Máy tĩnh điện van de graaff trong dạy học Vật lí - Nguyễn Ngọc Hưng

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0171 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 165-169 This paper is available online at MÁY TĨNH ĐIỆN VAN DE GRAAFF TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Nguyễn Ngọc Hưng1, Nguyễn Minh Thuần2 1Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 1Trường Trung học Phổ thông Tháp Mười, Đồng Tháp Tóm tắt. Trong dạy học Vật lí, các thiết bị thí nghiệm có vai trò rất quan trọng trong việc góp phần phát triển kĩ năng thực nghiệm, tư duy sáng tạo của học sinh. Đặc biệt là các thí nghiệm tự tạo [5]. Thí nghiệm tự chế gọn nhẹ, nguyên tắc hoạt động đơn giản vẫn cho kết quả chính xác. Do đó, giáo viên nên tổ chức cho học sinh tự chế tạo máy tĩnh điện và sử dụng thiết bị để mô tả hoặc giải thích các hiện tượng tĩnh điện trong chương trình vật lí 11 như: sự nhiễm điện của các vật, sự phân bố điện tích trên bề mặt vật dẫn, kiểm chứng độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích [9]. Các hoạt động sẽ góp phần kích thích hứng thú học tập của học sinh. Từ khóa: Chế tạo và sử dụng máy tĩnh điện. 1. Mở đầu Sự cần thiết phải chế tạo máy tĩnh điện: Hiện tượng tĩnh điện thường xuyên xuất hiện trong tự nhiên. Nó ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe con người. Do đó, việc dạy cho học sinh (HS) các kiến thức về tĩnh điện có vai trò rất quan trọng, nhưng hiện nay các trường phổ thông chỉ được trang bị máy phát hưởng ứng tĩnh điện (Wimshurst machine) và máy phát tia lửa điện kiểu tự cảm (Induction coil). Các thiết bị (TB) này có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, dễ thực hiện trong điều kiện khí hậu ẩm[6], nhưng vẫn còn một số hạn chế như: tạo ra điện thế chưa cao, điện thế không ổn định,nguyên tắc hoạt động phức tạp, dễ rò rỉ điện tích, thực hiện được rất ít thí nghiệm (TN) liên quan đến tĩnh điện mà giá thành lại cao. Ngoài ra còn có máy tĩnh điện (MTĐ) dùng mạch nắn dòng bội áp, MTĐ dùng bộ tụ điện mắc nối tiếp của tác giả Trần Ngọc Chất, TB tạo ra điện áp lớn và có tính ổn định nhưng giá thành lại cao [6]. Trên những cơ sở đó, chúng tôi đã tổ chức cho HS hoạt động ngoại khóa chế tạo MTĐ từ những vật liệu rẻ tiền nhưng tạo ra điện thế cao và sử dụng MTĐ để thực hiện một số TN liên quan đến tĩnh điện, nhằm phát triển kĩ năng thực nghiệm và tư duy sáng tạo của HS. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy tĩnh điện Van de Graaff a. Máy tĩnh điệnVan de graaff 1 trục lăn [9] Cấu tạo: + Hai quả cầu bằng kim loại (inox) có đường kính 30cm và 7cm. Ngày nhận bài: 25/7/2016. Ngày nhận đăng: 23/9/2016. Liên hệ: Nguyễn Minh Thuần, e-mail: nminhthuan9999@gmail.com 165 Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Minh Thuần + Hai con lăn + Băng tải bằng nhựa + 1 mô tơ sử dụng điện 1 chiều 24V + 1 bộ nguồn 24V + Hệ thống bánh răng quay bằng tay + Một hộp nhựa bọc bên ngoài + Hai chổi quét đặt gần hai con lăn + Đế bằng gỗ Hình 1. Máy tĩnh điện Van de graaff 1 trục lăn b. Máy tĩnh điện 5 trục lăn Hình 2. Máy tĩnh điện Van de graaff 5 trục lăn + Hai vỏ kim loại bằng lon bia + Hai con lăn + 5 băng tải bằng nhựa + 1 mô tơ sử dụng điện xoay chiều 220V + 5 chổi quét đặt gần con lăn 2 166 Máy tĩnh điện Van de Graaff trong dạy học Vật lí + Đế bằng kim loại c. Nguyên tắc hoạt động của máy tĩnh điện Khi máy tĩnh điện Van de graaff hoạt động do ma sát giữa 2 con lăn và băng tải, nên trên băng tải và 2 con lăn xuất hiện điện tích. Phần băng tải đi xuống tích điện âm, và điện tích âm theo chổi quét 2 đi ra ngoài. Phần băng tải đi lên tích điện dương nên electron ở quả cầu kim loại theo chổi quét 1 đi xuống băng tải làm quả cầu kim loại tích điện dương. Nếu băng tải tiếp tục chuyển động quả cầu kim loại sẽ tạo ra điện thế rất cao tới vài nghìn vôn. Nếu vật dẫn để gần sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện trong không khí, tạo ra tia lửa điện [7-9]. Ngoài tính năng hoạt động với nguồn điện 0-24V, máy Van de graaff còn có thể hoạt động bằng cơ thông qua hệ thống bánh răng. Tốc độ quay bằng tay gần bằng tốc độ của thiết bị hoạt động với nguồn điện 9V. Máy tĩnh điện Van de graaff gồm 5 trục lăn có thể điều chỉnh tốc độ quay, điện thế ổn định và tạo ra điện thế cao hơn máy tĩnh điện Van de graaff 1 trục lăn. Ngoài ra nếu cho 2 máy tĩnh điện hoạt động trong điều kiện chân không thì độ lớn điện thế của quả cầu là không đổi, có thể tiến hành nhiều TN tĩnh điện trong chương trình vật lí 11 phổ thông. 2.2. Tổ chức hoạt động ngoại khóa chế tạo máy tĩnh điện Hình 3. Lớp 11A2 hoạt động ngoại khóa chế tạo MTĐ Trong dạy học Vật lí (VL), GV ngoài việc sử dụng dụng cụ TN để dạy kiến thức vật lí mà còn phải biết tổ chức cho HS chế tạo các dụng cụ TN. Qua đó, góp phần phát triển năng lực sáng tạo cho HS. Có thể tổ chức cho HS chế tạo máy phát tĩnh điện thông qua hoạt động ngoại khóa. Giáo viên (GV) có thể chia lớp học ra thành nhiều nhóm và tạo ra nhiều tình huống học tập. Hay yêu cầu các nhóm đề xuất phương án thiết kế chế tạo một máy phát tĩnh điện đơn giản từ những vật liệu có sẵn [4]. Từ những nhiệm vụ đó, GV cho HS tìm hiểu về máy phát tĩnh điện qua internet. GV có thể tạo ra các tình huống có vấn đề: MTĐ có cấu tạo như thế nào và nguyên tắc hoạt động ra sao? Trước vấn đề đặt ra HS sẽ tự tìm tòi nghiên cứu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của máyMTĐ làm cơ sở cho việc thiết kế phương án chế tạo thiết bị [2, 3]. Từ các phương án đưa ra, HS sẽ chọn vật liệu để tiến hành chế tạo máy phát tĩnh điện, và sử dụng TB đã chế tạo để nghiên cứu hiện tượng tĩnh điện. Tham gia chế tạo MTĐ rèn luyện cho HS thói quen học tập và nghiên cứu vật lí mọi lúc mọi nơi, kích thích sự tò mò, khơi dậy lòng say mê và tiềm năng sáng tạo của HS, rèn luyện cho HS làm việc như một nhà khoa học [4]. HS có điều kiện để thu thập và xử lí thông tin, tập tác phong của một nhà khoa học. Hoạt động cụ thể làm nảy sinh nhiều vấn đề mà học sinh cần giải quyết như: thiết bị làm bằng vật liệu gì là tốt nhất, làm sao để tạo ra điện thế lớn nhất và lấy điện tích ra ngoài bằng cách nào. Từ hoạt động thực tiễn chúng ta sẽ phát hiện được nhiều ý tưởng hay về chế tạo các loại máy phát tĩnh điện. Hoạt động tập thể sẽ trực tiếp rèn luyện cho HS kĩ năng làm việc theo nhóm, biết trao đổi thông tin và giải quyết vấn đề thực tiễn đề ra [3]. 2.3. Tổ chức hoạt động nội khóa với MTĐ đã chế tạo Khi dạy một số kiến thức liên quan đến tĩnh điện, GV chỉ dạy lí thuyết, chưa quan tâm đến rèn luyện kĩ năng thực nghiệm cho HS. Tĩnh điện khá trừu tượng nên cần có những TN biểu diễn, TN kiểm chứng. MTĐVan de graaff tự chế có thể tích điện, phóng điện nên nó có thể sử dụng 167 Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Minh Thuần để mô tả hoặc giải thích các hiện tượng tĩnh điện như: nhiễm điện do hưởng ứng, nhiễm điện do tiếp xúc, tóc người dựng lên khi bị nhiễm điện, biểu diễn đường sức điện trường trong không gian, đồng thời sử dụng sự tương tác giữa các điện tích để kiểm chứng định luật Culông. Trong phạm vi bài báo, tôi chỉ đề xuất sử dụng máy tĩnh điện Van de graaff để tổ chức dạy học theo kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề về sự phân bố điện tích trên vật dẫn [9]. Tổ chức hoạt động: GV có thể tạo ra tình huống có vấn đề: khi cho hai quả cầu kim loại tích điện đặt gần nhau, chúng sẽ tương tác với nhau, trên bề mặt các quả cầu có điện tích. Qua đó kích thích suy nghĩ của học HS. GV đặt câu hỏi: Vậy các điện tích phân bố như thế nào trên bề mặt vật dẫn tích điện? Trước tình huống đặt ra, HS trao đổi thảo luận để đề ra các giả thuyết, thiết kế phương án TN kiểm tra giả thuyết, đây là giai đoạn giúp HS phát triển năng lực sáng tạo. Từ đó HS có thể tiến hành TN kiểm chứng giả thuyết đã đề ra [1]. + TN1: Cho MTĐVan de graaff hoạt động. Nếu cho quả cầu kim loại rỗng nối với chổi quét 2 lại gần quả cầu của MTĐ thì tại các vị trí khác nhau trên quả cầu hiện tượng phóng điện gần như nhau. Nếu nối điện nghiệm với các vị trí khác nhau trên quả cầu của MTĐ thì góc lệch của kim điện nghiệm không đổi. Như vậy các điện tích phân bố đều trên bề mặt quả cầu rỗng [9]. Hình 4. Khảo sát sự phân bố điện tích trên bề mặt quả cầu Hình 5. Khảo sát sự phân bố điện tích trên bề mặt quả cầu + TN2: Gắn trên quả cầu 2 một vật nhọn dẫn điện và làm lại như TN1, kết quả sự phóng điện có cường độ rất yếu. Tiếp tục đưa vật nhọn lại gần tĩnh điện kế, kim điện kế bị lệch; nếu đưa vật nhọn lại gần ngọn đèn, chùm điện tích thoát ra khỏi vật nhọn có thể làm tắt ngọn đèn. Vậy điện tích tập trung nhiều ở chỗ nhọn của vật dẫn và thoát ra ngoài tạo thành gió điện tích. Từ hai TN HS rút ra kết luận: Điện tích phân bố đều trên bề mặt quả cầu và phân bố nhiều ở chỗ lồi và chỗ lõm của vật dẫn. Qua kết luận rút ra từ thực nghiệm, giáo viên có thể gợi ý để HS giải thích một số hiện tượng như: tại sao các vật cần được tích điện thường là quả cầu rỗng? Hay tại sao đỉnh của cột thu lôi phải làm bằng kim loại nhọn? Với các hoạt động này, HS được tăng cường tư duy sáng tạo góp phần hình thành phong cách làm việc khoa học. 168 Máy tĩnh điện Van de Graaff trong dạy học Vật lí 3. Kết luận Có thể nói việc sử dụng máy tĩnh điện Van de graaff tự chế mang lại hiệu quả rất cao trong dạy học vật lí. Cụ thể, trong năm học 2015-2016, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm tại lớp 11A2 của trường THPT Tháp Mười, tổ chức cho các em hoạt động ngoại khóa chế tạo MTĐ và sử dụng MTĐ Van de graaff để dạy một số kiến thức về tĩnh điện. Kết quả là tất cả các HS của lớp đều hứng thú trong mọi hoạt động, luôn tham gia góp ý, đề xuất ý tưởng. Các hoạt động này giúp thu hẹp khoảng cách giữa lí luận và thực tiễn trong dạy học vật lí; góp phần phát triển trí tuệ, kĩ năng thực nghiệm và nhân cách của HS [4]. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ giáo dục và Đào tạo – Vụ Giáo dục trung học, 2014. Tài liệu tập huấn, kiểm tra, đánh giá trong quá trình dạy học theo định hướng phát triển năng lực học sinh trường trung học phổ thông môn vật lí. Hà Nội. [2] Dương Xuân Quý, 2011. Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm thực tập theo hướng phát triển hoạt động học tích cực, sáng tạo của HS trong dạy học chương Dao động cơ ở lớp 11 trường THPT. Luận án Tiến sĩ Giáo dục học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. [3] Đỗ Hương Trà, 2012. Các kiểu tổ chức dạy học hiện đại. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. [4] Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2002. Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. [5] Nguyễn Minh Thuần, 2014. Thí nghiệm tự tạo góp phần rèn luyện kĩ năng thực nghiệm vật lí cho học sinh phổ thông. Tạp chí Giáo dục, Số 6/2014. Trang 55. [6] Trần Ngọc Chất, 2010. Xây dựng các thí nghiệm phần tĩnh điện học để sử dụng dạy học theo chương trình vật lí phổ thông. Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp trường. Đại học Sư phạm Hà Nội. [7] Hoffmann G, Schumann W.O, 1930. Handbuch der Eperimentalphysik- Elektrostatik- Hochspannungstechnik- Akademieverlag- Leipzig. [8] Schallreuter. W; 1959. Grimsehl Lehrbuch der Physik. Struktur der Materie, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, - Leizig. [9] Wilke H-J, 1988, Geschichte der Elektrostatik in Experimenten (5). ABSTRACT Electrostatic generator Van de graaff in teaching physics 1Nguyen Ngoc Hung, 2Nguyen Minh Thuan 1Faculty of Physics, Hanoi National University of Education 2Thap Muoi High School, Dong Thap Province In teaching physics, experimental equipments plays an important role:contributing to improvement of experimental skills as well as creative thinking of students. This is, especially true for home-made experimental equipments, because it is small and handy: the operating rule is very simple; and the results of the sets of equipments are still accurate. The home-made Van de Graft electrostatic generator, can create high voltage, and it can be used to demonstrate phenomena such as: the electrification of objects, the distribution of charge on the surface of conductors, the electrostatic force between two charges. It will make students more excited of learning physics. Keywords: Fabrication and use electrostatic. 169