Skkn phương pháp giải bài toán tụ điện trong vật lí 11

SỞ GD&ĐT VĨNH PHÚC TRƯỜNG THPT NGÔ GIA TỰ BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Tên sáng kiến “Phương pháp giải bài toán tụ điện trong Vật lí 11” Tác giả sáng kiến Trương Thị Thái Mã lĩnh vực[.]

SỞ GD&ĐT VĨNH PHÚC TRƯỜNG THPT NGÔ GIA TỰ BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Tên sáng kiến: “Phương pháp giải toán tụ điện Vật lí 11” Tác giả sáng kiến: Trương Thị Thái Mã lĩnh vực: 12.54 Lập Thạch, năm 2020 skkn MỤC LỤC Lời giới thiệu: .1 Tên sáng kiến: .3 Tác giả sáng kiến: Chủ đầu tư tạo sáng kiến: Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Ngày sáng kiến áp dụng lần áp dụng thử: .3 Mô tả chất sáng kiến: .3 7.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .3 Lý thuyết tụ điện: 1.1 Tụ điện: 1.2 Điện dung tụ điện: 1.3 Năng lượng điện trường tụ điện: 1.4 Ghép tụ điện: 1.5 Chú ý giải tập: Chia dạng tập: .6 7.2 BÀI TẬP TỤ ĐIỆN .7 Một số dạng tập có lời giải: 1.1 Dạng 1: Bài toán tính điện tích, điện dung, hiệu điện lượng điện tụ điện tụ điện: 1.2 Dạng 2: Bài toán ghép tụ điện chưa tích điện: .9 1.3 Dạng 3: Bài tốn ghép tụ điện tích điện - Điện lượng di chuyển đoạn mạch: 13 1.4 Dạng 4: Bài toán giới hạn hoạt động tụ điện: 17 1.5 Dạng 5: Bài toán lượng điện trường tụ điện – Mật độ lượng tụ điện: 19 1.6 Dạng 6: Bài toán chuyển động điện tích tụ điện: 23 Bài tập vận dụng tự giải: 26 Bài tập tự luận: 31 KẾT LUẬN .37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 Những thông tin cần bảo mật: 39 Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: 39 10 Đánh giá lợi ích thu dự kiến thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả theo ý kiến tổ chức, cá nhân tham gia áp dụng sáng kiến lần đầu kể áp dụng thử có: 39 11 Danh sách tổ chức/ cá nhân tham gia áp dụng thử áp dụng sáng kiến lần đầu (nếu có): .40 skkn BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Lời giới thiệu: Vật lý môn khoa học chương trình giáo dục phổ thơng, hệ thống giáo dục phổ thông nước ta Học tập tốt môn vật lý giúp người nói chung học sinh nói riêng có kỹ tư sáng tạo, làm cho người linh hoạt hơn, động sống công việc Môn vật lý môn học quan trọng số đông học sinh Để tiếp tục học tập bậc học cao phát triển tốt tương lai học sinh phải vượt qua kỳ thi THPT QG Do nhu cầu thực tiễn mà khối A A1 có tỷ lệ tuyển vào trường Đại học, Cao đẳng tương đối lớn, nên số lượng học sinh có nhu cầu học tập mơn vật lý tương đối lớn Vì học mơn vật lý khơng dừng lại mức hình thành kỹ giải vấn đề mà cịn có nhu cầu phát triển cao giải tập có tính phức tạp, tính tổng hợp cao mơn Vật lý Nhiệm vụ giảng dạy môn vật lý bậc trung học phổ thông thực mục tiêu giáo dục mà Bộ Giáo dục Đào tạo đề là: - Nắm vững kiến thức mơn - Có kỹ để vận dụng kiến thức môn - Có hứng thú học tập mơn - Có cách học tập rèn luyện kỹ đạt hiệu cao học mơn vật lý - Hình thành học sinh kỹ tư đặc trưng mơn Do đổi kì thi THPT QG, nội dung đề thi có tồn chương trình vật lý THPT Nội dung chương trình vật lý 11 có góp phần nơi dung đề thi THPTQG Cùng với đó, nhiệm vụ chương trình vật lý lớp 11 rèn luyện chuẩn bị cho học sinh hình thành kỹ học tập theo đặc trưng mơn Vật lý lớp 11 có vai trị quan trọng, có tồn cách tiếp cận môn, cách vận dụng kiến thức phát triển tư vật lý cho học sinh Trong phần Vật lý lớp 11 THPT, phần “Tụ điện” có vai trị giúp học sinh bắt đầu hình thành tư vật lý phương pháp tiếp cận toán vật lí, phần tập tương đối khó với nhiều học sinh Phần thể rõ thao tác tư vật lý từ trực quan sinh động skkn đến tư trừu tượng, từ tư trừu tượng đến thực tiễn khách quan như: - Phân tích tượng huy động kiến thức có liên quan để đưa kết nội dung đề cập - Sử dụng kiến thức tốn học có liên quan để thực tính tốn đơn giản suy luận tiếp nội dung mà yêu cầu - Sử dụng kiến thức thực tế để suy luận, để biện luận kết toán (Xác nhận hay nêu điều kiện để tốn có kết quả) Vấn đề đặt là: Làm để học sinh có kỹ giải tập vật lý nói chung, tập tụ điện nói riêng cách lơgíc, chặt chẽ, đặc biệt làm để qua việc rèn luyện kỹ giải tập động học chất điểm nội dung cụ thể giúp học sinh phát triển tư vật lý Trong q trình giảng dạy mơn Vật lý bậc trung học phổ thông, nhận thấy: Ở phần kiến thức có yêu cầu cao vận dụng kiến thức học vào giải tập Vì phần người giáo viên cần đưa phương án hướng dẫn vận dụng kiến thức cách tối ưu để học sinh nhanh chóng tiếp thu dễ dàng vào giải tập cụ thể Theo nhận thức cá nhân tôi, việc hướng dẫn học sinh giải tập cần phải thực số nội dung sau: - Phân loại tập phần theo hướng dạng - Hình thành cách thức tiến hành tư duy, huy động kiến thức thứ tự thao tác cần thực - Hình thành cho học sinh cách trình bày giải phần kiến thức Trong đề tài mình, tơi xin phép trình bày suy nghĩ cá nhân tơi việc hình thành cho học sinh kỹ phương pháp giải tập tụ điện thuộc Vật lý lớp 11 THPT với đề tài “ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỤ ĐIỆN TRONG VẬT LÍ LỚP 11”, áp dụng cho đối tượng học sinh Tôi hy vọng đề tài giúp học sinh nắm phương pháp giải toán vật lý phần động học chất điểm Đồng thời mong muốn tạo cho học sinh hứng thú, say mê học vật lý vận dụng vào giải tập có tính phức tạp với yêu cầu cao giúp học sinh phát triển lực tối đa, tình u đam mê với mơn vật lý THPT skkn Tên sáng kiến: “PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TỤ ĐIỆN TRONG VẬT LÍ LỚP 11” Tác giả sáng kiến: - Họ tên: Trương Thị Thái - Địa tác giả sáng kiến: Trường THPT Ngô Gia Tự - Số điện thoại: 03 96 96 4142 E_mail: truongthithaivl@gmail.com Chủ đầu tư tạo sáng kiến: Người viết SKKN: Trương Thị Thái Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Vật lí Ngày sáng kiến áp dụng lần áp dụng thử: Trong năm học 2019 - 2020 Mô tả chất sáng kiến: 7.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết tụ điện: 1.1 Tụ điện: a/ Đinh nghĩa: hệ gồm hai vật dẫn đặt ngăn cách lớp cách điện Mỗi vật dẫn tụ - Tụ điện phẳng: Gồm hai kim loại phẳng có kích thước lớn, đặt đối diện song song cách điện với - Nhiệm vụ tụ điện: mạch điện tụ điện dùng để tích điện phóng điện - Ký hiệu tụ điện: Trong mạch điện tụ điện kí hiệu: b/ Cách tích điện cho tụ điện: Để tích điện cho tụ điện, người ta nối hai tụ điện với hai cực nguồn điện chiều Sau tụ nạp điện, điện tích hai tụ có độ lớn mang điện trái dấu (do tưởng nhiễm điện hưởng ứng) Khi nhắc đến điện tích tụ điện, người ta nhắc đến độ lớn điện tích tụ 1.2 Điện dung tụ điện: a/ Định nghĩa điện dung tụ điện: Điện dung tụ điện đại lượng đặc trưng cho khả tích điện tụ điện mơt hiệu điện định Kí hiệu C skkn - Biểu thức: C= - Đơn vị: Q U Trong đó: Q :là điệntích trêntụ điện ( C ) U :là hiệu điệnthế hai tụ (V ) { C hay fara (F) V - Định nghĩa Fara: điện dung tụ điện mà đặt hiệu điện 1V hai tụ tích điện điện tích 1C * Chú ý: F = 103 mF = 106µF = 109 nF = 1012 pF b/ Công thức điện dung tụ phẳng: C= εS 9.10 π d S :là diện tích phần đốidiện haibản tụ điện ( m2 ) Trong đó: d :là khoảng cách haibản tụ ( m) ε số điện môi lớp điệnmơi { - Mỗi tụ điện có hiệu điện giới hạn Nếu đặt vào tụ điện hiệu điện lớn U Max tụ bị hỏng ( tụ bị đánh thủng) Trên tụ thường ghi hai giá trị (C, U Max khoảng nhiệt độ hoạt động tụ điện) 1.3 Năng lượng điện trường tụ điện: a/ Năng lượng điện trường tụ điện: Khi tụ điện tích điện, tụ điện sữ chứa lượng lượng lượng điện trường tụ điện (bằng công mà nguồn điện thực di chuyển điện tích từ nguồn điện đến tụ điện) 1 Q2 W= C U = QU = 2 2C - Biểu thức: = ε E V 10 π (J) Q :là điện tíchtrên tụ điện ( C ) U :làhiệu điện hai tụ ( V ) Trong đó: C :là điện dung tụđiện ( F ) V :Thể tích khoảng khơng gian hai bảntụ (m ) { b/ Mật độ lượng điện trường: lượng điện trường đơn vị thể tích w= - Biểu thức: ε.E 109 π (J/m3) 1.4 Ghép tụ điện: a/ Ghép nối tiếp: Hệ tụ điện ghép hình gọi tụ điện ghép nối tiếp C1 C2 Cn A B - Hiệu điện thế: U =U 1+ U 2+ .+ U n skkn - Điện tích:Q=Q =Q2= =Qn 1 1 - Điện dung tụ: C = C + C + …+ C b n b/ Ghép song song: Hệ tụ điện ghép hình gọi tụ điện ghép song C1 song C2 A B Cn - Hiệu điện thế: U =U 1=U 2= =U n - Điện tích:Q=Q +Q2 + +Qn - Điện dung tụ: C b=C 1+C + +Cn 1.5 Chú ý giải tập: a) Nối tụ vào nguồn U khơng đổi Ngắt tụ khỏi nguồn Q khơng đổi b) Đặt vào tụ điện mơi ɛ' hệ gồm hai tụ ghép nối tiếp, tụ (ɛ , d1) tụ (ɛ' , d2) với d1 + d2 = d _ Nhúng tụ vào chất điện mơi ɛ' hệ gồm hai tụ ghép song song, tụ (ɛ , x1) tụ (ɛ' , x2) với x1 + x2 = x c) Với toán ghép tụ cần ý: _ Khi ghép tụ chưa tích điện trước thì: + Ghép song song: Ub = U1 = U2 = ; Qb = Q1 + Q2 + ; Cb = C1 + C2 + + Ghép nối tiếp : Ub = U1 + U2 + ; Qb = Q1 = Q2 = ; _ Khi ghép tụ tích điện trước thì: + Ghép song song: U'b = U'1 = U'2 = ( sau ghép); + Ghép nối tiếp : U'b = U'1 + U'2 + ( sau ghép) + Định luật bảo tồn điện tích cho hệ cô lập: skkn Cb = C1 + C2 + _ Với tụ cầu cân mạch tương đương [(C1 nt C2) // (C3 nt C4)] d) Nếu mạch điện gồm tụ điện , nguồn điện, điện trở mắc với thì: _ Nếu mạch có dịng điện giải cần: * Tính cường độ dịng điện đoạn mạch * Tính hiệu điện hai đầu đoạn mạch chứa tụ điện ( định luật Ơm) * Suy điện tích tụ điện _ Nếu mạch khơng có dịng điện giải cần: * Viết phương trình điện tích đoạn mạch * Viết phương trình điện tích cho tụ nối với nút mạch * Suy hiệu điện thế, điện tích tụ điện e) Để xác định điện lượng dịch chuyển qua đoạn mạch cần: * Xác định tổng điện tích tụ nối với đầu đoạn mạch lúc đầu Q * Xác định tổng điện tích tụ nối với đầu nói đoạn mạch lúc sau: Q' * Suy điện lượng dịch chuyển qua đoạn mạch nói : f) Cần ý đến giới hạn hoạt động tụ điện xác định hiệu điện cực đại đặt vào tụ tính điện trường đánh thủng tụ: Ugh = Egh.d Với tụ (Ub)gh = min{(Ugh)i} g) Năng lượng tụ tổng lượng tụ ghép thành tụ: h) Trong điện trường tụ điện, điện tích thường chuyển động theo quỹ đạo đường cong nên để giải tốn chuyển động điện tích ta thường sử dụng " phương pháp tọa độ " Chia dạng tập: Dạng 1: Bài tốn tính điện tích, điện dung, hiệu điện lượng tụ điện Dạng 2: Bài toán ghép tụ điện chưa tích điện skkn Dạng 3: Bài tốn ghép tụ điện tích điện – Điện lượng di chuyển đoạn mạch Dạng 4: Bài toán giới hạn hoạt động tụ điện Dạng 5: Bài toán lượng điện trường tụ điện – Mật độ lượng điện trường Dạng 6: Bài toán chuyển động điện tích tụ điện 7.2 BÀI TẬP TỤ ĐIỆN Một số dạng tập có lời giải: Sau tơi xin trình bày phương pháp giải dạng tập phần tụ điện Vật lý 11 THPT 1.1 Dạng 1: Bài tốn tính điện tích, điện dung, hiệu điện lượng điện tụ điện tụ điện: Phương pháp chung: - Áp dụng công thức: : C= Q U - Công thức điện dung tụ phẳng: C= εS 9.10 π d - Vẫn nối tụ với nguồn: U = const - Ngắt tụ khỏi nguồn: Q = const 2 - Năng lượng tụ điện: W = QU = C U 2= Q 2C Bài tốn 1: Một tụ điện có điện dung 500pF mắc vào hai cực máy phát điện có hiệu điện 220V Tính điện tích tụ điện? Lời giải: Điện tích tụ điện: Q=U C = 500.10-12.220 = 0,11 (µC) Vậy điện tích tụ điện 0,11 (µC) Bài tốn 2: Một tụ điện điện dung 24nF tích điện đến hiệu điện 450V có electron di chuyển đến âm tụ điện? Lời giải: Điện tích tụ điện: Q=U C = 24.10-9.450 = 10,8 (µC) Số electron di chuyển đến âm tụ điện: skkn −6 Q 10,8.10 = Ne = = 6,75.1013 (e) |q e| |−1,6.10−19| Vậy có 6,75.1013 (e) di chuyển đến âm tụ điện Bài toán 3: Tụ điện phẳng gồm hai tụ hình vng cạch a = 20 cm đặt cách cm Chất điện mơi hai thủy tinh có ε = Hiệu điện hai U = 50 V a Tính điện dung tụ điện b Tính điện tích tụ điện c Tính lượng tụ điện, tụ điện có dùng đề làm nguồn điện không ? Lời giải: a/ Điện dung tụ điện: C= 2 εS εa 0,2 = = = 212,4 (pF) 9.10 π d 9.10 π d 9.10 π 0,01 b/ Điện tích tụ điện: Q=U C = 212,4.50 = 10,6 (nC) c/ Năng lượng điện trường tụ: W = QU = 50.10,6 = 266 (nJ) Khi tụ điện phóng điện, tụ điện tạo dịng điện Tuy nhiên, thời gian phóng điện tụ ngắn, nên tụ dùng làm nguồn điện Dòng điện nguồn điện sinh cần ổn định thời gian dài Bài tốn 4: Một tụ điện phẳng khơng khí, điện dung 500 pF, tích điện cho tụ điện hiệu điện 300V a Tính điện tích tụ b Sau tụ khỏi nguồn điện tăng khoảng cách hai tụ lên gấp đơi Tính điện dung C1, điện tích Q1 hiệu điện U1 tụ điện lúc đó? c Ngắt tụ điện khỏi nguồn nhúng tụ điện vào chất điện mơi lỏng có ε = Tính điện dung C2, điện tích Q2 hiệu điện U2 tụ điện lúc đó? d Vẫn nối tụ điện với nguồn Nhúng tụ vào chất điện mơi lỏng có ε = Tính C3, Q3, U3 tụ điện Lời giải: a/ Điện tích tụ: Q = C.U = 500.300 = 150 (nC) skkn ... vụ tụ điện: mạch điện tụ điện dùng để tích điện phóng điện - Ký hiệu tụ điện: Trong mạch điện tụ điện kí hiệu: b/ Cách tích điện cho tụ điện: Để tích điện cho tụ điện, người ta nối hai tụ điện. .. Bài toán tính điện tích, điện dung, hiệu điện lượng tụ điện Dạng 2: Bài toán ghép tụ điện chưa tích điện skkn Dạng 3: Bài tốn ghép tụ điện tích điện – Điện lượng di chuyển đoạn mạch Dạng 4: Bài. .. tập có lời giải: Sau tơi xin trình bày phương pháp giải dạng tập phần tụ điện Vật lý 11 THPT 1.1 Dạng 1: Bài tốn tính điện tích, điện dung, hiệu điện lượng điện tụ điện tụ điện: Phương pháp chung: