BÀI TẬP LÍ LUẬN DẠY HỌC VẬT LÍ Họ và tên: Bùi Chí Hưng Mã SV: 675103036 Lớp: CLC K67 SĐT: 0354565889 Email: hungbui009@gmail.com BÀI TẬP 6: Phân tích các giai đoạn hình thành một ứng dụng của vật lí trong kĩ thuật ( động cơ không đồng bộ 3 pha). *Con đường thứ nhất Bước 1: Tìm hiểu khái niệm động cơ không đồng bộ Từ trường quay, sự quay đồng bộ: Khi quay một nam châm quanh một trục, từ trường do nam châm gây ra có các đường sức từ quay trong không gian. Đó là một từ trường quay. Nếu đặt giữa hai cực của một nam châm hình chữ U và quay đều nam châm chữ U thì kim nam châm quay theo với cùng vận tốc góc. Ta nói ki nam châm quay đồng bộ với từ trường. Sự quay không đồng bộ: Thay kim nam châm bằng một khung dây dẫn kín. Khung này có thể quay quanh trục xx’ trùng với trục quay của nam châm. Nếu quay đều nam châ ta thấy khung dây quay theo cùng chiều, đến một lúc nào đó khung dây cũng quay đều nhưng với vận tốc góc nhỏ hơn vận tốc góc của nam châm. Do khung dây và từ trường quay với các vận tốc góc khác nhau nên ta nói chúng quay không đồng bộ với nhau. Nhờ có hiện tượng cả ứng điện từ và tác dụng của từ trường quay mà khung dây quay và sinh công cơ học. Động cơ hoạt động dựa theo nguyên tắc nói trên gọi là động cơ không đồng bộ. Bước 2: Tạo ra từ trường quay bằng dòng điện ba pha Mắc ba cuộn dây giống nhau, bố trí lệch nhau 1/3 vòng tròn với mạng điện ba pha. Trong ba cuộn dây có ba dòng điện cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch pha nhau . Mỗi cuộn dây đều gây ở vùng xung quanh trục O một từ trường mà cảm ứng từ có phương nằm dọc theo trục cuộn dây và biến đổi tuần hoàn với cùng tần số ω nhưng lệch pha nhau . Cảm ứng từ do ba cuộn dây gây tại tâm O tỉ lệ với các cường độ dòng điện qua mỗi cuộn nên có biểu thức: Bước 3: Cấu tạo và hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ ba pha có 2 bộ phận chính + Stato có ba cuộn dây giống nhau quấn trên ba lõi sắt bố trí lệch nhau 1/3 vòng tròn. + Roto là một hình trụ tạo bởi nhiều lá thép mỏng ghép lại. Trong các rãnh xẻ ở mặt ngoài roto có đặt các thanh kim loại. Hai đầu mỗi thanh được nối vào các vành kim loại tạo thành một chiếc lồng. Lồng này cách điện với lõi thép và có tác dụng như nhiều khung dây đồng trục lệch nhau. Roto nói trên được gọi là roto lồng sóc *Con đường thứ 2 - Bài toán hộp đen: Dựa trên những định luật vật lý, những đặc tính vật lý của sự vật hiện tượng, dùng luận diễn dịch, để nêu ra một kết luận phù hợp với hiện tượng quan sát đầu ra của thiết bị. a) Giai đoạn 1: Xác định rõ những qui luật, qui tắc vật lý sẽ sử dụng để chế tạo thiết bị kỹ thuật mới: Việc nhìn lại con đường đã dẫn đến nhận thức được quy tắc này sẽ là gợi ý bổ ích cho việc tìm ngược lại con đường đi từ định luật trừu tượng, khái quát đến hiện tượng cụ thể chi tiết, thiết kế một thiết bị nhằm giải quyết một yêu cầu kỹ thuật nào đó. Ví dụ để xây dựng định luật Lenz – Faraday cho cảm ứng điện từ, người ta đã làm nhiều cách thí nghiệm khác nhau, trong đó có phương pháp cho từ trường quay 1 cách điều hòa so với mặt của một khung dây cố định, khi đó trong khung người ta đã kiểm tra được là có dòng điều hòa sinh ra. Và như đã biết định luật Amperè về tác dụng của từ trường lên dòng điện kín là sinh ra momen lực, và định luật II Newton cho chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định là khi có momen lực đủ lớn thắng momen cản thì vật rắn sẽ quay. Điều đó gợi cho học sinh hướng chế tạo một động cơ điện xoay chiều bằng cách tạo ra dòng ba pha (thông qua bài học về dòng ba pha) rồi cho từ trường của dòng này tác dụng momen lực lên dòng cảm ứng lên khung dây đặc trong nó làm cho nó quay. b) Giai đoạn 2: Đưa ra một nhiệm vụ thiết kế một thiết bị có chức năng xác địnhm nhằm sử dụng định luật vật lý vào cuộc sống: Ở ví dụ thiết kế động cơ không đồng bộ 3 phađây là thiết kế một động cơ đủ mạnh có thể dùng trong sản xuất đời sống (VD như bơm nước, quạt gió, sấy tóc,…). Ta đã biết “Cứ cho từ trường quay qua mặt khung dây kín thì trong khung dây xuất hiện dòng cảm ứng, và nếu khung dây có thể quay tự do xung quanh một trục cố định thì từ trường này lại tác dụng lực lên dòng cảm ứng trong khung sinh ra momen lực làm khung quay quanh cái trục của khung.” Tại sao không dùng thẳng 1 nam châm chữ U quay xung quanh duy nhất 1 khung dây để tạo động cơ cho việc tạo động cơ quay để dùng chạy máy, bơm nước? Qua thảo luận đưa đến những khó khăn cần giải quyết: Nam châm chữ U có từ trường khó thay đổi tự động, khi muốn quay từ trường của nó cần dùng sức người, chế tạo dạng công nghiệp đại trà là bất khả, và từ trường của nam châm chữ U cũng quá yếu nên không thể tạo ra momen từ mạnh để quay nhanh khung dây, Nếu chỉ có 1 khung quay thì dù ta thấy dù thay nam châm chữ U bởi nam châm điện xoay chiều thì sự quay cũng rất chậm. c) Giai đoạn 3: Đưa ra phương án thiết kế thiết bị: Nhận thấy từ trường càng mạnh thì tốc độ quay của khung càng mạnh nên thay nam châm chữ U bằng nam châm điện có nhiều vòng dây. Để tạo ra từ trường quay: Dựa vào bài học dòng xoay chiều 3 pha ở tiết trước, ta đã biết cách tạo ra từ trường xoay bằng dòng 3 xoay chiều pha nhờ vào 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120o. Nhận thấy từ trường nam châm thì động cơ xoay càng nhanh. Ta có thể tăng giảm tốc độ quay của từ trường bằng cách tăng giảm cường độ hiệu dụng và tần số quay của từ trường một cách dễ dàng. Một khung thì chỉ có một từ thông , nên sự biến đổi của một từ thông chỉ sinh ra 1 dòng cảm ứng, do đó cần tăng S lên, tức là cần tăng số mặt mà từ trường B xuyên qua, từ đó gợi hướng cho học sinh là phần xoay phải có nhiều khung dây. Nếu các nam châm điện đặt trong những lõi thép liền mạch, điện trở lúc đó sẽ rất lớn, sẽ sinh ra dòng Foucault gây ra sự tỏa nhiệt rất lớn, nên do đó cần mắc nam châm điện vào lõi thép là những miếng thép ghép liền mạch. d) Giai đoạn 4: Đưa ra mô hình kèm theo hình vẽ các bộ phận chính của động cơ không đồng bộ 3 pha. Giáo viên giúp HS thể hiện phương án trên hình vẽ, chủ yếu là lỗi thép với nam châm quấn, và lồng sóc các khung dây và cơ cấu của động cơ khi đã ghép rotor lồng sóc vào stator (lõi thép) e) Giai đoạn 5: Dựa trên mô hình đã đưa ra, thiết kế và cho vận hành để quan sát 1 thiết bị thật quan sát hiệu quả, kiểm tra tính đúng đắn. Vì trong hoàn cảnh lớp học không có điều kiện để HS tham gia vào việc lắp ráp thiết bị tương đối phức tạp như vậy, nên giáo viên có thể đưa ra một động cơ 3 pha không đồng bộ đơn giản có sẳn trong phòng thí nghiệm để HS quan sát cấu tạo và hiệu quả của máy. g) Giai đoạn 6: Hoàn chỉnh thiết kế, bổ sung điều chỉnh trên thiết bị thật để tăng tính hiệu quả. Nếu có điều kiện, giáo viên cho học sinh xem một động cơ không đồng bộ ba pha thật được dùng trong sản xuất (ví dụ máy bơm nước, quạt, …) BÀI TẬP 7: Vấn đề là gì? Tình huống có vấn đề là gì? Các loại tình huống có vấn đề và ví dụ cho mỗi loại tình huống. Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô hình. 1. Vấn đề là gì ? Khái niệm vấn đề dùng để chỉ một khó khăn, một nhiệm vụ nhận thức mà người học không thể giải quyết được bằng kinh nghiệm sẵn có, nghĩa là không thể dùng tư duy đơn thuần để giải quyết, và khi giải quyết được thì người học đã thu được kiến thức, kĩ năng mới. Khi học sinh phải tự lực giải quyết vấn đề học tập, họ gặp khó khăn cản trở họ tới đích. Khó khăn này chính là cái thúc đẩy hoạt động tìm tòi của chính họ. Để giải quyết được vấn đề, học sinh không chỉ đơn giản tái hiện được những điều lĩnh hội đực dưới dạng hình thức kinh nghiệm, mà bắt buộc phải biến đổi nội dung hoặc phương pháp sử dụng những điều đã lĩnh hội được, nghĩa là phải tìm tòi sáng tạo. * Tình huống có vấn đề   Tình huống "có vấn đề": là trở ngại về trí tuệ của con người, xuất hiện khi ta chưa biết cách giải thích hiện tượng, sự việc hay một quá trình nào đó của thực tế.  Tình huống có vấn đề là tình huống trong đó xuất hiện mâu thuẫn nhận thức giữa trình độ kỹ năng đã có của học sinh với nhiệm vụ nhận thức mà học sinh cần phải giải quyết để đạt đựợc những tri thức và kỹ năng mới cao hơn.  * Các loại tình huống có vấn đề và ví dụ + Tình huống bác bỏ: Làm cho học sinh thấy rằng cơ sở để giải thích một sự kiện nào đó có những vấn đề sai lầm, có những mâu thuẫn nội tại… và do đó phải cần bác bỏ nó để tìm một cơ sở khác có những logic chặt chẽ hơn. Tình huống này bác bỏ mô hình không hợp thức, xây dựng mô hình thay thế.  Ví dụ : Khi dạy cho học sinh kiến thức về sự rơi tự do và rơi trong không khí. Đầu tiên thầy giáo sẽ thả một viên bi và một mẩu giấy trong không khí, học sinh quan sát thấy viên bi rơi nhanh hơn mẩu giấy, kết luận vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ. Làm tiếp thí nghiệm, thầy giáo sẽ thả viên bi và mẩu giấy trong một ống rút hết không khí (ống Newton), học sinh nhận tháy viên bi và mẩu giấy rơi nhanh như nhau. Vậy kết quả của thí nghiệm 2 đã khác biệt so với thí nghiệm 1. Điều đó đã tạo nên mâu thuẫn trong nhận thức. Trong không khí sự rơi nhanh hay chậm không phụ thuộc vào trọng lượng của các vật như các em nghĩ mà phụ thuộc vào yếu tố nào? Học sinh sẽ nhận thức đúng : Trong không khí vật rơi nhanh hay chậm phụ thuộc vào lực cản của môi trường. + Tình huống xung đột : Là tình huống mà những sự kiện, hiện tượng xảy ra trái ngược với suy nghĩ học sinh. Điều đó tạo ra sự xung đột trong tư duy học sinh.  Ví dụ : Trước khi học hiện tượng quang điện, học sinh biết ánh sáng có tính chất sóng. Tuy nhiên khi học đến hiện tượng quang điện nếu học sinh vận dụng hiểu biết cũ của mình về ánh sáng (quan điểm ánh sáng là sóng) để giải thích thì gặp phải khó khăn, phải đi đến một giả thiết trái ngược với kiến thức cũ biết trước đó: ánh sáng có tính chất hạt. + Tình huống bất ngờ: là tình huống mà những sự kiện hiện tượng xảy ra trong tình huống thường người ta không ngờ tới . Ví dụ : khi nghiên cứu hiện tượng nhiễm điện do cọ xát. Ta làm thí nghiệm với những mẩu giấy vụn nhỏ, dùng thước kẻ cọ xát và đưa gần mẩu vụn giấy. Học sinh quan sát thấy những vụ giấy sẽ bị hút về phía thước kẻ. Tình huống này trái ngược với nhận thức học sinh. + Tình huống không phù hợp : Làm cho học sinh băn khoăn, nghi ngờ những sự kiện gặp phải vì chúng trái với những tiêu chuẩn, những qui tắc đã được rút ra từ một điều khẳng định nào đó trước đấy. Do đó cần phải tìm hiểu cả những sự kiện mới lẫn những tiêu chuẩn đã có để tìm chân lý. Tình huống này dẫn đến việc lựa chọn , hoàn thiện hoặc chỉnh sửa mô hình mới.  Ví dụ : Nghiên cứu hiện tượng phản xạ toàn phần. Tình huống không phù hợp bắt đầu từ bài toán : chiếu ánh sáng đi thủy tinh sang không khí với góc tới i = 70. Tìm góc khúc xạ biết chiết suất thủy tinh 1,5. Học sinh áp dụng định luật khúc xạ sẽ tính được sin r > 1. Như vậy xuất hiện trong câu hỏi học sinh là tại sao? Như vậy định luật khúc xa trong trường hợp này không còn phù hợp, dẫn dắt học sinh đến vấn đề là trong trường hợp này không có hiện tượng khúc xạ. Từ đó mới cho học sinh chiếm lĩnh tri thức : hiện tượng phản xạ toàn phần .  2. Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm. Nêu các sự kiện khởi đầu , phát hiện vấn đề (nêu câu hỏi). Xây dựng giả thiết (câu trả lời dự đoán). Từ giả thiết suy ra hệ quả có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm. Bố trí tiến hành thí nghiệm kiểm tra. Kết luận. 3. Các giai đoạn của phương pháp mô hình. Giai đoạn 1 : Yêu cầu những tính chất của đối tượng gốc : bằng quan sát thực nghiệm , người ta xác định được một tập hợp những tính chất của đối tượng yêu cầu. Giai đoạn này được coi là một tập hợp các sự kiện ban đầu làm cơ sở để xay dựng mô hình. Giai đoan 2 : Xây dựng mô hình : trong giai đoạn này , trí tưởng tượng và trực giác giữ vai trò quan trọng. Giai đoạn 3 : Thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lý thuyết . Giai đoạn 4 : Thực nghiệm và kiểm tra.