Sử dụng các định luật bảo toàn để giải các bài toán về thế năng tương tác

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU I.LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI………………………………………………….2 II.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU………………………………………… III.ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU……………………………………… PHẦN NỘI DUNG I.CƠ SỞ LÍ LUẬN…………………………………………………… II THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ………………………………………… …3 Từ phía giáo viên……………………………………………………3 Từ phía học sinh…………………………………………………….3 III GIẢI PHÁP THỰC HIỆN…………………………………………….3 Về mặt lý thuyết Bài tập ví dụ PHẦN KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 1.Kết luận…………………………………………………………………11 Kiến nghị……………………………………………………………….12 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 13 MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Trong chương trình THPT phần ĐIỆN HỌC chiếm phần kiến thức tương đối lớn, có chương trình vật lý 11 vật lý 12 Đây nội dung quan trọng, khơng trang bị cho học sinh kiến thức để dự thi kì thi: kì thi học sinh giỏi, kì thi THPTQG, mà cung cấp kiến thức để học sinh vận dụng ngồi thực tế Tuy nhiên chương trình, hầu hết ta ý đến phần ĐIỆN XOAY CHIỀU lớp 12 mà tập trung đến phần điện lớp 11, lẽ trước kể thi học sinh giỏi thi TNTHPTQG tập trung vào lớp 12 Tuy nhiên vài năm gần chương trình thi học sinh giỏi TNTHPTQG kiến thức đưa xuống lớp 10 11, khai thác vài tập sách giáo khoa học sinh chưa đủ kiến thức lẫn kĩ làm Mặt khác , trình giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý, thấy cung cấp cho học sinh đủ kiến thức sách giáo khoa học sinh chưa thể đủ kiến thức kĩ để giải tốn Vì mạnh dạn làm đề tài“ SỬ DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TỐN VỀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC ”xin giới thiệu đến q thầy bạn đọc II Mục đích nghiên cứu - Giúp học sinh hiểu khái niệm tương tác điện tích, phân biệt tương tác với trọng trường đàn hồi mà lâu học sinh học - Giúp cho học sinh vận dụng thành thạo định luật bảo toàn toán điện, đồng thời tạo cho học sinh kĩ phối hợp định luật bảo toàn lúc để giải toán - Nghiên cứu đề tài này, tơi muốn thân có thêm kiến thức cần thiết, tư liệu quý báu anh em bạn bè đồng nghiệp áp dụng để ngày nâng cao chất lượng dạy học nói chung chất lượng ơn thi HSG nói riêng Qua thúc đẩy việc dạy học trường THPT Quảng Xương 1, đồng thời muốn chia sẻ kinh nghiệm với bạn bè, đồng nghiệp gần xa nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Học sinh lớp 11C5, 11C6 trường THPT Quảng Xương NỘI DUNG I CƠ SỞ LÝ LUẬN: Định luật bảo tồn chuyển hóa lượng, định luật bảo toàn động lượng định luật quan trọng vật lý Các định luật sử dụng rộng rãi, áp dụng để giải nhiều toán cơ, nhiệt, điện, vật lý hạt nhân Tuy nhiên chương trình phổ thơng định luật đưa để áp dụng cho toán phần ĐIỆN- ĐIỆN TÍCH Vì vậy, tơi xin giới thiệu với đồng nghiệp với em học sinh số tốn phần ĐIỆN- ĐIỆN TÍCH dùng định luật bảo toàn để giải II THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Về phía giáo viên Trong trình giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi, tơi thấy sách giáo khoa không đề cập đến khái niệm tương tác Tuy nhiên q trình ơn thi học sinh giỏi lại có rât nhiều tập liên quan đến phần Do đề tài xin đề cập đến khái niệm tương tác số tập áp dụng định luật bảo tồn để giải tốn phần Điện- điện tích nhằm cung cấp cho q thầy số kiến thức mở rộng để tham khảo Về phía học sinh Nếu khơng đưa khái niệm tương tác điện tích hệ điện tích giải tốn liên quan đến điện tích cần sử dụng định luật bảo tồn để giải, học sinh dễ bị sai lâu em học có hai loại năng: đàn hồi trọng trường, em chưa biết điện tích tương tác III GIẢI PHÁP THỰC HIỆN Trước giới thiệu tập xin đưa kiến thức lý thuyết liên quan A LÝ THUYẾT CÔNG CỦA LỰC ĐIỆN a Điện tích chuyển động điện trường Khi điện tích dương q dịch chuyển điện trường có cường độ ( từ M đến N) cơng mà lực điện tác dụng lên q có biểu thức: A = q.E.d Với d khoảng cách từ điểm đầu đến điểm cuối( theo phương ) Vì d dương( d>0) , âm(d0 Nếu A > lực điện sinh cơng dương, A< lực điện sinh cơng âm b Điện tích chuyển động điện trường khơng Xét điện tích q di chuyển từ M đến M’ điện trường tạo điện tích điểm Q đặt O Cơng lực điện trường dịch chuyển quãng đường nguyên tố ∆l tính: ∆A= = ∆l.cosα = Cơng tồn phần lực điện trường dịch chuyển điện tích q từ A đến B : AAB = A = k ( →AAB = (1) Kết luận: *) Công A phụ thuộc vào vị trí điểm đầu điểm cuối đường điện trường mà không phụ thuộc vào hình dạng đường Do điện trường trường lực thế, lực tĩnh điện lực *) Công lực điện trường dịch chuyển điện tích q từ B đến ∞ : AA∞ =k (2) THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC a Thế tương tác điện tích Ta biết: Trong học công lực tác dụng trường lực thê độ giảm vật trường lực Vì trường tĩnh điện điện tích Q trường lực nên công mà lực điện trường thực dịch chuyển q từ điểm A đến điểm B hiệu điện : AAB= WA – WB (2) Từ (1) (2) : WA= + C WB = + C Tổng quát: W = + C , W gọi tương tác hệ điện tích q Q Thường người ta quy ước đặt giá trị điện tích q cách xa Q vơ , tức C=0 Khi điện tích q có biểu thức :W= (4) Từ (4) ta thấy: Thế điện tích q điểm M điện trường tỉ lệ thuận với độ lớn điện tích q: WA = AA = q.VA VA gọi điện điểm M b Thế tương tác hệ điện tích Giữa điện tích hệ điện tích có tương tác Culong, dịch chuyển điện tích ta cần phải thực cơng Vì hệ điện tích có dự trữ a) Xét hệ gồm điện tích q1và q2 Thế tương tác hệ là: W= , khoảng cách hai điện tích q1 q2 Mặt khác, điện V1 điện tích q2 gây điểm đặt điện tích q1là: V1= Tương tự, điện V1 điện tích q1 gây điểm đặt điện tích q2 là: V1= Do đó: W=q1V1 = q2V2 Để có tính đối xứng với hai điện tích q1, q2 ta viết: W=(q1V1+ q2V2) b) Đối với hệ gồm điện tích q1, q2, q3 tương tác hệ là: W= + + Hoặc: W= W=(q1V1+ q2V2+ q3V3), V1 = + điện điện tích q2 q3 tạo điểm q1 Tương tự, V2 điện điện tích q3 q1 tạo điểm q2 V3là điện điện tích q1 q2 tạo điểm q3 c) Thế hệ gồm n điện tích q1, q2,… tính: W=+ ++ B BÀI TẬP VÍ DỤ Loại 1: Dùng định luật bảo toàn lượng Bài 1:Một hạt bụi nằm cố định điểm O thừa 1000 electron Từ xa O có electron chuyển động phía hạt bụi với vận tốc ban đầu v0=105m/s Xác định khoảng cách nhỏ mà electron đến gần hạt bụi Bỏ qua tác dụng trọng trường Hướng dẫn giải: Điện tích hạt bụi: Q=1000e=-1,6.10-16C Khoảng cách nhỏ OM electron tới hạt bụi tương ứng với vị trí M mà vận tốc electron giảm đến Năng lượng e xa hạt bụi: W∞= Năng lượng e M: WM=0+ k Áp dụng định luật bảo toàn lượng: W∞= WM → = k→r = =5,1.10-5m Bài 2: Một cầu nhỏ khối lượng m mang điện tích q1=-q chuyển động từ vị trí A mặt phẳng nghiêng góc α so với mặt phẳng ngang Ở chân C đường thẳng đứng AC có cầu nhỏ mang điện tích q2=+q giữ cố định Xác định vận tốc vB cầu m đến chân dốc B.Khảo sát phụ thuộc vB vào góc α trường hợp : a) α= 450, b) b) α> 450 c) c) α< 450 Hướng dẫn giải : Áp dụng định luật bảo toàn lượng cho hệ kín ( vật m+ điện tích q2+ trái đất) vị trí A B : WA= 0+mgh + (-) =mgh WB= +0+(-) = Từ WA=WB → vB= a) Khi α =450: tanα =1 → vB= ( trường hợp này, vận tốc vB hạt B có giá trị giống trường hợp khơng có điện tích q2 C, nghĩa giống vật không chịu tác dụng lực điện điện tích q2 gây Tuy nhiên, thực tế chuyển động từ A đến B cầu ln chịu tác dụng điện tích q2 ( lúc đầu cầu tăng tốc, sau chịu tác dụng lực cản q2 tạo b) Khi α >450: 1- tanα < 0→ > gh → vB > , trường hợp này, vận tốc vB hạt B có giá trị lớn trường hợp khơng có điện tích q2 C c) Khi α < 450: 1- tanα > 0→ < gh → vB < , trường hợp này, vận tốc vB hạt B có giá trị bé trường hợp khơng có điện tích q2 C.Ngồi trị số α=α0 mà =0 vB = Nếu α< α0 cầu khơng thể đến B được, tùy theo trị số α mà cầu dừng lại điểm D mặt phẳng nghiêng sau lại quay A dao động từ A đến D ngược lại Bài : Tại hai điểm A B cách đoạn a=20cm có hai điện tích điểm giữ cố định q1= +9.10-6C q2= -10-6C Một hạt có khối lượng m=0,1 kg có điện tích q3=10-6C chuyển động từ xa đến, theo đường BA hình vẽ Hỏi hạt phải có vận tốc ban đầu tối thiểu để đến điểm B, bỏ qua tác dụng trọng trường Hướng dẫn giải Hạt chịu tác dụng lực điện q1 q2 gây ra, hai lực điện ngược chiều Tại điểm C cách B đoạn x0 hai lực cân Tại C: = x0= a/2 =10cm Nếu x> a/2 Fq1> Fq2 , nghĩa hợp lực điện tác dụng lên hạt lực đẩy nên hạt chuyển động chậm dần đến C.Muốn hạt đến B hạt phải đến C, vận tốc ban đầu v0 tối thiểu hạt ứng với vận tốc vC=0 Áp dụng định luật bảo toàn lượng : W∞ =WC → Thay số: v0 60m/s = (k → = Bài : Hai cầu kim loại nhỏ có bán kính khối lượng m=5 kg gắn vào đầu điện môi cứng,mảnh ( khối lượng không đáng kể), dài l=10m Tích điện chohai cầu để chúng điện tích q1=q=10-7C q2=-q, đặt chúng vào điện trường có cường độ E= 104 v/m có chiều hướng từ điện tích –q sang +q Người ta truyền đồng thời cho hai cầu vận tốc v0 =10m/s có chiều hình vẽ Hỏi quay góc bao nhiêu? Bỏ qua tác dụng trọng lực Hướng dẫn giải : Xem hệ hai cầu điện môi vật rắn Lực tương tác CuLoong hai điện tích nội lực, không làm thay đổi khối tâm G hệ Điện trường tác dụng lên vật rắn ngẫu lực F=qE, ngẫu lực làm cho vật rắn quay xung quanh khối tâm G Công A ngẫu lực độ biến thiên động vật: A=∆Ed Ta có: A=q1Ed+q2Ed =2qEd Với d=l/2(1-cosα), α góc quay kể từ vị trí ban đầu Mặt khác : ∆Ed=(+ ( - 0) =2 Từ tìm : cosα =1 - =1/2 → α =600 Loại :Dùng định luật bảo toàn động lượng định luật bảo toàn nănglượng Bài : Hai sợi dây tơ mảnh, căng song song với mặt phẳng nằm ngang, cách khoảng d Hai viên bi A B có khối lượng, mang điện tích q1,q2 luồn vào hai dây Ban đầu viên bi B đứng yên, bi A phóng với vận tốc v0 từ xa phía bi B Tìm độ lớn v0 viên bi A vượt qua viên bi B Bỏ qua ma sát Hướng dẫn giải : Viên bi A vượt qua viên bi Bnếu thời điểm mà viên bi ngang nhau, vận tốc v1 A cần lớn chút so với vận tốc B Áp dụng định luật bảo toàn động lượng lượng : mv0 = mv1+ mv2 (1) (2) với W12 tương tác hai viên bi W12 =q1V1=q2V2 = q1 (3) ( d khoảng cách A B chúng nhũng vị trí ngang nhau, V1 điện q1 q2 tạo Muốn cho A vượt qua B phải có v1>v2 (4) Từ (1), (2), (3), (4) tìm : v0 Bài : Ba cầu nhỏ tích điện giữ yên đường thẳng mặt phẳng nhẵn nằm ngang, khoảng cách hai cầu cạnh d, khối lượng cầu m1, m2= 2m1 ; m3=5m1 Điện tích chúng q1, q2 = q1, q3= 2q1.Người ta thả cầu cho tự Hãy tìm vận tốc cầu sau chúng dịch chuyển xa Bỏ qua tác dụng trọng lực ĐS : v3 = ; v1 = -3v3 ; v2 = -v3 Bài : Hai cầu nhỏ tích điện 2, có khối lượng điện tích tương ứng m1=m, q1= q ; m2= 4m, q2 = +2q đặt cách đoạn a mặt phẳng nhẵn nằm ngang Ban đầu giữ cầu đứng yên, đẩy cầu chuyển động hướng thẳng vào cầu với vận tốc v0 đồng thời buông cầu a) Tính khoảng cách cực tiểu rmin hai cầu b) Xét trường hợp a=∞, tính rmin c) Tính vận tốc u1, u2 hai cầu ( theo v0, rmin ) chúng lại xa vô Xét trường hợp a=∞ ĐS : a)rmin = ; b) rmin = ; c).u1= - , u2 = + Loại 3:Dùng định luật bảo tồn điện tích Bài 8: Hai cầu kim loại đặt xa nhau, cầu (1) có bán kính R1=5cm tích điện q1=6.10-9C, cầu (2) có R2=15cm, q2=-2.10-9C Nối hai cầu dây mảnh Tìm điện tích cầu sau điện lượng chạy qua dây nối Hướng dẫn giải : Điện cầu: V1=kq1/R1; V2= kq2/R2 Vì V1≠ V2 nên nối hai cầu dây dẫn điện tích di chuyển từ cầu sang cầu khác điện hai cầu Gọi điện tích điện cầu sau nối dây q1’, q2’, V1’, V2’ Ta có: V1’= V2’ → kq1’/R1= kq2’/R2 → q1’/q2’= R1=R2=1/3 (1) ’ ’ Theo định luật bảo toàn điện tích : q1 + q2 = q1 + q2 =4.10-9C (2) Từ (1) (2) : q1’=10-9C; q2’=3.10-9C Điện lượng chạy qua dây nối :∆q= = 5.10-9C Bài :Hai cầu kim loại bán kính R1, R2 tích điện tích q1, q2 đặt hai nơi xa khơng khí Điện cầu V1, V2 Hỏi nối hai cầu dây dẫn, electron chuyển động từ cầu sang cầu nào? Xét trường hợp: a) R1>R2 ; q1=q2>0 b) R1>R2 ; V1=V2 So sánh q1và q2 c) q1>0 q2 R2, q1=q2 V1=kq1/R1 < kq2/R2 → e di chuyển từ cầu (I) sang cầu (II) b) Trường hợp 2: R1> R2, V1= V2 V1=kq1/R1 =V2= kq2/R2 → e không di chuyển →q1, q2 dấu > c) Trường hợp 3: q1>0; q20; V2= kq2/R2V2 e di chuyển từ cầu (II) sang cầu (I) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với việc áp dụng sáng kiến kinh nghiệm trình giảng dạy tơi thấy thu kết sau: Sau bổ sung thêm kiến thức lý thuyết tương tác đa số em học sinh nhận : khơng đàn hồi, trọng trường mà có loại 10 tương tác hạt mang điện Do giải tốn điện tích mà phải dùng đến định luật bảo tồn lượng em biết để ý đến loại tương tác điện tích mà lâu em hay bị sai Ngoài cho học sinh giải số tập áp dụng em nhuần nguyễn hơn, sử dụng định luật cách linh hoạt hơn, phối kết hợp định luật toán để giải cách đơn giản Tuy kết thu thơng qua kiểm tra tình hình thực tế nhận thức em theo không nhừng học sinh giỏi mà với học sinh trung bình em cần tiếp cận với dạng kiến thức để em hiểu làm tập xác Kiến nghị Theo tơi chương trình vật lý 11 nên bổ sung kiến thức tương tác để học sinh có đầy đủ kiến thức để làm tập nâng cao phần điện- điện tích, đồng thời bổ sung thêm tiết tập phần để học sinh rèn luyện kĩ làm tốt Trên vài suy nghĩ cá nhân tôi, có khiếm khuyết, tơi mong nhận góp ý chân thành đồng nghiệp Xác nhận thủ trưởng đơn vị Thanh Hóa, ngày 18/05/2019 Tơi xin cam đoan vấn đề nghiên cứu hoàn tồn kinh nghiệm tơi đúc rút từ q trình giảng dạy đạo Tổ chun mơn thân, khơng copy hết Nếu có sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Người viết 11 Nguyễn Thị Tú TÀI LIỆU THAM KHẢO Giải tập toán sở vật lý, tập 3, Lương Duyên Bình- Nguyễn Quang Hậu, NXBGD 2009 Bồi dưỡng học sinh giỏi vật lý trung học phổ thông - Vũ Thanh KhiếtNguyễn Thế Khôi, NXB giáo dục năm 2009 Giải toán vật lý 11, tập 1, Điện điện từ, Bùi Quang Hân chủ biên, NXBGD 2004 Kiến thức nâng cao vật lý THPT, tập 2, Vũ Thanh Khiết chủ biên Các đề thi học sinh giỏi vật lý( 2001-2010), Vũ Thanh Khiết- Vũ Đình Túy Vật lý đại cương - Điện học, Lương Duyên Bình, NXBGD 2012 Bài tập vậ lý đại cương – Nguyễn Quang Hậu Tham khảo tài liệu mạng Internet 12 ... giáo khoa học sinh chưa thể đủ kiến thức kĩ để giải tốn Vì tơi mạnh dạn làm đề tài“ SỬ DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TOÁN VỀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC ”xin giới thiệu đến quý thầy cô bạn đọc... DUNG I CƠ SỞ LÝ LUẬN: Định luật bảo toàn chuyển hóa lượng, định luật bảo tồn động lượng định luật quan trọng vật lý Các định luật sử dụng rộng rãi, áp dụng để giải nhiều toán cơ, nhiệt, điện,... tích giải tốn liên quan đến điện tích cần sử dụng định luật bảo toàn để giải, học sinh dễ bị sai lâu em học có hai loại năng: đàn hồi trọng trường, em chưa biết điện tích tương tác III GIẢI PHÁP