Giáo án giảng dạy bộ môn Vật lý 11 - Trường THPT Mạc Đĩnh Chi - Bài 62: Hiện tượng tự cảm năng lượng của từ trường

<span class='text_page_counter'>(1)</span>TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI. GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11. . Tieát :. Baøi 62 :. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM NĂNG LƯỢNG CỦA TỪ TRƯỜNG I. MUÏC TIEÂU : Hiểu được bản chất của hiện tượng tự cảm khi đóng mạch, khi ngắt mạch. Nắm và vận dụng được các công thức xác định hệ số tự cảm của ống dây, công thưc xác định suất điện động tự cảm của ống dây, xông thức xác định suất điện động tự cảm. Hiểu được rằng từ trường có năng lượng. Vận dụng được công thức xác định năng lượng từ trường trong ống dây và công thức xác định mật độ năng lượng từ trường.. II. PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY : Phương pháp thực nghiệm và nêu vấn đề .. III. THIẾT BỊ , ĐỒ DÙNG DẠY HỌC : IV. TIEÁN TRÌNH GIAÛNG DAÏY PHAÂN PHOÁI THỜI GIAN. 1. Kieåm tra. baøi cuõ vaø kiến thức cuõ lieân quan với bài mới (3’) 2. Nghieân cứu bài mới. PHAÀN LAØM VIEÄC CUÛA GIAÙO VIEÂN NOÄI DUNG GHI BAÛNG. HOẠT ĐÔNG CỦA HỌC SINH. TỔ CHỨC ,ĐIỀU KHIỂN. Trả lời câu hỏi SGk Laøm baøi taäp 1,2,3, SGK. Kiểm tra và đánh giá. 1. Hiện tượng tự cảm a) Thí nghieäm 1.  Bố trí thí nghiệm như sơ đồ ở hình 62.1.. 1. Hiện tượng tự cảm Trong muïc naøy SGK ñöa ra hai thí nghiệm về hiện tượng tự cảm. Đây lă hai. GV : ĐỖ HIẾU THẢO.  Lop11.com. GHI CHUÙ. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -1 /7.

<span class='text_page_counter'>(2)</span> TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI Ñ1. R. Ñ2 L , R k  Nhận xét : Khi đóng công tắc K ta nhận thấy bóng đèn Đ1 sáng lên, còn bóng đèn Đ2 sáng lên từ từ mặc dù điện trở thuần của hai nhánh giống nhau.  Giải thích . Khi đóng công tắc, dòng điện trong cả hai nhánh đều tăng (lúc đầu I = 0, sau đó I  0). Trong nhánh hai dòng điện tăng làm cho từ thông qua ống dây biến đổi. xuất hiện dòng điện cảm ứng trong ống daây. Aùp duïng qui taéc Lenxô  doøng ñieän trong nhaùnh hai không tăng lên nhanh chóng  bóng đèn Đ2 sáng lên từ từ. b) Thí nghieäm 2.  Sơ đồ thí nghiệm như trên hình 62.2.. Ñ. R1 k  Nhận xét : Ngắt công tắt K , ta nhận thấy bóng đèn không ngắt ngay mà loé sáng lên rồi sau đó mới tắt.  Giaûi thích : Khi ngaét coâng taéc, doøng ñieän trong maïch. GV : ĐỖ HIẾU THẢO. GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11.  thí nghieäm coù tính kinh ñieån, trong SGK cũ vẫn dùng hai thí nghiệm này. Sơ đồ trong hình 62.1 SGK là sơ đồ thí nghiệm hiện tượng tự cảm khi đóng mạch ; sơ đồ trong hình 62.2 SGK laø thí nghieäm veà hiện tượng tự cảm khi ngắt mạch. Đối với thí nghiệm như hình 62.1 SGK, Gv cần nhấn mạnh để học sinh chú ý rằng bóng đèn ở hai nhánh giống nhau và điện trở thuần hai nhánh đều như nhau. Mặc dù vậy, khi đóng mạch, bóng đèn ơ hai nhánh có cuộn dây vẫn sáng leân chaäm hôn. Trong thiết bị thí nghiệm, để có hai bóng đèn ở hai nhánh giống nhau ta có thể chọn trước, nhưng muốn điện trở thuần cuûa hai nhaùnh baèng nhau thì GV phaûi điều chỉnh. Muốn vậy ta đóng mạch điện cho hai bóng đều sáng nhưng độ sáng thường lă không như nhau. Di chuyển con chạy của biến trở thì độ sáng của bóng đèn trong nhánh có biến trở thay đổi. Đến khi nhận thấy độ sáng của hai bóng đèn ở hai nhánh là như nhau thì điện trở thuần ở hai nhánh lúc đó được coi là baèng nhau. Sau khi đã làm thí nghiệm theo sơ đồ trên hình 62.1 SGK, để thí nghiệm có tính thuyết phục hơn, GV có thể đổi vị trí hai bóng đèn cho nhau rồi lại đóng mạch.  Lop11.com. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -2 /7.

<span class='text_page_counter'>(3)</span> TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI giảm làm cho từ thông trong ống dây biến đổi trong ống dây cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng. Theo quy tắc Len-xơ thì dòng điện cảm ứng cùng chiều với dòng điện trong mạch do nguồn gây ra, dòng điện này đi qua bóng đèn.  bóng đèn loé sáng lên rồi sau đó mới tắt. c) Định nghĩa : 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. 2. Suất điện động tự cảm a) Hệ số tự cảm Ta coù  = BS cos  khi  = 0 thì  = BS  ~ B Maø B ~ I   ~ I Nghia laø  = LI (62.1) Hệ số tỉ lệ L trong công thức (62.1) gọi là hệ số tư cảm ( hay độ tự cảm) của mạch điện. Trong hệ SI, đơn vị của hệ số tự cảm là henri, kí hiệu là H. Biểu thức tíng hệ số biểu cảm của một ống dây dài đặt trong khoâng khí laø : L = 4.10-7n2v (62.2) Trong đó n là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài cuûa oáng, V laø theå tích cuûa oáng. b) Suất điện động tự cảm Suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm. Hệ số tự cảm của một mạch điện là đại lượng không đổi. Do đó, có thể viết :  = LI. GV : ĐỖ HIẾU THẢO. GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11.  điện như trên. Khi đó ta thấy bóng đèn ơ nhaùnh coù oáng daây saùng leân chaäm hôn bóng đèn ở nhánh kia. Điều đó khẳng ñònh roõ raøng raèng oáng daây chính laø nguyeân nhaân ngaên caûn khoâng cho doøng điện trong nhánh đó tăng lên nhanh choùng. Trên đây ta nói bóng đèn ở nhánh có ống dây sáng lên chậm hơn bóng đèn ở nhaùnh kia, nhöng cuõng caàn noùi theâm raèng khoảng thời gian diễn ra sự chậm hơn đó rất ngắn. Tuy nhiên, nếu có sự chú ý trước thì có thể phân biệt được. Đến đây GV có thể gợi ý H1. Trả lời H1 : Sau khi đóng mạch ít lâu độ sáng của hai bóng đèn ở hai nhánh lại nhö nhau. (Nhö treân ñaây noùi leân sö saùng lên chậm hơn của bóng đèn ơ nhánh có ống dây diễn ra rất nhanh). Hai bóng đèn sáng như nhau chứng tỏ suất điện động cảm ứng trong ống dây khi đó bằng không. Điều đó có thể giải thích là khi dòng điện trong các nhánh đã ổn định, không biến đổi. Vì vậy suất điện động cảm ứng trong ống dây bằng không. Việc tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ hình 62.2 SGK đơn giản hơn thí nghiệm trước. Sau khi ngắt mạch ta thấy bóng đèn lóe sáng lên rồi mới tắt. Thí nghiệm đó chứng tỏ khi ngắt mạch ống dây cũng.  Lop11.com. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -3 /7.

<span class='text_page_counter'>(4)</span> TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI. GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11. . Thay biểu thức vừa viết vào (59.1) ta suy ra công thức sinh ra dòng cảm ứng. Để tăng tính xác định suất điện động tự cảm sau : thuyeát phuïc cuûa thí nghieäm, GV coù theå I tieán haønh moät thí nghieäm phuï nhö sau. (62.3)   L Sau khi đã làm thí nghiệm theo sơ đồ như t treân hình 62.2 SGK, GV thay oáng daây 3. Năng lượng tư trường bằng một điện trở thuần R1, nghĩa là a) Nhaän xeùt Thí nghiệm 2 nói trên cho ta thấy sau khi ngắt công bằng điện trở thuần của ống dây, rồi lại tắc, bóng đèn vẫn còn sáng trong một khoảng thời ngắt mạch như trên. Khi đó ta sẽ thấy gian. Năng lượng làm cho bóng đèn sáng không phải bóng đèn không lóe sáng như khi trong là nguồn mà là do ống dây cung cấp. Năng lượng này mạch có ống dây. Cũng có thể nói thêm rằng, tuy các động được tích trữ trong ống dây từ trước khi ngắt công tắc. taùc trong vieäc tieán haønh thí nghieäm thì b) Năng lượng của ống dây có dòng điện Người ta chứng minh rằng, khi có dòng điện cường độ I đơn giản nhưng việc nhận ra rằng, sau chạy qua ống dây có hệ số tự cảm L thì năng lượng khi ngắt mạch bóng đèn lóe lên một chút thì lại không đơn giản, bởi vì ống dây trong oáng daây laø : trong bộ thí nghiệm vẫn dùng ở nhà 1 W  LI2 (62.4) trường có độ tự cảm rất bé nên sự lóe 2 sáng của bóng đèn thường không rõ ràng c) Năng lượng từ trường lắm. Vì vậy ở thí nghiệm này, GV phải Khi cho doøng ñieän chaïy qua oáng daây thì trong oáng daây nhắc trước để học sinh chú ý hết sức thì có từ trường. Vì vậy người ta quan niệm rằng năng mới nhận ra được sự loé sáng của bóng lượng của ống dây chính là năng lượng của từ trường đèn. trong ống dây đó. Đến đây, dựa vào 2 thí nghiệm trên GV Ta sử dụng công thức (50.3) để rút ra biểu thức của I. có thể đưa ra định nghĩa về hiện tượng tự Sau đó thay biểu thức I vừa thế ra vào biểu thức (62.2) caûm. Caàn noùi roõ raèng, baûn chaát cuûa hieän vào (62.4) ta được : tượng tự cảm cũng là hiện tượng cảm 1 7 2 W 10 B V (62.5) ứng điện từ. Chỉ có điều khác là hiện 8 tượng nằm ngay trong mạch điện đang Từ trường trong ống dây lă từ trường đều nên nếu gọi khaûo saùt. w là mật độ năng lượng tư trường thì có thể viết W = 2. Suất điện động tự cảm wV. Do đó ta tìm được :. GV : ĐỖ HIẾU THẢO.  Lop11.com. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -4 /7.

<span class='text_page_counter'>(5)</span> TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI. GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11. . Vì bản chất của hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ nên để thành Công thức (62.6) đúng cho trường hợp từ trường không lập công thức tính suất điện động tự cảm có thể xuât phảt từ công thưc xác định đều và từ trường phụ thuộc thời gian. suất điện động cảm ứng. Tuy nhiên, nguyên nhân trưc tiếp gây ra hiện tượng tự cảm là do sự biến thiên của dòng điện trong mạch. Vì thế, hợp lí hơn cả là biễu diễn suất điện động tự cảm qua sự biến đổi của dòng điện trong mạch. Muốn vậy, roõ raøng laø caàn phaûi thieát laäp moái lieân heä giữa từ thông  và cương độ dòng điên I trong mạch để có thể suy ra mối liên hệ giữa   . Đó là lí do vì sao trước khi nói về biểu thức của suất điện động tự cảm ta cần nói về hệ số tự cảm như SGK đã trình bày. Vậy là để mở đầu mục này GV cần nói về hệ số tự cảm, một đại lượng bây giờ mới gặp lần đầu tiên. Để đưa ra định nghĩa về hệ số tự cảm, GV cần nói về hệ số tự cảm, GV yêu cầu học sinh nhắc lại các công thức xác định cảm ứng từ của dòng điện tròn, dòng điện trong ống dây và gợi cho học sinh nhận xét về mối liên hệ giữa B và I. Các công thức vừa nhắc đến chứng tỏ rằng B tỉ lệ với I. Điều đó cho thấy rút ra nhận xét là từ thông  qua diện tích giới hạn bởi mạch điện cũng tỉ lệ với I ;  = LI,L là. w. 1 7 2 10 B (62.6) 8. GV : ĐỖ HIẾU THẢO.  Lop11.com. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -5 /7.

<span class='text_page_counter'>(6)</span> TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI. GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11.  moät heä soá tæ leä. Đến đây, GV thông báo là hệ thức  = LI không chỉ đúng đối với hai trường hợp nói trên mà nó đúng với dòng điện trong các maïch coù maïch khaùc nhau. Heä soá L trong hệ thức đó gọi là hệ số tự cảm của mạch ñieän ñang xeùt. Hệ số tự cảm của một mạch điện phụ thuộc vào dạng của mạch điện đó. GV thông báo về công thức xác định hệ số tự caûm cuûa maïch ñieän coù daïng moät oáng dây, đó là công thức (62.2). Sau khi đã thiết lập được mối liên hệ giữa  và  thì việc tìm ra công thức xác định suất điện động tự cảm không còn gặp khó khăn đáng kể. Gợi ý H2 nêu lên vấn đề tương đối khó đối với những học sinh dưới trung bình. Vì vậy GV có thể gióe thiệu H3 đối với những học sinh khá. Trả lời H3 : Từ công thức (62.1) ta rút ra. L. φ (*). I. Neáu oáng daây coù N voøng daây vaø dieän tích moãi voøng daây baèng S thì  = NBS. Goïi l laê chieàu daøi oáng daây thì  = nlBS = nBV. Theo (50.3) ta coù B = 4.10-7nI. Thay caùc biểu thưc của  và B vừa viết vào (*) ta thu được công thức (62.2). Để lưu ý học sinh sử dụng công thức. GV : ĐỖ HIẾU THẢO.  Lop11.com. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -6 /7.

<span class='text_page_counter'>(7)</span> TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI. 3. Cuûng coá baøi giaûng Daën doø cuûa hoïc sinh (5’). . GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11. (62.2) GV có thể dùng câu gợi ý H3. Trả lời H3 : (62.2) chỉ áp dụng cho trường hôp oáng daây khoâng coù loõi saét, nghóa laø chæ aùp duïng cho oáng daây treân hình 62.3a. 3. Năng lượng từ trường GV đưa ra một hiện tượng để chứng tỏ rằng trong ống dây có năng lượng. SGK chọn hiện tượng để làm dẫn chứng lă hiện tượng trong thí nghiệm 2 ở hình 62.2 SGK. Sau đó GV dùng phương pháp suy luận để rút ra kết luận rằng năng lượng trong ống dây chính lă năng lượng từ trường. Từ đó, GV thông báo về công thức xác định năng lượng từ trường trong ống dây. Vấn đề nêu trong Yeâu caàu nhaéc laïi : HS tö löc Nhaán maïnh caùc noäi dung quan troïng . Trả lời câu hỏi và làm bài tập SGK Chuẩn bị bài mới” “. . GV : ĐỖ HIẾU THẢO.  Lop11.com. VAÄT LYÙ PB 11: 62 -7 /7.

<span class='text_page_counter'>(8)</span>