Hệ thống lý thuyết và bài tập phần từ trường trong chương trình vật lý THPT

Khóa luận Hệ thống lý thuyết và bài tập phần từ trường trong chương trình vật lý Trung Học Phổ Thông tốt nghiệp cử nhân sư phạm vật lý đã được bảo vệ thành công tại Hội đồng. Khóa luận đạt loại xuất sắc.

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo Khoa Vật Lý trường Đại học Quy Nhơn tận tình truyền thụ cho em kiến thức quý báu giúp đỡ em suốt khóa học vừa qua Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Th.S Lê Xuân Hải tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận Xin chần thành cảm ơn bạn sinh viên lớp Sư phạm Vật Lý khóa 35 động viên có ý kiến đóng góp chân thành Xin cảm ơn độc giả dành thời gian quan tâm đến khóa luận Tuy em có nhiều cố gắng chắn khóa luận nhiều thiếu sót Kính mong quý Thầy, Cô giáo, bạn sinh viên độc giả góp ý xây dựng để nội dung khóa luận hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn Quy Nhơn, tháng 05 năm 2016 Sinh viên Dương Văn Hòa MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG – CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG GIẢNG DẠY Ở CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 11 THPT A TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG I.1 Một số kiện từ trường I.2 Nguồn sinh từ trường I.3 Định luật Ampère I.4 Khái niệm từ trường 11 I.5 Véctơ cảm ứng từ 12 I.6 Véctơ cường độ từ trường 13 I.7 Nguyên lí chồng chất từ trường 13 I.8 Véctơ cảm ứng từ véctơ cường độ từ trường số dòng điện đặc biệt 14 I.8.1 Dòng điện thẳng 14 I.8.2 Dòng điên tròn 15 I.9 Tác dụng từ trường lên dòng điện 17 I.9.1 Tác dụng từ trường lên phần tử dòng điện Lực Ampère 17 I.9.2 Tác dụng tương hỗ hai dòng điện thẳng song song dài vô hạn 18 I.9.3 Tác dụng từ trường lên mạch điện kín 19 I.10 Tác dụng lực từ lên hạt tích điện chuyển động Lực Lorentz 20 B CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG GIẢNG DẠY Ở CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 11 THPT 22 I.11 Từ trường 22 I.11.1 Tương tác từ 22 I.11.2 Khái niệm từ trường 22 I.11.3 Tính chất từ trường 22 I.11.4 Cảm ứng từ 22 I.11.5 Đường sức từ 22 I.11.6 Từ trường 23 I.12 Lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động dòng điện 23 I.12.1 Lực từ tác dụng lên dòng điện 23 I.12.2 Lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động (lực Lorentz) 24 I.13 Nguyên lý chồng chất từ trường 24 I.14 Từ trường số dòng điện có hình dạng đặc biệt 24 I.14.1 Từ trường dòng điện thẳng 25 I.14.2 Từ trường dòng điện tròn 25 I.14.3 Từ trường dòng điện ống dây 26 I.15 Momen ngẫu lực từ 27 I.16 Sự từ hóa chất Sắt từ 27 I.16.1 Các chất thuận từ nghịch từ 27 I.16.2 Các chất sắt từ 27 I.16.3 Nam châm điện Nam châm vĩnh cửu 27 I.17 Từ trường Trái Đất 27 I.17.1 Độ từ thiên Độ từ khuynh 28 I.17.2 Các từ cực Trái Đất 28 I.17.3 Bão từ 28 CHƯƠNG II PHÂN LOẠI HỆ THỐNG BÀI TẬP – PHƯƠNG PHÁP GIẢI A BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH 29 B BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG 33 II.1 Xác định cảm ứng từ 33 II.1.1 Từ trường dòng điện chạy dây dẫn có hình dạng đặc biệt 33 II.1.2 Từ trường nhiều dòng điện Nguyên lý chồng chất từ trường 35 II.2 Xác định lực từ, momen ngẫu lực từ 40 II.2.1 Lực Lorentz tác dụng lên điện tích chuyển động từ trường 40 II.2.2 Lực từ tác dụng lên dòng điện 42 II.2.3 Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện 43 CHƯƠNG III BÀI TẬP THAM KHẢO III.1 Xác định cảm ứng từ 44 III.2 Xác định lực từ, momen ngẫu lực từ 46 III.2.1 Lực Lorentz tác dụng lên điện tích chuyển động từ trường 46 III.2.2 Lực từ tác dụng lên dòng điện 47 III.2.3 Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Bài tập Vật lý nói chung, tập Từ trường nói riêng có vai trò quan trọng việc hình thành, củng cố, mở rộng kiến thức Điện học – Điện từ học cho học sinh Từ trường phần kiến thức quan trọng chương trình vật lý 11 trung học phổ thông Những kiến thức từ trường đề cập sơ chương trình vật lý lớp THCS Ở lớp 11 kiến thức từ trường mở rộng hoàn thiện thêm Kiến thức từ trường trừu tượng, tập từ trường chứa đựng nhiều kiến thức tổng hợp, đòi hỏi học sinh nắm vững kiến thức vật lý, kiến thức toán học mà phải biết cách vận dụng linh hoạt kiến thức có Nhận thấy việc nắm vững kiến thức, vận dụng kiến thức để giải tập chương học sinh thường gặp nhiều khó khăn, học sinh chậm nắm bắt thông tin, lúng túng giải tập, không xác định hướng giải toán Bên cạnh học sinh lại tiếp xúc với nhiều tài liệu khác : Học tốt vật lý, Giải tập vật lý, tài liệu mạng, … Vì mà em thường học cách máy móc, thụ động chọn lọc tập để biến thành kiến thức riêng Trong tập sách giáo khoa, sách tập, sách tham khảo nhiều Vì mà đòi hỏi em phải có phương pháp, phải có chọn lọc, phân loại, xếp chúng cách có hệ thống nhằm giúp phát triển lực tự học thân Vì thế, việc nghiên cứu hệ thống lý thuyết tập chương từ trường nhằm giúp học sinh phân loại, củng cố, mở rộng đào sâu kiến thức lý thuyết có hệ thống tập, có phương pháp giải cụ thể dạng với hướng dẫn giải chi tiết việc cần thiết Từ giúp học sinh hiểu biết sâu sắc từ trường, sở rèn luyện kỹ giải dạng tập Đồng thời thông qua hoạt động giải tập, góp phần phát triển tư sáng tạo lực giải tốt vấn đề thực tiễn Là sinh viên ngành sư phạm Vật lý, với mong muốn học tập, rèn luyện để trang bị số kiến thức, kỹ sư phạm trước trường mong muốn góp phần đổi mới, nâng cao chất lượng giảng dạy, cho phép nhà trường, hướng dẫn thầy giáo hướng dẫn, chọn đề tài: “Hệ thống lý thuyết tập phần từ trường chương trình vật lý phổ thông” để thực khóa luận tốt nghiệp II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng hệ thống lý thuyết tập từ trường phù hợp, bám sát chương trình Trung học phổ thông hành Đưa tiến trình giải hệ thống tập với dạng khác từ dễ đến khó, đơn giản đến phức tạp nhằm giúp học sinh nắm vững kiến thức kĩ giải tập III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu : - Chương trình vật lý 11 trung học phổ thông - Hệ thống lý thuyết dạng tập vật lý từ trường thuộc chương trình vật lý trung học phổ thông Phạm vi nghiên cứu : Đề tài nghiên cứu, soạn thảo hệ thống lý thuyết tập phần “Từ trường” chương trình vật lý phổ thông IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu tài liệu : - Tìm đọc hệ thống hóa kiến thức từ trường sách giáo khoa sách có liên quan đến từ trường - Lựa chọn tập từ trường sách giáo khoa sách có tập từ trường Phương pháp tổng kết kinh nghiệm : - Trao đổi tiếp thu ý kiến giáo viên hướng dẫn để xác định yêu cầu cách thức, kinh nghiệm chọn soạn tập - Trao đổi với thầy cô, bạn bè để tiếp thu ý kiến, kinh nghiệm hay V ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI Đề tài cung cấp cho sinh viên hệ thống kiến thức tập từ trường lời giải chúng, góp thêm tài liệu tham khảo nhỏ bé cho sinh viên sư phạm sau trường VI BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG – CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG GIẢNG DẠY Ở CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 11 THPT A TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG I.1 Một số kiện từ trường I.2 Nguồn sinh từ trường I.3 Định luật Ampère I.4 Khái niệm từ trường I.5 Véctơ cảm ứng từ I.6 Véctơ cường độ từ trường I.7 Nguyên lí chồng chất từ trường I.8 Véctơ cảm ứng từ véctơ cường độ từ trường số dòng điện đặc biệt I.9 Tác dụng từ trường lên dòng điện I.10 Tác dụng lực từ lên hạt tích điện chuyển động Lực Lorentz B CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG GIẢNG DẠY Ở CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 11 THPT I.11 Từ trường I.12 Lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động dòng điện I.13 Nguyên lý chồng chất từ trường I.14 Từ trường số dòng điện có hình dạng đặc biệt I.15 Momen ngẫu lực từ I.16 Sự từ hóa chất Sắt từ I.17 Từ trường Trái Đất CHƯƠNG II PHÂN LOẠI HỆ THỐNG BÀI TẬP – PHƯƠNG PHÁP GIẢI A BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH B BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG II.1 Xác định cảm ứng từ II.2 Xác định lực từ, momen ngẫu lực từ CHƯƠNG III BÀI TẬP THAM KHẢO III.1 Xác định cảm ứng từ III.2 Xác định lực từ, momen ngẫu lực từ KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG - CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG GIẢNG DẠY Ở CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 11 THPT A TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG I.1 Một số kiện từ trường - Nam châm từ học biết đến từ lâu, nghiên cứu từ trường bắt đầu vào năm 1269 học giả người Pháp Petrus Peregrinus de Maricourt vẽ từ trường xung quanh nam châm hình cầu cách sử dụng kim loại nhỏ Ông đề cập đến hai cực từ tương tự hai cực Trái Đất Khoảng ba kỷ sau, nhà thiên văn học William Gilbert Colchester lặp lại nghiên cứu Petrus Peregrinus lần phát biểu rõ ràng Trái Đất nam châm khổng lồ Công bố năm 1600, công trình Gilbert, De Magnete, giúp từ học trở thành ngành khoa học - Năm 1750, John Michell phát cực từ hút đẩy tuân theo định luật nghịch đảo bình phương Sau Charles-Augustin de Coulomb xác nhận điều thực nghiệm vào năm 1785 nêu cực Bắc Nam tách rời Siméon-Denis Poisson thiếp lập mô hình thành công từ trường dựa lực từ vào năm 1824 Trong mô hình này, ông r cho từ trường H sinh cực từ nam châm có cặp cực từ Bắc/Nam nhỏ - Tuy nhiên, có ba khám phá gây thách thức đến sở từ học Đầu tiên, Hans Christian Oersted năm 1819 khám phá tượng dòng điện sinh từ trường bao quanh dây dẫn Năm 1820, André-Marie Ampère hai sợi dây song song có dòng điện chiều chạy qua hút Cuối cùng, Jean-Baptiste Biot Félix Savart khám phá định luật Biot–Savart năm 1820, định luật miêu tả đắn từ trường bao quanh sợi dây có dòng điện chạy qua - Dựa ba khám phá trên, Ampère công bố mô hình thành công cho từ học vào năm 1825 Trong mô hình này, ông tương đương dòng điện nam châm đề xuất từ tính vòng chảy vĩnh cửu (đường sức) thay lưỡng cực từ mô hình Poisson Mô hình có thêm thuận lợi giải thích lại đơn cực từ Ampère dựa vào mô hình suy lực Ampère miêu tả tương tác hai dây dẫn có dòng điện chạy qua định luật Ampère (hay định luật Biot–Savart), miêu tả đắn từ trường bao quanh sợi dây có dòng điện Cũng công trình này, Ampère đưa thuật ngữ điện động lực miêu tả mối liên hệ điện từ - Năm 1831, Michael Faraday phát tượng cảm ứng điện từ ông làm thay đổi từ trường qua vòng dây có dòng điện sinh vòng dây Ông miêu tả tượng định luật cảm ứng điện từ Faraday Sau đó, Franz Ernst Neumann chứng minh vòng dây di chuyển từ trường tượng cảm ứng hệ định luật Ampère Ông nêu khái niệm véctơ từ mà sau người ta chứng minh tương đương với chế Faraday đề xuất - Năm 1850, Huân tước Kelvin (hay William Thomson), phân biệt hai kiểu từ r r trường mà ngày ký hiệu H B Cái đầu tương ứng cho mô hình Poisson sau tương ứng cho mô hình Ampère tượng cảm ứng Hơn r r nữa, ông suy mối liên hệ B bội số H - Giữa năm 1861 1865, James Clerk Maxwell phát triển công bố phương trình Maxwell, ông giải thích thống khía cạnh lý thuyết điện học từ học cổ điển Ông công bố hệ phương trình báo On Physical Lines of Force năm 1861 Tuy phương trình đắn chưa đầy đủ Maxwell hoàn thiện phương trình báo năm 1865 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field chứng minh ánh sáng dạng sóng điện từ Heinrich Hertz chứng minh thực nghiệm kết vào năm 1887 Mặc dù định luật lực Ampère hàm ý lực từ trường tác dụng lên điện tích chuyển động nó, tận năm 1892 Hendrik Lorentz suy luận tường minh lực từ phương trình Maxwell Cùng với đóng góp Lorentz, lý thuyết điện từ động lực cổ điển hoàn thiện Trong kỷ 20, lý thuyết điện từ động lực mở rộng để tương thích với thuyết tương đối hẹp học lượng tử Albert Einstein, báo năm 1905 thiết lập thuyết tương đối, chứng minh điện trường từ trường phần thực thể quan sát từ hệ quy chiếu khác (như từ vấn đề di chuyển nam châm vòng dây dẫn thí nghiệm Faraday thông qua thí nghiệm tưởng tượng giúp Albert Einstein phát minh thuyết tương đối hẹp) Cuối cùng, để phù hợp với lý thuyết học lượng tử, điện động lực học cổ điển phát triển thành thuyết điện động lực học lượng tử (QED) I.2 Nguồn sinh từ trường - Khi trình bày điện trường, người ta biểu diễn mối quan hệ điện tích r E điện trường sau : r điện tích ↔ E ↔ điện tích Thế nghĩa điện tích sinh điện trường, điện trường đến lượt lại tác dụng lực (điện) lên điện tích khác đặt trường Phép đối xứng - công cụ đắc lực dùng nhiều lần trước - gợi ý cho ta thiết lập mối quan hệ tương tự tượng từ : r từ tích ↔ B ↔ từ tích r B từ trường Ý tưởng bị vướng điều từ tích Điều có nghĩa chất điểm cô lập phát đường sức từ Một số thuyết dự đoán tồn đơn cực từ vậy, có nhiều nhà vật lý ủng hộ thuyết ấy, người ta chưa khẳng định tồn đơn cực từ Vậy từ trường đâu sinh ra? Thí nghiệm chứng tỏ điện tích chuyển động sinh Điện tích sinh điện trường đứng yên hay chuyển động; nhiên chuyển động điện tích sinh từ trường Đâu điện tích chuyển động ấy? Trong nam châm vĩnh cửu chúng electron nguyên tử sắt tạo nên nam châm Trong nam châm điện, chúng electron chạy cuộn dây dẫn mà ta quanh nam châm Như từ học, nghĩ kiểu tương quan sau : r điện tích chuyển động ↔ B ↔ điện tích chuyển động (1.1) Vì dòng điện dây dẫn luồng điện tích chuyển động nên ta viết phương trình sau : r dòng điện ↔ B ↔ dòng điện Các phương trình (1.1) (1.2) nói lên : 10 (1.2) r F⊕ Hình 2.11a r B N M r I a Vẽ hình lực từ tác dụng lên MN b Tính góc hợp MN véctơ cảm ứng từ Cho biết lực từ tác dụng lên dòng điện 0,075 N * Phân tích vật lý : Đoạn dây MN mang dòng điện đặt từ trường chịu tác dụng lực từ : + Phương, chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái + Điểm đặt lực từ trung điểm đoạn dây + Độ lớn: F = IBlsin α ⇒ sin α = F BIl Từ đại lượng cho, xác định đại lượng cần tìm biểu thức tính độ lớn lực từ * Giải : a Theo quy tắc bàn tay trái, lực từ tác dụng lên đoạn dây MN có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ chiều hướng từ vào b Ta có: lực từ tác dụng lên đoạn dây MN có độ lớn : F = IBlsin α ⇒ sin α = F 0,075 = = 0,5 BIl 0,5.5.0,06 67 ⇒ α = 30o r o Vậy góc hợp đoạn dây B 30 II.2.3 Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện * Phương pháp chung : Áp dụng công thức tính momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện đặt từ trường : M = NIBSsin θ Bài 14 Một khung dây tròn bán kính 10 cm gồm 50 vòng Trong vòng có dòng điện cường độ 10 A chạy qua Khung dây đặt từ trường đều, đường sức từ song song với mặt phẳng khung, B = 0,20 T Hỏi momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung * Phân tích vật lý : Khung dây đặt từ trường đều, đường sức từ song song với mặt phẳng khung chịu tác dụng momen ngẫu lực từ có độ lớn : M = NIBS Hình 3.1 Trong diện tích khung dây tròn : S = πR * Giải : Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung : M = NIBS = NIBπR = π = 3,14N.m CHƯƠNG III BÀI TẬP THAM KHẢO III.1 Xác định cảm ứng từ Bài Hai dòng điện thẳng dài vô hạn đặt song song cách 10 cm khung dây chữ nhật mang dòng điện nằm mặt phẳng đặt không khí Biết hai dòng điện chiều có cường độ I = I2 = A Xác định cảm ứng từ tổng hợp hai dòng điện gây điểm M cách hai dây dẫn khoảng 20 cm * Hướng dẫn : Giả sử hai dây dẫn đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, dòng I vào r B A, dòng I2 vào B Các dòng điện I1 I2 gây M véctơ cảm ứng từ r B có phương chiều hình vẽ, có độ lớn : 68 I1 B1 = B2 = 2.10-7 AM = 6.10-6 T Cảm ứng từ tổng hợp M : r r r B = B1 + B2 r Phương chiều B hình vẽ có độ lớn : AM − AH B = 2B1 cos α = 2B1 = 11,6.10−6 T AM Bài Hai dây dẫn thẳng, dài, đặt song song, cách 20 cm không khí, có hai dòng điện ngược chiều, có cường độ I = 12 A; I2 = 15 A chạy qua Xác định cảm ứng từ tổng hợp hai dòng điện gây điểm M cách dây dẫn mang dòng I1 15 cm cách dây dẫn mang dòng I2 cm * Hướng dẫn : Giả sử hai dây dẫn đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, dòng I vào r B A, dòng I2 B dòng điện I1 I2 gây M véctơ cảm ứng từ r B có phương chiều hình vẽ, có độ lớn : I1 I2 B1 = 2.10-7 AM = 1,6.10-5 T; B2 = 2.10-7 BM = 6.10-5 T r r r B = B1 + B2 Cảm ứng từ tổng hợp M : r r r r B B B Vì phương, chiều nên B phương, chiều với r B và có độ lớn B = B1 + B2 = 7,6.10-5 T Bài Hai dây dẫn thẳng, dài, đặt song song, cách 10 cm không khí, có hai dòng điện ngược chiều, có cường độ I1 = A; I2 = 12 A chạy qua Xác định cảm ứng từ tổng hợp hai dòng điện gây điểm M cách dây dẫn mang dòng I1 cm cách dây dẫn mang dòng I2 15 cm Hình 3.2 * Hướng dẫn : 69 Giả sử hai dây dẫn đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, dòng I1 vào r B A, dòng I2 B dòng điện I1 I2 gây M véctơ cảm ứng từ r B có phương chiều hình vẽ, có độ lớn: I1 B1 = 2.10-7 AM = 2,4.10-5 T; I2 B2 = 2.10-7 BM = 1,6.10-5 T Cảm ứng từ tổng hợp M là: r r r r r B = B1 + B2 B B Vì phương, r ngược chiều B1 > B2 nên B r B phương, chiều với có độ lớn : Hình 3.3 B = B1 - B2 = 0,8.10-5 T Bài Một ống dây đặt không khí cho trục ống dây vuông góc với mặt −5 phẳng kinh tuyến từ Thành phần nằm ngang từ trường Trái Đất Bo = 2.10 T Ống dây dài 50 cm quấn lớp vòng dây sát Trong lòng ống dây có treo kim nam châm a Cho dòng điện I = 0,2 A chạy qua ống dây kim nam châm quay lệch so với hướng Nam - Bắc lúc đầu 450 Tính số vòng dây ống dây b Cho dòng điện I’ = 0,1 A qua ống dây kim nam châm quay lệch góc bao nhiêu? * Hướng dẫn : a Theo nguyên lý chồng chất từ trường ta viết: r r r B = B d + Bo Dưới tác dụng từ trường tổng hợp, nam châm r nằm cân theo phương véctơ cảm ứng từ B r r B Theo đề B hợp với o góc 45o nên : r Bđ r B Hình 3.4a 70 r Bo thử r' B r Bo r ' Hình 3.4b Bd Bd = Bo = 2.10-5 T α, Ta có: Bd = 4π.10−7 NI = Bo l ⇒N= lBo = 40 4π.10−7 I vòng b Khi dòng điện I’ = 0,1 A qua ống dây : ' B d = 4π.10 −7 NI' Bd = = 10−5 l T B'd I ' I = ; tan α = = B ⇒ α' = 26,6o o Vì III.2 Xác định lực từ, momen ngẫu lực từ III.2.1 Lực Lorentz tác dụng lên điện tích chuyển động từ trường ' Bài Một electron hạt α tăng tốc hiệu điện U = 1000 V Sau tăng tốc, hạt bay vào từ trường theo phương vuông góc với đường sức từ Hỏi sau bay vào từ trường, hạt bay lệch phía ? Vì ? Tính lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt −31 −27 Cho me = 9,1.10 kg , m α = 6,67.10 kg , điện tích electron −1,6.10−19 C , hạt α 3, 2.10−19 C , B = T ; vận tốc hạt trước tăng tốc nhỏ * Hướng dẫn : 71 Hạt α bay lệch hướng mũi tên 2, electron hướng mũi tên (Hình 3.5) Vận tốc electron lúc bay vào từ trường : U er B Hình 3.5 ve = 2eU me Độ lớn lực Lorentz tác dụng lên electron hạt α : 72 2e3 U f e = ev e B = B = 6,00.10 −12 N me 2q U fα = B = 1,98.10−13 N mα Bài Một chùm electron sau qua hiệu điện tăng tốc ∆φ = 40V, bay vào vùng từ trường có hai mặt biên phẳng song song, bề dày h = 10cm r v r Vận tốc electron vuông góc với cảm ứng từ B vùng Với giá trị nhỏ Bmin cảm ứng từ nhiêu electron bay xuyên qua vùng đó? số độ lớn điện tích khối lượng electron γ = 1,76.1011C/kg * Hướng dẫn : Thế electron nhận qua hiệu điện chuyển thành động electron : e∆ϕ = mv ⇒ v = 2e∆ϕ = 2∆ϕγ m ● lẫn hai biên bao Cho biết tỷ → B tăng tốc h Hình 3.6 r Khi electron chuyển động vào vùng từ trường với vận tốc v vuông góc với r B quỹ đạo chuyển động electron đường tròn bán kính R xác định theo công thức : R= mv eB Để electron bay xuyên qua vùng từ trường bán kính quỹ đạo R max = h = mv mv ⇒ Bmin = = eBmin eh h III.2.2 Lực từ tác dụng lên dòng điện 73 2∆φ = 2,1.10−4 T γ Bài Hai dòng điện thẳng dài vô hạn đặt song song khung dây chữ nhật mang dòng điện nằm mặt phẳng đặt không khí Biết I = 12 A; I2 = 15 A; I3 = 4A; a = 20 cm; b = 10 cm; AB = 10 cm; BC = 20 cm Xác định lực từ từ trường hai dòng điện thẳng tác dụng lên cạnh BC khung dây * Hướng dẫn : Dòng I1 gây điểm cạnh BC khung dây véctơ cảm ứng từ có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, có chiều hướng từ có độ lớn : I1 B1 = 2.10-7 b r F Từ trường dòng I1 tác dụng lên cạnh BC lực từ đặt trung điểm cạnh BC, có phương nằm mặt phẳng hình vẽ, vuông góc với BC hướng từ B đến A, có độ lớn: F1 = B1I3BCsin90o = 2.10−7 I1I3BC = 192.10−7 N a r F Lập luận tương tự ta thấy từ trường dòng I tác dụng lên cạnh BC lực từ có r F điểm đặt, phương, ngược chiều với có độ lớn: I I3BC F2 = 2.10-7 a + b = 80.10-7 N Lực từ tổng hợp từ trường hai dòng I I2 tác dụng lên cạnh BC khung dây : r r r F = F1 + F2 I3 A B r r F F phương chiều với có độ lớn : I2 I1 F = F - F2 = 112.10-7 N a b Bài Một đoạn dây đồng CD dài 20 cm, khối lượng 10 g treo hai đầu C hai sợi dây mềm cách điện choD đoạn dây CD nằm ngang Đưa đoạn dây Hình 3.7 đồng vào từ trường có cảm ứng từ B = 0,2 T đường sức từ đường thẳng đứng Dây treo chịu lực kéo lớn Fk = 0,06 N Hỏi cho dòng điện qua dây đồng CD có cường độ lớn để dây treo không bị đứt ? Coi khối lượng 74 hai sợi dây treo nhỏ Lấy g = 10 m/s r Br D * Hướng dẫn : Vì véctơ cảm ứng từ có phương thẳng đứng nên cho I r dòng điện qua dây CD lực từ tác dụng lên CD có phương Hình 3.8 F nằm ngang Vì lực từ có phương nằm ngang nên đoạn dây C D C CD lệch khỏi vị trí ban đầu Giả sử cân CD nằm vị trí Hình 3.8 Độ lớn lực từ tác dụng lên CD : F = IBl Gọi trọng lượng dây CD P lực căng dây T Khi CD nằm cân ta viết : F2 + P = (2T)2 T phải thỏa mãn điều kiện T [...]... cường r độ từ trường H như sau : r Véctơ cường độ từ trường H tại một điểm M trong từ trường là một véctơ bằng r tỉ số giữa véctơ cảm ứng từ B tại điểm đó và tích µµ o : r r B H= µµ o (1.11) Định nghĩa này chỉ áp dụng với mơi trường đồng chất và đẳng hướng Trong hệ SI, đơn vị của cường độ từ trường là ampe trên mét, kí hiệu là A/m I.7 Ngun lí chồng chất từ trường Giống như điện trường, từ trường cũng... tốc truyền tương tác là hữu hạn và bằng vận tốc ánh sáng trong chân khơng Từ trường là một dạng vật chất Sau này ta sẽ thấy từ trường chỉ là một trường hợp riêng của trường điện từ Ngày nay, những thành tựu của vật lý học hiện đại đều xác nhận rằng thuyết tác dụng xa là hồn tồn sai lầm và thuyết tác dụng gần là hồn tồn đúng đắn I.5 Véctơ cảm ứng từ Để đặc trưng cho từ trường về mặt định lượng (mặt tác... của từ trường lên một phần tử dòng điện Lực Ampère r I dl Theo định luật Ampère, một phần tử dòng điện o o đặt tại một điểm M trong từ r dB trường có cảm ứng từ sẽ chịu một lực từ : r r r dF = Io dlo ∧ dB r Idl Từ đó ta suy ra rằng : nếu ta đặt một phần tử dòng điện tại một điểm M r trong từ trường, ở đó véctơ cảm ứng từ là B thì phần tử đó sẽ chịu một lực từ là : 30 r r r dF = Idl ∧ B (1.22) Lực từ. .. Biot - Savart và ngun lí chồng chất từ trường, ta có thể xác định được véctơ cảm ứng từ do bất kì dòng điện nào sinh ra tại một điểm trong từ trường I.8 Véctơ cảm ứng từ và véctơ cường độ từ trường của một số dòng điện đặc biệt I.8.1 Dòng điện thẳng 18 O r B Hình 1.3 θ θ2 θ1 A r B H r Idl l ⊗ M R 19 Ta hãy xác định véctơ cảm ứng từ và véctơ cường độ từ trường do dòng điện có cường độ I chạy trong đoạn... cũng đều gây ra xung quanh nó một từ trường Từ trường thể hiện ở chỗ là, nếu đặt một dòng điện khác trong khơng gian của nó, thì dòng điện này sẽ bị một lực từ tác dụng Tuy nhiên, từ trường của một dòng điện ln ln tồn 14 tại, dù ta khơng đặt một dòng điện khác trong khơng gian của từ trường đó để quan sát tương tác từ Chính thơng qua từ trường mà lực từ được truyền đi từ dòng điện này tới dòng điện khác... 4π r2 (1.10) Trong hệ SI, cảm ứng từ được tính bằng đơn vị tesla (kí hiệu là T) I.6 Véctơ cường độ từ trường Theo cơng thức định nghĩa (1.9), véctơ cảm ứng từ do dòng điện gây ra phụ thuộc độ từ thẩm µ của mơi trường Vì vậy nếu ta đi từ mơi trường này sang mơi r µ B trường khác thì cùng với độ từ thẩm tỉ đối , véctơ cảm ứng từ sẽ biến đổi một r cách đột ngột Do đó ngồi véctơ cảm ứng từ B người ta... một dòng điện sinh ra một từ trường θo r dFo 2 Nếu ta đặt một điện tích chuyển động hoặc một sợi dây dẫn có dòng điện chạy qua vào trong từ trường thì nó sẽ bị lực từ tác dụng Chính nhà vật lý Đan Mạch Hans Christian Oersted là người đầu tiên (vào năm 1820) đã liên kết được hai khoa học riêng biệt về dòng điện và hiện tượng từ với nhau, khi ơng ta chứng tỏ rằng dòng điện trong dây dẫn có thể làm lệch... lần r lượt là I và Io Trên hai dòng điện đó, ta lấy hai phần tử dòng điện bất kỳ Idl và r Io dlo tại O và M (Hình 1.1) 11 Hình 1.1 Tương tác từ giữa hai phần tử dòng điện r r uuuur r r = OM Id θ Đặt và gọi là góc giữa phần tử l và véctơ r Vẽ mặt phẳng P chứa r r r phần tử Idl và điểm M, vẽ pháp tuyến n đối với mặt phẳng P tại điểm M (véctơ n r r r Idl phải có chiều sao cho ba véctơ , r và n theo thứ... Ampère, có phương vng góc với phần tử dòng điện r r r r r Idl và từ trường B , có chiều sao cho ba véctơ Idl , B và dF , theo thứ tự đó, hợp thành một tam diện thuận, và có độ lớn bằng : dF = Idl.B.sin α; (1.23) với α là góc hợp bởi dòng điện và từ trường Để xác định có thể dùng quy tắc nếu bàn tay trái đặt điện để dòng điện đi ngón tay, và để từ bàn tay, thì chiều là chiều của lực từ chiều của lực Ampère,... của từ trường đều lên một mạch điện kín Để đơn giản, ta xét một khung dây hình chữ nhật ABCD có các cạnh là a và b, và có dòng điện cường độ I chạy qua (Hình 1.7) Khung được đặt trong một từ trường r đều B có phương vng góc với các cạnh đứng AB và CD Giả sử khung rất cứng và chỉ có thể quay xung quanh một trục thẳng đứng ∆ của nó, ban đầu, mặt khung r p khơng vng góc với từ trường : véctơ momen từ m