I. Cấu tạo của bộ thí nghiệm:
Bộ thí nghiệm Lực từ và cảm ứng điện từ là một trong các bộ thí nghiệm mẫu trong danh mục thiết bị tối thiểu môn vật lí lớp 11 của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Bộ thí nghiệm này do Trung tâm nghiên cứu và sản xuất học liệu, trường Đại học Sư phạm Hà nội thiết kế, chế tạo. Chi tiết các dụng cụ và đặc tính kĩ thuật cơ bản của chúng như trên hình 1
- Hộp gỗ có chứa nam châm điện, hai Ampe kế 2A và hai biến trở
- Đòn cân
- Lực kế 0,5N
- Ba khung dây dẫn
- Thanh nam châm vĩnh cửu
- Chân đế sắt tạo khe từ
- Giá treo các con lắc
- Con lắc xẻ rãnh
- Con lắc không xẻ rãnh
- Dây nối
II. Sử dụng bộ thí nghiệm trong dạy học vật lí lớp 11 THPT:
Sử dụng bộ thí nghiệm này chúng ta có thể tiến hành được các thí nghiệm cơ bản nhất thuộc phần Từ trường và Cảm ứng điện từ trong chương trình vật lí lớp 11. Cụ thể là các thí nghiệm sau:
1. Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Khái niệm cảm ứng từ.
a. Mục đích thí nghiệm:
- Nghiên cứu phương, chiều của lực từ phụ thuộc vào chiều dòng điện và chiều của các đường cảm ứng từ. Nghiệm lại quy tắc bàn tay trái.
- Nghiên cứu sự phụ thuộc của lực từ vào cường độ dòng điện, chiều dài dây dẫn và từ trường. Xây dựng khái niệm cảm ứng từ và định luật Ampe.
b. Dụng cụ thí nghiệm:
- Đòn cân
- Hai ampe kế
- Nam châm điện
- Hai khung dây hình chữ nhật có kích thước khác nhau.
- Khung dây dẫn có thể xoay trong từ trường
- Dây dẫn điện
- Lực kế 0,5N
- Nguồn điện 1 chiều
c. Các bước tiến hành thí nghiệm:
* Nghiên cứu phương, chiều của lực từ:
- Bật công tắc cấp điện cho nam châm điện. Lắp khung dây (4) có cạnh đặt dài l1=8cm lên đòn cân, xoay ròng rọc kéo lực kế sao cho đòn cân nằm ngang. Không cần lắp thêm gia trọng để lực kế có thể chỉ một giá trị nào đó.
- Bật công tắc cho dòng điện vào khung dây, xác định chiều dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn trong từ trường. Quan sát sự dịch chuyển của khung dây rồi suy ra phương và chiều của lực từ.
- Đổi chiều dòng điện, xác định phương chiều của lực từ.
- Đổi từ trường bằng cách đổi chiều dòng điện chạy trong nam châm điện. Xác định phương chiều của lực từ.
- Nhận xét về phương và chiều của lực từ, nghiệm lại quy tắc bàn tay trái.
* Nghiên cứu độ lớn của lực từ:
- Lắp khung dây có cạnh đặt nằm ngang trong từ trường dài l1 = 8 cm lên đòn cân, xoay ròng rọc để thả lỏng dây kéo lực kế, lắp thêm gia trọng và điều chỉnh sao cho cân thăng bằng.
- Bật công tắc cho dòng điện chạy vào khung dây sao cho lực từ có hướng xuống phía dưới, kéo cho đòn cân bị lệch. Đọc cường độ dòng điện trên ampe kế, đó chính là cường độ dòng điện chạy qua một sợi dây. Khung dây có 200 vòng nên cường độ dòng điện I chạy qua đoạn dây trong từ trường lớn gấp 200 lần số chỉ trên apme kế. Xoay ròng rọc để kéo cho cân trở lại thăng bằng. Đọc số chỉ trên lực kế, đó chính là độ lớn F của lực từ tác dụng lên đoạn dây (dài l1 = 8 cm) nằm ngang trong từ trường
- Thay đổi cường độ dòng điện vào khung dây, lặp lại thí nghiệm đo lực F tương ứng. Lập bảng số liệu để từ đó rút ra nhận xét là F có thể tỉ lệ thuận với I.
- Kiểm nghiệm lại nhận xét trên với đoạn dây dẫn khác bằng cách thay vào khung dây thứ hai (dài l2 = 4 cm). Lặp lại thí nghiệm như trên, lập bảng số liệu, từ đó nhận xét và kết luận F tỉ lệ thuận với I.
- So sánh hệ số tỉ lệ trong hai trường hợp trên thấy chúng gấp đôi nhau, từ đó cho thấy F tỉ lệ thuận với chiều dài l của đoạn dây trong từ trường. Như vậy F ~ Il. Đặt F = BIl, trong đó B hệ số tỉ lệ và là hằng số đối với mỗi từ trường.
- Thay đổi từ trường của nam châm điện bằng cách xoay chiết áp để thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm và lặp lại thí nghiệm. Từ đó suy ra đối với từ trường mạnh thì B lớn, với từ trường yếu thì B nhỏ. Hằng số B đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực và được gọi là cảm ứng từ của từ trường đó.
- Lắp khung dây dẫn có thể quay trong từ trường để nghiên cứu sự phụ thuộc của lực từ vào góc giữa pháp tuyến của khung dây và véc tơ cảm ứng từ .
* Kết quả là F ~ sina. Từ đó phát biểu định luật Ampe: F = B.I.l.sina.
2. Hiện tượng cảm ứng điện từ. Định luật Len xơ.
a. Mục đích thí nghiệm:
- Xác định nguyên nhân làm xuất hiện dòng điện cảm ứng, phát biểu hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Xác định chiều dòng điện cảm ứng, phát biểu định luật Len xơ.
b. Dụng cụ thí nghiệm:
Dùng bộ thí nghiệm biểu diễn: Lực từ và cảm ứng điện từ:
- Nam châm điện
- 1 khung dây hình chữ nhật
- 1 khung dây dẫn có thể xoay trong từ trường
- Các dây nối
- Điện kế chứng minh A – V – G
- Nguồn điện 1 chiều
- Nam châm thẳng
c. Các bước tiến hành thí nghiệm:
Thí nghiệm 1:
- Nối một khung dây với điện kế.
- Đưa nam châm vào lòng khung dây, kim điện kế bị lệch đi.
- Giữ nam châm đứng yên trong lòng khung dây, kim điện kế không bị lệch.
- Đưa nam châm ra khỏi khung dây, kim điện kế bị lệch theo hướng ngược lại.
- Nêu giả thuyết về nguyên nhân làm xuất hiện dòng điện trong mạch.
Thí nghiệm 2:
- Cho vòng dây nằm vuông góc trong từ trường của nam châm điện.
- Đóng công tắc cho dòng điện chạy qua nam châm, kim điện kế bị lệch.
- Khi dòng điện ổn định, kim điện kế không bị lệch.
- Ngăt điện vào nam châm, kim điện kế bị lệch theo hướng ngược lại.
- Xoay chiết áp để thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện, kim điện kế bị lệch.
- Nhận xét và nêu giả thuyết mới (nếu có) về nguyên nhân gây ra dòng điện trong mạch.
Thí nghiệm 3:
- Đặt khung dây trong từ trường đều của nam châm (B = const), nối hai đầu khung với điện kế. Quay khung dây, quan sát điện kế và quan sát sự xuất hiện của dòng điện trong vòng dây. Từ kết quả thí nghiệm, nhận xét và đưa ra giả thuyết mới. (Từ thông biến thiên làm xuất hiện dòng điện cảm ứng).
* Kết quả: Từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng. Đó là hiện tượng cảm ứng điện từ.
3. Dòng điện Phu - cô
a. Mục đích thí nghiệm
Minh họa sự xuất hiện của dòng điện Phu-cô trong vật dẫn chuyển động trong từ trường.
b. Dụng cụ thí nghiệm
- Nam châm điện của bộ lực từ và cảm ứng điện từ.
- Nguồn điện một chiều.
- Dây nối
- Con lắc với tấm nhôm không xẻ rãnh.
- Con lắc với tấm nhôm có xẻ rãnh.
- Trục để treo hai con lắc
- 2 lõi sắt non
c. Các bước tiến hành thí nghiệm
- Đặt hai lõi sắt non lên hai bên của lõi thép của nam châm điện.
- Lắp trục của con lắc vào một trong hai lõi sắt non sao cho con lắc có thể dao động qua vùng từ trường của nam châm điện.
- Nối nam châm điện với nguồn điện một chiều.
- Treo hai con lắc vào trục.
- Cho hai con lắc cùng dao động trong từ trường của nam châm điện. Quan sát dao động của hai con lắc khi nam châm điện chưa hoạt động và khi nam châm điện hoạt động.
- Phân tích kết quả thí nghiệm và giải thích.
* Kết quả:
- Khi nam châm điện chưa hoạt động thì thời gian dao động của hai con lắc gần như bằng nhau.
- Khi nam châm điện hoạt động thì con lắc không xẻ rãnh tắt dao đông rất nhanh, còn con lắc xẻ rãnh tắt dao động lâu hơn.