Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 12: Hiện tượng cảm ứng điện từ

BÀI 12. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Hiện nay, để giảm bớt lượng khí thải độc hại ra môi trường cũng như giảm các nguy hiểm từ việc rò rỉ khí gas, người ta có thể sử dụng bếp tử trong nấu ăn (Hình 12.1). Vậy bếp từ hoạt động theo nguyên tắc nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Bếp từ hoạt động theo nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi bật bếp, dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây cảm ứng đặt dưới mặt kính bếp. Dòng điện này tạo ra một từ trường biến thiên với tần số cao. 

Bếp từ mang lại nhiều ưu điểm như: hiệu suất cao, nấu nướng nhanh, an toàn, dễ dàng vệ sinh.

Bên cạnh đó cũng có các nhược điểm như: giá thành cao, yêu cầu nồi nấu làm từ các vật liệu như gang, …

1. TỪ THÔNG

Thảo luận 1: : Hãy nêu sự phụ thuộc của từ thông vào góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ  và .

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có công thức tính từ thông: , với là góc hợp bởi  và .   

Sự phụ thuộc của từ thông là:

+ càng lớn → cos càng nhỏ → từ thông càng nhỏ

+ càng nhỏ → cos càng lớn → từ thông càng lớn.

Từ thông đạt lớn nhất khi º, đạt nhỏ nhất khi º.

Thảo luận 2: Từ biểu thức (12.1) và kiến thức đã học, hãy biểu diễn đơn vị của từ thông qua các đơn vị cơ bản trong hệ SI.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có công thức tính từ thông:  

Trong đó: B: cảm ứng từ (T)

S: diện tích của vòng dây (m²)

Đơn vị của từ thông qua các đơn vị cơ bản trong hệ SI là: T.m² hay Wb

2. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Thảo luận 3: Hãy dự đoán khoảng thời gian xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ trong khung dây khi thực hiện thí nghiệm ở bước 2 và 3.

Hướng dẫn chi tiết:

Dự đoán khoảng thời gian xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ trong khung dây khi thực hiện thí nghiệm ở bước 2 và 3:

+ Hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện khi cho nam châm tiến lại gần khung dây + Hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện khi cho nam châm ra xa khung dây.

Thảo luận 4: Trong bước 2 và bước 3 của thí nghiệm, từ thông qua khung dây biến thiên như thế nào trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra khung dây?

Hướng dẫn chi tiết:

Vì từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua diện tích S, do đó, khi nam châm lại gần khung dây, từ trường mạnh dần dẫn đến số đường sức từ xuyên qua khung dây tăng dần và ngược lại.

Trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây thì có thể thấy kim điện kế bị lệch, cũng chứng tỏ có dòng điện qua khung dây. Cũng chứng tỏ được số đường sức từ của nam châm xuyên qua khung dây biến thiên.

Khi nam châm dừng lại, ta thấy kim điện kế dừng lại ở vạch thì chứng tỏ không có dòng điện qua khung dây. Chứng tỏ khi nam châm dừng thì từ thông qua khung dây không còn biến thiên.

Thảo luận 5: Hãy đề xuất các phương án khác để làm xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Hướng dẫn chi tiết:

Các phương án làm xuất hiện dòng điện cảm ứng:

-  Có thể thay nam châm thẳng bằng nam châm điện.

- Thay đổi từ trường: 

+ Di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn kín sẽ làm từ thông qua cuộn dây biến đổi, từ đó xuất hiện dòng điện cảm ứng.

+ Thay đổi vị trí cuộn dây cũng làm từ thông qua cuộn dây biến đổi, từ đó xuất hiện dòng điện cảm ứng.

+ Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện sẽ làm thay đổi cường độ từ trường, từ đó xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.

- Thay đổi diện tích của vòng dây:

+ Xoay vòng dây

+ Thay đổi điện tích vòng dây to hơn hoặc bé hơn

- Sử dụng dòng điện xoay chiều

Thảo luận 6: Trong thí nghiệm ở Hình 12.3:

a) Nếu ta giữ nguyên vị trí của nam châm và cho khung dây chuyển động lại gần hay ra xa nam châm thì chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây có thay đổi không? Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng và so sánh kết quả với thí nghiệm khi dịch chuyển nam châm lại gần hay ra xa khung dây.

b) Nếu ta cho nam châm và khung dây chuyển động với cùng vận tốc thì trong khung dây có xuất hiện dòng điện cảm ứng không? Vì sao?

Hướng dẫn chi tiết:

a) Nếu ta giữ nguyên vị trí của nam châm và cho khung dây chuyển động lại gần hay ra xa nam châm thì chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây không thay đổi.

Cụ thể: trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây, ta thấy kim điện kế bị lệch, điều này chứng tỏ đã có dòng điện qua khung dây. Chiều lệch của kim điện kế trong hai trường hợp là ngược nhau, cho thấy hai dòng điện ngược chiều nhau.

Thực hiện thí nghiệm:

* - Điều chỉnh kim điện kế ở vạch số 0. Nối hai đầu khung dây với điện kế và ampe kế.

- Giữ nguyên vị trí nam châm

- Di chuyển khung dây lại gần và ra xa nam châm.

- Quan sát kim điện kế và ghi lại kết quả

* So sánh kết quả:

- Kết quả thí nghiệm giống với phần nhận xét bên trên.

b) Nếu cho nam châm và khung dây chuyển động cùng vận tốc, trong khung dây không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Vì khi đó, khoảng cách giữa nam châm và khung dây không thay đổi, nên từ thông không biến thiên.

Thảo luận 7: Trong hiện tượng cảm ứng điện từ như thí nghiệm ở Hình 12.5, có sự chuyển hóa từ dạng năng nượng nào sang điện năng?

Hướng dẫn chi tiết:

Trong hiện tượng cảm ứng điện từ như thí nghiệm ở Hình 12.5, có sự chuyển hóa từ cơ năng sang điện năng. Năng lượng cơ học được sử dụng để thay đổi từ thông qua khung dây dẫn kín, từ đó sinh ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng được sử dụng để thực hiện công việc.

Thảo luận 8: Nêu vai trò của nam châm vĩnh cửu trong đàn guitar điện.

Hướng dẫn chi tiết:

Vai trò của nam châm vĩnh cửu: 

- tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây của bộ cảm ứng khi gảy đàn, từ đó tạo ra một dòng điện cảm ứng, giúp tạo ra âm thanh.

- chống nhiễu

- tạo âm thanh đặc trưng, giúp âm thanh sáng, trong trẻo, …

Cụ thể là ở bộ phân pickup: pickup có cấu tạo nam châm, được bao bọc bởi hàng ngàn vòng dây đồng. Dây đàn giutar được làm bằng kim loại thép và có tính từ khi rung động. Khi dây dần rung động, nó sẽ gây ra sự thay đổi từ trường xung quanh nam châm vĩnh cửu. Sự thay đổi từ trường này sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây quấn quanh nam châm vĩnh cửu. Dòng điện cảm ứng này chính là tín hiệu điện đại diện cho âm thanh của dây dần.

Luyện tập: Một khung dây dẫn kín có diện tích 20 cm², quay đều trong từ trường đều có cảm ứng từ bằng 0,02 T. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong vòng dây khi góc hợp bởi véctơ cảm ứng từ và vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng khung dây thay đổi từ 30⁰ đến 60⁰ trong khoảng thời gian 0,1 giây.

Hướng dẫn chi tiết:

Theo đề bài ta có: S = 20 cm², B = 0,02 T, t = 1s      

Từ thông qua khung dây khi 30^o là: 

= 0,02.20.10^-4.cos30 = 3,46.10^-5 (Wb)

Từ thông qua khung dây khi 60^o là: 

= 0,02.20.10^-4.cos60 = 2.10^-5 (Wb)

Độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây là:

(V) 

Vậy độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây là 1,46.10^-5 V

Vận dụng: Dựa vào sách, báo, internet,...em hãy tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bếp từ.

Hướng dẫn chi tiết:

* Cấu tạo

Bếp từ được thiết kế các hình dáng đa dạng như hình vuông, hình tròn với nhiều kiểu dáng và màu sắc tinh tế, sang trọng. Hầu hết bếp từ đều sở hữu các bộ phận sau:

- Bề mặt kính: Thường được làm bằng kính có khả năng chống trầy xước, chịu va đập, chịu lực tốt, chịu nhiệt rất tốt, điển hình như Ceramic. Bộ phận này có nhiệm vụ bảo vệ thân bếp và các linh kiện bên trong bếp. Đồng thời sẽ giúp gia tăng tính thẩm mỹ cho toàn bộ chiếc bếp trong gian nhà bạn.

- Bảng điều khiển: Nằm trên bề mặt của bếp từ, có các nút bấm vật lý hoặc cảm ứng giúp bạn thao tác dễ dàng trong quá trình sử dụng bếp.

- Mâm nhiệt (cuộn cảm): Đây là linh kiện quan trọng trong cấu tạo của bếp từ. Bộ phận này góp phần sinh nhiệt và đảm bảo độ ổn định, độ bền cũng như an toàn cho quá trình sử dụng bếp từ.

- Quạt làm mát (quạt tản nhiệt): Đảm nhiệm vai trò làm mát, giảm nhiệt các linh kiện trong bếp từ, cân bằng lại nhiệt độ khi bếp hoạt động với công suất quá cao. Điều này sẽ giúp bảo vệ các linh kiện bên trong thiết bị và đảm bảo bếp từ luôn hoạt động ổn định.

- Bo mạch điện tử: Thực hiện nhiệm vụ cung cấp dòng điện có tần số cao cho cuộn cảm bếp từ. Đồng thời, bo mạch điện còn là bộ phận nhận lệnh thao tác trực tiếp của người dùng thông qua bảng điều khiển các phím bấm trên mặt bếp.

* Nguyên lí hoạt động

Nguyên lý chính của bếp điện từ là dùng dòng Fuco để làm nóng trực tiếp nồi nấu. Khi cắm điện vào bếp từ, mạch dao động điện LC sinh ra 1 từ trường biến thiên trên mặt bếp. Nếu có vật dẫn từ trên mặt bếp, thì trong lòng vật dẫn từ có 1 dòng điện chạy nội tại trong nó, dòng điện này có tác dụng sinh nhiệt lớn.

Nhờ đó, bếp có khả năng làm chín thức ăn thông qua nồi đun có đáy nhiễm từ, điển hình như nồi nhôm, inox,... Đặc biệt, do nồi được làm nóng trực tiếp nên hiệu suất truyền nhiệt rất cao, ít tổn thất nhiệt. Điều này giúp người dùng giảm bớt thời gian nội trợ đáng kể.

3. SÓNG ĐIỆN TỪ

Thảo luận 9: So sánh hình dạng của đường sức điện từ của điện trường tĩnh và điện trường xoáy?

Hướng dẫn chi tiết:

Đường sức điện của điện trường tĩnh là các đường cong không khép kín, đi ra từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm, không cắt nhau.

Đường sức điện của điện trường xoáy là các đường cong khép kín, không có điểm đầu và điểm cuối, nơi nào có cường độ điện trường lớn hơn thì đường sức vẽ dày hơn, nơi nào có cường độ điện trường nhỏ hơn thì đường sức vẽ thưa hơn.

Thảo luận 10: Nhắc lại một số tính chất cơ bản của sóng điện từ mà em đã được học trong Chương trình Vật lí 11.

Hướng dẫn chi tiết:

Tính chất của sóng điện từ:

- Tốc độ truyền sóng trong chân không là c = 3.10⁸ m/s

- Trong mọi môi trường vật chất, tốc độ truyển của sóng điện từ đều nhỏ hơn c

- Bước sóng của điện là khoảng cách giữa hai đỉnh liên tiếp của dao động điện trường hoặc từ trường.

- Tần số: tần số của sóng điện từ là số dao động trong một giây.

- Một số hiện tượng đặc trưng của sóng điện từ là: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ,...

Luyện tập: Xác định vectơ cảm ứng từ  của sóng điện từ tại một thời điểm trong hình 12.10.

Hướng dẫn chi tiết:

Vận dụng: Dựa vào kiến thức đã học và sách báo, internet,...em hãy viết bài luận ngắn về ứng dụng của tia tử ngoại trong việc điều trị bệnh còi xương cho trẻ em.

Gợi ý chi tiết:

Nguyên nhân gây còi xương là do thiếu vitamin D, canxi, phốt pho ... vì thế để điều trị bệnh còi xương ở trẻ em, các chuyên gia có thể chỉ định dùng tia tử ngoại chữa bệnh còi xương. Do các chất tiết ở da người có chứa một chất gọi là tiền vitamin D3. Trong điều kiện bình thường chất tiền vitamin này được hoạt hoá bởi các tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời và chuyển thành vitamin D3 được hấp thu vào máu. Vì thế với những trẻ thường xuyên được tắm nắng thì cơ thể trẻ sẽ có cơ hội tổng hợp vitamin D từ ánh nắng mặt trời và nhờ đó có thể hấp thu canxi tối đa.

BÀI TẬP

1. Xét một khung dây và nam châm thẳng đang chuyển động cùng chiều sang phải với tốc độ lầ lượt là v₁ và v₂. Hình nào biểu diễn đúng chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây?

Hướng dẫn chi tiết:

Đáp án A. 

Giải thích: Trường hợp C không có biến thiên từ thông nên không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Các trường hợp A, B, C, chiều của dòng điện được xác định như sau:

2. Thành phần từ trường của một sóng điện từ tại điểm M biến thiên theo phương trình B = 3cos( (mT). Tại thời điểm cường độ điện trường tại M đạt cực đại thì độ lớn cảm ứng từ tại điểm đó bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn chi tiết:

Tại một điểm, vectơ cường độ điện trường và vectơ cảm ứng từ luôn dao động cùng pha → E biến thiên theo phương trình:  E = 3cos(

E đạt cực đại khi cos( = 1 → B = 3 (T)

Độ lớn cảm ứng từ tại điểm đó bằng 3 T.

Vậy độ lớn cảm ứng từ bằng 3 T

3. Một khung dây dẫn kín, phẳng có diện tích 10 cm², gồm 100 vòng dây, đặt trong từ trường có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Độ lớn cảm ứng từ biến thiên theo thời gian như đồ thị trong Hình 12P.1. Vẽ đồ thị độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây theo thời gian.

Hướng dẫn chi tiết:

Theo đề bài có: S = 10 cm² , N = 100 vòng

Ta có: =  

Thay vào biểu thức ta được:

Tại t = 0,1s → = 0,005 (V)

Tại t = 0,2s → = 0,0025 (V)

Tại t = 0,3s → = 0,0017 (V)

Tại t = 0,4s → = 0 (V)

Đồ thị độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây theo thời gian.