Giáo án Bài 20. Chế tạo nam châm điện đơn giản

Xác định vấn đề học tập: HS nhận ra đinh chỉ hút kẹp khi có dòng điện chạy qua cuộn dây và đặt câu hỏi về vai trò của từng bộ phận.

GV đặt một cuộn dây quấn quanh đinh, nối pin qua công tắc đang mở, để gần một đống kẹp giấy. HS dự đoán trước khi GV đóng công tắc: Đinh có hút kẹp không? Sau đó GV đóng công tắc vài giây rồi mở ra. Câu hỏi: Vì sao khi đóng công tắc đinh hút được kẹp, còn khi ngắt thì kẹp rơi xuống?

Dự đoán ban đầu của HS và câu trả lời dự kiến: Khi đóng công tắc, có dòng điện chạy qua cuộn dây nên đinh có từ tính và hút kẹp; khi ngắt điện, đinh mất phần lớn từ tính nên kẹp rơi. Nêu được vấn đề cần giải quyết: cuộn dây, lõi sắt non và ngắt điện có vai trò gì trong nam châm điện?

Nêu được và phân biệt được vai trò của cuộn dây, lõi sắt non và ngắt điện trong nam châm điện; nêu được vì sao cần dòng điện để tạo từ trường chủ động.

Lớp chia thành nhóm 4 người (nhóm mảnh ghép gốc). Mỗi thành viên nhận một trong ba mảnh chuyên sâu: Mảnh A (cuộn dây), Mảnh B (lõi sắt non), Mảnh C (ngắt điện). Mỗi nhóm chuyên sâu đọc mục Kiến thức, Khái niệm và Ghi nhớ, trả lời các câu hỏi trong Phiếu học tập số 1. Câu hỏi chung: (1) Vai trò của bộ phận được giao là gì? (2) Nếu thiếu dòng điện thì bộ phận đó có còn tác dụng không? (3) Nếu thay đổi bộ phận đó thì lực hút của nam châm điện thay đổi như thế nào?

Kiến thức HS rút ra: (1) Cuộn dây: dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường. (2) Lõi sắt non: thường làm tăng tác dụng từ của cuộn dây; lõi sắt không tự cấp năng lượng, chỉ tăng tác dụng khi có dòng điện. (3) Ngắt điện: giảm hoặc mất phần lớn lực hút của nam châm điện lõi sắt non. Kết luận: cần dòng điện để tạo từ trường chủ động; quấn dây quanh đinh mà không có dòng điện thì không tạo nam châm điện đang hoạt động. Phiếu học tập số 1 được hoàn thành đầy đủ ba cột.

Chế tạo được nam châm điện đơn giản theo đúng quy trình an toàn; so sánh được lực hút (số kẹp) khi thay đổi số vòng dây và khi có hoặc không có lõi sắt non; nhận xét được vai trò của việc ngắt điện sau mỗi lần thử.

Nhóm 4 HS thực hiện thí nghiệm theo quy trình: (1) GV kiểm tra mạch hở; (2) quấn 20 vòng dây đồng quanh lõi sắt non, để lại hai đầu dây; (3) nối pin qua công tắc, đóng công tắc vài giây rồi ngắt, đếm số kẹp hút; (4) tháo, đổi sang 40 vòng dây trong cùng điều kiện, lặp lại bước 3; (5) rút lõi ra, thử lại với cuộn dây không có lõi nếu được hướng dẫn. Lưu ý: mỗi lần thử cùng loại kẹp và cách đưa kẹp giống nhau; nếu dây hoặc pin nóng phải ngắt ngay. Ghi kết quả vào Phiếu học tập số 2.

Bảng ghi của nhóm (Phiếu học tập số 2): tên mẫu, điều kiện (số vòng, có hoặc không lõi), số kẹp hút thực tế, nhận xét và điều còn chưa chắc chắn. Nếu nhóm chưa làm được thí nghiệm, phải ghi rõ “phân tích dữ liệu minh họa” (20 vòng hút 3 kẹp; 40 vòng hút 6 kẹp là dữ liệu giả định), không ghi thành số liệu đo của nhóm. Nhận xét dự kiến: tăng số vòng dây thì số kẹp hút tăng; có lõi sắt non thì lực hút mạnh hơn; ngắt điện thì kẹp rơi.

Vận dụng được kiến thức về cuộn dây, lõi sắt non và ngắt điện để làm đúng các câu hỏi trắc nghiệm, ghép khái niệm và nhận diện quan niệm sai.

Bài tập 1: Trong bài này, cuộn dây có đặc điểm nào? A. tự có dòng vô hạn khi không nối nguồn; B. chỉ có tác dụng khi nối điện lưới; C. dòng điện qua cuộn tạo từ trường.
Bài tập 2: Trong bài này, lõi sắt non có đặc điểm nào? A. thường làm tăng tác dụng từ của cuộn dây; B. làm mất hoàn toàn từ trường; C. bắt buộc là nam châm vĩnh cửu.
Bài tập 3: Ghép khái niệm với đặc điểm tương ứng: Cuộn dây; Lõi sắt non; Ngắt điện.
Bài tập 4: Quấn dây quanh đinh mà không có dòng điện luôn tạo nam châm điện đang hoạt động. Nhận định này đúng hay sai?
Bài tập 5: Chọn thuật ngữ phù hợp: “giảm hoặc mất phần lớn lực hút của nam châm điện lõi sắt non” mô tả {{1}}.

Đáp án: Bài 1: C. Bài 2: A. Bài 3: Cuộn dây – dòng điện qua cuộn tạo từ trường; Lõi sắt non – thường làm tăng tác dụng từ của cuộn dây; Ngắt điện – giảm hoặc mất phần lớn lực hút của nam châm điện lõi sắt non. Bài 4: Sai, vì cần dòng điện để tạo từ trường chủ động; lõi sắt không tự cấp năng lượng. Bài 5: Ngắt điện. HS ghi đáp án và một câu giải thích ngắn cho mỗi đáp án.

Phân tích được dữ liệu so sánh 20 vòng và 40 vòng dây, nêu được kết luận và giới hạn của kết luận; giải thích được vì sao phải dùng pin thấp áp và ngắt sau mỗi lần thử; viết lại được phát biểu khoa học đúng.

Tình huống 1 (bài 7): Dữ liệu minh họa cùng nguồn: 20 vòng hút 3 kẹp; 40 vòng hút 6 kẹp. Kết luận nào là đúng và giới hạn của kết luận đó là gì?
Tình huống 2 (bài 8): Vì sao phải dùng pin thấp áp và ngắt sau mỗi lần thử?
Tình huống 3 (bài 9): Một bạn khẳng định: “Quấn dây quanh đinh mà không có dòng điện luôn tạo nam châm điện đang hoạt động.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.

Đáp án mẫu. Tình huống 1: Trong cách bố trí đó, tăng số vòng dây thì lực hút mạnh hơn (từ 3 kẹp lên 6 kẹp). Giới hạn: số kẹp chỉ là chỉ báo gần đúng; kết luận chỉ đúng khi dùng cùng loại kẹp, cùng cách đưa kẹp, và pin không yếu hoặc quá nóng. Tình huống 2: Dây có thể nóng khi dòng lớn hoặc chập; ngắt điện để tránh bỏng và hỏng pin; pin thấp áp giúp an toàn; chỉ nối mạch khi có kiểm tra của giáo viên, không dùng điện lưới. Tình huống 3: Lí do: cần dòng điện để tạo từ trường chủ động; lõi sắt không tự cấp năng lượng. Hệ quả: Em sẽ kết luận mạch hỏng chỉ vì cuộn không nối nguồn không hút kẹp. Phát biểu đúng: Nam châm điện chỉ hoạt động khi có dòng điện chạy qua cuộn dây.

Vận dụng được kiến thức và kĩ năng đã học để đề xuất và thiết kế một thí nghiệm nhỏ kiểm tra ảnh hưởng của số vòng dây và lõi sắt non đến lực hút của nam châm điện, có kiểm soát điều kiện và an toàn.

Nhiệm vụ (làm nhóm, có thể hoàn thành ở nhà và nộp trong tiết sau): Thiết kế một phương án thí nghiệm kiểm tra xem khi có lõi sắt non và khi không có lõi, số kẹp hút thay đổi thế nào, với cùng số vòng dây. Phương án gồm: mục tiêu; dụng cụ; các điều kiện giữ giống nhau; các bước tiến hành; bảng ghi số liệu dự kiến; cách đảm bảo an toàn (pin thấp áp, ngắt sau mỗi lần thử, kiểm tra của giáo viên). Gợi ý: Nếu lõi không cố định được, phương án nên ghi rõ cách xử lí. Nộp dưới dạng bài viết ngắn hoặc poster, không quá một trang A4.

Sản phẩm: phương án thí nghiệm có đủ năm mục (mục tiêu, dụng cụ, điều kiện giữ giống nhau, các bước, cách an toàn) và bảng ghi số liệu dự kiến. Ví dụ dự kiến của HS: Mục tiêu: so sánh lực hút khi có và không có lõi sắt non với 20 vòng dây; điều kiện: cùng pin 1,5 V, cùng loại kẹp giấy, cùng cách đưa kẹp; an toàn: ngắt điện sau mỗi lần thử, không để dây nóng. Kết luận dự kiến: lõi sắt non làm tăng tác dụng từ của cuộn dây, nhưng không tự tạo từ trường khi không có dòng điện. Nếu chưa làm thực tế, phương án phải ghi rõ là đề xuất, không ghi là số liệu đo.