Giáo án Bài 14. Cảm ứng điện từ. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Huy động kiến thức nền về từ trường và dòng điện; tạo tình huống để HS dự đoán và nhận ra rằng chỉ có từ trường thôi chưa đủ để tạo dòng điện.

HS quan sát mô phỏng: nam châm đặt xa cuộn dây nối kín với điện kế; sau đó đưa nam châm vào trong cuộn, giữ yên, rồi kéo ra. HS dự đoán trước mỗi giai đoạn kim điện kế lệch hay chỉ 0.
Câu hỏi GV đặt ra: (1) Khi nam châm đứng yên xa cuộn, kim điện kế có lệch không? Vì sao? (2) Khi nam châm đang di chuyển vào trong cuộn, điều gì thay đổi ở cuộn dây? (3) Nếu nam châm dừng lại và giữ yên bên trong cuộn, kim có còn lệch không?

HS dự đoán: nam châm đứng yên xa cuộn – kim chỉ 0 vì không có sự thay đổi từ thông; đưa nam châm vào – kim lệch vì số đường sức xuyên cuộn tăng; giữ yên bên trong – kim về 0 dù vẫn có từ trường. Kết luận ban đầu: điều quan trọng là sự thay đổi số đường sức từ xuyên cuộn chứ không phải chỉ có nam châm.

Nêu được điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín; phân biệt trường hợp có và không có dòng cảm ứng.

HS làm việc nhóm 4, quan sát mô phỏng với ba thao tác: đưa nam châm vào cuộn, giữ yên, kéo ra. Các nhóm điền Phiếu học tập số 1 (ghi số đường sức xuyên cuộn tăng, giảm hay không đổi; kim lệch hay về 0).
Câu hỏi GV đặt ra: (1) Trong mỗi thao tác, số đường sức từ xuyên tiết diện cuộn tăng, giảm hay không đổi? (2) Điều kiện nào làm xuất hiện dòng điện cảm ứng? (3) Vì sao nam châm đứng yên bên cạnh cuộn kín không tạo dòng cảm ứng liên tục?

Phiếu học tập số 1 hoàn chỉnh:

• Đưa nam châm vào cuộn: số đường sức tăng; kim lệch; có dòng cảm ứng.
• Giữ yên nam châm trong cuộn: số đường sức không đổi; kim về 0; không có dòng cảm ứng dù có từ trường.
• Kéo nam châm ra: số đường sức giảm; kim lệch ngược lại; có dòng cảm ứng.
  Kết luận HS rút ra: Cảm ứng điện từ là hiện tượng có thể có dòng điện trong mạch kín khi số đường sức từ xuyên tiết diện cuộn thay đổi. Cần biến thiên từ xuyên cuộn; chỉ có từ trường không đổi là chưa đủ.

Giải thích được đổi chiều cảm ứng: đảo sự biến thiên của từ qua cuộn thì dòng điện cảm ứng đổi chiều.

HS so sánh hai thao tác liên tiếp: đưa nam châm vào cuộn rồi kéo nam châm ra. HS quan sát chiều lệch của kim điện kế trong mỗi thao tác và liên hệ với sự tăng hay giảm số đường sức.
Câu hỏi GV đặt ra: (1) Khi đưa vào và khi kéo ra, số đường sức xuyên cuộn biến thiên theo chiều nào? (2) Chiều lệch của kim có giống nhau không? (3) Nếu đảo ngược chiều biến thiên của từ thông thì chiều dòng điện cảm ứng thay đổi thế nào?

Đưa vào: số đường sức tăng, kim lệch về một phía. Kéo ra: số đường sức giảm, kim lệch về phía ngược lại.
Kết luận HS rút ra: Đổi chiều cảm ứng là đảo sự biến thiên từ qua cuộn có thể đổi chiều dòng điện cảm ứng. Cùng một cuộn dây, chiều dòng phụ thuộc chiều biến thiên của số đường sức, không phụ thuộc vào màu dây hay hướng cố định.

Phân biệt được dòng xoay chiều với khái niệm cảm ứng và đổi chiều cảm ứng; giải thích được vì sao quay cuộn dây trong từ trường tạo ra dòng đổi chiều.

HS quan sát mô phỏng máy phát điện quay tay: cuộn dây quay giữa hai cực N – S, kim điện kế lắc qua lại khi quay đều. Các nhóm trả lời câu hỏi và điền vào Phiếu học tập số 1 (mục máy phát).
Câu hỏi GV đặt ra: (1) Khi cuộn dây quay, số đường sức xuyên cuộn biến thiên như thế nào theo thời gian? (2) Vì sao kim lắc qua lại thay vì lệch một chiều? (3) Dòng điện này được gọi là gì? Năng lượng nào được chuyển thành điện năng?

Số đường sức xuyên cuộn biến thiên tuần hoàn theo thời gian; chiều biến thiên thay đổi nên dòng đổi chiều luân phiên.
Kết luận HS rút ra: Dòng xoay chiều là dòng điện đổi chiều luân phiên theo thời gian trong mô hình máy phát điện. Trong máy phát quay tay, cơ năng (sức quay của tay) chuyển thành điện năng; không có sự tạo điện từ hư không.

Vận dụng được các khái niệm cảm ứng điện từ, đổi chiều cảm ứng và dòng xoay chiều để trả lời câu hỏi trắc nghiệm, ghép đôi và phát hiện quan niệm sai.

HS làm Phiếu học tập số 2 theo cặp đôi: (1) Chọn đáp án đúng cho đặc điểm của cảm ứng điện từ. (2) Chọn đáp án đúng cho đổi chiều cảm ứng. (3) Ghép khái niệm với đặc điểm tương ứng. (4) Xác định nhận định “Nam châm đứng yên cạnh cuộn kín luôn tạo dòng cảm ứng liên tục” đúng hay sai. (5) Điền thuật ngữ vào chỗ trống: “dòng đổi chiều luân phiên theo thời gian trong mô hình máy phát” mô tả {{1}}. (6) Bác bỏ nhận định ở câu 4 bằng một lí do khoa học, nêu một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.
Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao nhận định ở câu 4 là sai? Hệ quả của cách hiểu này là gì?

Đáp án:
(1) C – có thể có dòng trong mạch kín khi số đường sức từ xuyên tiết diện cuộn thay đổi.
(2) A – đảo sự biến thiên từ qua cuộn có thể đổi chiều dòng.
(3) Cảm ứng điện từ – có thể có dòng trong mạch kín khi số đường sức từ xuyên tiết diện cuộn thay đổi; Đổi chiều cảm ứng – đảo sự biến thiên từ qua cuộn có thể đổi chiều dòng; Dòng xoay chiều – dòng đổi chiều luân phiên theo thời gian trong mô hình máy phát.
(4) Sai. Cần biến thiên từ xuyên cuộn; chỉ có từ trường không đổi chưa đủ.
(5) Dòng xoay chiều.
(6) Lí do: cần biến thiên từ xuyên cuộn, từ trường không đổi không đủ tạo dòng. Hệ quả: nếu tin nhận định này, sẽ cho rằng một nam châm tĩnh có thể phát điện liên tục mà không cần nguồn năng lượng. Phát biểu sửa đúng: Dòng cảm ứng chỉ xuất hiện khi số đường sức từ xuyên cuộn thay đổi; nam châm đứng yên không tạo dòng cảm ứng duy trì.

Vận dụng kiến thức về cảm ứng điện từ để giải thích tình huống: đưa nam châm lại gần cuộn kín rồi giữ yên và vì sao quay cuộn trong từ trường phát dòng đổi chiều; đánh giá điều kiện và giới hạn của hiện tượng.

Tình huống 1: Đưa nam châm lại gần cuộn kín rồi giữ yên. Khi nào kim điện kế lệch trong mô hình?
Tình huống 2: Vì sao quay cuộn dây trong từ trường có thể phát ra dòng điện đổi chiều? Năng lượng nào được sử dụng để tạo điện?
HS làm việc nhóm 4, viết lập luận ngắn gọn (3–5 câu) cho mỗi tình huống và trình bày trước lớp.

Tình huống 1: Kim lệch trong lúc từ qua cuộn thay đổi khi đưa nam châm lại gần; khi giữ yên tương đối, không còn biến thiên nên kim về 0; khi kéo ra thì kim lệch ngược lại.
Tình huống 2: Quay cuộn làm số đường sức xuyên cuộn biến thiên tuần hoàn, chiều biến thiên thay đổi nên dòng đổi chiều luân phiên, tức là dòng xoay chiều. Cơ năng quay chuyển thành điện năng; máy phát không tự sinh điện vô nguồn.