Câu hỏi mở đầu trang 56

Đề bài: Ta đã biết nam châm và dòng điện đều tác dụng lực lên kim nam châm. Vậy xung quanh dòng điện có tồn tại từ trường không? Tính chất cơ bản của từ trường là gì? Từ trường được biểu diễn như thế nào?

Lời giải:

• Xung quanh dòng điện có tồn tại từ trường. Bằng chứng: khi đặt kim nam châm gần dây dẫn có dòng điện, kim nam châm bị lệch khỏi phương ban đầu (thí nghiệm Oersted).
• Tính chất cơ bản của từ trường: gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm, một dòng điện hoặc một hạt mang điện chuyển động đặt trong nó.
• Cách biểu diễn từ trường: dùng đường sức từ — là những đường vẽ trong không gian có từ trường, tiếp tuyến với đường sức từ tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ tại điểm đó.

I. Tương tác từ

Hoạt động trang 56

Đề bài:

1. Khi đưa hai cực cùng tên hay khác tên của một nam châm thẳng và kim nam châm lại gần nhau (Hình 14.1) thì chúng đẩy nhau hay hút nhau?
2. Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn ta thấy kim nam châm lệch một góc so với phương ban đầu (Hình 14.2). Dự đoán điều gì xảy ra nếu ta đổi chiều dòng điện chạy qua dây dẫn. Trong thí nghiệm này, kim nam châm có tác dụng lực lên dòng điện không?
3. Khi cho dòng điện chạy qua hai tấm kim loại mỏng, nhẹ như ở Hình 14.3, ta thấy hai tấm kim loại đẩy nhau. Hãy dự đoán hiện tượng xảy ra nếu dòng điện qua hai tấm kim loại cùng chiều.

Lời giải:

1. Dựa vào Hình 14.1:

• Hai cực cùng tên (N–N hoặc S–S) đưa lại gần nhau → chúng đẩy nhau.
• Hai cực khác tên (N–S) đưa lại gần nhau → chúng hút nhau.

2.

• Dự đoán: khi đổi chiều dòng điện, kim nam châm sẽ lệch theo hướng ngược lại so với ban đầu.
• Trong thí nghiệm này, kim nam châm có tác dụng lực lên dòng điện. Vì tương tác giữa hai vật luôn có tính qua lại: nếu dòng điện tác dụng lực lên kim nam châm thì ngược lại, kim nam châm cũng tác dụng lực lên dòng điện.

3. Ở Hình 14.3, dòng điện qua hai tấm kim loại có chiều ngược nhau thì hai tấm đẩy nhau. Vậy nếu dòng điện qua hai tấm kim loại cùng chiều thì hai tấm sẽ hút nhau.

II. Từ trường

Hoạt động trang 57

Đề bài: Hãy mô tả một thí nghiệm khảo sát lực từ do nam châm tác dụng lên dòng điện.

Lời giải:

Chuẩn bị: một nam châm hình chữ U, một đoạn dây dẫn thẳng treo bằng hai dây mềm sao cho có thể chuyển động được, nguồn điện, khoá K.

Tiến hành:

• Đặt đoạn dây dẫn treo lơ lửng giữa hai cực của nam châm hình chữ U.
• Đóng khoá K để dòng điện chạy qua dây dẫn.
• Quan sát đoạn dây dẫn.

Kết quả: đoạn dây dẫn bị lệch khỏi vị trí ban đầu → chứng tỏ nam châm đã tác dụng lực từ lên dây dẫn có dòng điện.

Kiểm chứng thêm: nếu đổi chiều dòng điện thì thấy dây dẫn lệch theo chiều ngược lại; nếu đảo cực nam châm cũng cho kết quả tương tự.

III. Đường sức từ

Hoạt động trang 57 (Thí nghiệm 1 – Từ phổ của nam châm)

Đề bài: Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở khoảng giữa của hai nam châm thẳng Hình 14.4b và ở khoảng giữa của hai nam châm thẳng Hình 14.4c.
2. Nhận xét về hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở giữa hai cực của nam châm hình chữ U. Từ đó có thể rút ra kết luận gì về từ trường trong khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U.

Lời giải:

1. So sánh Hình 14.4b và Hình 14.4c:

• Hình 14.4b (hai cực khác tên gần nhau): các mạt sắt sắp xếp thành những đường cong nối liền từ cực này sang cực kia của hai thanh nam châm, phân bố dày ở khoảng giữa → cho thấy từ trường ở khoảng giữa mạnh.
• Hình 14.4c (hai cực cùng tên gần nhau): các mạt sắt bị đẩy ra hai bên, khoảng giữa hai cực rất ít mạt sắt và không có đường nối liền giữa hai cực → cho thấy các đường sức từ đẩy nhau, không xuyên thẳng qua khoảng giữa.

2. Ở khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U (Hình 14.5): các mạt sắt sắp xếp thành những đường thẳng gần như song song với nhau và cách đều nhau.

Kết luận: từ trường ở khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U là từ trường đều (cảm ứng từ $\vec{B}$ tại mọi điểm đều bằng nhau về phương, chiều và độ lớn).

Hoạt động trang 58 (Thí nghiệm 2 – Từ phổ của dòng điện)

Đề bài: Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Mô tả hình ảnh sự phân bố mạt sắt phân bố xung quanh dòng điện thẳng.
2. Nhận xét về hình ảnh sự phân bố mạt sắt bên trong ống dây và bên ngoài ống dây.
3. So sánh hình ảnh và sự phân bố mạt sắt ở bên ngoài ống dây với hình ảnh đường sức từ của nam châm thẳng.

Lời giải:

1. Dựa vào Hình 14.7, xung quanh dòng điện thẳng: các mạt sắt sắp xếp thành những đường tròn đồng tâm, tâm nằm trên dây dẫn, các đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn.

2. Dựa vào Hình 14.6, đối với ống dây có dòng điện chạy qua:

• Bên trong ống dây: các mạt sắt sắp xếp thành những đường gần như song song với trục của ống dây → cho thấy từ trường trong ống dây gần đúng là từ trường đều.
• Bên ngoài ống dây: các mạt sắt sắp xếp thành những đường cong khép kín, đi từ đầu này sang đầu kia của ống dây.

3. Hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở bên ngoài ống dây rất giống với hình ảnh đường sức từ của nam châm thẳng (đều là những đường cong đi từ một đầu sang đầu kia).

→ Điều này chứng tỏ ống dây có dòng điện chạy qua có tác dụng như một nam châm thẳng: một đầu ống dây đóng vai trò cực Bắc, đầu kia là cực Nam.

Câu hỏi trang 60

Đề bài: Đặt một kim nam châm nhỏ trên mặt phẳng vuông góc với dòng điện thẳng. Khi cân bằng, kim nam châm nằm ở vị trí như Hình 14.11. Hãy xác định chiều của dòng điện chạy qua dây dẫn.

Lời giải:

Cách xác định chiều dòng điện:

Bước 1. Xác định chiều đường sức từ tại điểm đặt kim nam châm.

• Kim nam châm khi cân bằng nằm dọc theo tiếp tuyến với đường sức từ tại điểm đó.
• Chiều của đường sức từ là chiều từ cực Nam sang cực Bắc của kim nam châm (tức là chiều mà cực Bắc — đầu màu đỏ — của kim nam châm chỉ tới).

Bước 2. Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải cho dòng điện thẳng:

• Khum bốn ngón tay của bàn tay phải theo chiều đường sức từ (đường tròn quanh dây dẫn).
• Ngón cái choãi ra chỉ chiều dòng điện trong dây dẫn.

Áp dụng cho Hình 14.11: Dựa vào chiều cực Bắc của kim nam châm trên hình, xác định chiều đường sức từ tại điểm đó (đường sức từ là đường tròn tâm nằm trên dây dẫn). Sau đó dùng quy tắc nắm bàn tay phải để suy ra chiều dòng điện chạy trong dây dẫn (hướng lên trên hoặc hướng xuống dưới tuỳ theo hình).

Em có thể

Giải thích được nguyên tắc hoạt động của la bàn

Lời giải:

Cấu tạo la bàn: gồm một kim nam châm nhỏ có thể quay tự do quanh một trục thẳng đứng, đặt trên một mặt chia độ có ghi các phương hướng (Bắc, Nam, Đông, Tây).

Nguyên tắc hoạt động: La bàn hoạt động dựa vào từ trường của Trái Đất.

• Trái Đất là một nam châm khổng lồ, xung quanh Trái Đất có từ trường.
• Khi để tự do, kim la bàn sẽ định hướng theo từ trường Trái Đất: cực Bắc của kim (thường sơn đỏ) chỉ về phía cực Bắc từ của Trái Đất (gần với cực Bắc địa lí), cực Nam của kim chỉ về phía cực Nam từ.
• Nhờ đó, người dùng có thể xác định được các phương hướng trong không gian, phục vụ đi lại, đo đạc, hàng hải, du lịch…

Nêu được ứng dụng của nam châm trong cuộc sống như tàu đệm từ, nam châm điện

Lời giải:

Một số ứng dụng phổ biến của nam châm trong cuộc sống:

• Tàu đệm từ (maglev): sử dụng lực từ mạnh để nâng tàu lơ lửng trên đường ray, giảm gần như hoàn toàn ma sát → tàu chạy rất nhanh, êm và tiết kiệm năng lượng.
• Nam châm điện: ứng dụng cực kì rộng rãi trong công nghiệp và đời sống:
  • Cần cẩu điện dùng nam châm điện để nâng, di chuyển các vật nặng bằng sắt, thép trong các nhà máy, bến cảng.
  • Có mặt trong loa điện, chuông điện, rơ-le điện, động cơ điện, máy phát điện.
• Máy chụp cộng hưởng từ (MRI): dùng từ trường rất mạnh để chụp ảnh các cơ quan bên trong cơ thể người, hỗ trợ chẩn đoán bệnh trong y học.
• Lưu trữ dữ liệu: ổ cứng máy tính, băng từ, thẻ từ (thẻ ATM, thẻ ra vào)… đều dựa trên hiện tượng nhiễm từ để ghi và đọc dữ liệu.
• Ứng dụng trong đời sống hằng ngày: khoá cửa tủ lạnh, hộp bút nam châm, nam châm dán ghi chú trên bảng, tai nghe, micro…

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn