Máy tĩnh điện Van De Graaff trong dạy học vật lí

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