skkn cấp tỉnh xây dựng bài toán về thế năng điện vật lý 11 theo hướng phát triển năng lực cho học sinh thông qua bộ câu hỏi định hướng và bài tập phù hợp ctgdpt 2018

1 MỞ ĐẦU.

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Chúng ta đã biết trong trong bối cảnh hiện nay cũng như bất cứ thời đại nào, chấtlượng giáo dục là vấn được toàn xã hội qua tâm, giáo dục nước ta đã và đang nỗ lựcnhằm phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập của học sinh để tạonên những thế hệ có khả năng hiểu biết sâu sắc về lí luận và vận dụng linh hoạt trongthực tế, đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội.

Để có chất lượng dạy học nói chung thì phụ thuộc nhiều vào khả năng, trình độhiểu biết, sức sáng tạo và khả năng sư phạm của người dạy Để có những học sinh pháttriển toàn diện về năng lực, phẩm chất người học thì yêu cầu người học phải nắm thậtvững kiến thức và thật nhạy bén trong vấn đề vận dụng kiến thức môn học, đồng thờingười dạy cũng phải có chuyên môn vững vàng, phải có chiều sâu, uyên thâm về kiếnthức.

Trong quá trình giảng dạy vật lí bản thân tôi luôn trăn trở tìm cách truyền thụ,cách khai thác vấn đề để các em có thể nắm vững kiến thức một cách nhanh nhất và

sâu sắc nhất Đặc biệt theo yêu cầu chương trình GDPT 2018 thì đòi hỏi việc xây

dựng kiến thức nhằm đáp ứng được những năng lực, phẩm chất của học sinh thông quakiến thức bộ môn cũng như vận dụng vào thực tế đời sống

Thực tế, trong chương trình vật lí 11 theo yêu cầu chương trình GDPT 2018 mới

là năm đầu triển khai giảng dạy theo chương trình mới, đòi hỏi cả thầy cô và học sinhcó cách tiếp cận mới, phù hợp với yêu cầu của chương trình Cách xây dựng nội dungbài học cho lớp học đòi hỏi đáp ứng được các mục tiêu về kiến thức, kỹ năng và pháthuy năng lực và phẩm chất người học Trong quá trình dạy học sinh, việc xây dựngkiến thức cho các em đáp ứng được các yêu cầu đặt ra cần đặc biệt bám sát vào hoạtđộng hình thành kiến thức, kỹ năng và các năng lực cần đạt của người học.

Hiểu được điều này trong quá trình dạy học bản thân tôi là một giáo viên dạy vật lí luôn có nhiều trăn trở, tôi đã quyết tâm tìm hiểu nghiên cứu tài liệu, nghiền ngẫm những vấn đề đã đọc được để đưa ra cách khai thác một số bài toán cũng như các cách giải mà từ đó các em hiểu được bài học, tránh được những cái bẫy của đề, biết vận dụng nó vào các bài khó hơn Đặc biệt là dạy cho học sinh biết tìm tòi độc lập, phân tích, giải quyết hiện tượng tiếp cận trong kiến thức bộ môn Cũng từ những điều được giáo viên truyền thụ từ những bài toán vận dụng các cách giải sáng tạo, các em đã pháttriển tốt tư duy khi học vật lí, các em có thể hoàn thiện năng lực và phẩm chất của

người học Sau đây tôi sẽ trình bày đề tài “ Xây dựng bài toán về thế năng điện - Vật lý 11 theo hướng phát triển năng lực cho học sinh thông qua bộ câu hỏi định hướng và bài tập phù hợp CTGDPT 2018”

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.

Xây dựng hệ thống câu hỏi định hướng và bài tập, cách giải quyết các bài toán này bằng việc phân tích hiện tượng và tổng hợp nhiều kiến thức của các phần đã học.

Thông qua đề tài giúp học sinh mạch lạc về kiến thức, nắm rõ được kiến thức, biết

phân tích hiện tượng, đam mê môn học, đồng thời củng cố sự tự tin của bản thân tronghọc tập cũng như trong cuộc sống Trong nội dung sáng kiến này là những bài tậpđược tôi áp dụng cho các đối tượng học sinh

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU.

+ Học sinh THPT, học sinh ban khoa học tự nhiên và những học sinh tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi.

+ Phạm vi nghiên cứu chủ yếu là các bài toán vận dụng kiến thức thế năng điện - phần vật lý 11 THPT.

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

+ Phương pháp nêu vấn đề trong giảng dạy.

+ Kết hợp giữa phân tích và tổng hợp kiến thức đã học để giải quyết các bài toán.

2 NỘI DUNG

2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN.

a) Thế năng của một điện tích q trong điện trường đều:

 Thế năng của điện tích trong điện trường còn gọi là thế năng điện

 Thể năng của một điện tích q trong điện trường đều đặc trưng cho khả năngsinh công của điện trường đều khi đặt điện tích q tại điểm đang xét.

 Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường đều bằng côngcủa lực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tới điểm mốc để tínhthế năng.

 Công thức tính thế năng điện WM qEd

Trong đó

d là khoảng cách từ M đến bản cực âm (m).

WM là thế năng điện của điện tích q tại điểm M (J).

b) Thế năng của một điện tích q trong điện trường bất kì:

 Thế năng của điện tích q trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh côngcủa điện trường khi đặt điện tích q tại điểm mà ta xét trong điện trường.

 Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường bằng công củalực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tói điểm mốc để tính thếnăng.

Chú ý rằng, khi chọn mốc thế năng tại vô cực, ta có số đo thế năng của điện tíchq tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện trong dịch chuyển của điện tíchq từ điểm M tới vô cực.

 Thế năng của điện tích điểm q tại M trong điện trường WM AMV qM vớiVM là một hệ số tỉ lệ → tỉ lệ với thế năng tại M,VM không phụ thuộc vào q mà chỉ phụ

thuộc vào vị trí trong điện trường.

 Khi một điện tích q di chuyển từ điểm M đến điểm N trong một điện trườngthì công của lực điện bằng độ giảm thế năng của điện tích trong điện trường

tích nào là hạt gây ra trường thế đó, hạt nào là hạt đang xét chuyển động trong môitrường đang xét Nếu không có sự phân biệt rõ thì dễ làm người học không có địnhhướng rõ rệt bài toán để giải quyết vấn đề Việc vận dụng kiến thức đó vào việc giảiquyết các bài toán đối với học sinh thì quả là rất khó khăn Làm thế nào có thể trợ giúpđược học sinh trong việc giải quyết các bài toán này Mặt khác, vận dụng để giải cácbài toán lại đòi hỏi có độ tư duy cao Vậy thế năng điện và việc vận dụng kiến thức đểgiải quy các bài toán lại là vấn đề khó khăn đối với không ít học sinh Hiểu được vấnđề này tôi đã khái quát toàn bộ lí thuyết và đưa ra các dạng bài tập cho từng phần mụcđích giúp các em hiểu sâu sắc về bài học, từ đó tạo hứng thú cho học sinh khi học cácphần tiếp theo và cũng là nhằm phát triển tư duy học vật lý cho các em Trong nộidung sáng kiến này là những bài tập được tôi áp dụng cho các đối tượng học sinh cókhả năng tiếp cận với mức độ khác nhau.

2.3 CÁC GIẢI PHÁP ĐÃ ÁP DỤNG2.3.1 LÍ THUYẾT.

a) Thế năng của một điện tích q trong điện trường đều:

 Thế năng của điện tích trong điện trường còn gọi là thế năng điện

 Thể năng của một điện tích q trong điện trường đều đặc trưng cho khả năngsinh công của điện trường đều khi đặt điện tích q tại điểm đang xét.

 Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường đều bằng côngcủa lực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tới điểm mốc để tínhthế năng.

 Công thức tính thế năng điện WM qEd

Trong đó

d là khoảng cách từ M đến bản cực âm (m).

WM là thế năng điện của điện tích q tại điểm M (J).

b) Thế năng của một điện tích q trong điện trường bất kì:

 Thế năng của điện tích q trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh côngcủa điện trường khi đặt điện tích q tại điểm mà ta xét trong điện trường.

 Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường bằng công củalực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tói điểm mốc để tính thếnăng.

Chú ý rằng, khi chọn mốc thế năng tại vô cực, ta có số đo thế năng của điện tíchq tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện trong dịch chuyển của điện tíchq từ điểm M tới vô cực.

 Thế năng của điện tích điểm q tại M trong điện trường WM AMV qM vớiVM là một hệ số tỉ lệ → tỉ lệ với thế năng tại M,VM không phụ thuộc vào q mà chỉ phụ

thuộc vào vị trí trong điện trường.

 Khi một điện tích q di chuyển từ điểm M đến điểm N trong một điện trườngthì công của lực điện bằng độ giảm thế năng của điện tích trong điện trường

Bài 2: Trong điện trường của điện tích Q cố định.

a) Xác định thế năng điện của một electron tại điểm M cách Q một khoảng 2 m.

b) Dưới tác dụng của lực điện kéo electron từ điểm M và với vận tốc ban đầu bằng 0,dịch chuyển theo đường thẳng về phía điện tích Q>0 Tính tốc độ của electron khi còncách điện tích Q một khoảng 1 m.

10 ( / )9,1

Bài 3: Chứng tỏ rằng, công của lực điện trong sự dịch chuyển của điện tích q từ điểm

M đến điểm N sẽ bằng độ giảm thế năng của điện tích q trong điện trường Hãy mởrộng cho trường hợp M ở xa vô cùng.

Lời giải:Thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường đều bằng công của lực

điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tới mốc tính thế năng:

WM=qEd1=AM (d

1 là khoảng cách từ M đến bản cực âm)Thế năng của điện tích q tại điểm N:

WN=qEd2=AN (d2 là khoảng cách từ N đến bản cực âm)

Chứng tỏ công của lực điện trong sự dịch chuyển của điện tích q từ điểm M đến điểm N sẽ bằng độ giảm thế năng của điện tích q trong điện trường.

Mở rộng cho trường hợp M ở xa vô cùng: ΔWW =WM−WN=0−WN=−qEdN=AN ∞

Bài 4: Trong điện trường bất kì, khi chọn mốc là ở xa vô cùng có trường hợp mà số đo

thế năng sẽ có giá trị âm hay không? Hãy vẽ hình minh họa.

Lời giải:Với trường hợp điện tích dịch chuyển trong điện trường là điện tích âm thì

thế năng sẽ có giá trị âm

Trong trường hợp này điện tích sẽ hướng lên bản dương ngược với chiều của cường độđiện trường AM ∞=WM=−qEd

Bài 5: Vì sao đường biểu diễn sự thay đổi thế năng điện trong

điện trường đều ở Hình 3.2 là một đường thẳng?

Hình 3.2 Sự thay đổi thế năng điện trong điện trường đều.Lời giải:Vì thế năng tỉ lệ thuận với khoảng cách theo công

thức WM = A = qEd.

Bài 6: Vì sao thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với

chiều của cường độ điện trường?

4

Lời giải:Thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện

trường vì:

- Mốc tính thế năng ở bản âm.

- Khi đưa một điện tích dương đến gần bản dương, công mà ta thực hiện đã chuyểnthành thế năng điện của điện tích và làm tăng thế năng của nó trong điện trường.- Nhìn vào hình vẽ ta có thể thấy ngay khi điện tích di chuyển đến gần bản dương thìthế năng tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường.

Bài 7: Chúng ta đã biết, có sự tương tự

giữa chuyển động của một điện tích qtrong điện trưởng đều với chuyển độngcủa một vật khối lượng m trong trườngtrọng lực Như vậy thì điện tích q trongđiện trường có tồn tại thế năng tương tựnhư vật khối lượng m trong trọng trường

> 0 khi bay vào điện trường đều theophương vuông góc với đường sức.

Lời giải:Điện tích q trong điện trường có tồn tại thế năng tương tự như vật khối lượng

m trong trọng trường Thế năng của điện tích q trong điện trường đều đặc trưng chokhả năng sinh công của điện trường đều khi đặt điện tích q tại điểm đang xét.

Bài 8: Một proton được thả cho chuyển động từ trạng thái nghỉ ở vị trí x = -2,00 cm

trong một điện trường đều có cường độ điện trường với độ lớn 1,50.103 N/C và hướngtheo chiều x dương.

a Tìm độ biến thiên thế năng điện trường và tốc độ của proton khi nó đi đến vị trí x =

5,00 cm.

b Một electron được bắn theo chiều x dương từ cùng một vị trí thả proton Tìm độ

biến thiên thế năng điện trường và tốc độ ban đầu của electron khi electron đi đến vị tríx = 12,0 cm Biết rằng khi đến vị trí đó tốc độ của electron đã giảm một nửa.

c Nếu đổi chiều của điện trường và electron được thả cho chuyển động không vận tốc

ban đầu ở x = 3,00 cm thì thế năng điện trường đã thay đổi bao nhiêu khi electron đi đến vị trí x = 7,00 cm?

Lời giải:

a) Độ biến thiên thế năng điện trường là:

ΔWWt = eEd = −(1,6.10−19).(1,5.103).[5,00−(−2,00)].10−2 = −1,68.10−17 Jb) Độ biến thiên thế năng điện trường là:

ΔWWt = eEd = −(1,6.10−19).(1,5.103).[12,00−(−2,00)].10−2 = 3,36.1017 Jc) Điện trường đổi chiều nên mang dấu âm

Độ biến thiên điện trường lúc này là:

ΔWWt = eEd = −(1,6.10−19).(1,5.103).[7,00−3,00].10−2 = −9,60.10−18 J

Bài 9: Cho quả cầu kim loại A mang điện tích qA = 3 µc được giữ cố định trên một giáđỡ cách điện Một vật nhỏ B có khối lượng m = 0,5 g mang điện tích qB = 8 μc bay từc bay từrất xa tiến lại gần quả cầu A như hình 13.7 Khi tâm 2 quả cầu cách nhau một đoạn d =

0,5 m thì tốc độ của quả cầu B là v = 20 m/s Bỏ qua lực hấp dẫn giữa hai quả cầu vàtác dụng của trọng lực Xem gần đúng các quả cầu là các điện tích điểm Biết rằng, thế

năng điện của quả cầu B được xác định bằng biểu thức: W

A Bt

q qk

với r là khoảngcách giữa hai quả cầu

Bài 10: Hai electron ban đầu ở rất xa nhau, chuyển động lại gần nhau Tính khoảng

cách nhỏ nhất giữa chúng trong các trường hợp sau:

a)Electron I được giữ cố định, electron II bay đến electron I với vận tốc đầu v0.b)Hai electron tự do, chuyển động về phía nhau với cùng vận tốc đầu v0.

c)Hai electron tự do, ban đầu electron I đứng yên, electron II bay đến electron I vớivận tốc đầu v0.

Lời giải:Chọn gốc thế năng ở ∞(V∞=0)

a)Khi electron I được giữ cố định, electron II bay đến với vận tốc đầu v0

-Năng lượng của hệ lúc đầu là động năng của electron II: Wđầu = mv02

r ⇒r =

Vậy: Khi electron I được giữ cố định, electron II bay đến với vận tốc đầu v0 thì khoảng

cách nhỏ nhất giữa chúng là

b)Khi hai electron tự do chuyển động về phía nhau

-Năng lượng của hệ lúc đầu là động năng của hai electron:

6

Wđầu = mv02

2 +mv02

2 =mv02-Năng lượng của hệ lúc sau: Wsau =

Vậy: Khi hai electron tự do chuyển động về phía nhau, khoảng cách nhỏ nhất giữa

chúng là

c)Khi hai electron tự do, ban đầu electron I đứng yên, electron II chuyển động về phíaelectron I

-Năng lượng của hệ lúc đầu bằng động năng của electron II: Wđầu = mv02

2

-Năng lượng của hệ lúc sau: Wsau =

mv22 +

r +

mv22 =mv

mv022 =

r +mv02

4 =>

mv024 =

r ⇒ r=

4ke2mv02

Vậy: Khi hai electron tự do, ban đầu electron I đứng yên, electron II chuyển động về

phía electron I, khoảng cách nhỏ nhất giữa chúng là

r=4ke2mv02

Bài 11: Quả cầu nhỏ khối lượng m mang điện tích +q trượt không ma sát với v0 = 0 từđỉnh B có độ cao h của mặt phẳng nghiêng BC (góc nghiêng α) Tại đỉnh góc vuông Acủa tam giác ABC có một điện tích –q.

Tính vận tốc quả cầu khi đến C Định α để quả cầu có thể đến được C.

Lời giải:-Chọn mốc thế năng hấp dẫn ở chân mặt phẳng nghiêng; mốc thế năng điện ở

vô cùng.

-Năng lượng của điện tích +q gồm có:

+Động năng:

mv22

-Năng lượng của +q khi ở C: WC =

-Để quả cầu m đến được C thì: gh−(1−tanαα )

kq2mh ≥0

=> tanαα≥1−mgh2kq2

Vậy: Vận tốc của quả cầu khi đến C là v=√2[gh−(1−tanαα )kq2

mh ] , để quả cầu đến

được C thì góc α phải thỏa tanαα≥1−

Bài 12: Ba điện tích điểm q1 = q2 = q3 = q = 10-8C ban đầu ở rất xa nhau Tính côngcần thực hiện để đưa 3 điện tích đến 3 đỉnh của tam giác đều ABC cạnh a = 3cm đặttrong không khí.

Lời giải: Chọn gốc điện thế tại vô cùng: V∞=0 Giả sử ban đầu q1 đứng yên ở A.

-Công cần thực hiện để đưa điện tích q2 từ ∞ đến đỉnh B của tam giác:

A2 = k

q1q2a2 =k

.i j

ijq q

r (với i < j)

Lời giải: -Công của lực tác dụng lên vật trong trường lực thế bằng độ giảm thế năng

của vật đó trong trường lực, công mà lực điện trường thực hiện khi một điện tích qdịch chuyển từ A tới B là:

(WA, WB là thế năng của điện tích q tại các vị trí A và B).

Ta có:

1 2A

Aq q

Bq q

-Thế năng của hệ n điện tích điểm trong không khí:

Bài 14: Ba electron ban đầu đứng yên ở ba đỉnh tam giác đều cạnh a, sau đó chúng

chuyển động do lực tương tác tĩnh điện Tìm vận tốc cực đại mỗi electron đạt được.

Lời giải: -Tương tự bài trên, công lực điện trường để đưa cả ba electron ra xa nhau

(Wđ = Wđmax; Wt = 0 nên v = vmax) là:

a => v = vmax = e √2kma .

Vậy: Vận tốc cực đại mà mỗi electron đạt được là vmax = e √2kma .

Bài 15: Hai điện tích +9q và –q được giữ chặt tại A, B trong chân không, AB = a Một

hạt khối lượng m, điện tích q chuyển động dọc theo đường AB như hình bên Tìm vậntốc của m khi ở rất xa A, B để nó có thể chuyển động đến B

Lời giải: Gọi q1 = 9q; q2 = -q; q3 = q là điện tích chuyển động dọc theo AB: q3 chịu tácdụng của lực đẩy F⃗13của q1, lực hút F⃗23của q2.

-Xét tại điểm C cách B khoảng x, khi đó ta có:

(a+x )2>q2x2

=> 3

x =>2x>a ⇒ x>a

+Aq1 a Bq2 Cq3

Vì F13 > F23 nên lực tổng hợp tác dụng lên q3 là lực đẩy, do đó khi q3 cách B một đoạn

2 thì q3 sẽ chuyển động chậm dần.+Khi F13 = F23 => x=x0=

2 : lực tổng hợp tác dụng lên q3 bằng 0.+Khi F13 < F23 => x<

+Tại C, vì vC = 0 nên hạt chỉ có thế năng điện trường của q1, q2:

+Theo định luật bảo toàn năng lượng: Wđ = WC

mv022 =(k

m (q1a+x0+

=> v02=2kq2

ma => v0=√8kq2ma

Vậy: Vận tốc tối thiểu của m khi ở rất xa A để có thể chuyển động đến B là

ma hay v0≥√8kq2

Bài 17: Hai hạt prôtôn và hai hạt pôzitrôn ban đầu nằm yên xen kẽ nhau ở các đỉnh

của một hình vuông, sau đó bay ra xa nhau Biết tỉ số khối lượng của chúng Mm =2000, còn điện tích thì giống nhau Coi rằng khi bắt đầu chuyển động tự do, các hạtpôzitrôn sẽ bay ra xa vô cực rất nhanh, sau đó các prôtôn mới tách xa nhau Tính tỉ số

vận tốc pôzitrôn và prôtôn khi đã bay xa nhau vô cực

Lời giải: *Nhận xét: Ban đầu, lực tác dụng lên các hạt có độ lớn bằng nhau nhưng

m=2000 nên các hạt pôzitrôn có gia tốc lớn hơn gia tốc các hạt prôtôn 2000 lần.Do đó, các hạt pôzitrôn sẽ đi ra xa vô cực rất nhanh sau đó các hạt prôtôn sẽ tách ra dotương tác giữa chúng với nhau Vì thế ta có thể coi rằng khi các pôzitrôn dịch chuyểnthì các prôtôn đứng yên.

-Nếu không có các hạt prôtôn thì thế năng tương tácgiữa các hạt pôzitrôn là:

W = eV = ke2

a√2

a