000 vòng dây,

mang dòng điện có cường độ 2 A Trong thời gian 0,1 s dòng điện tăng đều đến 5A

a) Tính hệ số tự cảm của ống dây.

b) Độ lớn suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây trong thời

gian nói trên