SKKN Cải tiến bộ thí nghiệm về lực từ và ứng dụng vào dạy học chương “Từ trường” môn Vật lí 11''

1. Mở đầu
1.1. Lý do chọn đề tài
Những năm gần đây ngành giáo dục và đào tạo đã không ngừng đổi mới, cải cách chương trình sách giáo khoa, sách tham khảo về cả nội dung và phương pháp giảng dạy nhằm bồi dưỡng tư duy sáng tạo và nâng cao năng lực tích cực, tự chủ tìm tòi xây dựng và chiếm lĩnh tri thức cho Học sinh (HS). Tuy nhiên, việc dạy học vật lí ở các trường trung học phổ thông vẫn chưa được như mong muốn, tình trạng phổ biến của việc dạy và học vẫn là Giáo viên (GV) thuyết trình, thông báo, hầu như không làm thí nghiệm, HS tiếp thu một cách thụ động, bắt chước. Nguyên nhân của tình trạng này là một mặt do thiếu thiết bị thí nghiệm hoặc các thiết bị thí nghiệm có sẵn không đáp ứng các yêu cầu về mặt sư phạm và về mặt khoa học - kĩ thuật của một thiết bị thí nghiệm vật lí. Mặt khác GV còn ngại sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí vì các thiết bị thí nghiệm có sẵn không đảm bảo thành công khi tiến hành thí nghiệm biểu diễn hoặc mất nhiều thời gian khi tiến hành. Kĩ năng sử dụng các thiết bị thí nghiệm của GV còn yếu.
	Thực tế việc dạy học các kiến thức về lực từ và cảm ứng từ ở trường phổ thông hiện nay vẫn không thoát khỏi tình trạng trên, GV vẫn chưa sử dụng thí nghiệm trong dạy học, nếu có chỉ sử dụng thí nghiệm trong việc xác định phương chiều của lực từ mà không sử dụng thí nghiệm để xác định độ lớn của lực từ và xây dựng khái niệm cảm ứng từ B. Vì vậy HS mất hứng thú học tập, không phát huy được tính tích cực chủ động, chiếm lĩnh kiến thức, không nắm được bản chất của khái niệm cảm ứng từ B. Nguyên nhân của tình trạng này là do các thiết bị thí nghiệm có sẵn dùng để dạy học các kiến thức này còn nhiều hạn chế, chỉ cho phép nghiên cứu định tính mối quan hệ của phương chiều lực từ vào phương chiều của dòng điện và phương chiều của đường cảm ứng từ. Ngay cả bộ thí nghiệm cung cấp cho các trường phổ thông dạy theo chương trình SGK thí điểm cũng mới cho phép nghiên cứu sự phụ thuộc của độ lớn của lực từ vào độ lớn của dòng điện và chiều dài đoạn dây dẫn trong trường hợp đoạn dây dẫn đặt vuông góc với đường cảm ứng từ.
Từ những lý do trên, với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường THPT, tôi đã chọn đề tài: “Cải tiến bộ thí nghiệm về lực từ và ứng dụng vào dạy học chương “Từ trường” mônVật lí 11''
1.2. Mục đích nghiên cứu.
Đề tài nghiên cứu này giúp cho việc dạy học chương “từ trường” đặc biệt là bài 28 “Cảm ứng từ. Định luật Ampe” sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao. Được dễ dàng hơn, kết quả chính xác hơn và học sinh dễ hiểu bài hơn.
1.3. Đối tượng nghiên cứu.
	Đề tài này sẽ nghiên cứu về việc cải tiến bộ thí nghiệm về lực từ và ứng dụng nó vào dạy học chương từ trường môn vật lý 11 sao cho có hiệu quả nhất, tạo cảm hứng cho học sinh trong quá trình học tập và tiếp thu bài học dễ dàng hơn, đồng thời làm tăng số lượng thiết bị thí nghiệm cho nhà trường.
1.4. Phương pháp nghiên cứu.
	Với đề tài này tác giả đã sử dụng các Phương pháp: 
+ Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
+ Phương pháp thực nghiệm. 
+ Phương pháp thống kê, xử lý số liệu. 
1.5. Điểm mới của đề tài, sáng kiến, giải pháp.
Xây dựng (thiết kế, chế tạo và hoàn thiện) các thiết bị thí nghiệm về lực từ nhằm nâng cao hiệu quả trong việc dạy học các kiến thức về lực từ và cảm ứng từ theo SGK vật lí lớp 11 trong đó có sử dụng các thiết bị thí nghiệm đã xây dựng ở trên theo tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề nhằm kích thích tính hứng thú, phát huy tính tích cực của học sinh trong học tập.
2. Nội dung sáng kiến kinh nghiệm.
2.1. Cơ sở lý luận của Sáng kiến kinh nghiệm.
Các bộ thí nghiệm nghiên cứu lực từ tác dụng lên dòng điện trong trường hợp đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt vuông góc với các đường sức từ hiện nay còn nhiều hạn chế, chưa đáp ứng được tính khoa học - kĩ thuật cũng như tính sư phạm. Cụ thể là:
 Đối với bộ thí nghiệm đo lực từ bằng cân côtôn: do đoạn dây dẫn nhỏ và đặt trong lòng của ống dây tạo từ trường nên HS không quan sát được lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn. Mặt khác bộ thí nghiệm cũng không cho phép xác định chính xác độ lớn của lực từ tác dụng lên dòng điện.
Đối với bộ thí nghiệm đo lực từ bằng lực kế (bộ thí nghiệm cung cấp cho các trường phổ thông dạy thí đểm): Bộ thí nghiệm đã cho phép xác định phương chiều và độ lớn của lực từ, tuy nhiên khi tiến hành thí nghiệm GV còn mất nhiều thời gian cho việc mắc ampe kế để đo dòng điện chạy qua nam châm điện và qua dây dẫn. Việc xác định chiều dòng điện chạy qua dây dẫn và qua nam châm là khó khăn. Cách đưa dòng điện vào dây dẫn đã ảnh hưởng đến độ lớn của lực từ. Kích thước của nam châm điện nhỏ nên đã gây khó khăn cho HS trong việc quan sát GV tiến hành thí nghiệm.
2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.
	Qua việc dạy học chương từ trường khó khăn nhất đối với giáo viên và học sinh khi giảng dạy và tiếp thu bài học là các kết quả thí nghiệm có độ sai số lớn, kết quả không rõ ràng và số lượng thí nghiệm tại các trường THPT vừa ít lại vừa cũ, có thiết bị không thể sử dụng được nữa dẫn đến nhiều giáo viên gần như “dạy chay“.
	Khi sử dụng bộ thí nghiệm cải tiến này đã khắc phục được các nhược diểm mà tác giả đã nêu ở trên. Đồng thời tạo hứng thú cho học sinh trong quá trình nghiên cứu, tiếp thu bài học. Từ đó nâng cao hiệu quả trong công tác dạy và học bộ môn vật lý 11 chương từ trường.
2.3. Các sáng kiến kinh nghiệm và các giải pháp đã sử dụng để Hoàn thiện bộ thí nghiệm đo lực từ bằng lực kế.
(1)
(2)
(3)
(4)
Hình 1: Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng lực kế đã được hoàn thiện
* Cải tiến nam châm điện (1)
- Tăng số vòng dây của nam châm điện lên 800 vòng và tăng độ rộng của nam châm lên 4cm làm cho từ trường lớn hơn và đều hơn.
- Mắc thêm biến trở và ampe kế để thay đổi cường độ dòng điện và đo cường độ dòng điện chạy qua nam châm.
- Mắc thêm đèn LED để chỉ chiều đường cảm ứng từ.
- Cải tiến công tắc sáu chân mắc vào nam châm để thay đổi chiều dòng điện qua nam châm làm cho chiều đường cảm ứng từ thay đổi.
- Hệ thống các vòng dây được bọc bằng mica làm tăng độ bền cơ học cho nam châm.
- Thiết kế mạch điện tử để khử dòng tự cảm mỗi khi đóng ngắt dòng điện chạy qua nam châm.
- Tất cả các thiết bị được bố trí trong một hộp gọn nhẹ giúp thuận tiện cho việc di chuyển thí nghiệm lên lớp.
* Cải tiến khung dây (2), lực kế và cách đưa dòng điện vào khung dây (3)
- Khung dây được bọc bằng mêca làm tăng độ bền cơ học.
- Trên khung dây được bố trí thêm hai bóng đèn LED làm cho việc xác định chiều dòng điện chạy qua khung dây dễ dàng và đỡ mất nhiều thời gian.
- Chế tạo thêm nhiều khung dây có kích thước khác nhau và có cùng số vòng dây là 100 vòng.
- Trên khung dây được thiết kế thêm hai chốt cắm giúp thuận lợi cho việc đưa dòng điện chạy qua.
- Chế tạo móc lực kế để định vị khung dây đứng cân bằng, trên lực kế có gắn thêm hệ thống dây dẫn và chốt cắm để đưa điện vào khung dây dễ dàng hơn.
* Cải tiến đế đỡ thí nghiệm(4)
- Đế đỡ thí nghiệm được thiết kế thêm các chân chỉnh thăng bằng.
- Mắc thêm biến trở để thay đổi dòng điện chạy qua khung dây.
- Mắc thêm công tắc đổi chiều dòng điện để thuận tiện cho việc đổi chiều dòng điện chạy qua khung dây.
- Thiết kế mạch điện thử để khử dòng tự cảm chạy qua khung dây khi đóng ngắt mạch điện.
2.4. Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm khi thực Các thí nghiệm được tiến hành với thiết bị thí nghiệm đã được hoàn thiện.
* Thí nghiệm xác định phương chiều lực từ.
Mục đích thí nghiêm:
- Khảo sát phương chiều của lực từ phụ thuộc vào phương chiều của dòng điện và phương chiều của đường sức từ.
Bố trí thí nghiệm: 
- Thí nghiệm được bố trí như hình 2.
H×nh 2: Cách bố trí bộ thí nghiệm đo lực từ bằng lực kế
- Sử dụng 2 nguồn điện một chiều là hai biến thế (3A - 15V) để cung cấp dòng cho nam châm điện và cho khung dây.
Tiến hành thí nghiệm và kết quả: 
- Cho dòng điện chạy qua khung dây 1.5 A, dòng điện chạy qua nam châm điện 0.6 A. 
- Xác định chiều dòng điện chạy qua khung dây và chiều đường sức từ thông qua đèn LED được gắn sẵn trên khung dây và trên nam châm.
- Thay đổi chiều dòng điện bằng công tắc đổi chiều dòng điện được gắn sẵn trên đế đỡ thí nghiệm, thay đổi chiều đường sức từ của nam châm điện bằng cách thay đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện bằng công tắc đổi chiều dòng điện được gắn sẵn trên nam châm điện.
- Quan sát chiều chuyển động của khung dây, từ đó xác định được phương chiều của lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn (là một cạnh của khung dây được đặt trong từ trường của nam châm điện), và sự phụ thuộc của phương chiều lực từ vào phương chiều dòng điện và phương chiều đường sức từ.
Những lưu ý khi tiến hành thí nghiệm:
- Đặt cạnh dưới của khung dây trong lòng của nam châm điện.
- Cho dòng điện cực đại chạy qua khung dây là 1.5 A.
- Hiệu điện thế cực đại đặt vào nam châm điện là 12V.
* Thí nghiệm nghiên cứu khảo sát sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn
Mục đích thí nghiệm: 
- Khảo sát sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn khi chiều dài l của đoạn dây dẫn không đổi ( F ~ I ).
Bố trí thí nghiệm: 
- Thí nghiệm được bố trí như hình 2.
Tiến hành thí nghiệm và kết quả:
- Cho dòng điện chạy qua nam châm điện bằng 0.6 A.
- Dùng khung dây có chiều dài của cạnh đặt trong từ trường l = 10 cm. Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua khung dây và đọc độ lớn lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn trên lực kế ta được bảng kết quả thí nghiệm dưới đây:
l = 10cm, số vòng dây n = 100vòng
Lần thí nghiệm
I (A)
F (N)
F/I
1
50
0.03
0.0006
2
100
0.06
0.0006
3
150
0.09
0.0006
4
200
0.12
0.0006
- Từ bảng kết quả thí nghiệm ta rút ra được kết luận F ~ I.
Những lưu ý khi tiến hành thí nghiệm:
- Đặt cạnh dưới của khung dây trong lòng của nam châm điện.
- Cường độ dòng điện qua đoạn dây dẫn AB bằng cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây x 100.
- Sau khi khung dây chịu lực từ tác dụng chuyển động xuống phía dưới, phải kéo lực kế để khung dây về vị trí ban đầu, sau đó mới đọc độ lớn của lực từ tác dụng lên dòng điện trên lực kế.
- Không thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm.
* Thí nghiệm nghiên cứu sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào chiều dài đoạn dây dẫn.
Mục đích thí nghiệm: 
- Khảo sát sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào chiều dài đoạn dây dẫn khi cường độ dòng điện I chạy qua đoạn dây dẫn không đổi ( F ~ l ).
Bố trí thí nghiệm: 
- Thí nghiệm được bố trí như hình 2.
Tiến hành thí nghiệm và kết quả:
- Cho dòng điện chạy qua nam châm điện bằng 0.6 A
- Thay đổi các đoạn dây dẫn có chiều dài khác nhau bằng cách thay đổi các khung dây có kích thước khác nhau, cho dòng điện chạy qua các khung dây bằng 1A và đọc độ lớn lực từ tác dụng vào đoạn dây dẫn trên lực kế ta được bảng kết quả thí nghiệm dưới đây:
I = 100A, số vòng dây n = 100vòng
Lần thí nghiệm
l (cm)
F (N)
F/l
1
6
0.036
0.006
2
8
0.048
0.006
3
10
0.060
0.006
- Từ bảng kết quả thí nghiệm ta rút ra được kết luận F ~ l
Những lưu ý khi tiến hành thí nghiệm:
- Đặt cạnh dưới của khung dây trong lòng của nam châm điện.
- Không thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm.
- Sau khi khung dây chịu lực từ tác dụng chuyển động xuống phía dưới, phải kéo lực kế để khung dây về vị trí ban đầu, sau đó mới đọc độ lớn của lực từ tác dụng lên dòng điện trên lực kế.
* Thí nghiệm khảo sát thương số F/Il khác nhau với các từ trường khác nhau
Mục đích thí nghiệm: 
- Khảo sát thương số F/Il khác nhau với các từ trường khác nhau của nam châm điện.
Bố trí thí nghiệm: 
- Thí nghiệm được bố trí như hình 2.
Tiến hành thí nghiệm và kết quả:
- Thay đổi từ trường của nam châm điện bằng cách thay đổi dòng điện chạy qua nam châm điện.
- Thay đổi chiều dài đoạn dây dẫn và cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn, đo lực từ tương ứng thì thấy rằng ứng với mỗi từ trường khác nhau của nam châm điện thì thương số F/Il luôn là một hằng số.
- Giữ nguyên tích Il, thay đổi từ trường khác nhau, đo lực từ tương ứng thì thấy rằng độ lớn của lực từ thay đổi.
- Từ kết quả thí nghiệm ta rút ra được kết luận: Thương số F/Il luôn là một hằng số ứng với mỗi từ trường khác nhau và thương số này đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực.
Những lưu ý khi tiến hành thí nghiệm:
- Đặt cạnh dưới của khung dây trong lòng của nam châm điện.
- Cường độ dòng điện qua đoạn dây dẫn AB bằng cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây x 100.-
 Sau khi khung dây chịu lực từ tác dụng chuyển động xuống phía dưới, phải kéo lực kế để khung dây về vị trí ban đầu, sau đó mới đọc độ lớn của lực từ tác dụng lên dòng điện trên lực kế.
- Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm bằng biến trở phía sau hộp nam châm.
Những ưu điểm và những hạn chế của bộ thí nghiệm sau khi hoàn thiện.
*Ưu điểm
- Bộ thí nghiệm gọn nhẹ hơn, chính xác, dễ thao tác và tốn ít thời gian khi tiến hành trên lớp, giúp GV mau chóng đưa ra kiến thức mới cho HS.
- Bộ thí nghiệm có tính thẩm mĩ cao, giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các bộ thí nghiệm hiện có ở các trường phổ thông và trên thị trường vì vậy dễ dàng trang bị nhiều bộ thí nghiệm cho các trường phổ thông để sử dụng làm thí nghiệm thực tập của HS.
* Hạn chế
- Bộ thí nghiệm không cho phép làm thí nghiệm nghiên cứu sự phụ thuộc của độ lớn lực từ vào góc .
3. Kết luận, kiến nghị.
3.1. Kết luận.
Bộ thí nghiệm đã được cải tiến trở thành phương tiện giúp Học sinh xây dựng, củng cố kiến thức, phát huy được tính tích cực, kích thích hứng thú học tập của Học sinh. HS đã đón nhận một cách thích thú, điều này được thể hiện qua những hoạt động tích cực của HS khi học trên lớp.
Thiết bị thí nghiệm đã chế tạo cho phép không những nghiên cứu được phương chiều lực từ, mà cả độ lớn của lực từ trong mọi trường hợp. Ưu điểm này của thiết bị thí nghiệm đã làm cho HS hiểu rõ hơn ý nghĩa vật lí của khái niệm cảm ứng từ.
Thiết bị thí nghiệm được chế tạo mới đã tạo điều kiện để chúng tôi tổ chức dạy học các kiến thức về lực từ và cảm ứng từ theo kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề. Tiến trình dạy học đã soạn thảo có tác dụng nâng cao tính tích cực học tập của HS.
Thiết kế, chế tạo và hoàn thiện các thiết bị thí nghiệm về lực từ đáp ứng được các yêu cầu về mặt khoa học - kĩ thuật và sư phạm của một thiết bị thí nghiệm biểu diễn. Tạo hứng thú và hiệu quả cao trong hoạt động dạy của GV và hoạt động học của HS trong dạy học các kiến thức về lực từ và cảm ứng từ theo SGK vật lí lớp 11.
3.2. Kiến nghị.
Qua đây, tôi cũng mong muốn các cấp quản lí giáo dục Trung học phổ thông tạo điều kiện tập huấn cho giáo viên dạy bộ môn Thực hành thí nghiệm Vật lý nhiều hơn nữa, đồng thời tăng cường bổ sung trang thiết bị thí nghiệm thực hành cho các nhà trường Phổ thông giúp cho việc giáo dục được nhiều nội dung thực hành thiết thực và có hiệu quả hơn nữa trong việc giảng dạy bộ môn vật lý nói riêng và các bộ môn Khoa học tự nhiên khác nói chung. 
XÁC NHẬN CỦA 
THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ
Thanh Hóa, ngày 20 tháng 5 năm 2017
Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của người khác.
Bùi Bá Xuân
Tài liệu tham khảo
[1]. Sách giáo khoa Vật lý 11. Nhà xuất bản giáo dục năm 2008
Mục lục
Mục
Nội dung
Trang
Mục lục 
1
Mở đầu .
1
 1.1
Lí do chọn đề tài ..
1
 1.2
Mục đích nghiên cứu 
1
 1.3
Đối tượng nghiên cứu ..
1
 1.4
Phương pháp nghiên cứu .
2
 1.5
Những điểm mới của SKKN 
2
2
Nội dung sáng kiến kinh nghiệm .
2
 2.1
Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 
2
 2.2
Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm ..
2
 2.3
Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề ..
3
 2.4
Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường .
4
3
Kết luận, kiến nghị 
7
 3.1
Kết luận .
7
 3.2
Kiến nghị ..
8
Tài liệu tham khảo
9