Luận án Thiết kế tiến trình dạy học theo quy trình nghiên cứu khoa học chương “Điện từ học” - Nguyễn Văn Nghiệp

nghiệm về hiện tƣợng cảm ứng điện từ thì sẽ xuất hiện hiện tƣợng kim điện kế khi thì lệch sang trái, lúc thì lệch sang phải. Trên điện kế đã kí hiệu khi kim điện kế lệch sang trái hay sang phải bằng dấu (-) và dấu (+), nhƣ vậy sẽ biết chiều dòng điện chạy trong cuộn dây. Vậy, câu hỏi đặt ra là, chiều dòng điện cảm ứng và chiều đƣờng cảm ứng của từ trƣờng sinh ra nó có mối liên hệ với nhau nhƣ thế nào? Vì thế, cần thiết phải trả lời câu hỏi này cho HS trong quá trình DH. Những kiến thức trên bổ sung vào bài học, nhằm hoàn thiện logic tiến trình DH và giải quyết các câu hỏi liên quan đến kiến thức. Đặc biệt, khi bổ sung kiến thức vào các bài học, chúng tôi cân nhắc để không làm nặng thêm kiến thức theo chƣơng trình GDPT hiện hành. Để thực hiện đƣợc yêu cầu trên chúng tôi đƣa ra những giải pháp bằng cách sử dụng các kĩ thuật DH tích cực, ví dụ nhƣ: Giao bài tập về nhà cho HS để tìm ra quy luật về chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây kín dƣới dạng bài tập vận dụng cao. Những bài tập dạng vận dụng cao hay bài tập sáng tạo sẽ không bắt buộc với tất cả các đối tƣợng HS trong lớp học. Vật lí thuộc lĩnh vực KH tự nhiên, DH Vật lí nhằm giúp HS rèn luyện phẩm chất và phát triển NLKH, nhƣng chuẩn kiến thức, kĩ năng chỉ một lần duy nhất đề cập đến yêu cầu phát triển NLKH của HS ở phần Nhiệt học lớp 6 “Nêu đƣợc dự đoán về các yếu tố ảnh hƣởng đến sự bay hơi và xây dựng đƣợc phƣơng án TN đơn giản để kiểm chứng tác dụng của từng yếu tố”. Với những phân tích trên, đề tài của chúng tôi đề xuất bổ sung một số nội 66 dung kiến thức vào Chƣơng “Điện từ học” để tiến hành xây dựng mạch logic DH theo quy trình NCKH nhằm phát triển NLKH cho HS THCS. 2.2. Lựa chọn và sắp xếp logic kiến thức về “Điện từ học” 2.2.1. Sắp xếp logic các bài học về “Điện từ học” Trƣớc hết, chúng tôi tập hợp các kiến thức thành các nhóm tri thức KH và tìm ra hƣớng đi thích hợp cho mạch phát triển tri thức cần hình thành tƣơng ứng với từng giai đoạn của quy trình NCKH. Sau đó, lựa chọn nội dung tri thức về “Điện từ học” đảm bảo vừa sức với trình độ nhận thức của HS THCS. Tri thức đƣợc lựa chọn là những tri thức trọng tâm, bảo đảm mức tối thiểu về yêu cầu cần đạt cũng nhƣ thời lƣợng DH theo quy định trong Chƣơng trình GDPT hiện hành do Bộ GDĐT ban hành theo Quyết định 16/2006/QĐ-BGDĐT. Chúng tôi sắp xếp nội dung kiến thức về Điện từ học thành ba bài học với thời lƣợng cụ thể nhƣ sau: Bảng 2.1. Sắp xếp logic các bài học về Điện từ học cấp trung học cơ sở TT Tên bài Thời lƣợng (tiết) 1 Từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu 3 2 Từ trƣờng của dòng điện 4 3 Cảm ứng điện từ 3 Tổng thời lƣợng 10 Logic kiến thức ở ba bài học nhƣ sau: Điện tích, điện trƣờng là cơ sở cho HS so sánh để hình thành nên giả thuyết về từ trƣờng nam châm vĩnh cửu (Bài 1), tiếp theo từ trƣờng nam châm là cơ sở để hình thành giả thuyết nghiên cứu về từ trƣờng dòng điện (Bài 2) và cuối cùng đƣờng sức từ và dòng điện là cơ sở để hình thành nên giả thuyết về sự xuất hiện dòng điện cảm ứng (Bài 3). Nhƣ vậy, nội dung kiến thức ở các bài trƣớc là cơ sở hình thành kiến thức ở các bài sau. Thời lƣợng DH kiến thức về điện từ ở ba bài học là 10 tiết nên đảm bảo thời lƣợng theo quy định của Bộ GDĐT, 10 tiết còn lại có thể sử dụng để dạy các ứng dụng về điện từ. Điều này cho thấy, tính khả thi cao trong việc triển khai áp dụng vào DH ở trƣờng THCS theo Chƣơng trình GDPT hiện hành. Trên cơ sở xác định nội dung tri thức cần đạt cho HS, tiến trình DH theo quy 67 trình NCKH, chúng tôi xây dựng logic tiến trình hình thành kiến thức của ba bài học theo các sơ đồ mục 2.2.2, mục 2.2.3 và mục 2.2.4. 2.2.2. Logic hình thành kiến thức về từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu Giai đoạn 1. Thực hiện quan sát. Đặt ra câu hỏi nghiên cứu - Tiến hành các thí nghiệm: Tƣơng tác từ của nam châm với đồng, nhôm, sắt, mạt sắt;Tƣơng tác nam châm với nam châm, kim nam châm. - Đặt ra câu hỏi: Tại sao nam châm hút, đẩy nam châm? Tại sao nam châm hút sắt, mạt sắt mà không hút đồng, nhôm? Giai đoạn 2a. Hình thành giả thuyết: Có thể xung quanh nam châm là điện trƣờng vì nó cũng hút và đẩy nhau nhƣ điện tích. Nếu môi trƣờng xung quanh nam châm là điện trƣờng thì nó sẽ có tính chất nhƣ của điện tích. Giai đoạn 2b. Nghiên cứu tổng quan. Hình thành giả thuyết mới. - Nghiên cứu tổng quan: Nam châm hút sắt vì nó có linh hồn. Nam châm hút sắt vì sắt và nam châm có cấu tạo nguyên tử giống nhau. Nam châm phát ra xung quanh nó một khoảng trống và các phân tử sắt rơi vào các khoảng trống đó và bị nam châm hút với một lực hút vô hình. Những giả thuyết trên chỉ đúng là Trái Đất có từ trƣờng, còn lại không đúng, vậy cần có một giả thuyết mới. - Giả thuyết mới: Môi trƣờng vật chất xung quanh nam châm là từ trƣờng. Hình ảnh từ trƣờng xung quanh các nam châm khác nhau thì sẽ khác nhau. Giai đoạn 3a. Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết Hệ quả: tƣơng tác với vật nhỏ nhẹ; tƣơng tác với vật nhiễm điện. Giai đoạn 3b. Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết mới Hệ quả: tính chất nam châm, hình dạng không gian xung quanh nam châm (cho các nam châm khác nhau tƣơng tác với mạt sắt một cách gián tiếp) Giai đoạn 4a. Tiến hành thí nghiệm kiểm tra hệ quả Giai đoạn 4b. Thực nghiệm kiểm tra hệ quả Tiến hành thí nghiệm khảo sát hình dạng môi trƣờng 68 và rút ra kết luận: Nam châm không tƣơng tác với vật nhỏ nhẹ và không tƣơng tác với vật nhiễm điện, nên môi trƣờng xung quanh nam châm không phải là điện trƣờng. xung quanh nam châm thẳng, bằng cách cho nam châm tƣơng tác với mạt sắt ngâm trong dầu. Tiến hành thí nghiệm khảo sát hình dạng môi trƣờng xung quanh nam châm hình chữ U, bằng cách cho nam châm tƣơng tác với mạt sắt ngâm trong dầu. Tiến hành thí nghiệm xác định chiều đƣờng sức từ bằng cách di chuyển nam châm thử trên đƣờng sức từ. Giai đoạn 5. Rút ra kiến thức mới. Vận dụng kiến thức - Môi trƣờng vật chất xung quanh nam châm là từ trƣờng, vật đặt trong từ trƣờng sẽ chịu lực từ tác dụng lên nó. Vật có từ tính sẽ bị nhiễm từ và trở thành nam châm. - Đặc điểm nam châm: có hai cực từ Bắc – Nam. - Tính chất: Hút sắt; các cực cùng tên thì đẩy nhau, các cực khác tên thì hút nhau. - Hình ảnh từ trƣờng phụ thuộc vào hình dạng của nam châm. Biểu diễn hình ảnh từ trƣờng bằng các đƣờng sức từ. Quy ƣớc chiều đƣờng sức từ đi ra ở cực từ Bắc và đi vào cực từ Nam. - Vận dụng kiến thức để giải quyết một số bài tập và tình huống thực tiễn. Hình 2. 1. Sơ đồ logic hình thành kiến thức về từ trường của nam châm vĩnh cửu 2.2.3. Logic hình thành kiến thức về từ trƣờng của dòng điện Giai đoạn 1. Thực hiện quan sát. Đặt ra câu hỏi nghiên cứu - Tiến hành thí nghiệm Ơxtet làm xuất hiện hiện tƣợng tƣơng tác giữa dòng điện với kim la bàn. - Câu hỏi: Tại sao khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì kim la bàn lại quay lệch ra khỏi hƣớng Bắc–Nam? Giai đoạn 2. Hình thành giả thuyết: Vì dòng điện và nam châm đều tác dụng lên kim nam châm, nên môi trƣờng xung quanh dòng điện là từ trƣờng. Nếu môi trƣờng xung quanh dòng điện là từ trƣờng thì nó sẽ có tính chất nhƣ của nam châm. Giai đoạn 3. Nghiên cứu tổng quan. Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết - Tìm hiểu lịch sử về các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học: Francois Jean Arago (1786-1853), nhân viên của Viện Hàn Lâm Quốc Gia Pháp đã tiến hành thí nghiệm với một cuộn dây dẫn có dòng điện chạy qua có khả năng hút sắt. Cuối năm 1821, André 69 Marie Ampère (1775 – 1836), nhà bác học Pháp đã công bố bài báo về thí nghiệm dòng điện hút và đẩy nhau. - Rút ra hệ quả từ giả thuyết. Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm tra hệ quả. Hệ quả 1: hút sắt, hút hoặc đẩy nhau, tƣơng tác với nam châm. Nếu đặt dây dẫn có dòng điện chạy qua lại gần: sắt, dây dẫn mang dòng điện, nam châm mà chúng tƣơng tác với nhau thì chứng tỏ dòng điện cũng có tính chất nhƣ của nam châm. Hệ quả 2: Hình dạng phụ thuộc vào hình dạng dây dẫn. Nếu từ phổ của dòng điện qua các dây dẫn có hình dạng khác nhau mà khác nhau thì chứng tỏ hình ảnh từ trƣờng dòng điện phụ thuộc vào hình dạng dây dẫn. Giai đoạn 4. Tiến hành thí nghiệm kiểm tra các hệ quả Sử dụng bộ TN mục 2.3.3 để tiến hành kiểm tra hệ quả 1: (a) TN nam châm điện hút sắt; (b) TN hai dây dẫn song song mang hai dòng điện cùng chiều thì đẩy nhau; (c) TN hai dây dẫn song song mang hai dòng điện ngƣợc chiều thì hút nhau; (d) TN tƣơng tác giữa dòng điện và nam châm chũ U; Sử dụng bộ TN mục 2.3.3 để tiến hành kiểm tra hệ quả 2: (e) TN về hình ảnh từ trƣờng của dòng điện qua dây dẫn thẳng; (f) TN về hình ảnh từ trƣờng của dòng điện qua vòng dây; (g) TN về hình ảnh từ trƣờng của dòng điện qua ống dây. Giai đoạn 5. Rút ra kiến thức mới và vận dụng kiến thức - Đặc điểm, tính chất, hình ảnh từ trƣờng dòng điện. Quy tắc “xòe bàn tay trái”, quy tắc “nắm bàn tay phải”. - Vận dụng kiến thức để giải quyết một số bài tập và tình huống thực tiễn. 2.2.4. Logic hình thành kiến thức về cảm ứng điện từ Giai đoạn 1. Thực hiện quan sát. Đặt ra câu hỏi nghiên cứu - Tiến hành các TN: (i) Làm xuất hiện hiện tƣợng cảm ứng điện từ trong cuộn dây kín khi di chuyển nam châm thẳng trong lòng cuộn dây; (ii) Làm xuất hiện hiện tƣợng cảm ứng trong cuộn dây kín khi đóng, ngắt dòng điện qua nam châm điện. - Đặt ra câu hỏi: Khi nào thì xuất hiện dòng điện trong cuộn dây kín? Độ lớn của dòng điện trong cuộn dây kín phụ thuộc vào yếu tố nào? Hình 2. 2. Sơ đồ logic hình thành kiến thức về từ trường dòng điện 70 Giai đoạn 2. Nghiên cứu tổng quan. Hình thành giả thuyết - Nghiên cứu tổng quan: Arago cho một la bàn đặt trên tấm kính, dƣới tấm kính là đĩa đồng. Khi đĩa đồng quay thì kim nam châm quay theo chiều quay của đĩa đồng. Faraday quấn hai cuộn dây quanh một vòng kim loại và mỗi khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây này thì có dòng điện đƣợc sinh trong cuộn dây kia. Faraday tiếp tục thí nghiệm, di chuyển thanh nam châm qua cuộn dây, thì thấy dòng điện sẽ xuất hiện trong cuộn dây. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng cảm ứng điện từ và dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. - Giả thuyết nghiên cứu: Nguyên nhân gây ra dòng điện cảm ứng là do có sự biến thiên số đƣờng sức từ qua diện tích cuộn dây kín. Nếu độ biến thiên số đƣờng sức từ qua diện tích cuộn dây kín mà càng lớn thì dòng điện sẽ càng lớn và ngƣợc lại. Giai đoạn 3. Đề xuất phƣơng án thí nghiệm kiểm tra hệ quả rút ra từ giả thuyết Hệ quả 1. Thay đổi số đƣờng sức từ qua cuộn dây bằng cách thay đổi diện tích cuộn dây Nếu giữ nguyên độ biến thiên số đƣờng sức từ qua diện tích cuộn dây, góc hợp bởi phƣơng đƣờng sức từ với mặt phẳng cuộn dây, độ lớn của từ trƣờng đến cuộn dây và chỉ thay đổi diện tích diện tích của cuộn dây mà kim điện kế lệch ra khỏi vị trí số 0 cũng khác nhau thì chứng tỏ dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào diện tích của cuộn dây. Hệ quả 2. Thay đổi số đƣờng sức từ qua cuộn dây bằng cách thay đổi phƣơng của đƣờng sức từ với mặt phẳng cuộn dây (góc α) Nếu giữ nguyên độ biến thiên số đƣờng sức từ qua diện tích cuộn dây, độ lớn của từ trƣờng, diện tích cuộn dây và chỉ thay đổi góc hợp bởi phƣơng đƣờng sức từ với mặt phẳng tiết diện cuộn dây mà kim điện kế lệch ra khỏi vị trí số 0 cũng khác nhau thì chứng tỏ độ lớn dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào góc hợp bởi phƣơng của đƣờng sức từ với diện tích cuộn dây. Hệ quả 3. Thay đổi số đƣờng sức từ qua cuộn dây bằng cách thay đổi độ lớn từ trƣờng đến cuộn dây. Nếu giữ nguyên độ biến thiên số đƣờng sức từ qua diện tích cuộn dây, diện tích cuộn dây, góc hợp bởi phƣơng đƣờng sức từ với mặt phẳng tiết diện cuộn dây và chỉ thay đổi độ lớn của từ trƣờng đến cuộn dây mà kim điện kế lệch ra khỏi vị trí số 0 cũng khác nhau thì chứng tỏ dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào độ lớn của từ trƣờng. Hệ quả 4. Thay đổi tốc độ số đƣờng sức từ qua cuộn dây bằng cách thay đổi một trong 3 71 yếu tố diện tích của cuộn dây S, góc α, từ trƣờng B nhanh hay chậm khác nhau. Nếu tốc độ thay đổi S hoặc α, hoặc B mà lớn thì dòng điện cảm ứng lớn. Giai đoạn 4. Tiến hành thí nghiệm kiểm tra hệ quả Tiến hành các TN để kiểm tra các hệ quả và thu thập các dữ liệu để làm căn cứ rút ra kết luận về tính đúng hay sai của giả thuyết. Sử dụng một trong hai bộ thí nghiệm đã thiết kế ở mục 2.3.4 để kiểm tra 4 hệ quả: - Bộ thí nghiệm về cảm ứng điện từ dùng nam châm thẳng. - Bộ thí nghiệm về cảm ứng điện từ dùng nam châm điện. Giai đoạn 5. Kết luận và vận dụng kiến thức - Rút ra kết luận: Nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng là do số đƣờng sức từ biến thiên qua diện tích cuộn dây kín. Độ lớn dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào 4 yếu tố. - Vận dụng kiến thức để giải quyết một số bài tập và tình huống thực tiễn. 2.3. Thiết kế thiết bị thí nghiệm 2.3.1. Lí do thiết kế thí nghiệm Thiết bị DH là phƣơng tiện DH hiệu quả và đem lại hứng thú trong học tập của HS, đây cũng là thế mạnh của bộ môn Vật lí mà các môn học khác không có đƣợc. Để tạo ra đƣợc những giờ học hấp dẫn và đạt hiệu quả cao thì cần phải đầu tƣ để khai thác những thiết bị DH hiện có ở các trƣờng phổ thông, đồng thời thiết kế, chế tạo các thiết bị DH phục vụ cho việc DH. Qua quan sát việc quản lí, khai thác, sử dụng và bảo quản thiết bị DH ở trƣờng phổ thông, chúng tôi nhận thấy vấn đề này chƣa đƣợc nhiều trƣờng học quan tâm. Điều này dẫn đến việc “dạy chay, học chay” luôn tồn tại trong các giờ học chính khóa ở trƣờng phổ thông. Vấn đề này do nhiều nguyên nhân, nhƣng có hai nguyên nhân chính đó là: (i) Nguyên nhân khách quan: Phòng học và phòng TN ở các xa nhau, nên việc chuẩn bị các đồ TN rất mất thời gian chuẩn bị của GV; Các thiết bị DH đã quá thời gian sử dụng, số liệu thực nghiệm độ chính xác không cao; Số HS/lớp quá đông gây khó khăn cho việc tổ chức thực hành TN; Thời gian trên lớp là 45 phút/tiết gây khó khăn cho mạch kiến thức và công tác chuẩn bị TN phục vụ cho việc DH; Kinh phí Hình 2. 3. Sơ đồ logic hình thành kiến thức về cảm ứng điện từ 72 chi cho việc mua sắm, bổ sung thiết bị rất hạn hẹp; Đề tài NCKH về vấn đề khai thác sử dụng thiết bị DH ở trƣờng phổ thông còn chƣa nhiều ở Việt Nam. (ii) Nguyên nhân chủ quan: Do lãnh đạo trƣờng và GV chƣa nhận thức đƣợc vai trò của thiết bị trong DH, nên ít quan tâm đầu tƣ, khai thác và sử dụng thiết bị vào DH ở trƣờng phổ thông; Khả năng vƣợt khó khăn của GV để hƣớng đến mục tiêu giáo dục phát triển năng lực của HS ở nhà trƣờng chƣa cao; quan điểm “dạy chay” đã trở thành một hiện tƣợng trong DH Vật lí ở Việt Nam. Để khắc phục phần nào những hạn chế trên, chúng tôi nghiên cứu thiết kế chế tạo bổ sung, thay thế các bộ TN hiện hành để DH kiến thức về Điện từ học cấp THCS nhằm phát triển NLKH cho HS. Đồng thời, góp phần giúp GV thực hiện phong trào “Tự làm thiết bị dạy học” ở trƣờng phổ thông. Để DH theo quy trình NCKH với ba bài học đã thiết kế ở trên thì cần có cho 2 loại TN: (i) TN trình bày hiện tƣợng vật lí nhằm nêu vấn đề nghiên cứu; (ii) TN nghiên cứu. Dƣới đây là một số lí do để chúng tôi thiết kế các bộ thí nghiệm phục vụ cho TNSP. 2.3.1.1. Đối với bài “Từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu” (i) TN làm xuất hiện hiện tƣợng vật lí, bao gồm các TN về tƣơng tác của nam châm vĩnh cửu với: nam châm; kim nam châm; sắt, mạt sắt và các kim loại, vật liệu khác nhau. Những TN này sẽ hỗ trợ việc nảy sinh câu hỏi nghiên cứu về tính chất và hình dạng của từ trƣờng. Chúng tôi bổ sung bộ thí nghiệm này. (ii) Về TN kiểm tra các hệ quả rút ra từ giả thuyết, bao gồm: Nam châm thẳng, nam châm hình chữ U và bảng mạt sắt ngâm trong dầu. Những TN này, chúng tôi sử dụng bộ TN đã có trong danh mục thiết bị dạy học tối thiểu ở trƣờng phổ thông. 2.3.1.2. Đối với bài “Từ trƣờng của dòng điện” (i) TN làm xuất hiện hiện tƣợng vật lí, chúng tôi sử dụng bộ TN Ơtxtét gồm: Dây dẫn thẳng đặt trên giá có chốt cắm, nguồn điện và các dây nối. (ii) Về TN kiểm tra các hệ quả rút ra từ giả thuyết, gồm: (*) dòng điện có tính chất nhƣ của nam châm: hút sắt, hút và đẩy nhau, tƣơng tác với nam châm; (**) Hình ảnh từ trƣờng của dòng điện phụ thuộc vào hình dạng của dây dẫn. Một số nhƣợc điểm của thí nghiệm trong danh mục thiết bị DH tối thiểu hiện hành ở trƣờng phổ thông: 73 (i) TN biểu diễn về tƣơng tác của dòng điện: gồm hai lá đồng đặt song song. Ta thấy, hình ảnh từ trƣờng của lá đồng khác từ trƣờng dây dẫn hình trụ, vì vậy sẽ khó khăn trong việc vận dụng quy tắc “xòe bàn tay trái”, quy tắc “nắm bàn tay phải” để giải thích tƣơng tác giữa hai dây dẫn song song mang hai dòng điện. Bộ TN này có nhƣợc điểm, cồng kềnh và phải sử dụng nguồn điện xoay chiều nên chi phí sẽ cao vì phải dùng biến áp. Bộ TN tƣơng tác của dòng điện với nam châm thì cuộn dây gồm nhiều vòng dây, điều này sẽ khó khăn trong việc xác định chiều dòng điện chạy trong cuộn dây, từ đó nên khó khăn trong việc hình thành quy tắc “xòe bàn tay trái”. (ii) Bộ TN khảo sát từ trƣờng dòng điện qua dây dẫn có hình dạng khác nhau, gồm hai TN khảo sát hình ảnh từ trƣờng dòng điện qua vòng dây và qua ống dây, với vòng dây là một cuộn dây tròn gồm nhiều vòng dây cuốn lại và ống dây gồm nhiều vòng dây ghép lại. Bộ thí nghiệm này sẽ khó khăn trong việc hình thành quy tắc “nắm bàn tay phải”. Bên cạnh đó, mạt sắt ngâm trong dầu là nhƣợc điểm nhƣ đã trình bày ở trên. Thêm nữa, còn thiếu TN về hình ảnh từ trƣờng dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng. Tóm lại, các bộ TN trên đơn lẻ, chiếm không gian lớn, mất nhiều thời gian chuẩn bị, chi phí cao, không phù hợp trong DH phát triển năng lực của HS và còn thiếu một số TN để DH theo quy trình NCKH. Chúng tôi nghiên cứu thiết kế chế tạo bổ sung, thay thế các bộ TN hiện hành. Điểm nổi bật trong bộ TN của chúng tôi đó là thay thế nguồn điện xoay chiều hay pin bằng ắc quy. Sử dụng ắc quy sẽ có dòng điện lớn (lực từ lớn) hơn nhiều so với dòng điện sinh ra từ pin và không cần sử dụng đến biến áp. Bộ TN kiểm tra các hệ quả rút ra từ giả thuyết khi nghiên cứu về từ trƣờng của dòng điện đƣợc chúng tôi thiết kế có nhiều ƣu điểm hơn các bộ TN hiện hành, vì thiết kế rất gọn nhẹ, kinh tế, tích hợp đầy đủ các TN để nghiên cứu về từ trƣờng dòng điện, không mất nhiều thời gian trong việc chuẩn bị và tiện lợi cho học tập theo nhóm, đảm bảo cho tất cả HS trong lớp học có thể tham gia thực hiện thí nghiệm trong quá trình học tập. 74 1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 2. 4. Thí nghiệm về tương tác của nam châm vĩnh cửu 2.3.1.3. Đối với bài “Cảm ứng điện từ” (i) TN làm xuất hiện hiện tƣợng vật lí Thiết bị DH ở trƣờng phổ thông có bộ TN làm xuất hiện dòng điện cảm ứng khi khi di chuyển nam châm thẳng đến cuộn dây kín có mắc 2 đèn LED. Sử dụng đèn LED sẽ khó khăn hơn trong việc xác định chiều dòng điện chạy trong cuộn dây so với sử dụng điện kế vì điện kế. Thêm nữa, chỉ một thí nghiệm về hiện tƣợng cảm ứng điện từ sẽ làm mất đi tính khái quát về hiện tƣợng vật lí. Vì vậy, chúng tôi thiết kế để bổ sung TN làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong trƣờng hợp đóng, ngắt mạch điện qua nam châm điện. (ii) Về TN kiểm tra các hệ quả rút ra từ giả thuyết Đó là các TN kiểm tra độ lớn dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào 4 yếu tố: góc hợp bởi phƣơng đƣờng sức từ với diện tích cuộn dây; độ lớn từ trƣờng; diện tích cuộn dây; tốc độ thay đổi số đƣờng sức từ xuyên qua diện tích cuộn dây gồm: biến thiên góc hợp bởi phƣơng đƣờng sức từ với diện tích cuộn dây; biến thiên từ trƣờng; biến thiên diện tích). Trong danh mục Thiết bị DH tối thiểu ở trƣờng phổ thông hiện nay chƣa có các TN này, vì vậy chúng tôi thiết kế các thiết bị để triển khai TNSP cũng nhƣ phục vụ trong DH ở trƣờng phổ thông. 2.3.2. Thiết kế bộ thí nghiệm ở bài “Từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu” (i) TN tƣơng tác của nam châm vĩnh cửu (chi tiết các thiết bị và vật liệu ở Hình 2.4) gồm các TN: - Tƣơng tác giữa nam châm với nam châm (1), với kim nam châm (6); - Tƣơng tác giữa nam châm với các kim loại khác nhau: sắt (4), mạt sắt (5), đồng (3), nhôm (2). Từ đó đặt ra vấn đề cần nghiên cứu về môi trƣờng xung quanh nam châm, tính chất của nam châm, hình dạng không gian xung quanh nam châm. 75 (ii) TN kiểm tra giả thuyết: - Giả thuyết 1: môi trƣờng vật chất xung quanh nam châm là điện trƣờng. Thiết bị gồm: Tƣơng tác giữa nam châm với các mẩu giấy nhỏ nhẹ (8); tƣơng tác nam châm với thƣớc nhựa bị nhiễm điện do cọ sát (7). - Giả thuyết 2. Môi trƣờng vật chất xung quanh nam châm là từ trƣờng. Hình ảnh từ trƣờng xung quanh các nam châm khác nhau thì sẽ khác nhau. Thiết bị thí nghiệm: Sử dụng bộ thí nghiệm “từ phổ của nam châm vĩnh cửu” hiện đang có tại các trƣờng phổ thông. 2.3.3. Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm ở bài “Từ trƣờng của dòng điện” - Bộ phận chung. Bảng mạch điện chất liệu mica; kích thƣớc 20 x 30 cm; trên bảng có ghi vị trí bố trí dụng cụ TN, vị trí các chốt cắm dây điện và đƣờng kính các lỗ khoan; Chân đế: chất liệu inox; hình trụ rỗng dài 5 cm, đƣờng kính 1,7 cm; Ắc quy (1): 6v, 5Ah hãng sản xuất GLOBE; Công tắc (2). Hình 2. 5. Chi tiết thiết bị (khung cuốn vòng dây, chân đế, ắc quy) - Các thí nghiệm: Đƣợc bố trí nhƣ hình 2.6. (i) TN kiểm tra dự đoán dòng điện có khả năng hút sắt. Nam châm điện (3) là cuộn dây (diện tích khung 2,5 x 2,5 cm, số vòng dây 50 - 100 vòng) và lõi sắt (4). (ii) TN kiểm tra dự đoán dòng điện có khả năng hút và đẩy nhau (5): Hai dây dẫn đồng có đƣờng kính 0,2 mm và mỗi dây có chiều dài 16 cm. Hai dây dẫn đặt song song cách nhau 1 cm trên giá đỡ và đƣợc gắn trên giá đỡ. (iii) TN kiểm tra dự đoán dòng điện có khả năng tƣơng tác với nam châm (6): Nam châm chữ U, một dây dẫn thẳng ở TN tƣơng tác giữa hai dây dẫn song song (5). (iv) TN kiểm tra dự đoán hình ảnh từ trƣờng dòng điện sẽ khác nhau khi dây dẫn có hình dạng khác nhau: Dây dẫn đồng có đƣờng kính 0,5 mm, uốn nắn thành 76 các dạng dây dẫn thẳng (7), vòng dây (8) và ống dây (9); mạt sắt (10). - Hình ảnh từ phổ từ trƣờng dòng điện qua dây dẫn có hình dạng khác nhau: Hình 2. 7. Từ phổ của dòng điện qua dây dẫn thẳng Hình 2. 8. Từ phổ của dòng điện qua vòng dây Hình 2. 9. Từ phổ của dòng điện qua ống dây 2.3.4. Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm ở bài “Cảm ứng điện từ” 2.3.4.1. Cơ sở lí thuyết Công thức định luật Ôm cho toàn mạch: I = Công thức tính suất điện động cảm ứng: e =| | vì R ngoài = 0 Suy ra, cƣờng độ dòng điện cảm ứng: Trong đó: (1) B là cảm ứng từ; (2) N là số vòng dây; (3) Trong đó: là 1 2 3 4 5 6 9 8 7 10 ⬚ ⬚ 𝐼𝑐 𝑁𝐵𝑆𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑅𝑡 (*) Hình 2. 6. Bố trí và lắp đặt bộ thí nghiệm khảo sát từ trường dòng điện 77 điện trở cuộn dây; là điện trở suất của dây dẫn; s là tiết diện ngang của dây dẫn; là chiều dài của dây (r là bán kính vòng dây). (4) là diện tích vòng dây. (5) là góc hợp bởi phƣơng của cảm ứng từ ⃗ với pháp tuyến ⃗ . Nhƣ vậy, cƣờng độ dòng điện cảm ứng sẽ phụ thuộc vào: . Chứng minh diện tích vòng dây càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng lớn. Thay ; vào công thức (*) Lập tỉ số: Vậy, cƣờng độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với bán kính vòng dây. 2.3.4.2. Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu về cảm ứng điện từ dùng nam châm vĩnh cửu a) Chi tiết bộ phận và thiết bị thí nghiệm đƣợc gắn cố định trên đế mica. Bố trí nhƣ hình 2.10, gồm:1. Ắc quy 6v ; 2. Công tắc; 3. Nam châm điện; 4. Điện kế khung quay; 5. Nam châm thẳng; 6. Cuộn dây không có lõi sắt; 7. Cuộn dây thứ nhất: diện tích khung (1,6 x 1,8 cm) có 50 vòng và 100 vòng; 8. Cuộn dây thứ hai: diện tích khung (2,3 x 2,5 cm) có 50 vòng và 100 vòng; 9. Trục quay nam châm; 10. Cuộn dây có thể thay đổi diện tích; 11. Nam châm kim loại đất hiếm; 12. Giá đỡ khung dây. 𝐼2 𝐼1 𝑟2 𝑟1 1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 Hình 2. 10. Bộ thí nghiệm nghiên cứu về cảm ứng điện từ dùng nam châm vĩnh cửu và nam châm điện 78 Hình 2. 11. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ dùng nam châm vĩnh cửu 1 3 2 b) Hƣớng dẫn sử dụng bộ thí nghiệm để nghiên cứu về cảm ứng điện từ (i) Thí nghiệm làm xuất hiện hiện tƣợng cảm ứng điện từ Gồm: Điện kế khung quay (1); nam châm thẳng (2); cuộn dây không lõi sắt (3). Tiến hành: Di chuyển nam châm trong lòng cuộn dây thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. (ii) Thí nghiệm kiểm tra hệ quả 1. Thay đổi số đƣờng sức từ qua cuộn dây bằng cách thay đổi diện tích cuộn dây - Giữ nguyên: độ biến thiên số đƣờng sức từ qua diện tích cuộn dây, góc hợp bởi phƣơng đƣờng sức từ với mặt phẳng cuộn dây, độ lớn của từ trƣờng đến cuộn dây. Thay đổi diện tích của cuộn dây bằng cách giữ nguyên số vòng dây và thay đổi diện tích vòng dây. - Bố trí thí nghiệm nhƣ Hình 2.12. Hình 2. 12. Thí nghiệm kiểm tra độ lớn dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào diện tích vòng dây - Lần lƣợt trƣợt nam châm trên bề mặt cuộn dây với cùng một tốc độ thì: dòng điện cảm ứng ở cuộn thứ hai ( lớn hơ