Nếu các điện tích điểm được đặt trong môi trường có hằng số điện môi là ε thì định luật Coulombđược viết lại là: 9 1 2 3.. Hai quả cầu nhỏ mang hai điện tích có độ lớn bằng nhau đặt cách
Trang 1Phần 2: ĐIỆN TỪ HỌC Chương 3: CƠ SỞ CỦA TĨNH ĐIỆN HỌC Bài 12: ĐIỆN TÍCH – ĐỊNH LUẬT COULOMB
A TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1 Điện tích
a) Hai loại điện tích
Có hai loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm
Hai điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, hai điện tích khác dấu thì hút nhau
Trong hệ SI, đơn vị của điện tích là Coulomb, ký hiệu là C
+ Nhiễm điện do tiếp xúc:
Đưa quả cầu kim loại nhiễm điện dương chạm vào hình trụ kim loại không nhiễm điện Ta thấy hìnhtrụ kim loại nhiễm điện dương Ta nói hình trụ kim loại nhiễm điện do tiếp xúc
+ Nhiễm điện do hưởng ứng:
Đưa quả cầu kim loại nhiễm điện âm đến gần hình trụ kim loại không nhiễm điện
Ta thấy đầu hình trụ kim loại gần quả cầu hơn nhiễm điện dương, đầu hình trụ kim loại xa quả cầu hơnnhiễm điện âm Ta nói hình trụ kim loại nhiễm điện do hưởng ứng
Một vật nhiễm điện do hưởng ứng thì hai phần vật được nhiễm điện trái dấu, còn toàn bộ vật đó vẫntrung hòa điện
9.10 q q
F
r
=Đơn vị:
F: lực tĩnh điện (hay lực Coulomb), đơn vị Newton (N)
q: điện tích của vật, đơn vị Coulomb (C)
r: khoảng cách giữa hai điện tích, đơn vị met (m)
+ Phương và chiều của lực tương tác: Lực Coulomb có phương song song đường thẳng nối liền giữatâm hai điện tích điểm Có giá trùng với đường thẳng nối tâm hai điện tích điểm
Trang 2Nếu các điện tích điểm được đặt trong môi trường có hằng số điện môi là ε thì định luật Coulomb
được viết lại là: 9 1 2
3 Trình bày về sự khác nhau và giống nhau của lực tương tác giữa hai điện tích điểm đặt trong chân
không và trong điện môi
1 Tính lực tương tác tĩnh điện giữa một electron và một proton nếu khoảng cách giữa chúng bằng 5.10
cm Điện tích của electron và proton có độ lớn bằng nhau và bằng 1,6.10-19 C Xem electron và proton
2 Hai điện tích điểm bằng nhau được đặt cách nhau 3 cm trong nước Lực đẩy giữa chúng bằng 0,2.10
-5 N Hỏi độ lớn và dấu của các điện tích đó ?
Hướng dẫn
Vì hai điện tích được đặt trong nước nên ta có: 9 1 2
29.10 q q
Trang 3Ta tính được: q =4,025.10−9 Ta không thể xác định được dấu của hai điện tích điểm.
3 Hai quả cầu nhỏ mang hai điện tích có độ lớn bằng nhau đặt cách nhau 10 cm trong không khí thì tác
dụng lên nhau một lực là 9.10-3 N Hãy xác định điện tích của hai quả cầu đó
Đáp số: q= ±10− 7C
C BÀI TẬP BỔ SUNG
1 Có hai điện tích q và –q đặt tại hai điểm A, B, cách nhau một khoảng AB = 2d Một điện tích dương
q1 = 1 đặt trên đường trung trực của AB, cách AB một khoảng x
a) Xác định lực điện tác dụng lên q1 (ĐA:
2
2 2 3/22
2 Cho hai điện tích dương không cố định q1 = 9.10-6 C và q2 = 3,6.10-5 C đặt cách nhau một đoạn a =
12 cm trong chân không Người ta đặt thêm một điện tích thứ ba q0 để hệ ba điện tích nằm cân bằng.Hãy xác định độ lớn và vị trí của q0
(ĐA: q0 = - 4.10-6 C đặt tại điểm M trên đoạn AB cách điện tích q1 = một khoảng 4 cm.)
3 Hai điện tích điểm bằng nhau, đặt trong chân không, cách nhau một khoảng r1 = 2 cm Lực đẩy giữachúng là F1 = 1,6.10-4 N
a) Tìm độ lớn của các điện tích đó (ĐS: 0,27.10-8 C)
b) Khoảng cách r2 giữa chúng phải là bao nhiêu để lực tác dụng là F2 = 2,5.10-4 N ? (ĐS: 1,6 cm)
4 Cho hai điện tích điểm q1 = -10-7 C và q2 = 5.10-8 C đặt tại hai điểm A và B trong chân không, cáchnhau một khoảng AB = 5 cm Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên điện tích điểm q0 = 2.10-8 C đặttại điểm C sao cho CA = 3 cm và CB = 4 cm (ĐS: 2,08.10-2 N)
5 Cho hai điện tích điểm q1 và q2 đặt cách nhau một khoảng d = 30 cm trong không khí, lực tác dụnggiữa chúng là F Nếu đặt chúng trong dầu thì lực này bị yếu đi 2,25 lần Vậy cần dịch chúng lại mộtkhoảng bằng bao nhiêu để lực tương tác giữa chúng vẫn bằng F ? (ĐS: 10 cm)
6 Ba quả cầu nhỏ mang điện tích q1 = 6.10-7 C, q2 = 2.10-7 C và q3 = 10-6 C đặt theo thứ tự trên mộtđường thẳng nhúng trong nước nguyên chất có hằng số điện môi ε = 81 Khoảng cách giữa các quả cầu
là r12 = 40 cm; r23 = 60 cm Tính lực điện tổng hợp tác dụng lên mỗi quả cầu
(ĐS: 1,5.10-4 N; 1,45.10-4 N; 4.94.10-6 N)
7 Có ba điện tích điểm q1 = q2 = q3 = 1,6.10-6 C, đặt trong chân không ở ba đỉnh của tam giác đều cạnh
là a = 16 cm Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên mỗi điện tích (ĐS: 1,56 N)
8 Cho hai quả cầu nhỏ giống nhau, đặt cách nhau một đoạn r = 10 cm trong không khí Đầu tiên hai
quả cầu này tích điện trái dấu, chúng hút nhau với lực F1 = 1,6.10-2 N Cho hai quả cầu tiếp xúc vớinhau, rồi lại đưa ra vị trí cũ thì thấy chúng đẩy nhau với lực F2 = 9.10-3 N Tìm điện tích của mỗi quảcầu trước khi chúng tiếp xúc với nhau (ĐS: -0,67.10-7 C, 2,67.10-7 C; 0,67.10-7 C, -2,67.10-7 C)
9 Cho hai điện tích dương q1 = q và q2 = 4q đặt cố định trong không khí cách nhau một khoảng a = 30
cm Phải chọn một điện tích thứ ba q0 như thế nào và đặt ở đâu để nó cân bằng ? (ĐS: 10 cm)
10 Cho ba điện tích bằng nhau q = 10-6 C đặt tại ba đỉnh của một tam giác đều cạnh a = 5 cm
a) Tính lực tác dụng lên mỗi điện tích (ĐS: 6,23 N)
b) Nếu ba điện tích đó không được giữ cố định thì phải đặt thêm một điện tích thứ tư q0 có dấu và độlớn như thế nào và đặt ở đâu để hệ bốn điện tích nằm cân bằng ? (ĐS: 5,77.10-7 C)
11 Hai quả cầu nhỏ giống nhau, cùng có khối lượng m, điện tích q được treo tại cùng một điểm bằng
hai sợi dây mảnh Do lực đẩy tĩnh điện hai quả cầu tách ra xa nhau một đoạn a = 3 cm Xác định góclệch của các sợi dây so với phương thẳng đứng Áp dụng bằng số: m = 0,1 g; q = 10-8 C; g = 10 m/s2.(ĐS: 450)
12 Một quả cầu có khối lượng riêng D, bán kính R tích điện âm q được treo vào đầu một sợi dây mảnh
chiều dài l Tại điểm treo có đặt một điện tích âm q0 Tất cả đặt trong dầu có khối lượng riêng d vàhằng số điện môi ε Tính lực căng của sợi dây treo Áp dụng bằng số: q = q0 = -10-6 C; R = 1 cm; l =
10 cm; ε = 3; g = 10 m/s2; d = 0,8.103 kg/m3; D = 9,8.103 kg/m3 (ĐS: 0,68 N)
Trang 413 Hai quả cầu nhỏ giống nhau có cùng khối lượng m, bán kính R, điện tích q, được treo vào hai sợi
dây mảnh có chiều dài bằng nhau trong không khí Do lực đẩy tĩnh điện, các sợi dây lệch theo phươngthẳng đứng một góc α Nhúng hai quả cầu vào trong dầu có hằng số điện môi ε = 2, người ta thấy góclệch của mỗi sợi dây vẫn là α Tìm khối lượng riêng D của quả cầu Biết khối lượng riêng của dầu d =
Trang 5Bài 13: THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐIỆN TÍCH
A TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1 Thuyết electron cổ điển
a) Cấu tạo nguyên tử
Nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạt sơ cấp: electron, proton, notron Proton và notron có khốilượng xấp xỉ nhau và gấp 1840 lần khối lượng electron
Proton mang điện tích dương, electron mang điện tích âm còn notron không mang điện Điện tích củaproton bằng 1,6.10-19 C, ký hiệu e; điện tích electron bằng –e Điện tích proton là điện tích nhỏ nhất tồntại trong tự nhiên, người ta gọi một điện tích bằng điện tích proton là điện tích nguyên tố
Nguyên tử có cấu tạo gồm hạt nhân và lớp vỏ Hạt nhân gồm proton và notron, lớp vỏ gồm một sốelectron chuyển động quanh hạt nhân Hạt nhân mang điện tích dương và có khối lượng rất lớn so vớikhi lượng electron ở lớp vỏ
Trong nguyên tử bình thường thì số electron bằng số proton, ta nói nguyên tử trung hòa điện
Nếu nguyên tử bị mất đi một số electron thì trở thành ion dương Nếu nguyên tử nhận thêm electron thìnguyên tử trở thành ion âm
b) Một số nội dung chính của thuyết electron cổ điển
Một vật bình thường bao gồm rất nhiều hạt mang điện, nhưng luôn trung hòa điện, tức là số electronbằng số proton
Electron có khối lượng rất nhỏ nên độ linh động của chúng rất lớn Với một số điều kiện nào đó (cọxát, nung nóng, …) thì electron có thể di chuyển từ vật này sang vật khác, khi đó vật được nhiễm điện.Vật nhận thêm electron thì nhiễm điện âm; mất đi electron thì nhiễm điện dương
2 Tính dẫn điện hay cách điện của các chất
Các hạt mang điện trong môi trường có hai loại:
+ Điện tích liên kết: là những hạt chỉ có thể di chuyển trong khoảng rất nhỏ, cỡ kích thước phân tử.+ Điện tích tự do: là những hạt có thể di chuyển được những quãng đường lớn hơn kích thước phân tửrất nhiều
Điện môi là những chất có ít điện tích tự do như: thủy tinh, nước nguyên chất, không khí khô, …
Những chất dẫn điện là những chất có nhiều điện tích tự do như: kim loại, dung dịch muối, axit, bazo,
b) Nhiễm điện do tiếp xúc
Cho thanh kim loại trung hòa điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện âm thì một số electron thừa ở quảcầu chuyển sang thanh kim loại qua chỗ hai vật tiếp xúc Vì thế thanh kim loại cũng thừa electron, nênnhiễm điện âm
c) Nhiễm điện do hưởng ứng
Đưa quả cầu nhiễm điện âm lại gần thanh kim loại trung hòa điện Khi đó một số electron tự do trongthanh kim loại Khi đó một số electron tự do trong thanh kim loại bị đẩy ra xa quả cầu Do đó đầuthanh kim loại ở xa quả cầu hơn trở nên thừa electron, nhiễm điện âm Đầu thanh kim loại gần quả cầuhơn thiếu electron nên nhiễm điện dương
4 Định luật bảo toàn điện tích
Trong một hệ vật cô lập về điện, nghĩa là hệ không trao đổi điện tích với các vật khác ngoài hệ đó, thìtổng đại số các điện tích là một hằng số
Trang 6B BÀI TẬP
B.1 Câu hỏi
1 Nêu vắn tắt những nội dung chính của thuyết electron cổ điển.
Hướng dẫn
Nguyên tử được cấu tạo từ một hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm
Độ linh động của các electron rất lớn so với hạt nhân, electron có thể bứt ra khỏi nguyên tử, có thể từnguyên tử này chuyển sang nguyên tử khác, có thể di chuyển từ điểm này đến điểm khác của một vật,
có thể di chuyển từ vật này sang vật khác
2 Giải thích tính dẫn điện hay tính cách điện của một vật.
Hướng dẫn
Vật dẫn điện là vật có nhiều điện tích tự do, vì vậy điện tích có thể truyền qua vật đó
Vật cách điện là vật hầu như không có điện tích tự do, vì vậy điện tích không thể truyền qua nó
3 Giải thích sự nhiễm điện do cọ xát, tiếp xúc, hưởng ứng.
A Một vật nhiễm điện là một vật thừa hay thiếu electron
B Một vật nhiễm điện dương do tiếp xúc, khi đó nó thiếu electron
C Một vật lúc đầu trung hòa điện, sau đó được nhiễm điện do hưởng ứng Vật đó bị thiếu electron
D Một vật mà tổng đại số các điện tích trong vật bằng không là vật trung hòa điện
Đáp án: C
Trang 7Bài 14: ĐIỆN TRƯỜNG
A TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1 Khái niệm điện trường
Xung quanh điện tích có điện trường Điện trường này gây ra lực điện tác dụng lên các điện tích
Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực điện lên điện tích đặt trong nó
Người ta dùng điện tích thử để phát hiện điện trường
2 Vecto cường độ điện trường
Vecto cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực.Biểu thức: Fr=qEr (V/m)
3 Điện trường của một điện tích điểm
Công thức tính điện trường của điện tích Q đặt trong không khí tại một điểm cách Q một khoảng r:
9 2
E
r
=
Phương: là đường thẳng nối điểm đặt điện tích và điểm khảo sát
Chiều: có chiều hướng ra xa điện tích nếu là điện tích dương, hướng về phía điện tích nếu đó là điệntích âm
Nếu điện tích Q đặt trong môi trường có hằng số điện môi ε: 9
Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực điện lên điện tích đặt trong nó
3 Viết công thức xác định cường độ điện trường của một điện tích điểm.
Hướng dẫn
Công thức tính cường độ điện trường của một điện tích điểm: 9
29.10 Q
E
r
= trong đó Q là điện tích gây
ra điện trường
4 Hãy nói về phương và chiều của vecto cường độ điện trường gây ra bởi một điện tích điểm trong
trường hợp điện tích đó là điện tích dương và trong trường hợp điện tích đó là điện tích âm
Hướng dẫn
Phương: là đường thẳng nối điểm đặt điện tích và điểm khảo sát
Chiều: có chiều hướng ra xa điện tích nếu là điện tích dương, hướng về phía điện tích nếu đó là điệntích âm
Trang 81, 25.10 ( )0,16
3 Cho biết điện trường do điện tích Q gây ra tại A cách Q một khoảng 3 cm bằng 1600 V/m Hỏi điện
trường tại B cách B một khoảng 6 cm bằng giá trị nào dưới đây ?
Hướng dẫn
Điện trường do Q gây ra tại A cách Q một khoảng r1 = 3 cm: 1 9 2
19.10 Q
6 Tại hai điểm A và B cách nhau 5 cm trong không khí có hai điện tích q1 = +16.10-8 C và q2 = -9.10-8
C Tính cường độ điện trường tổng hợp và vẽ vecto điện trở tại điểm C nằm cách A một khoảng 4 cm
và cách B một khoảng 3 cm
Đáp án: 9 2.105V m/
Trang 9Bài 15: ĐƯỜNG SỨC ĐIỆN TRƯỜNG – CÔNG CỦA LỰC TĨNH ĐIỆN
+ Tại mọi điểm trong điện trường, có thể vẽ được một đường sức đi qua điểm đó
+ Các đường sức là các đường không kín Nói chung, đường sức xuất phát từ các điện tích dương, tậncùng tại các điện tích âm
+ Các đường sức không cắt nhau
+ Nơi nào có cường độ điện trường lớn thì mật độ đường sức mau, nơi nào có cường độ điện trườngnhỏ thì mật độ đường sức thưa
c) Điện phổ
Điện phổ là hình ảnh của hệ các đường sức
Ở gần vật nhiễm điện đường sức dày hơn, ở xa vật nhiễm điện đường sức thưa hơn
2 Điện trường đều – Đường sức của điện trường đều
Điện trường đều là điện trường mà trong đó vecto cường độ điện trường tại mọi điểm bằng nhau
Đường sức của điện trường đều là những đường thẳng, song song và cách đều nhau
3 Công của lực điện trường
1 Có thể coi đường sức là quỹ đạo của một điện tích điểm (dương hay âm) chuyển động trong điện
trường được không ? Giải thích ?
Hướng dẫn
Đường sức điện nói chung không phải là quỹ đạo của điện tích
2 Nêu quy tắc vẽ đường sức.
Trang 10Hướng dẫn
Xem phần 1b trong mục tóm tắt lý thuyết
3 Điện trường đều là gì? Một điện trường mà cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau có thể
coi là điện trường đều không? Giải thích
Hướng dẫn
Điện trường đều là điện trường mà trong đó vecto cường độ điện trường tại mọi điểm bằng nhau
Một điện trường mà cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau không phải là điện trường đều.Bởi vì cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau chưa chắc vecto điện trường tại mọi điểmcũng bằng nhau
4 Chọn câu sai.
A Điện phổ cho ta biết sự phân bố các đường sức của điện trường
B Nói chung, các đường sức điện xuất phát từ các điện tích dương, tận cùng ở các điện tích âm
C Khi một điện tích chuyển động trong điện trường từ điểm M đến điểm N thì công của lực điệntrường càng lớn khi quãng đường đi từ M đến N của điện tích càng dài
D Các đường sức của điện trường đều là các đường thẳng song song và cách đều nhau
Đáp án: C
B.2 Bài tập
1 Một điện tích q chuyển động theo đường gấp khúc như hình vẽ Hỏi khi di chuyển từ điểm M đến
điểm N, sau đó từ điểm M đến điểm N, sau đó từ điểm N đến điểm P thì công của lực tĩnh điện trênmỗi đoạn đường đó bằng bao nhiêu ?
Hướng dẫn
Ta áp dụng công thức: A MN =qEM N' '
Ta thấy trường hợp này thì M N' ' 0 à= v N P' ' 0= nên công của lực điện trường trong cả hai trường hợpđều bằng không
2 Hai tấm kim loại đặt cách nhau 2 cm nhiễm điện trái dấu nhau Muốn làm cho điện tích q = 5.10-10 C
di chuyển từ tấm này đến tấm kia phải tốn một công A = 2.10-9 J Xác định cường độ điện trường bêntrong hai tấm kim loại đó ? Cho biết điện trường bên trong hai tấm kim loại đó là điện trường đều
3 Một electron di chuyển một đoạn đường 1 cm, dọc theo một đường sức điện, dưới tác dụng của lực
điện, trong một điện trường đều có cường độ điện trường 1000 V/m Hỏi công của lực điện trường cógiá trị nào ?
Hướng dẫn
A = qEd = 1,6.10-18 J
4 Cho một điện tích di chuyển trong một điện trường theo một đường cong khép kín, xuất phát từ
điểm A rồi trở lại điểm A Công của lực điện trường là bao nhiêu ?
Đáp số: A = 0 J.