Tài liệu Skkn giáo trình tĩnh điện đành cho học sinh trường chuyên

Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI Đơn vị: Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh Mã số: ................................ (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi) ĐỀ TÀI KHOA HỌC SƯ PHẠM ỨNG DỤNG GIÁO TRÌNH TĨNH ĐIỆN DÀNH CHO LỚP CHUYÊN Người thực hiện: NGUYỄN VĂN CƯ NGUYỄN THỊ MỸ HƯƠNG TRẦN NGUYỄN NAM BÌNH NGUYỄN THỊ THÚY HẰNG Lĩnh vực nghiên cứu: - Quản lý giáo dục:…………………….  - Phương pháp dạy học bộ môn: VẬT LÍ - Lĩnh vực khác: .......................................... 1 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên MỤC LỤC THÔNG TIN ĐỀ TÀI 3 I. Lí do chọn đề tài 4 II. Tổ chức thực hiện đề tài 5 1. Cơ sở lý luận 5 2. Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài 5 III. Hiệu quả của đề tài 6 IV. Đề xuất, khuyến nghị khả năng áp dụng 7 V. Tài liệu tham khảo 7 NỘI DUNG 9 I. PHẦN 1: TĨNH ĐIỆN CƠ BẢN 1. 2. 3. 4. 5. 6. 10 Điện tích. Định luật Coulomb Thuyết electron. Định luật bảo toàn điện tích Điện trường và cường độ điện trường. Đường sức điện Công của lực điện Điện thế. Hiệu điện thế Tụ điện Thêm: Câu hỏi trắc nghiệm 36 II. PHẦN 2: TĨNH ĐIỆN NÂNG CAO 1. 2. 3. 4. 5. 10 15 19 24 26 31 41 Định lí Gauss Điện thế điện tích điểm. Thế năng tĩnh điện Tụ điện – Ghép tụ điện Năng lượng tụ điện - Lực tương tác giữa hai bản cực Chuyển động của điện tích điểm trong điện trường PHẦN 3: TĨNH ĐIỆN CHUYÊN SÂU 42 63 83 105 138 163 6. Xác định cường độ điện trường bằng phương pháp tích phân KẾT LUẬN 164 191 2 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên THÔNG TIN ĐỀ TÀI I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Tĩnh điện là chương mở đầu cho phần Điện học thuộc chương trình vật lí 11. Ở lớp chuyên, Tĩnh điện được giảng dạy vào cuối học kỳ II lớp 10, và được xem là một trong những phần kiến thức khó không chỉ đối với học sinh ở khả năng tiếp nhận lý thuyết và giải 3 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên quyết các bài toán liên quan mà ngay cả giáo viên, việc tìm hiểu các vấn đề chuyên sâu thuộc lĩnh vực này và quan trọng nhất là truyền tải nó đến với người học không phải là đơn giản. Ngoài khó khăn về cảm nhận hiện tượng vật lí, người dạy còn phải liên hệ đến các phép toán đạo hàm, vi phân khi đề cập đến việc xác định điện trường, điện thế hay lực tương tác đối với vật dẫn mang điện …, trong khi đây lại là những phép toán chủ yếu chỉ dành cho học sinh ở cuối năm lớp 11 và đầu năm lớp 12. Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng TĨNH ĐIỆN được viết nhằm mục đích tạo thuận lợi hơn cho công tác dạy và học đối với giáo viên và cả học sinh, đặc biệt là ở trường chuyên, được trình bày dưới dạng chuyên đề nhằm hệ thống lại kiến thức của chương thông qua cách sắp xếp dưới dạng bậc thang từ cơ bản, nâng cao đến chuyên sâu dành cho nhiều đối tượng học sinh khác nhau: • Chương trình cơ bản: dành cho tất cả các lớp, cụ thể, theo phân phối 2 tiết/ tuần và đối với lớp 3 tiết/ tuần có bổ sung phần Đọc thêm thuộc và các bài toán đánh dấu (*) trong phần Bài tập. • Chương trình nâng cao và chuyên sâu: chỉ dành cho lớp chuyên Vật lí. Để thực hiện đề tài này, chúng tôi - nhóm tác giả gồm thầy Nguyễn Văn Cư, cô Nguyễn Thị Mỹ Hương, thầy Trần Nguyễn Nam Bình và cô Nguyễn Thị Thúy Hằng - sau thời gian nghiên cứu, tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, qua hình thức thảo luận và thống nhất, cùng với sự hỗ trợ và phản biện từ thầy cô thuộc tổ chuyên môn, trường THPT chuyên Lương Thế Vinh, tài liệu đã được viết theo trình tự các bước lên lớp, lí thuyết được tóm tắt ngắn gọn theo trọng tâm, bài tập được sắp xếp từ đơn giản đến phức tạp, đặc biệt, chương trình dành cho lớp chuyên sẽ có hình thức trình bày khác hơn so với phần cơ bản, chủ yếu là chứng minh các mục công thức và thêm mục bài tập giải trên lớp đi kèm với làm thêm ở nhà. Vấn đề nằm ở việc lựa chọn các bài toán theo hình thức bậc thang từ thấp lên cao để phù hợp với khả năng tiếp thu của học sinh, nhưng vẫn đảm bảo về nội dung và thời lượng số tiết cho phép. Thời gian thực hiện đề tài kép dài từ tháng 8/2013 đến tháng 4/2014 nhưng chưa đủ để chúng tôi có thể truyền tải hết nguyện vọng của người viết đối với người đọc, nhất là không chỉ dừng lại ở khía cạnh ghi nhận kiến thức thể hiện trong giáo trình, chúng tôi còn mong muốn kiểm định chất lượng nội dung này trên cơ sở thực tế thông qua tương tác trực tiếp với học sinh và rút kinh nghiệm để chỉnh sửa kịp thời, hai nữa là đề tài còn bỏ ngõ rất nhiều vấn đề đã được đề cập nhưng chưa giải quyết hay còn nhiều bài toán lớn thuộc phần chuyên sâu vẫn chưa được khai thác, những thiếu sót này chúng tôi sẽ lại tiếp tục tìm hiểu và cố gắng hoàn thiện trong thời gian tới. Hi vọng giáo trình này sẽ góp 4 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên phần hỗ trợ hiệu quả cho quá trình học tập và nghiên cứu của bạn đọc về chuyên đề Tĩnh điện. II. TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1. Cơ sở lý luận Dạy và học muốn đạt kết quả tốt cần có sự hợp tác chủ động từ cả thầy và trò, vì vậy việc chuẩn bị giáo án phù hợp với khả năng tư duy cho từng đối tượng học sinh cụ thể là trách nhiệm của giáo viên. Để nâng cao tính hiệu quả trong công tác giảng dạy, cụ thể là những vấn đề thuộc chuyên đề Tĩnh điện, chúng tôi mong muốn viết một giáo trình có tính hệ thống dưới dạng tóm tắt bao gồm đầy đủ các nội dung lý thuyết trọng tâm để học sinh có thể hiểu và vận dụng nó vào việc giải quyết một số bài toán điển hình từ cơ bản, nâng cao đến chuyên sâu theo trình tự tư duy từ đơn giản đến phức tạp, đặc biệt dành cho lớp chuyên, tạo nền kiến thức cơ bản, giúp giáo viên thuận lợi hơn trong quá trình lên lớp và học sinh dễ dàng tiếp cận các yếu tố trọng tâm trong bài giảng và vận dụng linh hoạt từng bước vào các bài tập từ dễ đến khó. 2. Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài Dựa trên nền kiến thức tích lũy và kinh nghiệm giảng dạy, chúng tôi thống nhất thực hiện đề tài gồm 3 nội dung chính: cơ bản (12 tiết), nâng cao (16 tiết) và chuyên sâu (35 tiết) theo một kế hoạch dự kiến cụ thể như sau: Kiến thức Cơ bản Nâng cao Chuyên Nội dung Điện tích. Định luật Coulomb Thuyết electron. Định luật bảo toàn điện tích Điện trường và cường độ điện Tiết 1–2 3 4–6 trường. Đường sức điện Công của lực điện 7–8 Điện thế. Hiệu điện thế 9 – 10 Tụ điện 11 – 12 Định lí Gauss 1-4 Điện thế điện tích điểm. Thế 5-7 năng tĩnh điện Tụ điện – Ghép tụ điện 8-10 Năng lượng tụ điện - Lực tương 11-13 tác giữa hai bản cực Chuyển động của điện tích điểm 14-16 trong điện trường Xác định cường độ điện trường 1-3 bằng phương pháp tích phân 5 Thời gian thực hiện 01/08/2013 – 31/08/2013 01/09/2013 – 14/09/2013 15/09/2013 – 28/09/2013 29/09/2013 – 12/10/2013 13/10/2013 – 26/10/2013 27/10/2013 – 09/11/2013 10/11/2013 – 23/11/2013 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên Xác định điện thế bằng phương pháp tích phân Điện dung vật dẫn và hệ vật dẫn Vật dẫn trong điện trường Điện môi trong điện trường Phương pháp ảnh điện Lực tương tác giữa các vật dẫn Dao động có lực tĩnh điện Bài tập thực hành phần điện 6 4-6 24/11/2013 – 07/12/2013 7-9 10-13 14-15 16-18 19-20 21-24 25-30 08/12/2013 – 21/12/2013 22/12/2013 – 11/01/2014 12/01/2014 – 25/01/2014 26/01/2014 – 15/02/2014 16/02/2014 – 01/03/2014 02/03/2014 – 15/03/2014 16/03/2014 – 30/03/2014 tiết Thực hành phần điện 6 tiết 30-35 Từ cơ sở này, nội dung và chất lượng của giáo trình sau đó sẽ được kiểm định thông qua thực tế giảng dạy, ghi nhận sai sót và tiến hành chỉnh sửa để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn tạo hiệu quả ứng dụng cao. Như đã nói ở mục Lí do chọn đề tài, hiện tại, chúng tôi chủ yếu gửi đến quí bạn đọc hai phần gồm cơ bản và nâng cao, kèm theo bài mở đầu thuộc phần chuyên sâu là Xác định cường độ điện trường bằng phương pháp tích phân. Nguyên nhân xét đến hạn chế của đề tài do ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khách quan, như tính phức tạp của bài toán ngày càng cao, thời gian thực hiện đề tài gắn liền với nhiều công tác chuyên môn của mỗi thành viên như dạy chuyên, tham gia các cuộc thi Sáng tạo khoa học cấp THPT, Giáo viên dạy giỏi cấp tỉnh…nên công việc biên soạn không thực hiện theo đúng kế hoạch được đề cập như trên. III. HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI Tính hiệu quả của đề tài được đánh giá dựa trên thực tế giảng dạy của giáo viên và khả năng tiếp thu và vận dụng ở học sinh, đây là một trong những vấn đề trọng tâm khi thực hiện đề tài. Tuy nhiên, thời gian này chúng tôi hiện chỉ bước đầu đầu gắn liền với thực nghiệm sư phạm với phần cơ bản, dành cho tất cả các lớp trong chương trình giảng dạy Vật lí 11 thuộc về chương Tĩnh điện theo Sách giáo khoa Vật lí 11 cơ bản. Kết quả thực nghiệm qua đánh giá từ một số giáo viên cho thấy nội dung kiến thức của đề tài đảm bảo tính đủ và chính xác theo sách giáo khoa, bài tập sắp xếp hợp lí phù hợp với thời lượng tiết theo phân phối chương trình tạo thuận lợi cho người dạy trong khâu chuẩn bị giáo án và cả người học vì các em có thể tiết kiệm thời gian ghi chép, tập trung nhiều hơn vào bài giảng, nắm được nội dung trọng tâm và đặc biệt, không cần phải làm bài tập tràn lan từ nhiều nguồn sách khác nhau nhưng vẫn vận dụng tốt kiến thức trong các bài kiểm tra và có thể liên hệ giải thích được một số hiện tượng thực tế đơn giản. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn chưa có bảng 6 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên thống kê cụ thể về việc đánh giá chất lượng học tập của học sinh trong quá trình áp dụng đề tài vào giảng dạy thực tế ở đề tài lần này. IV. ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG Việc viết một giáo trình đòi hỏi người thực hiện phải có kiến thức, do đó việc thảo luận, tìm tòi, tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau là thường xuyên, và may mắn khi nhóm được tiếp nhận nhiều ý kiến đóng góp bổ ích từ thầy cô có kinh nghiệm trong tổ bộ môn nhằm đảm bảo tính chất lượng và chuẩn xác của giáo trình, điều này cần được kiểm nghiệm dựa trên thực tế sư phạm trước khi trở thành giáo trình chính thức lưu hành nội bộ trong nhà trường. Tùy vào từng đối tượng học sinh mà lựa chọn phần giảng dạy thích hợp, rất hi vọng đề tài Tĩnh điện thể hiện được tính hữu dụng đối với bạn đọc. V. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giải bài tập và bài toán cơ sở vật lí, Tập 3, Lương Duyên Bình – Nguyễn Quang 2. Hậu, NXBGD 2009. Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí trung học phổ thông, Tập 2, Vũ Thanh 3. 4. Khiết – Vũ Đình Túy, NXBGD 2005. Bài tập Vật lí chọn lọc, Nguyễn Quang Học, NXB Khoa học và kĩ thuật 2002. Giải toán vật lí 11, Tập 1, Điện và Điện Từ, Bùi Quang Hân và các cộng sự, 5. NXBGD 2000. Một số vấn đề nâng cao trong vật lí THPT, Tập 2, Phạm Văn Thiều, NXBGD 6. 2009. Các đề thi học sinh giỏi vật lí (2001 – 2010), Vũ Thanh Khiết – Vũ Đình Túy, 7. NXBGD 2011 Bài tập vật lý 11, Lưu Hải An, Nguyễn Hoàng Kim, Vũ Thanh Khiết, NXBGD 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 2012 Bài tập vật lí chọn lọc – Nguyễn Quang Học Đề tham khảo Olympic 2011 Vật Lý Đại Cương - Điện học , Lương Duyên Bình, NXBGD 2012 Bài tập vật lí đại cương – Nguyễn Quang Hậu Bài tập cơ sở vật lí – Tập 3 Trường Điện Từ, Ngô Nhật Ảnh, NXB ĐHQG TPHCM 2006 Điện Học Đại Cương, Nguyễn Hữu Thọ, NXB ĐHQG TPHCM 2009 Bài tập Vật Lý, tập 2 Điện dùng cho khối KHTN và kĩ thuật, NXB ĐHQG TPHCM 2007. 16. Báo vật lí và tuổi trẻ 17. Ứng dụng tích phân để giải bài tập tĩnh điện, Phạm Hồng Quang, THPT chuyên Hoàng Văn Thụ, Hòa Bình. 18. Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông – L.Tarasov & A.Tarasova (Trần Nghiêm dịch) 19. Nguồn http://d.violet.vn/uploads/resources/329/1688831/preview.swf 7 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên NGƯỜI THỰC HIỆN Chữ kí của các thành viên trong nhóm: Nguyễn Văn Cư Nguyễn Thị Mỹ Hương Trần Nguyễn Nam Bình Nguyễn Thị Thúy Hằng NỘI DUNG 8 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên I. PHẦN 1: TĨNH ĐIỆN CƠ BẢN Nội dung cơ bản có 6 bài sắp xếp theo phân phối chương trình chuẩn thuộc chương 1, Điện tích – Điện trường, SGKVL11 CƠ BẢN, BGDVN: STT 1 2 3 4 5 Nội dung Điện tích. Định luật Coulomb Thuyết electron. Định luật bảo toàn điện tích Điện trường và cường độ điện trường. Đường sức điện Công của lực điện Điện thế. Hiệu điện thế Tiết 1–2 3 4–6 7–8 9 – 10 Hình thức trình bày gồm các phần cụ thể với mục tiêu tương ứng: Phần A B C D E Nội dung Tóm tắt Đọc và làm them Câu hỏi chuẩn bị bài Bài tập định tính Bài tập Mục tiêu Tóm gọn kiến thức trọng tâm, cần ghi nhớ. Thông tin tham khảo và thực hành đơn giản. Câu hỏi gợi ý giúp HS ôn lại kiến thức sau bài giảng. Bài tập liên hệ các hiện tượng thực tế đơn giản. Bài tập toán tự luận dành cho vật lí (* dành thêm cho lớp 3 tiết/ tuần). 9 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên BÀI 1. ĐIỆN TÍCH – ĐỊNH LUẬT COULOMB (Tiết 1) A. Tóm tắt 1. Điện tích − Điện tích điểm • Có thể làm cho một vật nhiễm điện bằng cách: cọ xát với vật khác, tiếp xúc với vật đã nhiễm điện. • Điện tích: là số đo độ lớn thuộc tính điện của vật mang điện. Có hai loại điện tích: dương và âm. • Điện tích điểm: vật mang điện có kích thước nhỏ so với khoảng cách tới điểm ta xét. • Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau. Các điện tích trái dấu thì hút nhau. • Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Culông. Kí hiệu: C 2. Định luật Cu-lông • Hai điện tích điểm q1, q2 đứng yên trong chân không, cách nhau một đoạn r, thì tương tác với nhau một lực có độ lớn F 0 tỉ lệ với tích độ lớn các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. qq • Biểu thức: F0 = k 1 2 2 với k = 9.109 (Nm2/C2) r 3. Tương tác của các điện tích điểm đứng yên trong điện môi đồng chất • Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích điểm đặt trong điện môi đồng chất sẽ giảm so với tương tác trong chân không ε lần, ε gọi là hằng số điện môi. • Biểu thức: F=k q1q 2 ε r2 4. Véctơ lực tương tác giữa hai điện tích điểm Điểm đặt: trên mỗi điện tích. • Phương: trùng với phương đường thẳng qua • điểm đặt 2 điện tích. Chiều: – Hướng ra xa hai điện tích nếu chúng • •  F21 q1 q1   F21 F12 cùng dấu. – Hướng từ điện tích nọ đến điện tích kia nếu chúng trái dấu. Độ lớn: F = F = k q1q 2 12 21 ε r2 10 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên r r r Chú ý: Điện tích điểm q chịu tác dụng của nhiều lực điện f1 ,f 2 ,..., f n thì hợp lực tác r r dụng là F = ∑ f i B. Đọc và làm thêm 1. Đọc thêm: Giới thiệu về cân xoắn Cu-lông; in, phun sơn tĩnh điện ; máy photocopy 2. Làm thêm: Một thanh tích điện hút các mẩu giấy vụn khô. Các mẩu này sau khi chạm vào thanh thường bật ra khỏi thanh rất nhanh. Giải thích? - Có thể tiến hành thí nghiệm với nút bấc và máy Wimshurt (có trong phòng thí nghiệm), cấu tạo và hoạt động của Wimshurt có thể tham khảo đoạn phim : http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og. - Giải thích: + Ban đầu, mẩu giấy vụn trung hòa về điện, mẫu giấy vụn là vật nhẹ, nên đặt gần thanh tích điện bị hút về phía thanh tích điện. (Thực tế, các vật nhẹ bị hút khi đặt gần các vật nhiễm điện được giải thích do hiện tượng nhiễm điện hưởng ứng- đối với các vật dẫn, hoặc hiện tượng phân cực điện môi- đối với các vật cách điện) + Khi chạm vào vật nhiễm điện, có sự nhiễm điện do tiếp xúc, khi đó, mẩu giấy vụn có cùng điện tích với thanh nhiễm điện nên bị đẩy bật ra khỏi thanh nhiễm điện rất nhanh. + Điện tích của mẩu giấy nhanh chóng bị trung hoà (bởi các hạt mang điện trong không khí) nên sau đó, quá trình lặp lại làm giảm điện tích của thanh tích điện, cho đến khi thanh tích điện không tạo ra lực hút đủ lớn làm các mẩu giấy chuyển động nữa. C. Câu hỏi chuẩn bị bài 1. Trình bày hiểu biết về điện tích? 2. Trình bày hiểu biết về lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích? D. Bài tập định tính Mô tả hiện tượng xảy ra đối với quả cầu kim loại nhẹ, không mang điện sau khi đưa một chất điểm mang điện dương lại gần nó? Dùng để giới thiệu cho bài sau HS có thể dự đoán: Trong quả cầu kim loại chứa nhiều electron tự do, nên sẽ bị điện tích điểm dương hút lại, như vậy đối với một electron sẽ có hai lực điện tác dụng, lực điện do điện tích dương bên ngoài hút và lực điện do các e kế bên đẩy, electron sẽ nằm cân bằng dưới tác dụng của các lực điện này, kết quả là có sự phân bố lại electron trong quả cầu, làm cho một phía dư electron và một phía thiếu electron. Đây chính là hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng mà ta sẽ khảo sát trong bài học sau. E. Bài tập (Tăng tiết 1) 1.1. Lực tác dụng giữa một điện tích điểm q1 = 4.10-5 C và một điện tích khác q2 = 5.10-5 C đặt cách nhau một đoạn r = 2 m trong không khí bằng bao nhiêu? 11 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên ĐS: F = 4,5 N 1.2. Hạt nhân nguyên tử hidrô mang điện tích Q = +e. Electron của nguyên tử đó ở cách xa hạt nhân một đoạn r = 5.10 –11 m. Xác định lực điện tác dụng giữa electron và hạt nhân của nguyên tử hidrô. ĐS: Fđ = 9,216.10-8 N Mở rộng: So sánh lực tĩnh điện này với lực hấp dẫn giữa chúng ở cùng khoảng cách trên. (Fhd = 2,209.10-50 N ≈ 4.1042Fhd) 1.3. Nếu lực tác dụng giữa hai điện tích điểm 4.10 -7 C và 10-7 C đặt trong không khí cách nhau một đoạn r là 0,9 N thì r bằng bao nhiêu? ĐS: r = 2 cm 1.4. Hai quả cầu nhỏ mang điện tích q 1 và q2 có q1 + q2 = 6.10-7 C đặt cách nhau một đoạn 3 cm trong chất điện môi có hằng số điện môi bằng 2. Hai lực tác dụng lên hai quả cầu này có cùng độ lớn 0,8 N hướng vào nhau. Điện tích q 2 bằng bao nhiêu? HD: Hai lực hướng vào nhau => hai điện tích trái dấu  q1q2 = -Fr2/k = -0,8.0,032/ (9.109) = -8.10-14 q1 và q2 là nghiệm của phương trình bậc 2: X2 - 6.10-7X - 8.10-14 = 0 Suy ra: q1 ≈ 7,12.10-7 C, q2 ≈ -1,12.10-7 C hoặc q2 ≈ 7,12.10-7 C, q1 ≈ -1,12.10-7 C Mở rộng: Có thể thay đổi câu hỏi: • Cho q1 - q2 = 6.10-7 C • hoặc F hướng ra xa nhau 1.5. Cho ba điện tích điểm q1 = 4 µC; q2 = 16 µC và q3 = –64 µC lần lượt đặt cố định tại ba điểm A, B, C thẳng hàng (trong chân không) với B nằm giữa A và C, AB = 20 cm, BC = 60 cm. a) Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên điện tích q1. b) Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên điện tích q2. HD: Tính được: F12 = 14,4 N, F13 = 3,6 N, F23 = 25,6 N a) Do F21 ngược hướng F31 và F12 > F13 nên F1 = F12 - F13 = 10,8 N b) Do F12 cùng hướng F32 nên F1 = F12 + F32 = 40 N 1.6. *Trong chân không có ba điện tích điểm q 1 = 6 µC; q2 = 12 µC và q3 < 0 lần lượt đặt cố định tại ba điểm A, B, C thẳng hàng với AB = 20 cm, BC = 40 cm. Lực điện tổng hợp tác dụng lên điện tích q1 bằng F = 14,2 N. Xác định điện tích q3. 12 + A q2 + B q 1 q3 _ q3 C Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên HD: Tính được: F21 = 16,2 N Do q3 < 0 nên F21 ngược hướng F31 => F1 = |F21 – F31| Suy ra F31 = 2 N (q3 ≈ 13,3 µC) hoặc F31 = 30,4 N (q3 ≈ 202,7 µC) 1.7. * Trong chân không có ba điện tích điểm q 1 = 2,0.10-6 C, q2 = –2,0.10-6 C, q3 = 1,5.10-6 C đặt lần lượt tại ba đỉnh A, B, C của một tam giác vuông ABC tại A, AB = AC = 3 cm. Tính lực điện tổng hợp tác dụng lên điện tích điểm q1. ĐS: Tính được lực hút F21 = 40 N, lực đẩy F31 = 30 N. Góc hợp bởi hai véc-tơ lực là 900 nên F1 = 50 N. Có thể giải bằng cách xác định cường độ điện trường tại các điểm rồi dùng công thức r r F = qE . Mở rộng: tính lực điện tổng hợp lên q2, q3. 1.8. *Có ba điện tích q1 = q2 = q3 = 1,0.10-6 C đặt trong chân không ở 3 đỉnh tam giác đều cạnh a = 20 cm. Tính lực điện tác dụng lên mỗi điện tích. ĐS: Tính được các lực đẩy F21 = F12 = F31 = F13 = F23 = F32 = F0 = 0,225 N Góc hợp bởi các cặp lực đẩy là 600 nên mỗi điện tích chịu 1 lực tổng hợp F = 2F0cos300 = 0,390 N. 1.9. *Hai điện tích điểm q1 = 20 nC, q2 = -80 nC đặt cố định tại A và B trong không khí với AB = 8 cm. Điện tích q 3 phải đặt ở đâu và có giá trị bao nhiêu để q 3 cân bằng? HD: Điều kiện cân bằng của q3: 3 dien tich thang hang,q 3nam ngoai AB r r r  F13 Z [ F23  r r F13 + F23 = 0 ⇒  ⇒  r13 q1 1  F13 = F23  r = q = 2 (*) 2  23 Ta thấy dù q3 có giá trị bao nhiêu, > 0 hay < 0 thì q3 sẽ cân bằng nếu nó nằm trên đường thẳng qua A, B và nằm ngoài đoạn AB. Do r13 < r23 nên q3 phải nằm gần q1 hơn → r23 – r13 = r12 = 8 cm. Kết hợp với (*) suy ra r13 = 8 cm. Mở rộng: + Nếu q1, q2 cùng dấu, kết quả bài toán thay đổi như thế nào? + Nếu q1, q2 được thả tự do thì q 3 phải có dấu và độ lớn như thế nào để q 1, q2 cũng cân bằng. Kết luận: Có 2 điện tích q1, q2 đặt cố định tại A, B, vị trí q3 để q3 cân bằng: + Nếu q1 q2 > 0: q3 đặt tại điểm M thuộc đoạn AB, vị trí q3 xác định bởi biểu thức 13 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 r13 = r23 q1 q2 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên → nằm gần điện tích có độ lớn nhỏ hơn + Nếu q1 q2 < 0: q3 đặt tại điểm M trên đường thẳng AB, nằm ngoài đoạn AB, vị trí q3 xác định bởi biểu thức r13 = r23 q1 q2 → nằm gần điện tích có độ lớn nhỏ hơn 1.10. *Một quả cầu nhỏ khối lượng m = 30 g mang điện tích q 1 = 1,0 µC. Quả cầu nhỏ này được treo bằng sợi tơ vào giá đỡ ở phía trên một quả cầu khác mang điện tích q2 = +1,5 µC sao cho tâm của hai quả cầu ở trên cùng một đường thẳng đứng và cách nhau một đoạn r = 25 cm. Lấy g = 10 m/s2. Tính lực căng của sợi dây. HD: Khi không có q2: T = mg = 0,3 N. • Khi có q2, điện tích này đẩy q1 thẳng đứng lên trên, do đó sức căng của dây sẽ • giảm còn T’ = T – F21 = 0,216 N. Đặt vấn đề: Lực căng dây thay đổi như thế nào trước và sau khi có điện tích q2? - Khi chưa có q2, để q1 cân bằng T = P; - Khi có q2 với q2 q1 > 0, để q1 cân bằng T = P - Fđ < P; Mở rộng: Hiện tượng xảy ra khi thay đổi điện tích của q2? - Nếu tăng độ lớn của điện tích q 2, lực căng dây giảm dần, khi P = F đ, lực căng dây bằng 0. - Nếu tiếp tục tăng độ lớn của q 2; q1 sẽ di chuyển lên, khi đó khoảng cách giữa 2 điện tích tăng, lực điện giảm, đến khi P = Fđ thì quả cầu q1 lại cân bằng. - Khi có q2 với q2q1 < 0, để q1 cân bằng T = P + Fđ > P; Bài 2. THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐIỆN TÍCH (Tiết 2) A. Tóm tắt 1. Nội dung thuyết electron (thuyết điện tử) a) Điện tích nguyên tố: Điện tích nhỏ nhất tồn tại trong tự nhiên, có trị số e = 1,6.10 19 C. b) Electron: Hạt sơ cấp mang điện tích nguyên tố âm q = -e = -1,6.10 -19 C. Khối lượng m = 9,1.10-31 kg. 14 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên c) Nguyên tử: Mỗi nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện dương và những electron quay quanh hạt nhân. Bình thường nguyên tử trung hòa về điện, khi đó điện tích dương của hạt nhân có trị số bằng giá trị tuyệt đối tổng điện tích âm của các điện tử chuyển động quanh hạt nhân. d) Ion: Khi nguyên tử mất đi electron gọi là ion dương. Khi nguyên tử nhận thêm electron gọi là ion âm. e) Học thuyết căn cứ vào sự chuyển động của các êlectrôn để giải thích tính chất điện của các vật và các hiện tượng điện gọi là thuyết điện tử. 2. Chất dẫn điện và chất cách điện a) Chất dẫn điện: điện tích có thể di chuyển đến khắp mọi điểm trong chất đó. b) Chất cách điện: điện tích không thể di chuyển tự do. 3. Định luật bảo toàn điện tích: Trong một hệ cô lập (hệ kín) về điện, tổng đại số các điện tích là một hằng số. B. Đọc và làm thêm 1. Dùng lưỡi cưa để cưa một cây thước nhựa thì trên lưỡi cưa thường dính nhiều mạt nhựa. Vì sao? - Khi dùng lưỡi cưa cưa thước nhựa, do cọ xát, thước nhựa và lưỡi cưa nhiễm điện trái dấu, nên khi đó trên lưỡi cưa thường dính nhiều hạt nhựa. → Hiện tượng xảy ra như thế nào nếu dùng cưa để cưa gỗ? → Thực ra là có nhưng rất ít, do bản chất của gỗ và nhựa khác nhau nên tính chất nhiễm điện cũng khác nhau. 2. Cọ xát 1 chiếc lược rồi đưa nó lại gần dòng nước nhỏ chảy ra từ vòi. Quan sát hiện tượng và giải thích. - Khi cọ xát chiếc lược, chiếc lược bị nhiễm điện. - Khi đặt gần dòng nước nhỏ chảy ra từ vòi, do hiện tượng phân cực điện môi trong điện trường sẽ bị hút về phía chiếc lược. → Có hiện tượng nhiễm điện do co xát giữa nước và vòi không? → Chỉ một số chất lỏng như gas, xăng, dầu, ete mới có thể bị nhiễm điện do cọ xát với thành bình. 3. Một que tăm nhỏ được đặt trên thành của một đồng xu dựng đứng, hệ đặt trong một chiếc ly lật úp để ngăn cách với bên ngoài. Tìm cách làm que tăm rớt khỏi đồng xu mà không được chạm vào ly? + Phương án đề nghị: Dùng một vật nhiễm điện (quả bóng hoặc thanh nhựa đã cọ xát với vật khác), để gần thành ly, khi đó, do tương tác điện, cây tăm sẽ bị lệch ra và rơi khỏi đồng xu. Thực tế: Đã dùng thử thanh nhựa nhưng không có hiện tượng gì xảy ra, có thể do 15 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên điện tích của thanh nhựa quá nhỏ. C. Câu hỏi chuẩn bị bài 1. Trình bày hiểu biết về thuyết electron? 2. Phân biệt chất dẫn điện và chất cách điện? 3. Trình bày các phương án có thể có để làm nhiễm điện cho một vật? 4. Khi vật A nhiễm điện dương tiếp xúc với vật B chưa nhiễm điện. Dự đoán kết quả của hiện tượng và giải thích tại sao lại thu được kết quả như vậy? D. Bài tập định tính 1. Hãy giải thích một vài hiện tượng nhiễm điện mà em biết? 2. Một thanh thủy tinh tích điện dương hút một vật nhẹ treo trên một sợi dây không dẫn điện. Kết luận gì về tính chất điện của vật nhẹ? Đây là kiến thức mở rộng: Theo suy luận của HS, thì vật nhẹ bị hút chắc chắn nhiễm điện âm, do hưởng ứng. Tuy nhiên, vật nhẹ ở đây là điện môi, nên không thể có e tự do để gây nên hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng → Bổ sung kiến thức về sự phân cực của điện môi trong điện trường. 3. Các ô tô chở xăng dầu có nguy cơ cháy nổ rất cao. Nguy cơ này xuất phát từ cơ sở vật lí nào? Người ta đã làm gì để phòng chống cháy nổ cho các xe này? Xuất phát từ 2 nguyên nhân: 1. Do thành xe ma sát với không khí → Hạn chế được khi dùng sơn phủ bên ngoài thành xe. 2. Do xăng dầu sóng sánh (ma sát) trong thùng xe khi di chuyển, gây ra sự nhiễm điện trái dấu giữa thành xe và xăng dầu → nguy cơ cháy nổ cao. Cần thêm một sợi dây xích sắt để dẫn truyền điện tích xuống đất, vì đất chính là vật dẫn điện cực mạnh. 4. Nếu có một vật dẫn cô lập được tích điện dương thì bằng cách nào ta có thể tích điện cho hai quả cầu cô lập ban đầu chưa tích điện (phải làm cho một quả cầu được tích điện dương và quả kia tích điện âm), bằng vật dẫn đó mà không làm giảm điện tích của nó? Cho hai quả cầu A, B tiếp xúc nhau. Quả cầu C đặt sao cho tâm của nó nằm trên đường thẳng nối tâm hai quả cầu A và B. Do hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng, các quả cầu A và B sẽ nhiễm điện trái dấu và có độ lớn bằng nhau. Vẫn giữ nguyên vị trí quả cầu C ở gần A và B, Tách đột ngột các quả cầu A và B, ta được hai quả cầu tích điện trái dấu và có độ lớn bằng nhau. E. Bài tập (Tiết 3) 2.1. Một quả cầu nhỏ mang điện tích q = –8 µC. Hỏi quả cầu đó thừa hay thiếu bao nhiêu electron? 16 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên HD: q < 0 => quả cầu thừa N = q/(-e) = 5625.1010 electron. * Mở rộng: Xét bài toán ngược Biết điện tích nguyên tố dương có giá trị 1,6.10 -19 C, nếu có 107 electron rời khỏi quả cầu kim loại ban đầu mang điện tích q0 = 3.10-12 C thì điện tích của quả cầu sau đó bằng bao nhiêu? ĐS: 4,6.10-12 C 2.2. Hai quả cầu kim loại A và B giống nhau đặt trên giá cách điện. Quả cầu A có điện tích 8 µC và quả cầu B có điện tích 4 µC. Cho hai quả cầu chạm nhau rồi tách chúng ra. Điện tích cuối cùng trên quả cầu A bằng bao nhiêu? HD: Khi cho hai quả cầu tiếp xúc, chúng sẽ trao đổi điện tích cho nhau đến khi hai quả có cùng điện tích q’1 = q’2 = (8 + 4)/2 = 6 µC (do hai quả có cùng kích thước và chất liệu nên khả năng tích điện như nhau). * Mở rộng: Nếu hai quả cầu có kích thước khác nhau thì sao? → Do sự phân bố điện tích trên bề mặt vật dẫn nên quả cầu nào có kích thước lớn thì chứa nhiều điện tích hơn 2.3. Có ba quả cầu kim loại, kích thước giống nhau. Quả cầu A mang điện tích +27 µC, quả cầu B mang điện tích –3 µC, quả cầu C không mang điện. Cho hai quả cầu A và B chạm nhau rồi tách chúng ra. Sau đó cho hai quả cầu B và C chạm nhau. Tính điện tích trên mỗi quả cầu. HD: Sau khi cho A và B tiếp xúc rồi tách ra thì mỗi quả mang điện tích 12 µC. Sau khi cho B và C tiếp xúc rồi tách ra thì mỗi quả mang điện tích 6 µC. 2.4. Hai quả cầu nhỏ giống nhau, cách nhau một khoảng lớn hơn nhiều lần đường kính của chúng. Ban đầu chúng được tích điện –2.10-6 C và 4.10-6 C, lực tương tác giữa chúng là 1 N. Không thay đổi vị trí hai quả cầu trên, người ta nối giữa hai quả cầu bằng một sợi dây dẫn điện và sau đó tháo sợi dây ra thì lực tương tác giữa chúng khi đó bằng bao nhiêu? HD: Việc nối dây cũng tương đương với việc cho hai quả cầu tiếp xúc => Điện tích lúc sau của hai quả là 10-6 C. Khoảng cách không đổi, nhưng tích độ lớn hai điện tích giảm 8 lần nên lực tương tác giảm 8 lần. 2.5. Câu hỏi: tháo sợi dây ra có làm cho điện tích của hệ mất đi? *Hai quả cầu kim loại giống nhau, mang điện tích q 1, q2 đặt cách nhau r = 50 cm trong chân không thì hút nhau một lực F 1 = 0,108 N. Nối hai quả cầu bằng một dây dẫn, xong bỏ dây dẫn đi thì thấy hai quả cầu đẩy nhau với một lực F 2 = 36.10-3 N. Tính q1, q2. HD: Sau khi nối dây, điện tích của mỗi quả bằng (q1 + q2)/2. 17 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Ta có: q1q2 = F1r 2 = 3.10−12 , q1 + q2 = k Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên 4 F2 r 2 = 4.10 −12 k Xét các trường hợp: q1q2 > 0 và q1 + q2 > 0; q1q2 > 0 và q1 + q2 < 0; q1q2 < 0 và q1 + q2 > 0; q1q2 < 0 và q1 + q2 < 0 Mở rộng: Tìm tổng q1 + q2 hoặc xác định điện tích các quả cầu lúc sau → Không cần dữ kiện F1 2.6. Hai quả cầu nhỏ giống nhau bằng nhôm không nhiễm điện, mỗi quả có khối lượng m = 0,1 g và được treo bằng một sợi chỉ tơ dài l = 1 m vào cùng một điểm cố định trong chân không. Sau khi chạm một vật nhiễm điện vào một trong hai quả cầu thì thấy chúng đẩy nhau và tách ra xa nhau một đoạn r = 6 cm. Hãy giải thích hiện tượng và xác định điện tích q của mỗi quả cầu. Cho g = 10 m/s2. HD: Chạm vật nhiễm điện vào 1 quả cầu thì do quả này tiếp xúc với quả còn lại nên toàn bộ điện tích mà quả nhận được sẽ chia đều cho chúng và bằng q. Khi các quả cân bằng, hợp lực của 3 lực P, T, F tác dụng lên từng quả bằng 0. Từ hình bình hành lực, ta suy ra tan α = F với α là góc hợp bởi phương dây treo từng P quả với phương thẳng đứng. Về mặt hình học, ta cũng có sin α = sinα ≈ tanα => F = mgr / 2l = 0,03 N => q = r r/2 . Do r << l nên l F ≈ 1,1.10−7 C . k Mở rộng: Giữ một quả cầu cố định theo phương thẳng đứng. BÀI 3. ĐIỆN TRƯỜNG (Tiết 4 + 5) A. Tóm tắt 1. Định nghĩa điện trường Điện trường là dạng vật chất gắn liền với điện tích, tồn tại quanh vật mang điện và tác dụng lực điện lên điện tích khác đặt trong nó. 2. Cường độ điện trường a) Định nghĩa: Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực. Độ lớn của nó được đo bằng thương của độ lớn  lực F tác dụng lên điện tích thử dương đặt tại điểm đó với độ lớn của điện tích đó: E = F với [F]: N; [q]: C; [E] = V/m q 18 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên r - Cường độ điện trường là đại lượng vectơ: Er = F q b) Cường độ điện trường của điện tích điểm Q trong môi trường có hằng số điện môi ε A B Q>0 r E A – r E B Q<0 Vectơ cường độ điện trường tại điểm B do điện tích Q đặt tại A gây ra có: Điểm đặt: tại điểm đang xét B. • Phương: là đường nối điểm đặt A và điểm đang xét B. • Chiều : - Hướng ra xa Q nếu Q > 0 • - Hướng về phía Q nếu Q < 0 Độ lớn: E = k | Q | AB 2 ε.AB • c) Nguyên lý chồng chất điện trường  Các điện tích điểm Q1, Q2,..., Qn gây ra các điện trường có cường độ tương ứng là E1 ,    E 2 ,..., E n tại điểm đang xét. Cường độ điện trường tổng hợp tại điểm đang xét: E = n  ∑E i    = E1 + E 2 + ... + E n i 3. Đường sức của điện trường a) Định nghĩa: Đường sức của điện trường là đường mà tiếp tuyến với nó tại mỗi điểm là giá của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. b) Tính chất của đường sức điện trường Qua 1 điểm trong điện trường chỉ có thể vẽ được 1 đường sức điện trường. Các • đường sức không cắt nhau. Chiều của đường sức điện là chiều đi ra khỏi các điện tích dương và đi đến các • điện tích âm hoặc vô cực. Đường sức của trường tĩnh điện là đường không khép kín. • 19 Đề tài Khoa học sư phạm ứng dụng VẬT LÍ THPT 2014 Giáo trình Tĩnh điện dành cho lớp chuyên Quy ước độ mau hay thưa của đường sức sẽ biểu thị cường độ của điện trường: • nơi nào điện trường mạnh thì đường sức mau, nơi nào điện trường yếu thì đường sức thưa. ( r uuuuur ) c) Điện trường đều: có đường sức song song và cách đều nhau E = const . B. Đọc thêm r r r 1. Lực do điện trường có cường độ E tác dụng lên điện tích q: F = q.E → → • Nếu q > 0: F cùng chiều E . → → • Nếu q < 0: F ngược chiều E . 2. Cường độ điện trường của vật hình cầu có điện tích Q phân bố đều khi xét bên ngoài hình cầu: E = k Q với r là khoảng cách từ tâm quả cầu tới điểm khảo sát nằm ngoài εr 2 quả cầu. C. Câu hỏi chuẩn bị bài 1. Trình bày hiểu biết về điện trường gây ra bởi một điện tích điểm? 2. Trình bày hiểu biết về đường sức điện? D. Bài tập định tính 1. Hai điện tích điểm đặt cách nhau một khoảng trong không khí có điện trường tại một điểm trong khoảng giữa hai điện tích có giá trị bằng 0. Kết luận gì về hai điện tích đã cho? Tại một điểm bất kì trong vùng không gian gần 2 điện tích, cường độ điện trường tổng hợp được tính bởi ur ur E1 = − E 2 , u r u r u r E = E1 + E 2 để cường độ điện trường tổng hợp bằng 0 thì điểm này nằm trong khoảng giữa hai điện tích nên hai điện tích đó cùng dấu. 2. Ở tâm một vòng dây dẫn có dạng đường tròn được tích điện đều thì cường độ điện trường bằng bao nhiêu? Ở tâm của mặt cầu được tích điện đều là bao nhiêu? Chia nhỏ vòng dây thành những đoạn rất nhỏ so với khoảng cách đến tâm vòng tròn để có thể coi như điện tích điểm, xác định cường độ điện trường do từng điện tích điểm đó gây ra tại tâm O → Cường độ điện trường tổng hợp bằng 0 3. Có thể hiểu đường sức điện là quỹ đạo chuyển động của một điện tích điểm dương trong điện trường được không? Không, vì điện tích điểm dương luôn chuyển động theo hướng của lực, mà lực lại cùng hướng với E, nên tại thời điểm ngay sau thời điểm ban đầu, điện tích đã bị kéo sang một đường sức khác. 20