Bài 5. Bài tập về lục Culông và điện trường

Bài 5. BÀI TẬP VỀ LỰC COULOMB VÀ ĐIỆN TRƯỜNG I. MỤC TIÊU BÀI DẠY: 1. Kiến thức: Hệ thống hoá các kiến thức, phương pháp giải bài tập về tương tác tĩnh điện; 2. Kĩ năng:Rèn luyện học sinh vận dụng các công thức về tĩnh điện học để giải các bài tập định lượng liên quan định luật Coulomb, cường độ điện trường, nguyên lí chồng chất lực điện, điện trường. 3. Giáo dục thái độ: II. CHUẨN BỊ CỦA GIÁO VIÊN VÀ HỌC SINH 1. Giáo viên: Một số bài tập có chọn lọc và phương pháp giải; các phiếu học tập 2. Học sinh: III. TỔ CHỨC CÁC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC. Hoạt động 1: Hệ thống hoá những kiến thức liên quan đến tiết bài tâp. HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH *Giáo viên sử dụng phương pháp đàm thoại yêu cầu học sinh nhắc lại những kiến thức liên quan đến tiết bài tập; + Phát biểu và viết biểu thức định luật Coulomb? + Phát biểu nguyên lí chồng chất lực điện? Giáo viên yêu cầu học sinh rút ra các trường hợp đặc biệt trong các trường hợp hai hệ hai điện tích. + Phát biểu định luật bảo toàn điện tích? *Giáo viên lưu ý: Nếu cho hai quả cầu tích điện q 1 , q 2 trái dấu hút nhau thì sau đó hai quả cùng tích điện tích hai q cùng dấu và cùng độ lớn do trao đổi điện tích, theo định luật bảo toàn điện tích thì: q' = 2 21 qq + + Xác định đặc điểm của vector cường độ điện trường tại điểm M trong điện trường do điện tích điểm Q gây ra? *Giáo viên hướng dẫn học sinh rút ra các trường hợp đặc biệt xảy ra. *Học sinh tái hiện lại kiến thức một cách có hệ thống để trả lời các câu hỏi theo yêu cầu của giáo viên; + Định luật Coulomb: F = k 2 21 r qq , với k = 9.10 9 + Nguyên lí chồng chất lực điện: ∑ = i FF + Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của một hệ cô lập kín được bảo toàn. ∑ i q = const + Đặc điểm của vector cảm ứng điện tại điểm M trong điện trường do điện tích điểm Q gây ra: - Điểm đặt: Tại điểm M; - Phương: Trùng với đường thẳng nối điện tích với điểm M đang xét; - Chiều: Hướng ra xa điện tích Q nếu Q > 0, hướng vào điện tích Q nếu Q < 0; - Độ lớn: E = k 2 r Q ; *Nguyên lí chồng chất lực điện: ni EEEEE +++== ∑ 21 * Điều kiện cân bằng tổng quát của chất điểm: ∑ i F = 0 + Phát biểu nguyên lí chồng chất điện trường? + Điều kiện cân bằng của chất điểm? +Phương pháp toạ độ để khảo sát vật chuyển động ném? *Các bước khảo sát chuyển động bằng phương pháp toạ độ: + Chọn hệ trục toạ độ thích hợp, phân tích chuyển động của vật thành các chuyển động theo hai trục Ox, Oy; + Khảo sát riêng lẽ chuyển động theo các phương Ox, Oy; + Kết hợp các chuyển động riêng lẽ để thành bài toán chuyển động thực. Hoạt động 2: Tìm hiểu phương pháp giải bài toán bằng tương tác tĩnh điện Coulomb và nguyên lí chồng chất lực điện. HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH Bài toán 1: Cho hai điện tích điểm q 1 = 2nC và q 2 = 0,018µC đặt cố định trong không khí cách nhau 10cm. Đặt thêm một điện tích thứ ba q o vị trí M sao cho điện tích q o nằm cân bằng tại M. a. Xác định vị trí M đặt tại điện tích q o . b. Tìm dấu và độ lớn của điện tích q o . * Giáo viên yêu cầu học sinh làm việc theo nhóm để giải quyết vấn đề theo yêu cầu của bài toán. * Giáo viên định hướng: * Giáo viên phân tích, yêu cầu học sinh viết biểu thức xác định lực tỉnh điện Coulomb do điện tích điểm q 1 và q 2 tác dụng lên điện tích q o ; * Giáo viên yêu cầu học sinh xác định điều kiện cân bằng của điện tích q o ; * Lập luận đê xác định vị trí M nằm trên đường thẳng nối hai điện tích điểm và nằm ở khoảng giữa hai vị trí đó. * Tìm phương pháp giải để xác định khoảng cách từ M đến hai điện tích điểm; *Học sinh chép đề bài tập vào vở; *Học sinh đổi đơn vị sang đơn vị thống nhất: q 1 = 2.10 -9 C; q 2 = 18.10 -18 C; *Vì q 1 q 2 >0: *Để điện tích q o ở trạng thái cân bằng: 0 21 =+ FF <=>      = ↑↓ )2( )1( 21 11 FF FF (1) => điểm M nằm trên đường thẳng nối hai điện tích và nằm trong hai điểm đó, nghĩa là: d 1 + d 2 = d = 10cm (1’) (2) => 9.10 9 2 1 1 d qq o = 9.10 9 2 1 2 d qq o => 9 1 2 1 2 2 1 ==         q q d d => 3 1 2 1 = d d (2’) Giải hệ (1’) và (2’) ta được: d 1 = 2,5cm; d 2 = 7,5cm Vậy ta xác định được điểm M đặt điện tích q o cách điện tích q 1 là 2,5cm và cách điện tích q 2 là 7,5cm b. Từ cách giải trên, ta suy ra diện tích q o có độ lớn và dấu tuỳ ý. Hoạt động 3: Vận dụng định luật bảo toàn điện tích. HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH Hoạt động 4: Vận dụng các công thức về cường độ điện trường và nguyên lí chồng chất điện trường. HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH Bài toán: Có hai điện tích điểm q 1 = 0,5nC và q 2 =-0,5nC đặt tại hai điểm A và B cách nhau a=6cm trong không khí. Hãy xác định vector cường độ điện trường E tại điểm M cách đều hai điểm A và B cách đường thăng AB một đoạn l=4cm. *Giáo viên yêu cầu học sinh làm việc theo nhóm tìm lời giải của bài toán. * Giáo viên gợi ý: + Xác định các vector cường độ điện trường MM EE 21 , do q 1 , q 2 gây ra tại M: Điểm đặt, phương, chiều và độ lớn; + Nhận xét về phương, chiều, độ lớn của hai vector cường độ điện trường trên; + Xác định vector cường độ điện trường tổng hợp do q 1 , q 2 gây ra tại M bằng nguyên lí chồng chất điện trường: MMM EEE 21 += . * Nhận xét về phương, chiều của vector cường độ điện trường tổng hợp; *Giáo viên gợi ý: Vì E 1 = E 2 => phương của vector cường độ điện trường tổng hợp = > chiều; Tìm độ lớn => tìm cosα = ? *Giáo viên khắc sâu phương pháp áp dụng nguyên lí chồng chất điện trường. *Học sinh chép đề vào vở, theo nhóm, thảo luận và tìm phương pháp giải quyết vấn đề theo yêu cầu của bài toán; M E 1 M α M E l M E 2 A B * Các vector cường độ điện trường do q 1 và q 2 gây ra tại M có: + Điểm đặt: Tại M; + Phương, chiều: Như hình vẽ; + Độ lớn: E 2 = E 1 = 9.10 9 ( ) 2 2 a 2 1 q +  = 1,8.10 3 V/m * Vector cường độ điện trường tổng hợp M E do hai điện tích điểm q 1 và q 2 gây ra tại M tuân theo nguyên lý chồng chất điện trường: MMM EEE 21 += M E có: + Điểm đặt: Tại M + Phương: cùng phương với AB; chiều từ A đến B (vì E 1 = E 2 ); + Độ lớn: E = 2E 1 cosα. (*) Với cosα = ( ) 5 3 2 a AM 2 2 a 2 2 a = + =  = 0,6; Thay các giá trị vào (*) ta được: E = 2.1800. 0,6 = 2160V/m Hoạt động 5: Tìm hiểu sự chuyển động của hạt mang điện trong điện trường. HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH Bài toán: Bài tập 3/sgk – 26; * Giáo viên yêu cầu học sinh đọc, tóm tắt nội dung và yêu cầu của bài toán; * Giáo viên yêu cầu học sinh nhắc lại các bước khảo sát chuyển động của vật bị ném; *Giáo viên yêu cầu học sinh xác định các lực tác dụng lên hạt bụi; * Lập luận để chứng tỏ rằng theo phương Ox thì vật chuyển động thằng đều; *Học sinh trình tự theo yêu cầu của giáo viên; *Chọn hệ trục toạ độ Oxy: +Gốc toạ độ O là vị trí ta truyền vận tốc cho vật; + Ox trùng với hướng vận tốc đầu; + Oy trùng với chiều từ bản (2) sang bản (1): * Các lực tác dụng lên hạt bụi: + Trọng lực P của hạt bụi; Lực điện trường tác dụng lên hạt bụi F ; * Lập luận để chứng tỏ rằng theo phương Oy thì vật chuyển động thẳng biến đổi đều; * Giáo viên yêu cầu học sinh thiết lập phương trình định luật II Newton cho hạt bụi. + Tìm giá trị gia tốc a (a y ) *Thiết lập phương trình quỹ đạo của hạt bụi; *Giáo viên trình tự dẫn dắt học sinh liên hệ để tìm giá trị hiệu điện thế của hạt bụi; *Giáo viên phân tích và dẫn dắt học sinh tìm hiệu điện thế U OM để tìm công của lực điện trường làm dịch chuyển hạt bụi từ O đến M. * Giáo viên nhấn mạnh: Ta có thể xác định công này bằng định lý động năng; * Giáo viên tổng quát hoá phương pháp giải các dạng toán chuyển động của hạt mang điện trong điện trường đều. * Khảo sát chuyển động của hạt bụi theo các phương khác nhau: + Theo phương Ox: Vật chuyển động thẳng đều vì không có lực tác dụng; + Theo phương Oy: Vật chuyển động thẳng biến đổi đều; x = v o t *Theo định luật II Newton: F + P = m a (*) Chiếu phương trình (*) lên Oy: F – P = ma=> a = m F - g Với m F = md Uq Thay vào ta được: a = md Uq - g; (1) Quỹ đạo của hạt bui: y = 2 at 2 1 = 2 v x a 2 1       => a = 2 x v y2       (2) Từ (1) và (2) ta suy ra: md Uq - g = 2 x v y2       ; Giải phương trình này ta tìm được hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện là U = 50V; Ta có thể viết lại: d U 10.6,3d U 2 OM −= − − , ta tìm được U OM = - 32V; Ta tìm công của lực điện trường trong dịch chuyển của hạt bụi tứ O đến M: A = qU OM = 1,92.10 -12 J Hoạt động 6: Củng cố bài học - Định hướng nhiệm vụ học tập tiếp theo. HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH * Giáo viên khắc sâu phương pháp giải toán về tương tác tĩnh điện và nguyên lí chồng chất lực điện; *Giáo viên khắc sâu phương pháp áp dụng định luật bảo toàn điện tích; * Giáo viên khắc sâu phương pháp giải toán về tương tác tĩnh điện và nguyên lí chồng chất *Học sinh tổng quát hoá phương pháp giải các dạng toán thường gặp trong chương I; lực điện; *Giáo viên khắc sâu phương pháp khảo sát chuyển động của các hạt mang điện trong điện trường đều. * Giáo viên yêu cầu học sinh chép một số bài toán để về nhà làm; * Giáo viên hướng dẫn học sinh chuẩn bị những nội dung cho tiết học sau. *Học sinh ghi nhận nhiệm vụ học tập. IV. RÚT KINH NGHIỆM ……………………………………………………………………………………… …………. ………………………………………………………………………………………………… . ………………………………………………………………………………………………… . ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………………… ……… …… ………… V. BỔ SUNG ……………………………………………………………………………………… ………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………………… ……… . Bài 5. BÀI TẬP VỀ LỰC COULOMB VÀ ĐIỆN TRƯỜNG I. MỤC TIÊU BÀI DẠY: 1. Kiến thức: Hệ thống hoá các kiến thức, phương pháp giải bài tập về tương. (1’) và (2’) ta được: d 1 = 2,5cm; d 2 = 7,5cm Vậy ta xác định được điểm M đặt điện tích q o cách điện tích q 1 là 2,5cm và cách điện tích q 2 là 7,5cm