Giáo án Vật lý 11 - Tiết 54: Bài tập lực từ

Giáo án Vật lý 11 - Tiết 54: Bài tập lực từ nhằm giúp học sinh luyện tập việc áp dụng quy tắc bàn tay trái và vận dụng công thức định luật Ampe, kể cả việc nhận ra góc trong công thức đó, luyện tập việc xác định momen ngẫu lực từ tác dụng lên một khung dây có dạng hình tam giác (không phải là hình chữ nhật), luyện tập việc xác định chiều của lực Lo-ren-xơ và công thức xác định độ lớn của lực Lo-ren-xơ.

GIÁO ÁN CHI TIẾT

Giáo viên hướng dẫn: Lê Thị Quỳnh Trang

Người soạn: Phạm Tùng Lâm Ngày tháng 02 năm 2012

Tiết 54 BÀI TẬP VỀ LỰC TỪ

A MỤC TIÊU BÀI HỌC

1 Kiến thức

- Luyện tập việc áp dụng quy tắc bàn tay trái và vận dụng công thức định luật Ampe, kể cả việc nhận ra góc  trong công thức đó.

- Luyện tập việc xác định momen ngẫu lực từ tác dụng lên một khung dây

có dạng hình tam giác (không phải là hình chữ nhật)

- Luyện tập việc xác định chiều của lực Lo-ren-xơ và công thức xác định

độ lớn của lực Lo-ren-xơ

2 Kỹ năng

- Vận dụng công thức cảm ứng từ để xác định cảm ứng từ tại một điểm

do một hoặc nhiều dòng điện gây ra

- Tìm được lực từ tác dụng lên đoạn dây có dòng điện chạy qua

- Xác định và tính được lực Lo-ren-xơ tác dụng lên điện tích chuyển động trong từ trường

3 Thái độ

- Có tinh thần hợp tác trong học tập cũng như trong việc áp dụng các kiến thức đã đạt được

II PHƯƠNG PHÁP LÊN LỚP

Đàm thoại, diễn giải

B CHUẨN BỊ

+ + +

B

u r

e

f

u r

B

u r

e

- Một số công thức liên quan

- Một số bài tập về phần này theo nội dung trong bài

2 Học sinh

- Ôn lại các công thức về cảm ứng từ, công thức Ampe của lực từ, lực

Lo-ren- xơ

III TIẾN TRÌNH DẠY HỌC

Hoạt động 1(10 phút): Ôn định lớp và nhắc lại một số kiến thức liên quan

Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh

- Viết biểu thức của lực từ tác dụng

lên đoạn dòng điện đặt trong từ

trường đều Bur

trong trường hợp đoạn dòng điện hợp với véc tơ Bur

một góc

 .

- Viết biểu thức của momen ngẫu lực

từ tác dụng lên khung dây hình chữ

nhật có dòng điện chạy qua đặt trong

từ trường đều urB

trong trường hợp đường sức từ không nằm trong mặt

phẳng khung dây và nêu ý nghĩa

từng đại lượng

- Cho một hạt electron chuyển động

trường đều Bur

với vận tốc vr

, yêu cầu

HS xác định lực gì đã tác dụng lên

hạt electron di chuyển trong từ

trường đều Bur

ở hình vẽ bên và xác định phương, chiều độ lớn của lực

đó?

- Biểu thức của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện đặt trong từ trường đều Bur

trong trường hợp đoạn dòng điện hợp với véc tơ Bur

một góc  là:

sin

- Biểu thức của momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường đều Bur

là:

sin

M IBS  với   ( ; )n Br ur

- HS lên bảng xác định đó là lực Lo-ren-xơ

+ Áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định chiều của lực, biểu thức độ lớn

là f  e vB

F IBl 

F

ur

• Phương, chiều, điểm đặt như hình vẽ.

• Độ lớn bằng nhau

1; 2

T T ur ur • Phương, chiều, điểm đặt như hình vẽ.

• Độ lớn bằng nhau

1; 2

T T ur ur

C

D I

F

ur

B

ur

1

T u r

2

T u r

P

u r

2T u r

F IBl 

F

ur

Hoạt động 2: ( 33 phút) Phân tích và giải 3 bài tập trong SGK

Phân tích và giải bài tập 1

Hoạt động của giáo viên Hoạt động của

học sinh

Nội dung ghi bảng

+ Gọi một HS lên bảng

tóm tắt đề bài và gải

GV gợi ý cho HS :

- Khi đoạn dây CD chưa

có dòng điện qua thì dây

treo thẳng đứng Khi đoạn

dây CD có dòng điện

chạy từ C đến D thì dây

treo CD sẽ như thế nào so

với vị trí ban đầu

- Yêu cầu HS phân tích

các lực tác dụng lên CD:

- HS hoạt động

cá nhân Đề:

l= 20 cm = 0,2 m m= 10g = 0,01kg B= 0,2T ;

Fk= 0,06N;

g = 10m/s Hỏi: Imax=? để dây không đứt

- Khung dây CD

sẽ lệch khỏi vị trí ban đầu

- HS phân tích lực tác dụng lên CD

- HS tiến hành giải bài tập

Bài 1

Tóm tắt : l= 20 cm = 0,2 m m= 10g = 0,01kg B= 0,2 T; Fk = 0,06N;

g = 10m/s Hỏi: Imax=? để dây không đứt Giải :

+ Phân tích lực : Đoạn dây CD chịu tác dụng của các lực F P T Tur ur ur ur ; ; ; 1 2

P mg 

P

u r

1 2 2

2T u r

P

u r

F

ur

2T

 ur

o

P

u r

+ Khi đoạn dây CD nằm

cân bằng, hợp lực tác

dụng lên đoạn dây CD

bằng 0 nên ta có phương

trình F P Tur ur ur   1 Tur2  0

Do Tur1 ��Tur2 nên ta có

hợp lực:

Các lực F P Tur ur ur; ; 2 có cùng

điểm đặt tại trung điểm

CD

Nên ta có F Pur ur   2Tur

+ Do dây treo có thể chịu

được lực kéo lớn nhất Fk

nên T phải thỏa mãn điều

kiện sau:

   2 2

2 2 2

2 2 2 2 2

2 2

2

2 2

4

4 4

k k k

I

B l

�









Khi CD nằm cân bằng, hợp lực tác dụng đoạn dây CD bằng 0, ta có:

1 2 0

F P T  T 

ur ur ur ur

Suy ra : F Pur ur  2Tur 0

2

F P   T

�ur ur ur

Ta có

F2 + P2 = (2T)2

+ Do dây treo chỉ chịu được lực kéo lớn nhất Fk nên T phải thỏa mãn điều kiện

  2 2

2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 2

2 2

4 4 4

k k k

I

B l

�









Thay số vào ta có :

sin150

AB

F IBl 

AB

F

ur

0

sin30

F IBl 

CA

F

ur

0

sin90

F IBl 

BC

F

ur

BC

F

ur

x

•

AB

F

ur

CA

F

ur

A

I

I

I H

B

u r

N

0

sin150

AB

AB

F

ur

- Yêu cầu HS khác nhận

xét bài làm và chữa lỗi sai

của bạn

- HS nhận xét bài làm của bạn

2 2 2

2 2

4.0,06 0,1

2, 75

0, 2 0, 2

2, 75 1, 66



�

Vậy dòng điện qua đoạn dây dẫn CD có cường độ lớn nhất là I=1,66A để dây treo không bị đứt

Phân tích và giải bài 2

Hoạt động của giáo viên Hoạt động của

học sinh

Nội dung ghi bảng

- Gọi một HS lên bảng

tóm tắt đề bài và giải

- GV gợi ý cho HS :

+ Xác định phương,

chiều, độ lớn, điểm đặt

các lực từ tác dụng lên

các cạnh của khung dây

- HS đọc đề bài

và tóm tắt đề bài

- HS tiến hành giải bài tập

+ HS xác định phương, chiều,

độ lớn và điểm đặt các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung

Bài 2 : Tóm tắt đề bài

B

ur

//mặt phẳng khung dây có dạng ABC đều

AB = a Hỏi : chỉ chiều và biểu thức

độ lớn của FurAB;FurBC;urF CA

M= ?

Giải

:

- Các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung là :

N AB CA AB

N

F

uur

0

sin30

F IBl 

CA

F

ur

0

sin90

F IBl 

BC

F

ur

+ Gọi FurN FurABurF CA vì

AB CA

nên

+ Xác định ngẫu lực tác

dụng lên khung dây

GV gợi ý: FurN

và FurBC

có cùng phương, ngược

chiều, có độ lớn bằng

nhau và có điểm đặt như

hình vẽ, hai lực này tạo

thành ngẫu lực tác dụng

lên khung làm khung

quay

- Gọi một HS nhận xét

bài làm của bạn và chữa

Gọi urF N FurABurF CA

Ta có :

1 1

2 2

N

F  IBa IBa IBa

N

F

ur

đặt tại trung điểm N của

AH và có chiều như hình vẽ

+ FurN

và FurBC

tạo thành ngẫu lực tác dụng lên khung

Momen của ngẫu lực là : M=FN.NH

Với

2 4

NH  AH a

Vậy :

2

3 3

4 4

a

M IBa IB a

Chú ý :

Từ

2

3 4

M IB a

•B u r

•

•

v r

f

u r R

M

lỗi sai của bạn

- Chú ý HS :

Từ

2

3 4

M IB a

Ta có :

1 3

2 2

a

a S

là diện tích tam giác ABC, tức là diện

tích mặt phẳng khung

dây

Ta suy ra : M IBS

Vậy công thức trên không

chỉ đúng với khung dây

hình chữ nhật mà còn

đúng đối với khung dây

phẳng có dạng bất kỳ

Ta có :

1 3

2 2

a

a S

là diện tích tam giác ABC, tức là diện tích mặt phẳng khung dây

Ta suy ra : M IBS

Phân tích và giải bài 3

Hoạt động của giáo

viên

Hoạt động của học sinh

Nội dung ghi bảng

- Gọi một HS lên bảng

tóm tắt đề bài và giải

- GV gợi ý cho HS :

+ Chùm hạt bay theo

quỹ đạo tròn trong từ

trường đều Bur

thì lực nào đóng vai trò là lực

hướng tâm

Xác định chiều của lực

f

ur

theo quy tắc bàn tay

phải

- HS đọc và tóm tắt đề bài và giải

Tóm tắt:

U=220V,vr urB

Quỹ đạo tròn bán kính R

19

1,6.10

31

9,1.10

Hỏi:

a) xác định chiều của vr

b) R=?

Giải

- Vì lực Lo-ren-xơ đóng

vai trò lực hướng tâm

nên ta có

2

L ht

mv

R mv

R

e B



�

- Hạt electron được tăng

tốc bởi hiệu điện thế

U=220 V sẽ chịu tác

dụng của lực nào?

Lực điện trường chính

là ngoại lực tác dụng lên

hạt electron

- Gợi ý cho HS: áp dụng

định lí động năng để tìm

được v

- Yêu cầu HS phát biểu

định lí động năng

Wđ A ng

 

- Yêu cầu HS xác định

biểu thức độ biến thiên

động năng và công của

- Hạt electron chịu tác dụng của lực điện trường

- HS phát biểu định lí động năng:

Độ biến thiên động năng bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật

a) Vì quỹ đạo của electron là đường tròn nên lực Lo-ren-xơ tác dụng lên electron đóng vai trò lực hướng tâm Dựa theo quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều chuyển động của electron như hình vẽ

b) Vì vB� f  e vB

r ur

Vì lực Lo-ren-xơ đóng vai trò lực hướng tâm nên ta có

2

(1)

L ht

mv

R mv

R

e B



�

Áp dụng định lí động năng

Wđ A ng

 

Trong đó

2 2

2 1

2 2 2

1 1 W

2 2

1 1 W

2 2

đ

đ

mv mv

mv mv

  

  

�

(do trước khi tăng tốc, tốc độ của electron rất

ngoại lực tác dụng lên

hạt electron

+ Độ biến thiên động

năng của hạt electron

2 2

2 1

2 2 2

1 1

W

2 2

1 1

W

2 2

đ

đ

mv mv

mv mv

  

  

�

+ Công của ngoại lực

bằng:

ng

A qU  e U

Ta có

2

W

2 2

đ ng

mv

e U

v

m

  � 



�

- Yêu cầu HS nhận xét

bài làm của bạn và chữa

lại những lỗi sai

* Nếu như còn dư thời

gian thì cho HS làm bài

tập tương tự:

GV đọc đề bài:

Câu 1: Một khung

dây tròn bán kính 5cm

gồm 75 vòng được đặt

trong từ trường đều có

cảm ứng từ 0, 25 T Mặt

phẳng khung hợp với

đường sức từ góc 60o

Tính momen ngẫu lực

từ tác dụng lên khung

+ Độ biến thiên động năng:

2 2

2 1

2 2 2

1 1 W

2 2

1 1 W

2 2

đ

đ

mv mv

mv mv

  

  

�

+ Công của ngoại lực bằng:

ng

A qU  e U

- HS nhận xét bài làm của bạn

- HS lấy giấy ra làm bài và trả lời đáp án

- Một HS nhận xét bài làm của bạn

nhỏ, có thể bỏ qua)

Và A ng qU  e U

Ta có được:

2

W

2 2

đ ng

mv

e U v

m

  � 



�

Thay v vào biểu thức (1) ta có:

1 2mU

R



Thay số vào ta có:

31 19

1 2.9,1.10 220 0,005 1, 6.10

0, 01

R









�

Vậy chùm hạt electron chuyển động trên quỹ đạo tròn với bán kính là

0, 01

R m

dây có dòng điện chạy

qua là 8A

- GV gọi HS trả lời đáp

án từng câu

Câu 1:

Tóm tắt:

R=5cm=0,05m

N=75 vòng

B=0,25T

0

30

 

I qua mỗi vòng dây là

8A

Giải :

2

2 0

8.75.0, 25 .0,05 sin 30

0,589( )

Nm







Hoạt động 3 : Củng cố và dặn dò (2 phút)

- Sau bài học này chúng ta nắm được các vấn đề sau

+ Công thức M IBS không chỉ đúng với khung dây hình chữ nhật mà còn

đúng đối với khung dây phẳng có dạng bất kỳ, khung dây phẳng đặt trong

từ trường đều, mặt phẳng khung chứa đường sức từ

- Các em về ôn tập kiến thức ở hai chương III dòng điện trong các môi trường và chương IV từ trường nhưng trọng tâm sẽ là chương IV để sau 2 tiết thực hành là có tiết kiểm tra