SKKN Hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm dùng để dạy học phần từ trường trong chương trình Vật lí phổ thông

Nội dung text: SKKN Hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm dùng để dạy học phần từ trường trong chương trình Vật lí phổ thông

1. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Vật lí học là môn khoa học thực nghiệm nên một trong những khâu quan trọng của quá trình đổi mới phương pháp dạy học Vật lí là phải tăng cường các hoạt động thực nghiệm của học sinh trong quá trình học tập. Vì vậy, việc đưa thí nghiệm vào dạy học để học sinh tiếp cận với con đường nghiên cứu khoa học và hiểu sâu sắc các kiến thức Vật lí là hết sức cần thiết và có ý nghĩa vô cùng to lớn. Bởi thông qua thí nghiệm, học sinh sẽ được rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo, giáo dục tổng hợp, hình thành tư duy sáng tạo và tinh thần làm việc tập thể. Trong chương trình vật lí phổ thông, chương từ trường được đưa vào giảng dạy ở lớp 11. Tuy nhiên, các thí nghiệm ở chương này chỉ được trang bị ở mức độ tối thiếu, còn rất nhiều ứng dụng khác mà sách giáo khoa không đưa vào hoặc đưa vào chỉ ở mức độ thông báo. Việc dạy học theo phương pháp truyền thống làm cho học sinh chưa hiểu được con đường thành kiến thức một cách đúng đắn, chính điều này làm cho việc hiểu kiến thức của học sinh chưa sâu sắc và thiếu bền vững. Chính vì những lý do trên, với mong muốn góp phần vào việc đổi mới, nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học môn Vật lí ở trường phổ thông, tôi chọn đề tài: “Hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm dùng để dạy học phần từ trường trong chương trình vật lí phổ thông”. 1.2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu để hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số thí nghiệm dùng để dạy học chương từ trường trong chương trình vật lí phổ thông. Qua đó, giúp giáo viên chủ động đưa thí nghiệm vào giảng dạy để nâng cao chất lượng dạy học. 1.3. Đối tượng nghiên cứu - Một số dụng cụ thí nghiệm dùng để dạy học trong chương từ trường. 1.4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết. - Phương pháp thực hành thí nghiệm. 1
2. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Là cơ sở khoa học để định hướng việc đưa thí nghiệm vào giảng dạy trong chương trình vật lí mạnh mẽ và hiệu quả hơn. - Giúp giáo viên có một nguồn tài liệu tham khảo về cách thiết kế, chế tạo thí nghiệm dùng để dạy học vật lí trong chương từ trường. 2
3. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn PHẦN 2: NỘI DUNG 2.1. Đánh giá tình trạng thiết bị thí nghiệm chương từ trường - Hiện nay, các trường trung học phổ thông đều được trang bị các dụng cụ thí nghiệm tối thiểu cho việc dạy học chương này, gồm có bộ thí nghiệm về xác định lực từ, bộ thí nghiệm xác định thành phần nằm ngang của trái đất (la bàn tang) và một số dụng cụ thí nghiệm khác. Nhìn chung, các dụng cụ thí nghiệm phục vụ cho việc dạy học chương này còn rất thiếu. Ngoài hai bộ thí nghiệm trên thì các trường cũng chỉ có một số thanh nam châm thẳng, chữ U và kim nam châm, các mạt sắt. - Nhiều thí nghiệm quan trọng như: thí nghiệm tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song cùng chiều và ngược chiều, tương tác giữa nam châm và dòng điện, máy phát điện một chiều thì hầu hết các trường đều không được trang bị. - Từ việc phân tích, đánh giá tình trạng thiết bị thí nghiệm trên, tôi nhận thấy rằng, để giảng dạy chương này tốt hơn, hấp dẫn và đạt hiệu quả hơn thì chúng ta cần thiết kế, chế tạo thêm một số dụng cụ thí nghiệm biểu diễn khác như thí nghiệm tác dụng của nam châm lên dòng điện, thí nghiệm tương tác giữa hai dòng điện thẳng Chính vì vậy, tôi đề xuất phương án để thiết kế, chế tạo một số dụng cụ thí nghiệm từ những vật liệu đơn giản, rẻ tiền, dễ tìm trong đời sống nhằm giảng dạy hiệu quả hơn. 2.2. Hướng dẫn thiết kế, chế tạo một số dụng cụ thí nghiệm chương từ trường 2.2.1. Thí nghiệm tác dụng dòng điện lên kim nam châm - Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm sự tác dụng của dòng điện lên kim nam châm. - Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm: Bước 1: Cắt bỏ phần đáy của chai nhựa 1,5l và lấy phần còn lại của chai. Dùng khoan để khoan hai lỗ trên đường kính của chai, hai lỗ này cách mép chỗ cắt đi khoảng 1cm. 3
4. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn Bước 2: Luồn sợi dây đồng khoảng 50cm vào hai lỗ trên, bẻ phần hai bên sợi dây đồng dọc theo thân chai và dùng băng dính cố định lại. Hai đầu sợi dây được nối với hai dây dẫn qua máy biến thế (cắm vào nguồn một chiều). Bước 3: Cắt hai miếng xốp thành hình chữ V và đặt chai nhựa lên hai khối Hình 1: Thí nghiệm dòng điện xốp này theo hướng Bắc - Nam, đảm bảo tác dụng lên kim nam châm chai ở vị trí nằm ngang cố định. Đặt kim nam châm nằm song song phía dưới dây dẫn sao cho cách dây khoảng 1cm. - Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm: Bật công tắc của biến thế nguồn DC, quan sát thí nghiệm ta thấy kim nam châm bị lệch khỏi vị trí ban đầu. Nếu tăng cường độ dòng điện lên thì góc lệch của kim nam châm càng lớn. Nếu đổi chiều dòng điện thì kim sẽ lệch theo chiều ngược lại. Vậy, dòng điện qua dây dẫn đã tác dụng lực lên kim nam châm làm kim nam châm bị lệch khỏi vị trí ban đầu. - Giải thích kết quả thí nghiệm: Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì xung quanh dây dẫn sẽ có một từ trường. Từ trường của dòng điện xung quanh dây dẫn đã tác dụng lên kim nam châm, lực tương tác từ này đã làm kim nam châm bị lệch đi khỏi vị trí ban đầu. Kim nam châm sẽ định hướng theo hướng của từ trường tổng hợp giữa từ trường của dòng điện và từ trường trái đất. Khi dòng điện càng lớn thì lực tương tác từ lớn nên góc lệch càng lớn. Nếu đổi chiều dòng điện thì chiều từ trường dòng điện cũng thay đổi, dẫn đến hướng lực tác dụng lên nam châm cũng thay đổi theo, điều này làm cho kim nam châm sẽ quay theo chiều ngược lại. - Lưu ý: Do dây dẫn có điện trở nhỏ nên trong quá trình làm thí nghiệm không nên để dòng điện qua dây trong thời gian dài. 2.2.2. Thí nghiệm tác dụng của nam châm lên dòng điện 4
5. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn - Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm sự tác dụng của nam châm lên dòng điện. - Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm: Bước 1: Đục một lỗ trên nắp chai nhựa và luồn qua nó đoạn dây đồng dài 10cm. Đoạn dây đồng phía trong nắp chai nhựa bẻ lại thành vòng tròn nhỏ, đầu còn lại nối với dây dẫn qua biến thế nguồn. Lấy một đoạn dây đồng dài khoảng 20cm, một đầu để tự do đầu còn lại móc vào vòng tròn trên và cũng uốn thành vòng tròn để nó có thể chuyển động tự do trên vòng tròn thứ Hình 2: Thí nghiệm nam châm nhất. tác dụng lên dòng điện trong dung dịch CuSO Bước 2: Trên chai nhựa này, đục một 4 lỗ cách đáy chai nhựa khoảng 7cm. Luồn một đoạn dây đồng vào bên trong lỗ này dài khoảng 5cm, sau đó bẻ cong phần dây còn nằm ngoài chai và nối nó với dây dẫn qua máy biến thế. - Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm: Cho 250ml dung dịch CuSO4 vào chai nhựa sao cho nó ngập hai đoạn dây đồng trên. Bật công tắc nguồn điện và cho dòng điện qua dây dẫn, quan sát thấy: nếu không đưa nam châm lại gần dây dẫn thì dây dẫn vẫn nằm yên, còn nếu cho nam châm chuyển động lại gần hoặc đưa ra xa dòng điện thì thấy dây dẫn cũng chuyển động bên trong dung dịch. Vậy, nam châm đã tác dụng lực lên dòng điện làm cho dây dẫn chuyển động qua lại bên trong chai nhựa. - Giải thích kết quả thí nghiệm: Khi đóng mạch điện thì có một dòng điện chạy qua sợi dây đồng, dòng điện này đặt trong từ trường của nam châm (khi đưa nam châm lại gần dây dẫn). Chính vì vậy, dòng điện sẽ chịu tác dụng của lực từ làm cho dây dẫn chuyển động qua lại (một đầu sợi dây đồng để tự do). - Lưu ý: 5
6. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn - Có thể thay nam châm loa bằng thanh nam châm thẳng. - Từ trường nam châm phải mạnh mới có thể làm dây dẫn chuyển động. 2.2.3. Thí nghiệm tạo từ phổ trong không gian của thanh nam châm thẳng - Mục đích thí nghiệm: Minh họa hình ảnh từ phổ của thanh nam châm thẳng trong không gian ba chiều. - Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm: Bước 1: Cho 1g mạt sắt vào trong chai nhựa, sau đó cho 0,5l dầu ăn vào trong chai (không đổ dầu ăn đầy chai nhựa mà chiếm khoảng 80% thể tích của chai). Bước 2: Lồng thanh nam châm vào trong ống nhựa và đưa ống nhựa vào trong chai. Ở đầu trên của ống nhựa dùng cây kim xỏ qua đường kính ống nhựa để giữ cho ống Hình 3: Hình ảnh từ phổ nhựa ở vị trí thẳng đứng cách đáy chai trong không gian khoảng 5 cm. - Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm: Lắc nhẹ chai nhựa để cho các mạt sắt chuyển động bên trong chai. Quan sát các mạt sắt thấy chúng sắp xếp thành những đường cong bên trong chai. Ở hai đầu thanh nam châm các mạt sắt định xứ là nhiều nhất, còn ở giữa thanh nam châm là ít nhất. Sự sắp xếp của các hạt mạt sắt như trên gọi là hình ảnh từ phổ của thanh nam châm thẳng trong không gian. - Giải thích kết quả thí nghiệm: Khi các hạt mạt sắt đặt trong từ trường thì dưới tác dụng của từ trường các mạt sắt bị từ hóa và chúng biến thành những nam châm nhỏ. Các nam châm này sẽ định hướng dọc theo các đường sức từ của thanh nam châm. Sự sắp xếp của các mạt sắt cho ta biết hình ảnh đường sức từ của thanh nam châm. Hình ảnh đó gọi là từ phổ. - Lưu ý: 6
7. Sáng kiến kinh nghiệm Giáo viên: ThS. Tạ Hồng Sơn + Có thể thay dầu ăn bằng glycerin. + Nếu không có thanh nam châm ta có thể dùng các viên nam châm, rồi ghép lại với nhau. 2.2.4. Thí nghiệm tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song - Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm sự tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song với tính chất: hai dòng điện thẳng song song cùng chiều thì hút nhau, hai dòng điện thẳng song song ngược chiều thì đẩy nhau. ❖ Phương án 1: Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song được tạo ra từ hai nguồn điện - Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm: Bước 1: Dùng dùi sắt có đường kính 1mm đã nung đỏ để dùi vào mỗi chai nhựa 4 lỗ, 2 lỗ ở gần miệng chai và 2 lỗ ở gần đáy chai sao cho khoảng cách giữa chúng khoảng 20cm và đường nối 2 lỗ vuông góc với chai. Đổ hạt ngô vào bên trong chai để chai luôn ở vị trí thẳng đứng. Bước 2: Cắt dây điện từ thành 4 đoạn, mỗi đoạn dài khoảng 30cm, cạo bỏ lớp cách Hình 4: Thí nghiệm tương tác điện ở đầu mỗi đoạn, tiếp tục tạo 2 đoạn dây giữa hai dòng điện thẳng song song (phương án 1) điện nhỏ dài khoảng 30cm. Sau đó, ta nối 6 đoạn dây trên thành 2 dây dẫn theo thứ tự: dây điện từ - dây điện – dây điện từ. Bước 3: Luồn 2 dây dẫn trên vào 4 lỗ của mỗi chai nhựa. - Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm: + Sau khi luồn hai dây dẫn vào hai chai nhựa, ta sẽ điều chỉnh dây dẫn để tạo ra một đoạn dây dẫn dài 30cm song song với trục chai nhựa và cách trục của chai khoảng 7cm. Hai đầu của dây được nối với máy biến thế, ta cũng làm tương tự đối với chai nhựa còn lại. 7