Giáo án vật lý bài hiện tượng tự cảm

I Mục tiêu 1. Kiến thức: Hiểu được bản chất của hiện tượng tự cảm khi đóng mạch, ngắt mạch. Biết được nguyên nhân làm cho đèn sáng từ từ trong thí nghiệm đóng mạch và đèn lóe sáng trong thí nghiệm ngắt mạch. Nắm được công thức xác định hệ số tự cảm của ống dây và công thức xác định suất điện động tự cảm. 2. Kĩ năng: Dự đoán một số kết quả của thí nghiệm. Giải thích được một số hiện tượng vật lý. Vận dụng công thức để giải các bài tập. 3. Thái độ: Sôi nổi, hào hứng trong giờ học. Liên hệ kiến thức vật lý với thực tiễn cuộc sống, tích cực sáng tạo. II Chuẩn bị 1. Giáo viên: Các thí nghiệm mô phỏng hiện tượng tự cảm khi đóng mạch và ngắt mạch bằng phần mềm Powerpoint. 2. Học sinh: Ôn lại định luật Lenxơ về xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Biểu thức suất điện động cảm ứng. III Tiến trình dạy học Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: Ổn định tổ chức và kiểm tra bài cũ (5 phút) Ổn định trật tự và kiểm tra sĩ số lớp. Phát biểu nội dung định luật Lenxơ. Viết công thức tính suất điện động cảm ứng. Lớp trưởng báo cáo sĩ số lớp. Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Công thức tính suất điện động cảm ứng: Hoạt động 2: Đặt vấn đề vào bài (2 phút) Ở các tiết trước ta đã khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ cả về mặt định tính và định lượng. Hãy cho biết chúng ta đã tìm hiểu hiện tượng cảm ứng điện từ gây ra dòng điện ở những đâu? Trong bài hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu thêm một dạng nữa của hiện tượng cảm ứng điện từ đó là hiện tượng tự cảm. Hiện tượng cảm ứng điện từ gây ra dòng điện trong khung dây, trong đoạn dây dẫn và trong vật dẫn hình khối. Hoạt động 3: Tìm hiểu hiện tượng tự cảm (25 phút) Mục đích thí nghiệm: khảo sát hiện tượng tự cảm xảy ra trong mạch điện khi có sự biến đổi dòng điện qua mạch đó. Cho học sinh quan sát hình vẽ bộ dụng cụ thí nghiệm. Hãy cho biết bộ thí nghiệm gồm những thiết bị nào? Thí nghiệm 1: về hiện tượng tự cảm khi đóng mạch. Mô tả thí nghiệm: + Mạch điện gồm có 3 nhánh: nhánh (1) có bóng đèn Đ_1 mắc nối tiếp với biến trở R có thể thay đổi giá trị điện trở, nhánh (2) có bóng đèn Đ_2 mắc nối tiếp với cuộn dây L, nhánh (3) có bóng đèn neon, 3 nhánh này được mắc song song với nhau và được mắc vào nguồn điện một chiều. Yêu cầu: 2 đèn Đ_1 và Đ_2 giống nhau, giá trị biến trở R bằng điện trở thuần của cuộn dây L. + Trước khi tiến hành thí nghiệm, ta ngắt khóa K_3 và đóng các khóa K, K_1, K_2. Khi đó mạch điện sẽ gồm 2 đèn Đ_1 và Đ_2 được nối kín mạch với biến trở R, cuộn dây L và nguồn điện U. Cho học sinh quan sát sơ đồ mạch điện mô phỏng. Chú ý: Trên thực tế khóa K được mắc vào cực dương của nguồn. Ban đầu khóa K ở trạng thái mở. Hãy dự đoán về tốc độ sáng lên của 2 đèn nếu đóng khóa K lại? Cho học sinh quan sát thí nghiệm mô phỏng để tìm kết quả. Khi đóng khóa K thì dòng điện trong mạch sẽ tăng lên, dòng điện đi từ cực dương đến cực âm của nguồn và nó sẽ chia vào 2 nhánh, khi đó dòng điện gần như cùng một lúc sẽ đi vào cả 2 đèn, nhưng kết quả thu được lại là đèn Đ_1 sáng lên ngay còn đèn Đ_2 sáng lên từ từ. Nguyên nhân tại sao xảy ra hiện tượng như vậy? Gợi ý: + Khi đóng khóa K thì làm cho đại lượng nào trong mạch điện biến đổi? + Dòng điện khi đi qua ống dây sẽ có điều gì khác so với khi đi qua điện trở? + Từ trường của ống dây biến đổi sẽ dẫn đến kết quả gì? + Hiện tượng vật lý nào liên quan đến sự biến đổi từ thông qua mạch và hiện tượng đó dẫn đến kết quả gì? + Sử dụng định luật Lenxơ xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Giải thích: Khi đóng khóa K dòng điện trong 2 nhánh tăng lên (ban đầu i = 0 sau đó i 0). Trong nhánh (2), khi dòng điện tăng làm cho từ thông qua ống dây biến đổi, vì vậy xuất hiện dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenxơ dòng này có tác dụng chống lại nguyên nhân đã gây ra nó, tức là dòng cảm ứng này có chiều ngược với dòng điện do nguồn sinh ra nên nên làm giảm cường độ của dòng điện qua nhánh (2). Vì vậy bóng đèn Đ_2 sáng lên từ từ. Sau khi đóng khóa K ít lâu thì độ sáng của 2 bóng đèn lúc này như thế nào? Giải thích tại sao? Thí nghiệm 2: về hiện tượng tự cảm khi ngắt mạch. Cho học sinh quan sát sơ đồ mạch điện mô phỏng và mô tả thí nghiệm. + Mạch gồm: cuộn cảm L mắc song song với bóng đèn Đ và chúng được mắc vào nguồn điện một chiều. + Ban đầu khóa K đóng đèn Đ đang sáng, sau đó ngắt khóa K. Dự đoán hiện tượng xảy ra? Cho học sinh quan sát thí nghiệm mô phỏng để tìm kết quả. Tương tự thí nghiệm đóng mạch, hãy vận dụng kiến thức đã biết để giải thích hiện tượng trên? Qua 2 thí nghiệm trên ta nhận thấy các hiện tượng xảy ra đều có chung nguyên nhân gì? Sự biến đổi dòng điện trong mạch gây ra sự biến đổi từ thông nên đây cũng là một trường hợp của hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ đó hãy phát biểu định nghĩa hiện tượng tự cảm? Trong mạch điện một chiều hiện tượng tự cảm xảy ra khi đóng mạch và ngắt mạch. Vậy trong mạch điện xoay chiều có xảy ra hiện tượng tự cảm hay không? Vì sao? Bộ dụng cụ gồm: bóng đèn, biến trở, cuộn cảm, nguồn điện, các công tắc, bảng điện, giá đỡ, dây dẫn nối mạch. Quan sát và lắng nghe để biết cách bố trí thí nghiệm. Dự đoán có 3 trường hợp có thể xảy ra: + Đèn Đ_2 sáng lên nhanh hơn đèn Đ_1. + Đèn Đ_1 sáng lên nhanh hơn đèn Đ_2. + 2 đèn sáng lên cùng lúc. + Khi đóng khóa K thì dòng điện trong mạch sẽ biến đổi. + Khi đi qua ống dây dòng điện sẽ sinh ra từ trường trong ống dây. + Từ thông cũng biến đổi. + Hiện tượng cảm ứng điện từ làm xuất hiện dòng điện cảm ứng. Sau khi đóng khóa K ít lâu thì độ sáng của 2 bóng đèn sẽ giống nhau. Vì khi đó dòng điện trong các nhánh đã đạt giá trị không đổi thì từ thông qua ống dây sẽ có giá trị không đổi, theo định luật Faraday thì lúc đó suất điện động cảm ứng trong ống dây bằng không do đó 2 đèn có độ sáng như nhau. Dự đoán: + Bóng đèn Đ sẽ tắt ngay. + Bóng đèn Đ sáng lóe lên rồi sau đó mới tắt. Khi ngắt khóa K, dòng điện trong mạch giảm đột ngột, làm cho cảm ứng từ B cũng giảm, do đó từ thông qua ống dây biến đổi. Vì vậy ống dây cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenxơ thì dòng điện cảm ứng lúc này sẽ cùng chiều với dòng điện trong mạch do nguồn gây ra, dòng điện này đi qua bóng đèn. Kết quả là bóng đèn lóe sáng rồi mới tắt. Do sự biến đổi của dòng điện trong mạch. Hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra gọi là hiện tượng tự cảm. Trong mạch điện xoay chiều luôn luôn xảy ra hiện tượng tự cảm vì dòng điện trong mạch biến đổi liên tục.