Khóa luận Thiết kế phương án dạy học một số bài thuộc chương “Từ trường”- Vật lý 11 THPT nâng cao theo hướng phát huy tính tích cực, tự chủ của học sinh

đánh giá có thể được sử dụng để nghiên cứu đánh giá mục tiêu dạy học và hiệu quả của các phương pháp dạy học. 1.7.3. Nguyên tắc chung cần quán triệt trong kiểm tra đánh giá. Nguyên tắc chung quan trọng là: Việc kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ năng cần được tiến hành theo một qui trình hoạt động chặt chẽ gồm năm pha: * Xác định rõ mục đích kiểm tra đánh giá. Việc kiểm tra đánh giá có thể có các mục đich khác nhau tùy trường hợp, thông thường việc kiểm tra đánh giá có mục đích: - Kiểm tra kiến thức kĩ năng để đánh giá trình độ xuất phát của người học có liên quan với việc xác định nội dung phương pháp dạy học của một môn học, học phần. - Kiểm tra đánh giá nhằm mục đích dạy học: Bản thân việc kiểm tra đánh giá nhằm định hướng hoạt động chiếm lĩnh kiến thức cần dạy. - Kiểm tra nhằm mục đích đánh giá thành tích kết quả học tập, nghiên cứu đánh giá mục tiêu, phương pháp dạy học * Xác định rõ nội dung cụ thể của kiến thức kĩ năng cần kiểm tra đánh giá, các tiêu chí cụ thể của mục tiêu dạy học với từng kiến thức, kỹ năng đó có thể làm căn cứ đối chiếu các thông tin cần thu và sẽ thu được trong kiểm tra. Việc xác định nội dung kiến thức cần chính xác, cụ thể, cô đọng. Việc xác định các mục tiêu, tiêu chí đánh giá cần dựa trên quan niệm rõ ràng và sâu sắc về các mục tiêu dạy học. * Xác định rõ biện pháp thu lượm thông tin ( hình thức kiểm tra) phù hợp với đặc điểm của nội dung kiến thức kĩ năng cần kiểm tra, phù hợp với mục đích kiểm tra đánh giá và điều kiện cho phép. Tùy trường hợp mà hình thức kiểm tra có thể là: Quan sát, vấn đáp, tự luận hay trắc nghiệmCần nhận rõ ưu, nhược điểm của mỗi hình thức kiểm tra và khắc phục được tối đa các nhược điểm của mỗi hình thức đó. * Xây dựng các câu hỏi, các đề kiểm tra, các bài trắc nghiệm cho phép thu lượm các thông tin tương ứng với các tiêu chí, mục tiêu đã xác định và phù hợp với hình thức kiểm tra đã lựa chọn. * Tiến hành kiểm tra, thu lượm thông tin ( chấm ). Xem xét kết quả và kết luận đánh giá. Chấm điểm các bài kiểm tra căn cứ theo một thang điểm được xây dựng phù hợp với các tiêu chí đánh giá đã xác định. Xem xét kết quả chấm thu được, rút ra kết luận đánh giá tương ứng với mục đích kiểm tra đã xác định. Các luận điểm nêu trên được trích dẫn từ những luận điểm khoa học về lí luận dạy học của PGS.TS. Phạm Hữu Tòng. KẾT LUẬN CHƯƠNG I Để giải quyết nghiệm vụ đề ra của khóa luận, trong chương này em dặc biệt chú trọng đến những vấn đề sau: - Nghiên cứu tiến trình dạy học phỏng theo tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức vật lý mới trong nghiên cứu khoa học - Thiết lập sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình khoa học giải quyết vấn đề đối với kiến thức cần dạy phù hợp với trình độ của học sinh. Sơ đồ này chính là cơ sở để giáo viên xác định mục tiêu dạy học và thiết kế tiến trình dạy học cụ thể. - Tổ chức các tình huống học tập có vấn đề ( Dựa vào sơ đồ nói trên ) để làm nảy sinh ở học sinh nhu cầu nhận thức, lôi cuốn học sinh tích cực, chủ động xây dựng kiến thức mới. - Định hướng hoạt động giải quyết vấn đề của học sinh theo kiểu định hướng khái quát hóa hoạt động học bằng hệ thống câu hỏi định hướng hành động nhận thức, đảm bảo cho học sinh chiếm lĩnh được kiến thức, kĩ năng; đồng thời bồi dưỡng được tư duy khoa học, óc sáng tạo, tính tích cực, tự chủ tìm tòi giải quyết vấn đề của học sinh. - Sử dụng thí nghiệm để tổ chức tình huống có vấn đề và định hướng hoạt động giải quyết vấn đề. - Các chức năng, nguyên tắc trong kiểm tra đánh giá kiến thức, kĩ năng đạt được của học sinh trước, trong và sau khi học giúp giáo viên đánh giá mục tiêu và hiệu quả của phương pháp dạy học. Tất cả những điều này sẽ được vận dụng để thiết kế tiến trình dạy học một số bài chương “ Từ trường ” - Vật lý 11 THPT nâng cao. CHƯƠNG II PHÂN TÍCH NỘI DUNG, TIẾN TRÌNH KHOA HỌC XÂY DỰNG TRI THỨC CH ƯƠNG “ TỪ TRƯỜNG ”- VẬT LÝ 11 THPT NÂNG CAO Chương “ Từ trường ” được trình bày ở sách giáo khoa Vật lý 11 nâng cao và cơ bản về cách trình bày và bố cục nội dung kiến thức về cơ bản là giống nhau, chỉ có một số vấn đề có cách tiếp cận khác nhau ( phù hợp với từng đối tượng học sinh ) tuy nhiên cùng giải quyết một vấn đề và ở sách nâng cao có đưa thêm một số nội dung kiến thức so với sách cơ bản. Cụ thể như sau: * Cách đặt vấn đề đi xây dựng kiến thức của chương “ Từ trường ” ở hai sách giáo khoa: - Sách cơ bản: từ những tính chất của nam châm đã biết đưa ra khái niệm từ tính, những vật có từ tính tương tác với nhau gọi là lực từ. Khái niệm từ trường được đưa ra dựa trên sự tương tự như cách đưa ra khái niệm điện trường mà học sinh đã được học. - Sách nâng cao: Tiến hành thí nghiệm và đưa ra khái niệm tương tác từ. Từ đó nảy sinh vấn đề: Tìm hiểu môi trường truyền tương tác từ ( Từ trường ), lực tương tác từ ( Lực từ ) * Các kiến thức được xây dựng ở cả sách giáo khoa cơ bản và nâng cao: 1. Từ trường. - Đường sức từ. - Cảm ứng từ. - Từ trường của một số dòng điện đơn giản: dòng điện thẳng, dòng điện tròn, trong ống dây dài. - Từ trường trái đất 2. Lực từ. - Lực từ tác dụng lên dòng điện. - Lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động ( Lực Lo-ren-xơ). * Một số bài được đưa thêm vào sách nâng cao - Tương tác của hai dòng điện thẳng song song. - Lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện. - Sự từ hoá các chất. Sắt từ. 2.1. Mục tiêu cần đạt được khi dạy chương “ Từ trường ” 2.1.1. Mục tiêu về nội dung kiến thức. - Trình bày được khái niệm từ trường. - Trình bày được khái niệm cảm ứng từ ( phương, chiều, độ lớn ). - Xây dựng được các công thức xác định lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện, công thức xác định lực Lo-ren-xơ. - Trình bày và vận dụng được quy tắc bàn tay trái. - Mô tả được từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản, vận dụng được quy tắc nắm bàn tay phải. - Viết được công thức xác định mômen ngẫu lực từ tác dụng lên một khung dây mang dòng điện. 2.1.2. Mục tiêu về rèn luyện kỹ năng và bồi dưỡng năng lực nhận thức. - Kĩ năng quan sát, giải thích các hiện tượng vật lý. - Kĩ năng thực hiện thí nghiệm: Thiết kế phương án thí nghiệm, bố trí, tiến hành thí nghiệm, đánh giá, nhận xét kết quả thu được - Kĩ năng vận dụng các kiến thức đã học để giải các bài toán vật lý; giải thích ý nghĩa vật lý của các kết quả thu được. - Bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề, tìm tòi sáng tạo. 2.1.3.Mục tiêu về tình cảm thái độ. - Học sinh hăng hái tham gia xây dựng bài học, thiết kế phương án thí nghiệm. - Bằng cách sử dụng thí nghiệm hợp lý giáo dục cho học sinh nhân sinh quan khoa học, tình yêu chân lý và lòng say mê tìm tòi sáng tạo. 2.2. Các nội dung kiến thức chính Nội dung kiến thức chương “ Từ trường ” được nghiên cứu theo hai mảng kiến thức: phần từ trường và phần lực từ A, Từ trường * Khái niệm từ trường + Là dạng vật chất tồn tại xung quanh hạt mang điện chuyển động + Nguồn gốc của từ trường là các hạt mang điện chuyển động. + Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển động trong nó. * Véctơ cảm ứng từ B tại một điểm có: + Phương: trùng với trục kim nam châm thử nằm cân bằng tại điểm đó + Chiều: Từ cực Bắc sang cực Nam của nam châm thử nằm cân bằng tại điểm đó. + Độ lớn: B = F / I.l.sinα + Đơn vị: Tesla ( T ) : 1T = 1N/1A.1m + Nguyên lý chồng chất từ trường : véctơ cảm ứng từ tại một điểm do nhiều dòng điện gây ra bằng tổng các véctơ cảm ứng từ do từng dòng điện gây ra tại điểm đó: B = B1 +B2 + + Bn * Đường sức từ: + Đường sức từ là những đường được vẽ sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kì điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của véc tơ cảm ứng từ tại điểm đó. + Đường sức từ dùng mô tả từ trường về mặt hình học. * Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản. + Từ trường của dòng điện thẳng - Đường sức từ trong mặt phẳng vuông góc với dòng điện là những đường tròn đồng tâm. - Chiều đường sức từ xác định theo quy tắc nắm tay phải. - Độ lớn : B = 2. 10-7. I/ r + Từ trường của dòng điện tròn. - Đường sức từ là những đường cong. - Chiều đường sức từ xác định theo quy tắc nắm bàn tay phải. - Độ lớn: B = 2п. 10-7. I/ R + Từ trường của dòng điện trong ống dây. - Bên ngoài ống dây đường sức từ giống như một nam châm thẳng. - Từ trường trong ống dây là từ trường đều. - Chiều đường cảm ứng từ xác định bằng nam châm thử. - Độ lớn : B = 4п. 10-7. n. I * Từ trường trái đất. - Các đường sức từ của từ trường trái đất nằm trên mặt đất gọi là kinh tuyến từ.( Kinh tuyến từ hợp với kinh tuyến địa lý một góc D gọi là độ từ thiên ). - Trái đất có hai từ cực: Cực Bắc nằm ở Nam bán cầu Cực Nam nằm ở Bắc bán cầu. B, Lực từ * Lực từ tác dụng lên một dòng điện thẳng đặt trong từ trường đều có: + Phương: Vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện và cảm ứng từ tại điểm ta xét. + Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái. + Độ lớn: F = B. I. l. sinα α: là góc hợp bởi dòng điện và B l: chiều dài dòng điện nằm trong từ trường đều * Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau. Độ lớn lực: F = 2. 10-7. I1. I2/ r * Lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường đều: + Khung dây chịu tác dụng của mômen ngẫu lực từ làm khung quay quanh một trục và có xu hướng quay về vị trí cân bằng bền. + Giá trị cực đại của mômen ngẫu lực: M = B. I. S * Lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động có: + Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa v và B. + Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái. + Độ lớn: F = |q|. v. B. sin α ( α: góc giữa v và B ). * Một số ứng dụng của lực từ: + Loa điện động. + Điện kế khung quay. + Động cơ điện một chiều. 2.3. Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “ Từ trường ”. TƯƠNG TÁC TỪ Tương tác giữa nam châm với nam châm, dòng điện với dòng điện, dòng điện với nam châm LỰC TỪ Phương, chiều, độ lớn của lực từ TỪ TRƯỜNG Là dạng vật chất tồn tai xung quanh hạt mang điện chuyển động và tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển động Tương tác: nam châm – nam châm: Hướng: cùng cực đẩy nhau, trái cực hút nhau. Tương tác: dòng điện – dòng điện. -Hướng:hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau. - Độ lớn: F =2.10-7.I1.I2 / r ( Tính trên mỗi đơn vị chiều dài dòng điện) Tương tác:nam châm – dòng điện. - Phương vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện và B - Chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái - Độ lớn: F = B.I.l. sinα Véctơ cảm ứng từ: đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực,có: + Phương: Trùng với trục nam châm thử tại điểm đó + Chiều: Từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm thử tai điểm đó + Độ lớn : B = F/I.l. sinα Năng lượng từ trường Đường sức từ Định nghĩa đơn vị Ampe Lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện, khung dây chịu tác dụng của mômen ngẫu lực từ Từ trường của dòng điện thẳng Từ trường của dòng điện tròn Từ trường trong ống dây dài Từ trường trái đất Từ trường nam châm Lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động. - Phương vuông góc ( v, B ). - Chiều: quy tắc bàn tay trái - Độ lớn: F = |q|. v. B. sin α Ống phóng điện tử Động cơ điện một chiều. Điện kế khung quay DIỄN GIẢI Ta đã biết, tương tác từ là tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với dòng điện và giữa nam châm với dòng điện. Vậy môi trường truyền tương tác từ và lực tương tác từ được xác định như thế nào? Để trả lời câu hỏi đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu về môi trường truyền tương tác từ ( Từ trường ) và nghiên cứu lực từ. Từ trường được mô tả dưới dạng hình học bằng các đường sức từ, đồng thời tìm ra một đại lượng mới đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực là cảm ứng từ. Các nhà khoa học cũng thấy rằng từ trường có năng lượng gọi là năng lượng từ trường. Tuy nhiên ta không nghiên cứu khái niệm này ở chương này. Trong chương này ta xét một số trường hợp riêng của từ trường gồm: Từ trường của nam châm, từ trường của dòng điện thẳng, từ trường của dòng điện tròn, từ trường trong ống dây dài, từ trường trái đất. Từ trường là cơ sở xây dựng kiến thức về lực từ, lực từ được nghiên cứu với ba loại tương tác: nam châm - nam châm, dòng điện – dòng điện, nam châm – dòng điện và lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động ( Lực Lo-ren-xơ ). Trong tương tác nam châm - nam châm chỉ xác định được hướng của lực từ cùng cực thì đẩy nhau, trái cực thì hút nhau. Trong tương tác nam châm – dòng điện: Phương, chiều, độ lớn của lực từ được xác định trên cơ sở véctơ cảm ứng từ. Từ tương tác này ta mở rộng nghiên cứu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện, làm xuất hiện khái niệm mômen ngẫu lực từ và ứng dụng chế tạo động cơ điện một chiều và điện kế khung quay. Trong tương tác dòng điện – dòng điện: xác định được hướng, độ lớn của lực tương tác dựa trên cơ sở hướng, độ lớn của lực từ trong tương tác nam châm – dòng điện, từ đó xây dựng khái niệm đơn vị Ampe. Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động ( Lực Lo-ren-xơ ) được xây dựng trên cơ sở lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện và được ứng dụng chế tạo ống phóng điện tử. CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN DẠY HỌC MỘT SỐ BÀI THUỘC CHƯƠNG “ TỪ TRƯỜNG ” – VẬT LÝ 11 THPT NÂNG CAO. 3.1. BÀI: “LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN ĐOẠN DÒNG ĐIỆN. CẢM ỨNG TỪ ”. Trong sách giáo khoa bài này được tách thành hai bài: Bài 27: “ Phương và chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện ” và Bài 28: “ Cảm ứng từ. Định luật Am-pe ” để xây dựng kiến thức về lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện ( phương, chiều, độ lớn ). Như vậy xét theo sự phát triển của mạch kiến thức chúng tôi gộp chung hai bài này thành một bài: “ Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện. Cảm ứng từ ”. Bài này vẫn được thực hiện trong thời gian hai tiết. 3.1.1. Các câu hỏi cơ bản và kết luận tương ứng với từng đơn vị kiến thức cần dạy * Câu hỏi : Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện có phương, chiều, độ lớn phụ thuộc vào các yếu tố nào? Phụ thuộc như thế nào? * Kết luận tương ứng: Kết luận 1: Lực từ tác dụng lên dây dẫn có: - Phương: Vuông góc với mặt phẳng chứa dây dẫn và đường sức từ tại điểm khảo sát - Chiều: Chiều của lực từ hợp với chiều của dòng điện và chiều của đường sức từ theo quy tắc: Bàn tay trái - Độ lớn: F = B. I. l. Sinα (α là góc tạo bởi dây dẫn và đường sức từ ) Kết luận 2: Cảm ứng từ tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực tại điểm đó. Kí hiệu: B Cảm ứng từ là đại lượng véctơ. Véctơ cảm ứng từ tại một điểm ( B ) có: - Phương: Trùng với trục của nam châm thử tại điểm đó - Chiều: Từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm thử đặt tại điểm đó - Độ lớn: B = F / I. l. Sinα Đơn vị: Tesla ( T ); 1T = 1N / 1m. 1A 3.1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức. SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ XÂY DỰNG KIẾN THỨC: “ LỰC TỪ TÁC DỤNG ĐOẠN DÒNG ĐIỆN. CẢM ỨNG TỪ”. Dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường thì từ trường tác dụng lực từ lên nó Phương, chiều của lực từ phụ thuộc vào những yếu tố nào, phụ thuộc như thế nào? Giải pháp: - Làm thí nghiệm: Đặt một dây dẫn mang dòng điện trong từ trường đều. Tìm phương, chiều của lực từ - Dùng mô hình véc tơ hoặc mô hình vật chất cụ thể( bàn tay trái) để mô tả kết quả thí nghiệm Phương, chiều, độ lớn của lực từ phụ thuộc phương, chiều, độ lớn của dòng điện và từ trường Lực từ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa dây dẫn và đường sức từ Chiều của lực từ hợp với chiều dòng điện và chiều từ trường theo quy tắc bàn tay trái Thực hiện giải pháp: Bố trí thí nghiệm: Mặt phẳng khung dây ABCD đặt vuông góc với đường sức từ của nam châm chữ U, cạnh AB vừa chạm vào khoảng không gian giữa hai cực nam châm. Làm TN: Tìm phương, chiều của lực từ: - Chưa có dòng điện chạy qua AB, đặt các quả cân để cân thăng bằng - Cho dòng điện chạy qua khung có chiều A -> B, khung dây bị kéo xuống theo phương thẳng đứng - Giữ nguyên cực nam châm, đổi chiều dòng điện => chiều lực từ thay đổi - Giữ nguyên chiều dòng điện, đổi cực nam châm => chiều lực từ thay đổi - Đổi phương từ trường => phương lực từ thay đổi Xử lý kết quả thí nghiệm - Biếu diễn: Đường sức từ bởi B Lực từ bởi F Dòng diện bởi I =>3 véc tơ tạo thành tam diện thuận - Dùng bàn tay trái với ba bộ phận: Lòng bàn tay, ngón cái choãi ra 90°,các ngón tay. Mỗi bộ phận chỉ hướng của một véctơ => Quy tắc bàn tay trái 3 1 2 1: Khung dây ABCD 2: Nam châm chữ U 3: Cân đòn Độ lớn của lực từ phụ thuộc vào những yếu tố nào, phụ thuộc như thế nào? Giải pháp: Làm thí nghiệm: Đặt một dây dẫn mang dòng điện trong từ trường đều.Tìm sự phụ thuôc độ lớn của lực từ vào từ trường và dòng điện Thực hiện giải pháp Làm TN: Tìm sự phụ thuôc độ lớn của lực từ vào từ trường và dòng điện Đo lực từ bằng trọng lượng quả nặng thêm hoặc bớt ở đĩa cân để cân thăng bằng. - Thay đổi I qua khung dây, đo F tương ứng => F phụ thuộc I - Thay đổi chiều dài AB, đo lực F tương ứng =>F phụ thuộc l - Thay đổi góc α (góc giữa đoạn dòng điện và đường cảm ứng từ ) => F phụ thuộc vào sinα - Thay nam châm bằng nam châm khác. Tiến hành thí nghiệm tương tự với nam châm trên => F phụ thuộc vào độ mạnh yếu của từ trường. Với một nam châm nhất định tỉ số F/Ilsinα không thay đổi l (cm) 7,5 9,5 F(gia trọng) 12 15 I ( A ) 0,5 1,0 1,5 F(gia trọng) 6 12 18 - Độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện: F= k.I.l. sinα, với k là hệ số tỉ lệ - k khác nhau với những từ trường khác nhau => k đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực - Cảm ứng từ tại 1 điểm đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực tại điểm đó - Cảm ứng từ là đại lượng véc tơ : B tại một điểm + Phương: Trùng với trục nam châm thử tại điểm đó + Chiều: Từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm thử tai điểm đó + Độ lớn : B=F/I.l. sinα - Đơn vị: Tesla (T). Công thức Ampe: F = B.I.l.sinα Với α là góc giữa B và đoạn dòng điện 3.1.3. Mục tiêu dạy học cụ thể a, Về kiến thức - Xây dựng được kết luận về phương của lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện, phát biểu quy tắc bàn tay trái. - Phát biểu được định nghĩa, ý nghĩa, phương, chiều và độ lớn của cảm ứng từ - Xây dựng được biểu thức của định luật Ampe. b, Về kĩ năng - Thiết kế được phương án thí nghiệm tìm mối liên hệ giữa phương, chiều, độ lớn của lực từ vào phương, chiều, độ lớn của dòng điện và từ trường. Dự đoán các hiện tượng có thể xảy ra. - Quan sát thí nghiệm, rút ra nhận xét về phương, chiều, độ lớn của lực từ từ kết quả thí nghiệm. - Suy luận toán học để đưa ra công thức Ampe. - Vận dụng quy tắc bàn tay trái vẽ lực từ trong một số trường hợp cụ thể. - Vận dụng được công thức Ampe để giải các bài tập có liên quan. c, Về thái độ tình cảm - Học sinh hăng hái tham gia xây dựng bài học, thiết kế phương án thí nghiệm. - Bằng cách sử dụng thí nghiệm hợp lý giáo dục cho học sinh nhân sinh quan khoa học, tình yêu chân lý và lòng say mê tìm tòi sáng tạo. 3.1.4. Chuẩn bị Giáo viên Bộ thí nghiệm xác định lực từ lên đoạn dòng điện gồm: 1: Nam châm chữ U 2: Khung dây 3: Cân đòn Học sinh Ôn lại bài từ trường đã học ở lớp 9. Ôn lại quy tắc bàn tay trái đã học ở THCS. 3.1.5. Tiến trình dạy học cụ thể I, Kiểm tra chuẩn bị điều kiện xuất phát Yêu cầu học sinh phát biểu khái niệm từ trường, tính chất cơ bản của từ trường ? HS: Từ trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh nam châm và dòng điện, tính chất cơ bản của từ trường là gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong nó. II, Đặt vấn đề: Dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường thì từ tường tác dụng lực từ lên nó. Câu hỏi đăt ra là: Phương, chiều, độ lớn của lực từ phụ thuộc vào những yếu tố nào, phụ thuộc như thế nào? HS: Nhận thức vấn đề cần nghiên cứu III, Giải quyết vấn đề Vấn đề 1: Xác định phương, chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện 1. Định hướng mục tiêu hoạt động Phương, chiều của lực từ phụ thuộc vào những yếu tố nào?Phụ thuộc như thế nào? 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ a. Xác định giải pháp Có thể vận dụng các kiến thức cũ để trả lời câu hỏi đặt ra không? HS: Không. Muốn biết ta phải tiến hành thí nghiệm Vậy để khảo sát lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện thí nghiệm cần có dụng cụ gì và bố trí như thế nào? HS: Cần có dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường GV nhận xét, đánh giá các phương án HS đưa ra và giới thiệu bộ thí nghiệm cân lực từ Trong bộ thí nghiệm, sử dụng khung dây ABCD mang dòng điện, muốn xét lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện ta phải bố trí thí nghiệm như thế nào? HS: Khung dây được treo sao cho chỉ có cạnh AB nằm trong khoảng không gian giữa hai cực của nam châm chữ U b. Thực hiện giải pháp Giáo viên tiến hành thí nghiệm : Đầu tiên khi treo khung dây vào một bên của cân, ta đặt quả nặng lên đĩa cân sao cho cân thăng bằng. Cho dòng điện chạy qua khung dây có chiều từ A đến B. Quan sát hiện tượng xảy ra và đưa ra nhận xét ? Hiện tượng chứng tỏ điều gì? HS: Khung dây bị kéo xuống theo phương thẳng đứng, cân bị lệch. Hiện tượng chứng tỏ có lực từ có phương thẳng đứng, hướng xuống tác dụng lên dây dẫn AB. Dự đoán phương, chiều của lực từ phụ thuộc vào những yếu tố nào? HS: Phụ thuộc vào phương, chiều dòng điện, từ trường Để kiểm tra chiều lực từ phụ thuộc vào chiều dòng điện cần tiến hành những thí nghiệm nào? HS: Thay đổi chiều của dòng điện => chiều của lực từ tương ứng. GV tiến hành các thí nghiệm kiểm tra Giữ nguyên cực nam châm, thay đổi chiều dòng điện Quan sát và nhận xét về chiều lực từ trong thí nghiệm trên? HS: Chiều lực từ thay đổi khi thay đổi chiều dòng điện => chiều lực từ phụ thuộc chiều dòng điện Để kiểm tra phương, chiều của lực từ phụ thuộc phương, chiều từ trường cần tiến hành những thí nghiệm nào? HS: Thay đổi phương, chiều của từ trường => phương, chiều của lực từ tương ứng. GV tiến hành thí nghiệm kiểm tra Giữ nguyên chiều dòng điện, thay đổi cực nam châm. Quan sát và nhận xét về chiều lực từ trong thí nghiệm trên? HS: Chiều lực từ thay đổi khi thay đổi cực nam châm => chiều lực từ phụ thuộc chiều từ trường. Đổi phương từ trường ( phương đường cảm ứng từ của nam châm) Quan sát và nhận xét về phương của lực từ? HS: Phương của lực từ thay đổi => phương của lực từ phụ thuộc phương của từ trường Như vậy có thể rút ra kết luận: Phương, chiều của lực từ phụ thuộc chiều dòng điện, phương, chiều của từ trường Nhận xét mối quan hệ giữa phương của lực từ với phương của dòng điện và phương của từ trường? HS: Phương của lực từ vuông góc với phương dòng điện và vuông góc với phương của phương của đường cảm ứng từ Nói cách khác: Phương của lực từ vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dòng điện và đường cảm ứng từ tại điểm ta xét. Sử dụng mô hình véctơ biểu diễn: - Hướng đường sức từ bởi véctơ B - Lực từ bởi véctơ F - Dòng diện bởi véctơ I B B B B I I I I F F F F Kết quả thí nghiệm được mô tả dưới dạng sau: Nhận xét mối quan hệ giữa chiều của lực từ với chiều của dòng điện và chiều của từ trường ? HS: 3 véctơ hợp thành một tam diện thuận Người ta thay mô hình toán học bằng mô hình vật chất cụ thể gần gũi và dễ sử dụng là bàn tay trái với ba bộ phận: Lòng bàn tay, ngón cái choãi ra 90° và các ngón tay. Mỗi bộ phận chỉ hướng của một véctơ. Các em sử dụng bàn tay trái của mình đặt theo các hướng của các véctơ trong hình vẽ xem bộ phận nào chỉ hướng của véctơ nào HS: Sử dụng bàn tay trái, tìm ra quy tắc. Như vậy chiều của lực từ, chiều của dòng điện và chiều của đường cảm ứng từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái: “ Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện, thì chiều ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều lực từ tác dụng lên dòng điện ”. 3, Khái quát củng cố kết quả Như vậy, từ thực nghiệm chúng ta đã tìm ra sự phụ thuộc của phương, chiều lực từ vào phương, chiều của dòng điện và từ trường. Tuy nhiên lực từ là đại lượng véctơ nên ta còn phải khảo sát độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện. Vấn đề 2: Xác định sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào dòng điện và từ trường 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện phụ thuộc vào những yếu tố nào? Phụ thuộc như thế nào? 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. Có thể vận dụng các kiến thức vừa học để trả lời câu hỏi đặt ra không? HS: Dựa vào sự tương tự có thể dự đoán độ lớn của lực từ phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện ( cường độ dòng điện ), độ lớn của từ trường ( độ mạnh yếu của từ trường). Tuy nhiên muốn xét sự phụ thuộc đó như thế nào ta phải tiến hành làm thí nghiệm đo độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện. Để đo được độ lớn của lực từ ta làm thế nào? HS: Đo lực từ bằng trọng lượng quả nặng thêm hoặc bớt ở đĩa cân để cân thăng bằng. b, Thực hiện giải pháp. GV tiến hành những thí nghiệm kiểm tra dự đoán trên: Thay đổi cường độ dòng điện qua khung dây Quan sát và nhận xét hiện tượng? HS: Ta thấy độ lệch của cân khác nhau hay độ lớn lực từ khác nhau => độ lớn lực từ phụ thuộc cường độ dòng điện. Cho các quả cân vào đĩa cân để cân trở về trạng thái cân bằng ta đo được lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện liên quan đến cường độ dòng điện, ta được bảng số liệu sau: I ( A ) 0,5 1,0 1,5 F(gia trọng) 6 12 18 F/ I 12 12 12 Nhận xét kết quả? HS: I tăng => F tăng, tính tỉ số F/I = hằng số => F ~ I Ta kí hiệu lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện bằng một véctơ, nhưng thực tế đây là lực từ tổng hợp của các lực thành phần tác động lên từng phần tử dòng điện. Vậy độ lớn của lừc từ tác dụng lên đoạn dòng điện có phụ thuộc vào chiều dài đoạn dòng điện không? HS: Có thể Ta thay đổi chiều dài đoạn dòng điện, đo lực từ tương ứng, ta được bảng số liệu: l ( cm ) 7,5 9,5 F (gia trọng ) 12 15 F/ l 1.6 1.6 Nhận xét kết quả? HS: l tăng => F tăng, tính tỉ số F/l = hằng số => F ~ l Hai thí nghiệm trên được tiến hành trong trường hợp đoạn dòng điện vuông góc với đường sức từ của nam châm ( α = 90°). Vậy nếu α thay đổi, độ lớn của lực từ có thay đổi không? Lực từ phụ thuộc vào góc α như thế nào? HS: Lúng túng chưa trả lời được GV tiến hành thí nghiệm với bộ thí nghiệm Pasco Tăng góc α từ 0° - 180° Quan sát độ lệch của cân, từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc của lực từ vào góc α HS: Khi α = 0° ( đoạn dòng điện song song với đường cảm ứng từ), cân không bị lệch => F = 0 Khi α = 90° ( đoạn dòng điện vuông góc với đường cảm ứng từ), cân không bị lệch nhiều nhất => F đạt giá trị cực đại. Khi α tăng từ 0° đến 90°, độ lệch của cân tăng dần => F tăng dần. Khi α tăng từ 90° đến 180°, độ lệch của cân giảm dần => F giảm dần. Sự biến đổi của lực F theo góc α tương tự như sự biến đổi của hàm sin theo góc. Nói cách khác : F ~ sin α Với từ trường không đổi, độ lớn của lực từ F phụ thuộc vào I, l, sinα và F ~ I.l. sinα hay F = k. I. l. sinα ( k = F/ I.l.sinα: hệ số tỉ lệ ) => k không đổi với một nam châm nhất định. Thay nam châm bằng nam châm khác ( Bỏ bớt 1 nam châm chữ U), tiến hành thí nghiệm tương tự với nam châm trên. Quan sát, đưa ra nhận xét về kết quả thí nghiệm? HS: Với những nam châm khác nhau ta thấy hệ số k khác nhau => k là đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực. Vậy lực từ phụ thuộc vào độ mạnh yếu của từ trường ( khả năng tác dụng lực của từ trường ). 3, Khái quát củng cố kết quả. Như vậy, từ thực nghiệm chúng ta đã tìm ra sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào cường độ dòng điện, chiều dài đoạn dòng điện, độ mạnh yếu của từ trường theo công thức: F = k. I. l. sinα với k là đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực. Vấn đề 3: Đưa ra khái niệm mới đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực: Cảm ứng từ. 1, Định hướng mục tiêu hoạt động Từ kết quả thí nghiệm ta thấy nảy sinh đòi hỏi phải xuất hiện đại lượng mới đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực. 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ a, Xác định giải pháp. Dựa vào các kêt luận ở trên về hệ số k để đưa ra khái niệm về cảm ứng từ. b, Thực hiện giải pháp. Có thể đưa ra khái niệm cảm ứng từ một cách định tính và định lượng như thế nào? HS: - Định tính: cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực. - Định lượng: B = F / I. l. sinα Cảm ứng từ tại một điểm là đại lượng véctơ có phương, chiều được xác định từ thực tế qua các thí nghiệm với nam châm thử như sau: + Phương: Trùng với trục nam châm thử tại điểm đó + Chiều: Từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm thử tai điểm đó. Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ: Tesla ( T ) ; 1T = 1N/1A.1m 3. Khái quát và củng cố kết quả. - Cảm ứng từ: Kí hiệu : B - Cảm ứng từ tại 1 điểm đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực tại điểm đó - Cảm ứng từ là đại lượng véc tơ : B tại một điểm + Phương: Trùng với trục nam châm thử tại điểm đó + Chiều: Từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm thử tai điểm đó + Độ lớn : B=F/I.l. sinα - Đơn vị: Tesla (T). Coi B là đại lượng đã biết, khi đó lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện: F = B. I. l. sinα Đây là công thức của định luật Ampe. IV, Tổng kết, củng cố, giao nhiệm vụ về nhà GV nhắc lại những kiến thức cần nhớ trong bài học Yêu cầu HS học bài và làm các bài tập SGK . HS: Ghi nhớ, nhận nhiệm vụ 3.2. BÀI 31: “ TƯƠNG TÁC CỦA HAI DÒNG ĐIỆN THẲNG SONG SONG. ĐỊNH NGHĨA ĐƠN VỊ AMPE ”. 32.1. Các câu hỏi cơ bản và kết luận tương ứng với từng đơn vị kiến thức cần dạy. Câu hỏi 1: Tại sao hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau? Kết luận tương ứng: Khi hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hướng của lực từ tác dụng lên dòng điện 1 hướng về phía dòng điện 2; lực từ tác dụng lên dòng điện 2 hướng về phía dòng điện 1 nên hai dòng điện hút nhau. Khi hai dòng điện ngược chiều thì các lực từ có hướng ngược lại với trường hợp trên nên hai dòng điện đẩy nhau. Câu hỏi 2: Độ lớn của lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song được tính như thế nào? Kết luận tương ứng: Độ lớn lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song được tính theo công thức: F = 2. 10-7.I1. I2. l /r Độ lớn lực từ tác dụng lên mõi đơn vị chiều dài dòng điện: F = 2. 10-7.I1. I2 /r 3.2.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức: SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ XÂY DỰNG KIẾN THỨC: “ TƯƠNG TÁC GIỮA HAI DÒNG ĐIỆN THẲNG SONG SONG. ĐỊNH NGHĨA ĐƠN VỊ AMPE ” Giải pháp Suy luận bằng lý thuyết: sử dụng kiến thức đã học về cảm ứng từ của dòng điện thẳng, quy tắc nắm bàn tay phải xác định B của dòng điện thẳng, quy tắc bàn tay trái xác định F Làm TN: xét tương tác giữa 2 dây dẫn mang dòng điên cùng chiều nhau và ngược chiều nhau Lực tương tác giữa chúng như thế nào? Hai dòng điện thẳng song song tương tác với nhau Làm thí nghiệm: Cho dòng điện chay qua 2 dây dẫn song song đặt cạnh nhau, 2 dòng điên: a.Cùng chiều b.Ngược chiều I1 I2 Suy luận lý thuyết + Cùng chiều Dòng I1 sinh ra B1 I1 I2 B1 tác dụng lực F12 lên I2, I2 sinh ra B2 B2 B1 B2 tác dụng lực F21 F21 F12 lên I1 Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải và quy tắc bàn tay trái I1 I2 => hình vẽ như bên + Ngược chiều: B2 B1 tương tự như trên F21 F12 . - 2 dòng điện cùng chiều thì đẩy nhau - 2 dòng điện ngược chiều thì hút nhau - 2 dòng điện song song cùng chiều thì đẩy nhau - 2 dòng điện song song ngược chiều thì hút nhau Độ lớn lực tương tác được tính bằng công thức nào? Giải pháp: suy luận từ công thưc Am-pe,công thức tính cảm ứng từ của dòng điện thẳng Ta có: B = 2. 10-7. I1/r Mà F = B.I2. l => F =2. 10-7. I1 .I2.l/r => Tính trên mỗi đơn vị chiều dài dòng điện: F =2. 10-7. I1 .I2 / r Độ lớn lực từ tính trên mỗi đơn vị chiều dài dòng điện: F =2. 10-7. I1 .I2 / r Định nghĩa đơn vị cường độ dòng điện: Ampe là cường độ của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn song song dài vô hạn, tiết diện ngang rất nhỏ đặt cách nhau 1m trong chân không thì mỗi mét chiều dài của mỗi dây có một lực từ tác dụng là 2. 10-7N 3.2.3. Mục tiêu dạy học cụ thể a, Về kiến thức: - Giải thích được vì sao hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau. - Xây dựng được biểu thức độ lớn lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song, biểu thức của lực từ tác dụng lên mỗi đơn vị dài của dòng điện. - Phát biểu được định nghĩa đơn vị Ampe. b, Về kĩ năng - Tiến hành thí nghiệm về tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song - Vận dụng các kiến thức đã học để giải các bài tập có liên quan c, Về tình cảm thái độ - Học sinh hăng hái tham gia xây dựng bài học. - Bằng cách sử dụng thí nghiệm hợp lý giáo dục cho học sinh nhân sinh quan khoa học, tình yêu chân lý và lòng say mê tìm tòi sáng tạo. 3.2.4. Chuẩn bị Giáo viên Bộ thí nghiệm về tương tác giữa hai dòng điện song song Học sinh Ôn lại kiến thức về cảm ứng từ của dòng điện thẳng, quy tắc nắm bàn tay phải xác định B của dòng điện thẳng, quy tắc bàn tay trái xác định F 3.2.5. Tiến trình hoạt động dạy học cụ thể I, Kiểm tra chuẩn bị điều kiện xuất phát : Tương tác từ gồm tương tác của những vật nào? HS: Tương tác từ là tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với dòng điện, giữa dòng điện với nam châm II, Đặt vấn đề: Hai dòng điện thẳng song song tương tác từ với nhau Câu hỏi đăt ra là: Lực tương tác giữa chúng như thế nào?Độ lớn lực tương tác được tính bằng công thức nào? HS: Nhận thức vấn đề cần nghiên cứu. III, Giải quyết vấn đề Vấn đề 1: Tìm hiểu về lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Hai dòng điện thẳng song song cùng chiều hay ngược chiều thì lực tương tác giữa chúng xác định như thế nào? 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. Để giải quyết vấn đề đặt ra có những cách nào? HS: Có thể làm theo hai cách: - Làm thí nghiệm với hai dòng điện thẳng song song, quan sát tương tác giữa chúng. - Suy luận từ những kiến thức đã học để xác định lực từ tác dụng lên mỗi dây dẫn. b, Thực hiện giải pháp. GV yêu cầu lớp chia thành hai nhóm lớn ( mỗi nhóm lớn chia thành ba nhóm nhỏ làm việc độc lập ), mồi nhóm thực hiện một cách để tìm hiểu lực tương tác giữa hai dòng điện. Từ đó đưa ra kết luận HS: Nhóm 2 : Suy luận lý thuyết - Xác định B1 do I1 tác dụng lên I2 => chiều F12 - Xác định B2 do I2 tác dụng lên I1 => chiều F21 Trong hai trường hợp: - I1, I2 cùng chiều - I1, I2 ngược chiều. - Kết luận: : Hai hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau. Nhóm 1: Làm thí nghiệm - Cho dòng điện chạy qua 2 dây dẫn thẳng, song song với hai trường hợp: + 2 dòng điện cùng chiều + 2 dòng điện ngược chiều - Kết quả: Hai dây dẫn mang hai dòng điện cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau Như vậy hai dòng điện song song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau. 3, Khái quát củng cố kết quả. Bằng thí nghiệm và bằng suy luận từ những kiến thức đã học, chúng ta đã tìm ra lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song Vấn đề 2: Xây dựng công thức độ lớn lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Độ lớn lực tương tác được tính bằng công thức nào? 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. HS sử dụng các kiến thức cũ ( công thức Ampe, công thức tính cảm ứng từ của dòng điện thẳng )để giải quyết vấn đề đặt ra. b, Thực hiện giải pháp Từ các kiến thức đã học về lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện , từ trường của dòng điện thẳng xây dựng công thức tính lực tương tác giữa hai dây dẫn thẳng song song mang dòng điện có chiều dài l? HS: Từ công thức: F = B. I. l. sinα - Lực từ do dòng I1 tác dụng lên dòng I2 là: F12 = B1. I2. l Mặt khác: Cảm ứng từ của dòng I1 là B = 2. 10-7. I1/r => F12 =2. 10-7. I1 .I2.l / r - Tương tự, lực từ do dòng I2 tác dụng lên dòng I1 là: F21 = 2. 10-7. I2 .I1.l / r Như vậy lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song là: F =2. 10-7. I1 .I2.l / r => Lực từ tính trên mỗi đơn vị chiều dài dòng điện: F =2. 10-7. I1 .I2 / r 3, Khái quát củng cố kết quả. Bằng suy luận từ những kiến thức đã học chúng ta đã tìm ra độ lớn lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song, từ đó suy ra được công thức tính lực từ trên mỗi đơn vị chiều dài dòng điện. Vấn đề 3: Xây dựng định nghĩa đơn vị Ampe 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Từ công thức tính lực tương tác giữa hai dây dẫn thẳng song song mang dòng điện có thể định nghĩa đơn vị Ampe như thế nào? 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. HS biến đổi toán học. b, Thực hiện giải pháp Yêu cầu học sinh giải bài toán sau: “ Cho hai dây dẫn thẳng song song có chiều dài l = 1m mang hai dòng điện có cường độ I1 = I2 = I, đặt cách nhau một khoảng r = 1m trong không khí và chịu tác dụng của lực từ F =2. 10-7N. Tính I ”. HS: Từ công thức: F =2. 10-7. I1 .I2.l / r Với I1 = I2 = I; l = 1m; r = 1m; F =2. 10-7N => I2 = 1A => I = 1A. Vậy có thể định nghĩa đơn vị Ampe như thế nào? HS: Ampe là cường độ của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn song song dài vô hạn, tiết diện ngang rất nhỏ đặt cách nhau 1m trong chân không thì mỗi mét chiều dài của mỗi dây có một lực từ tác dụng là 2. 10-7N. 3, Khái quát củng cố kết quả. Như vậy từ công thức tính độ lớn lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song ta đã định nghĩa được đơn vị Ampe. IV, Tổng kết, củng cố, giao nhiệm vụ về nhà GV nhắc lại những kiến thức cần nhớ trong bài học Yêu cầu HS học bài và làm các bài tập 1,2,3,4 (Trang 160,161 SGK). HS: Ghi nhớ, nhận nhiệm vụ 3.3. BÀI 32: “ LỰC LO-REN-XƠ ”. 3.3.1. Các câu hỏi cơ bản và kết luận tương ứng với từng đơn vị kiến thức cần dạy Câu hỏi : Phương, chiều, độ lớn của lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều được xác định như thế nào? Kết luận tương ứng: Lực mà từ trường tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong nó gọi là lực Lo-ren-xơ. Lực này có: + Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa véc tơ vận tốc của hạt mang điện và véctơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát. + Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái với quy ước chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương. + Độ lớn: f = |q|vBsinα Với α là góc hợp bởi véctơ vận tốc của hạt và véctơ cảm ứng từ 3.3.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ XÂY DỰNG KIẾN THỨC “ LỰC LO-REN-XƠ ”. Từ trường tác dụng lực từ lên dòng điện đặt trong nó. Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện Phương, chiều , độ lớn của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động đó như thế nào? Giải pháp: - Làm thí nghiệm: Cho hạt mang điện ( electron ) chuyển động trong từ trường đều theo hướng vuông góc với cảm ứng từ. Xác định sự tồn tại, phương của lực từ lên hạt mang điện đó - Suy luận từ kiến thức đã học ( quy tắc bàn tay trái , công thức Ampe) xác định chiều, độ lớn lực từ tác dung lên hạt mang điện chuyển động. Thực hiện giải pháp: 1. Làm thí nghiệm: - Dụng cụ và bố trí ( hình vẽ ). 1: Vòng dây Hem-hôn ( tạo từ trường đều ) 2: Bình thủy tinh chứa khí trơ. 3: Sợi dây đốt ( tạo ra các electron chuyển động ). - Tiến hành: + Cho dòng điện qua sợi dây đốt, đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực => Xuất hiện vệt sáng thẳng màu xanh . + Cho dòng điện 1 chiều chạy qua vòng dây Hem-hôn. => Vệt sáng xanh bị uốn cong thành 1 vòng tròn sáng (4). + Ngắt dòng điện qua vòng dây => vòng tròn sáng chuyển thành vệt sáng thẳng. KL: Từ trường tác dụng lực lên hạt mang điện chuyển động. Lực từ có phương của lực hướng tâm 2. Chiều lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động - Quy tắc bàn tay trái xác định chiều lực từ tác dụng lên dòng điện. - Chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương. 3. Độ lớn của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động - Từ công thức lực từ tác dụng lên dòng điện: F = B.I.l ( l: chiều dài đoạn dòng điện ) Với I = jS = N.S.v.|q| N: mật độ hạt mang điện tự do; S: tiết diện dây; v: vận tốc của hạt mang điện; q: điện tích một hạt mang điện; NSv: số hạt đi qua tiết diện S trong 1giây F = N.S.v.|q|.B.l = v.|q|.B.( N.S.l ) NSl: Tổng số hạt tạo thành dòng điện Vậy lực từ tác dụng lên một hạt mang điện: f = F / NSl = v.|q|.B 1 2 3 - Lực mà từ trường tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong nó gọi là lực Lo-ren-xơ có: + Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa véc tơ vận tốc của hạt mang điện và véctơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát. + Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái với quy ước chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương. + Độ lớn: f = |q|vBsinα (α : góc giữa v và B ) 3.3.3. Mục tiêu dạy học cụ thể a, Về kiến thức: - Trình bày được phương của lực Lo-ren-xơ, quy tắc xác định chiều của lực Lo-ren-xơ, công thức xác định độ lớn của lực Lo-ren-xơ. - Trình bày được nguyên tắc lái tia điện tử ( electron) bằng từ trường. b, Về kĩ năng: - Thiết kế được phương án thí nghiệm xác định sự tồn tại, phương của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động. Quan sát và phân tích kết quả thí nghiệm. - Vận dụng các kiến thức đã học trong bài để giải các bài tập về hạt mang điện chuyển động trong từ trường. c, Về thái độ tình cảm - Học sinh hăng hái tham gia xây dựng bài học, thiết kế phương án thí nghiệm. - Bằng cách sử dụng thí nghiệm hợp lý giáo dục cho học sinh nhân sinh quan khoa học, tình yêu chân lý và lòng say mê tìm tòi sáng tạo. 3.3.4. Chuẩn bị Giáo viên Bộ thí nghiệm về chuyển động của electron trong từ trường gồm: 1: Vòng dây Hem-hôn 2: Bình thủy tinh chứa khí trơ 3: Sợi dây đốt Học sinh Ôn lại kiến thức về lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện, quy tắc bàn tay trái. 3.3.5. Tiến trình hoạt động dạy học cụ thể I, Kiểm tra chuẩn bị điều kiện xuất phát Phương, chiều , độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện được xác định như thế nào? HS : Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện có: + Phương: Vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện và B + Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái + Độ lớn: F = B. I. l. sinα α: là góc hợp bởi dòng điện và B II, Đặt vấn đề: Từ trường tác dụng lực từ lên dòng điện đặt trong nó, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của hạt mang điện. Vậy từ trường tác dụng lực từ hạt mang điện chuyển động trong nó. Câu hỏi đăt ra là: Phương, chiều , độ lớn của lực từ đó như thế nào? HS: Nhận thức vấn đề cần nghiên cứu III, Giải quyết vấn đề Vấn đề 1: Tìm phương của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều. 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Ta đã biết phương của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện vậy phương của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều phụ thuộc vào các yếu tố nào? Phụ thuộc như thế nào? HS: Phụ thuộc phương từ trường, phương chuyển động của hạt 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. Để giải quyết vấn đề đặt ra ta làm thế nào? HS: Làm thí nghiệm Thí nghiệm cần phải có những dụng cụ gì và bố trí như thế nào? HS: Cần phải có hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều. Để xác định sự tồn tại của lực tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều và xác định phương của lực từ đó thí nghiệm được bố trí như sau: Thí nghiệm gồm một binh thủy tinh trong đó chứa khí trơ và sợi dây đốt có dòng điện chạy qua. Bình được đặt ở bên trong vòng dây Hem-hôn. b, Thực hiện giải pháp. GV làm thí nghiệm: Cho dòng điện qua sợi dây đốt, đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực Quan sát, nhận xét hiện tượng xảy ra? HS: Xuất hiện vệt sáng thẳng màu xanh, do chùm e được phát xạ bởi sợi dây đốt khi va chạm đã iôn hóa các phân tử khí trong binh làm phát quang Cho dòng điện 1 chiều chạy qua vòng dây Hem-hôn. Quan sát, nhận xét hiện tượng xảy ra? HS: Vệt sáng xanh bị uốn cong thành 1 vòng tròn sáng, từ trường làm đổi phương chuyển động của chùm e. Ngắt dòng điện qua vòng dây Quan sát, rút ra kết luận gì ? HS: vòng tròn sáng chuyển thành vệt sáng thẳng => KL:Từ trường tác dụng lực lên electron chuyển động trong nó. Nhiều thí nghiệm khác cho biết rằng, từ trường tác dụng lực từ lên bất kì hạt mang điện nào chuyển động trong nó. Và người ta gọi lực mà từ trường tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong nó gọi là lực Lo-ren-xơ. Với bộ thí nghiệm đang dùng thì vòng dây Hem-hôn nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các đường sức từ của từ trường là các đường nằm ngang; quỹ đạo của e là quỹ đạo phẳng nằm trong mặt phẳng thẳng đứng => mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với đường sức từ; quỹ đạo của e là đường tròn. Từ đó nhận xét về phương của lực Lo-ren-xơ? HS: Lực Lo-ren-xơ đóng vai trò là lực hướng tâm nên có phương của lực hướng tâm : - Phương của lực Lo-ren-xơ vuông góc với các đường sức từ - Phương của lực Lo-ren-xơ vuông góc với véctơ vận tốc của e. Vậy lực Lo-ren-xơ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa véc tơ vận tốc của hạt mang điện và véctơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát. 3, Khái quát củng cố kết quả. Như vậy từ thí nghiệm ta đã xác định được phương của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều. Vấn đề 2: Xác định chiều của lực Lo-ren-xơ 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Ta đã biết chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện xác định theo quy tắc bàn tay trái vậy chiều của lực Lo-ren-xơ có được xác định theo quy tắc này không? HS: Chiều của lực Lo-ren-xơ có được xác định theo quy tắc bàn tay trái 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. HS suy luận từ những kiến thức đã học về quy tắc bàn tay trái b, Thực hiện giải pháp. Tại sao có thể áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều của lực Lo-ren-xơ ? HS: Lực Lo-ren-xơ là nguyên nhân gây ra lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện Để áp dụng được quy tắc cần lưu ý quy ước: “ chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương ” Vậy chiều của lực Lo-ren-xơ trong hai trường hợp ứng với hạt mang điện dương và hạt mang điện âm xác định như thế nào? HS: - Lực Lo-ren-xơ tác dụng lên điện tích dương thì cùng chiều với lực từ tác dụng lên dòng điện. - Lực Lo-ren-xơ tác dụng lên điện tích âm thì có chiều ngược lại. 3, Khái quát củng cố kết quả. Như vậy bằng suy luận từ những kiến thức đã học xác định được chiều lực Lo-ren-xơ theo quy tắc bàn tay trái Vấn đề 3: Xác định độ lớn của lực Lo-ren-xơ 1. Định hướng mục tiêu hoạt động. Ta đã biết độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện xác định bằng công thức Ampe,vậy độ lớn của lực Lo-ren-xơ có được xác định như thế nào? HS: Xây dựng công thức tính độ lớn của lực Lo-ren-xơ từ công thức Ampe 2. Định hướng giải quyết nhiệm vụ. a, Xác định giải pháp. HS suy luận từ những kiến thức đã học về công thức Ampe b, Thực hiện giải pháp. Yêu cầu HS giải bài toán sau: “Tính độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn chiều dài l mang dòng điện với cường độ I, có dạng hình trụ tiết diện S, mật độ dòng là j, mật độ hạt mang điện N, vận tốc định hướng chuyển động của hạt mang điện là v, điện tích của mỗi hạt mang điện là q. ” HS: Từ công thức Ampe: F = B. I. l. sinα I = j. S j = N. |q|. v => F = B.N. |q|. v. S. l. sinα Với S. l là thể tích đoạn dây và ( N. S. l ) là tổng số hạt mang điện tự do trong đoạn dây. Vậy độ lớn của lực từ tác dụng lên mỗi hạt mang điện ( f )như thế nào? HS: f = F / N.S.l = |q|. v. B. sinα Đây chính là công thức tính lực Lo-ren-xơ cần tìm. 3, Khái quát củng cố kết quả. Như vậy bằng suy luận từ những kiến thức đã học và bằng biến đổi toán học ta xác định được độ lớn của lực Lo-ren-xơ: f = |q|. v. B. sinα Vấn đề 4: Ứng dụng của lực Lo-ren-xơ Có nghiều ứng dụng phong phú, một trong những ứng dụng quan trọng là trong vô tuyến truyền hình: Dựa vào hiện tượng lái chùm tia e dưới tác dụng của lực Lo-ren-xơ. IV, Tổng kết, củng cố, giao nhiệm vụ về nhà GV nhắc lại những kiến thức cần nhớ trong bài học Yêu cầu HS học bài và làm các bài tập 1,2,3,4 (Trang 156, 157 SGK). HS: Ghi nhớ, nhận nhiệm vụ KẾT LUẬN CHUNG Thực hiện mục đích của đề tài, đối chiếu với các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài em đã giải quyết được những vấn đề sau: - Nghiên cứu cơ sở lý luận về những luận điểm sau: + Nghiên cứu tiến trình dạy học phỏng theo tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức vật lý mới trong nghiên cứu khoa học + Tổ chức các tình huống học tập có vấn đề, định hướng hoạt động giải quyết vấn đề của học sinh theo kiểu định hướng khái quát hóa hoạt động học bằng hệ thống câu hỏi định hướng hành động nhận thức + Vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lý, các loại thí nghiệm được sử dụng trong dạy học vật lý. + Các chức năng, nguyên tắc trong kiểm tra đánh giá - Trên cơ sở lí luận đó em vận dụng để thiết kế tiến trình dạy học một số bài thuộc chương “ Từ trường ” - Vật lý 11 THPT nâng cao gồm: Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện. Cảm ứng từ ; Tương tác của hai dòng điện thẳng song song. Đơn vị Ampe ; Lực Lo-ren-xơ theo hướng phát huy tính tích cực, tự chủ của học sinh trong quá trình chiếm lĩnh tri thức. Tuy nhiên là một sinh viên, bước đầu là công tác nghiên cứu khoa học, mặc dù trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong tổ Phương pháp giảng dạy, đặc biệt là sự giúp đỡ của cô giáo Ngô Diệu Nga cả về mặt lý thuyết và thực hành, những nhiệm vụ đặt ra cho đề tài đã tương đối hoàn thiện, nhưng do đặc điểm của chương“ Từ trường ”, việc giảng dạy để học sinh tham gia vào việc xây dựng kiến thức là khá khó, thời gian nghiên cứu lại ngắn, bên cạnh đó em chưa có điều kiện thực nghiệm nên khóa luận không thể tránh khỏi thiếu sót và còn nhiều hạn chế. Hà Nội ngày 16 tháng 5 năm 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Hữu Tòng: Lí luận dạy học ở trường trung học. NXB Giáo dục 2001. 2. Phạm Hữu Tòng: Dạy học Vật lý ở trường phổ thông theo định hướng phát triển hoạt động học tích cực, tự chủ, sáng tạo và tư duy khoa học. NXB Sư phạm 2004. 3. Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế: Phương pháp dạy học Vật lý ở trường phổ thông. NXB Đại học sư phạm 2002. 4. Phạm Vũ Bích Hằng: Dùng phần mềm Microsoft Powerpoint thiết kế hoạt động dạy học một số bài chương “ Từ trường ” – Vật lý lớp 11 THPT. 2005. 5. Sách giáo khoa Vật lý 11. NXB Giáo dục 2006. 6. Sách giáo khoa Vật lý 11 nâng cao. NXB Giáo dục 2006. 7. Sách giáo viên Vật lý 11. NXB Giáo dục 2006. 8. Sách giáo viên Vật lý 11 nâng cao. NXB Giáo dục 2006