Giáo án tự chọn Vật lý 11

Tiết tự chọn 1: Điện tích, điện trường Kiến thức cơ bản Tĩnh điện học Định luật bảo toàn điện tích Trong một hệ cô lập về điện, tổng đại số các điệnt ích luôn luôn là một hằng số. Định luật Culông. Kết quả thực nghiệm được nêu lên thành định luật sau đây gọi là định luật Culông: Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không tỉ lệ với tích độ lớn của các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Lực tương tác có phương trùng với đường thẳng nối hai điệnt ích. Nếu gọi q 1 , q 2 là độ lớn của hai điện tích điểm, r là khoảng cách giữa chúng (với hai quả cầu nhỏ mang điện thì r là khoảng cách giữa hai tâm các quả cầu), ta có biểu thức của định luật. F= 2 21 r qkq Trong đó k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào cách chọn đơnv ị các đại lượng. Trong hệ đơn vị SI (bảng đơn vị đo lường hợp pháp của Việt Nam) đơnv ị điện tích có tên gọi là culông, kí hiệu là C. Khi đó: k = 9.10 9 (Nm 2 /C 2 Định luật Culông trong hệ SI được viết là: F= 2 21 r qkq ε Cường độ điện trường a) Cường độ điện trường: Ta xét những tính chất và đặct rưng của điện trường của một điện tích khi điện tích đó dứng yên. Điện trường như thế gọi là điện trường tĩnh. Để nghiên cứu điện trường ta dựa vào tác đụng của nó lên các điện tích thử. E = F/ q Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lí đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, được đo bằng thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó. ở những điểm khác nhau cường độ điện trường nói chung có độ lớn, phương, chiều khác nhau. Để cho cụ thể ta sẽ nói: cường độ điện trường do một điện tích gây ra tại một điểm. b) Lực tác dụng lên điện tích đặt trong điện trường. qEF  = (15.2) Nếu q > 0 thì F cùng chiều với E; một điện tích dương lúc đầu đứng yên sẽ di chuyển theo chiều vectơ cường độ điện trường. Còn lực điện tác dụng lên điện tích âm lại có chiều ngược với chiều vectơ cường độ điện trường. c) Cường độ điện trường gây bởi một điện tích điểm Q. Do đó cường độ điện trường E gây bởi điện tích Q tại điểm cách nó một khoảng r có độ lớn. E=k 2 r Q ε Có phương là phương của đường thẳng nối điện tích và điểm đó chiều hưóng ra xa Q nếu Q > 0, hướng về Q < 0 (H.15.1a) Kết quả trên đây đúng cho cả vật hình cầu mang điện tích phân bố đều khi ta xét cường độ điện trường tại một điểm ở bên ngoài hình cầu, khi đó r là khoảng cách từ tâm hình cầu đến điểm đó. d) Cường độ điện trường do nhiều điện tích điểm gây ra: Trong trường hợp có nhiều điện tích điểm Q 1 , Q 2 . (H.15.1b) thì tại điểm ta xét, chúng gây ra các điện trường có cường độ tương ứng là E 1 , E 2 . Cường độ điện trường tổng hợp tại điểm đó bằng tổng các vectơ cường độ điện trường do từng điện tích riêng biệt gây ra: E  = E  1 + E  2 +… (15.4) Đó là nội dung của nguyên lí chồng chất điện trường. Công của lực điện trường Giả sử điện tích di chuyển theo đường thẳng từ B đến C công của lực điện là. A BC = F.BC. cos α = F. BH = qEd (17.1) (vì cos α = d) Xét trường hợp điện tích di chuyển theo đường gãy BDC. Khi đó côngcủa lực điện bằng tổng các công trên đoạn BD và đoạn DC. A BDC = A BD + A DC = F.BD + F.DC. cos α 1 = F. BD + F. DH = qEd 1 + qEd 2 = qE(d 1 + d 2 ) =qEd (17.2) A BMC = F.BH = qEd (17.3) Trong đó d là hình chiếu của đường đi trên một đường sức bất kì. Kết quả nói trên cho thấy công A BC không phụ thuộc vào đường đi của điện tích q từ B đến C. Công của lực điện là di chuyển một điện tích từ điểm này đến điểm khác trong điện trường (tĩnh) tỉ lệ với độ lớn điện tích di chuyển, không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối. Các bài tập: Câu 1: Chọn câu phát biểu đúng B D C E  Hai điện tích điểm đặt cách nhau một khoảng r. Dịch chuyển để khoảng cách giữa hai điện tích đó giảm đi hai lần nhưng vẫn giữ nguyên độ lớn điện tích của chúng. Khi đó lực tương tác giữa hai điện tích A. Tăng lên 2 lần B. Giảm đi 2 lần C. Tăng lên 4 lần D. Giảm đi 4 lần Câu 2: Chọn phương án đúng Hai viên bi sắt kích thước nhỏ, cách nhau 1m và mang điện tích q 1 và q 2 . Sau đó các viên bi được phóng điện sao cho điện tích mỗi viên bi chỉ còn một nửa điện tích ban đầu, đồng thời đưa chúng đến khoảng cách 0, 25m thì lực đẩy giữa chúng tăng lên A. 2 lần; B. 4 lần; C. 6 lần; D. 8 lần. Câu 3: Có thể sử dụng đồ thị nào để biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ lớn của lực tương tác F giữa hai điện tích điểm và khoảng cách r giữa hai điện tích đó. A. Đồ thị a; B. Đồ thị b; C. Đồ thị c; D. Đồ thị d. Câu 4: Hai quả cầu kim loại nhỏ giống nhau, mang điện tích q 1 , q 2 , đặt trong không khí cách nhau một khoảng R =20cm. Chúng hút nhau một lực F =3,6.10 -4 N. Cho hai quả cầu tiếp xúc nhau rồi đưa ra vị trí cũ, chúng đẩy nhau một lực F’ =2,025.10 -4 N. Tính q 1 ,q 2 . ĐS: q 1 , q 2 có thể là một trong 4 cặp sau đây:      −= = − − C2.10q C8.10q 8 2 8 1 ;      = −= − − C2.10q C8.10q 8 2 8 1 ;      = −= − − C8.10q C2.10q 8 2 8 1 ;      −= = − − C8.10q C2.10q 8 2 8 1 . Câu 5: Hai điện tích đặt trong không khí, cách nhau một khoảng R =20cm tương tác với nhau một lực nào đó, khi hai điện tích đó đặt trong dầu có ε=4. Hỏi khi đặt trong dầu khoảng cách phải bằng bao nhiêu để lực tương tác giữa hai điện tích bằng lực tương tác giữa hai điện tích trong không khí? ĐS: r’=10cm. F FF F r r r r a. b. c. d. Câu 6: Hai điện tích điểm bằng nhau đặt trong chân không, cách nhau một đoạn R =4cm. Lực đẩy tĩnh điện giữa chúng là F =10 -5 N. a. Tìm độ lớn điện tích. b. Tìm khoảng cách R 1 giữa chúng để lực đẩy giữa hai điện tích là F 1 =2,5.10 - 6 N. Câu: Hai vật nhỏ giống nhau, mỗi vật thừa một electron. Tìm khối lượng mỗi vật để lực tĩnh điện giữa hai vật bằng lực hấp dẫn? ĐS: m=1,86.10 -9 N. Câu 7: Electron quay quanh hạt nhân nguyên tử hiđrô theo quỹ đạo tròn bán kính r =5.10 -11 m. a. Tính độ lớn lực hướng tâm đặt lên electron b. Tính vận tốc và tần số chuyển động của electron. Coi electron và hạt nhân trong nguyên tử tương tác với nhau bởi lực tĩnh điện. ĐS: a. F=9.10 -8 N; b. v=2,2.10 6 m/s; n=0,7.10 16 s -1 . Tiết tự chọn 2: Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế Cường độ điện trường và hiệu điện thế là những đại lượng đặc trưng định lượng cho điện trường. Cường độ điện trường đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, cònhiệu điện thế đặc trưng cho điện trường về phương diện năng lượng. Do đó giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế có mối liên hệ với nhau. Ta hãy xét mối liên hệ đó trong trường hợp điện trường đều. E = U/d (19.4) Cường độ điện trường gây ra trong điện môi nhỏ hơn cường độ điện trường trong chân không ε lần E= ε 0 E Điện dung của tụ điện C= U Q Đơn vị điện dung là Fara (F) Ngoài ra còn dùng: Micrôfara µF=10 -6 F Picrôfara pF=10 -12 F Nanôfara nF=10 -9 F Điện dung của tụ điện phẳng C= d S π ε 4.10.9 9 Cường độ điện trường giữa hai bản tụ có hướng từ bản dương sang bản âm và có cường độ E= d U Công thức tính điện tích, hiệu điện thế và điện dung của bộ tụ ghép nối tiếp: Điện tích: Q b =Q 1 =Q 2 =Q 3 =…=Q n Điện dung: nb CCCC 1 . 111 21 +++= Hiệu điện thế: U b =U 1 +U 2 +…+U n Nếu có hai tụ ghép nối tiếp C b = 21 21 CC CC + Công thức tính điện tích, hiệu điện thế và điện dung của bộ tụ ghép song song: Điện tích: Q b =Q 1 +Q 2 +Q 3 +…+Q n Điện dung: C b =C 1 +C 2 +…+C n Hiệu điện thế: U b =U 1 =U 2 =…=U n . Mạch cầu tụ điện cân bằng: 4 3 2 1 C C C C = ⇒ Q 5 =0 Năng lượng của tụ điện đã tích điện W= C QCUQU 222 22 == Mật độ năng lượng điện trường w= 9 2 10.9.8 π ε E Câu 1: Có 3 điện tích điểm có cùng độ lớn |q|=10 -8 C, đặt tại ba đỉnh của một tam giác đều cạnh a=3cm trong chân không. Xác định cường độ điện trường tại điểm đặt mỗi điện tích do hai điện tích kia gây ra trong hai trường hợp: a. Ba điện tích cùng dấu b. Có một điện tích trái dấu với hai điện tích kia. Câu 2: Công của lực điện trường làm di chuyển một điện tích q giữa hai điểm có hiệu điện thế U=2kV là 0,01J. Tính độ lớn của điện tích đó? Câu 3:Hai bản kim loại đặt nằm ngang song song và cách nhau một khoảng là d=10cm, hiệu điện thế giữa hai bản là U=100V. Từ một điểm cách bản âm một khoảng là 4cm, một electron có vận tốc ban đầu v 0 =3.10 6 m/s chuyển động dọc theo hướng đường sức điện về phía bản âm. Electron chuyển động như thế nào? Cho biết điện trường giữa hai bản kim loại là điện trường đều và bỏ qua tác dụng của trọng trường. D C A B C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 Câu 4: Một tụ điện phẳng không khí, có hai bản cách nhau 1mm và có điện dung C=2pF, được mắc vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U=500V. a. Tính điện tích của mỗi bản tụ điện và tính điện tích của tụ điện. Tính cường độ điện trường giữa các bản tụ. b. Người ta ngắt tụ khỏi nguồn rồi nhúng nó vào một điện môi lỏng có hằng số điện môi ε=2. Tính điện dung của tụ điện và hiệu điện thế của tụ điện khi đó. Tính cường độ điện trường giữa các bản tụ khi đó. c. Bây giờ mắc bộ tụ điện C 1 =2pF và C 2 =3pF vào nguồn điện nói trên. Hãy tính điện dung của bộ tụ điện đó, điện tích và hiệu điện thế mỗi tụ khi hai tụ C 1 , C 2 mắc nối tiếp và khi C 1 , C 2 mắc song song. Câu 5: Đặt vào hai bản tụ điện không khí một hiệu điện thế U=3,9.10 4 V. Khoảng cách giữa hai bản d=1,5cm. a. Hỏi tụ điện có bị đánh thủng không? Cho biết không khí trở thành dẫn điện khi cường độ điện trường lớn hơn giá trị giới hạn E k =3.10 6 V/m. b. Nếu khi đó lại đặt vào giữa hai bản tụ một tấm thủy tinh có bề dày 3mm, có hằng số điện môi ε=7 thì tụ điện có bị đánh thủng không? Cho biết cường độ điện trường giới hạn của thủy tinh là E t =10 7 V/m. Câu 6: Cho mạch điện có sơ đồ như hình. Cho biết C 1 =1µF, C 2 =2µF, U 1 =10V, U 2 =80V. Ban đầu khóa K mở như hình vẽ và các tụ đều chưa tích điện. a. Đóng khóa K vào vị trí 1 tính điện tích các tụ? b. Chuyển khóa K sang vị trí 2, tính điện tích và hiệu điện thế mỗi tụ. Ngay sau khi khóa K chuyển sang vị trí 2 thì điện lượng chuyển qua khóa K là bao nhiêu, theo chiều nào? Tiết tự chọn 3: I. Lý thuyết - Dòng điện không đổi Dòng điện là dòng chuyển dời của các hạt mang điện. Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển dời của các hạt mang điện dương. Cường độ dòng điện được xác định bằng thương số giữa điện lượng ∆q dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian ∆t và khoảng thời gian đó: I= t q ∆ ∆ Dòng điện không đổi là dòng có chiều và độ lớn không đổi theo thời gian. Cường độ dòng điện không đổi được tính bằng công thức: I= t q Dòng điện được tạo ra khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn. U 1 C 2 C 1 + - U 2 1 K 2 + - - Nguồn điện Các lực lạ bên trong nguồn điện có tác dụng làm cho hai cực của nguồn điện tích điện khác nhau và do đó duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nó. Suất điện động của nguồn điện đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nó và được đo bằng công của lực lạ khi một đơn vị điện tích dương dịch chuyển ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện. E= q A Điện trở của nguồn điện được gọi là điện trở trong của nó. Cấu tạo của pin điện hóa gồm các cực là các vật dẫn kim loại có bản chất khác nhau nhúng vào dung dịch điện phân. Do tác dụng hóa học, các cực của pin điện hóa được tích điện khác nhau và giữa chúng có một hiệu điện thế bằng giá trị suất điện động của pin. Khi đó năng lượng hóa học chuyển thành năng lượng dự trử trong nguồn điện. Acquy là nguồn điện hóa học dựa trên phản ứng hóa học thuận nghịch; nó tích trử năng lượng lúc nạp điện và giải phóng năng lượng lúc phát điện. - Công, công suất của dòng điện Công của dòng điện chạy trong một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện trong mạch và thời gian dòng điện chạy qua. A=UIt Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện trong mạch: P=UI Định luật Jun-Lenxơ: Nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn tỷ lệ thuận với điện trở vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó: Q=I 2 Rt Công suất tỏa nhiệt của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn trong 1 giây. P nh =RI 2 = R U 2 Công của nguồn điện bằng công của dòng điện chạy trong toàn mạch A ng =Eq=EIt Công suất của nguồn điện bằng công suất của dòng điện chạy trong toàn P=EI - Định luật ôm: Định luật ôm cho toàn mạch biểu thị mối liên hệ giữa cường độ dòng điện chạy trong một mạch điện kín đơn giản gồm một nguồn điện với mạch ngoài là một điện trở được phát biểu như sau: Cường độ dòng điện trong mạch điện kín tỷ lệ thuận với suất điện động nguồn điện tỷ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch điện đó I= rR E N + Tích cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch và điện trở của nó được gọi là độ giảm điện thế trên đoạn mạch đó. Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng độ giảm điện thế mạch ngoài và mạch trong: E=IR N +Ir Hiện tượng đoản mạch xáy ra khi nối hai cực của nguồn điện bằng dây dẫn có điện trở rất nhỏ. Khi đoản mạch cường độ dòng điện chạy qua nguồn có cường độ lớn và có hại. Định luật Ôm cho toàn mạch phù hợp với định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Đối với đoạn mạch có nguồn phát dòng điện có chiều đi ra cực dương và đi vào cực âm. Hiệu điện thế U AB giữa hai đầu AB của đoạn mạch trong đó đầu A nối với cực dương của nguồn điện: U AB =E-I(r+R) Một dụng cụ thiết bị điện là máy thu điện nếu có biến đổi một phần điện năng tiêu thụ thành dạng năng lượng khác ngoài nhiệt năng. Suất phản điện của máy thu là đại lượng có giá trị bằng số điện năng mà máy thu chuyển hóa thành dạng năng lượng khác không phải là điện năng khi có một điện lượng là 1 cu lông chuyển qua máy thu. Đối với đoạn mạch có máy thu dòng điện đi vào cực dương và đi ra cực âm của máy thu. Hiệu điện thế U AB giữa hai đầu A và B của đoạn mạch trong đó đầu A nối với cực dương của máy thu bằng tổng suất phản điện trên máy thu và độ giảm hiệu điện thế tổng cộng trên đoạn mạch. U AB =E+I(r+R) Hiệu điện thế U AB giữa hai đầu đoạn mạch AB bất kỳ (không có điểm phân nhánh) với giả thiết dòng điện chạy qua đoạn mạch có chiều từ A tới B bằng tổng đại số các suất điện động và các suất phản điện cộng với tổng độ giảm điện thế trên đoạn mạch: U AB = )( RrIE i ++ ∑ - Bộ nguồn điện Suất điện động của bộ nguồn mắc nối tiếp bằng tổng các suất điện động của các nguồn trong bộ. E b =E 1 +E 2 +…+E n . Điện trở của bộ nguồn mắc nối tiếp bằng tổng điện trở các nguồn điện trong bộ r b =r 1 +r 2 +…+r n . Hai nguồn điện có suất điện động E 1 , r 1 và E 2 , r 2 được mắc xung đối trong đó E 1 >E 2 tạo thành bộ nguồn có suất điện động là E b =E 1 -E 2 và r b =r 1 +r 2 . Mắc song song n nguồn có cùng suất điện động E và điện trở trong r thành bộ nguồn có suất điện động và điện trở trong. E b =E và r b =r/n - Một trong những phương pháp giải bài toán các mạch điện đặc biệt là khi mạch điện có từ 2 đến 3 nút, là phương pháp điện thế nút. Nút của mạch điện là điểm giao nhau của ba mạch rẽ trở lên. Ký hiệu tên cho nút, chọn chiều và ký hiệu dòng điện chạy qua mỗi đoạn mạch giữa hai nút liên tiếp. Phương trình nút: Tổng các cường độ dòng điện đi vào một nút bằng tổng các cường độ dòng điện từ nút đó đi ra. Chọn nút có điện thế bằng không. Áp dụng định luật Ôm tổng quát cho từng đoạn mạch để tính điện thế của các nút khác và từ đó tính cường độ dòng điện chạy qua các đoạn mạch qua các điện thế nút. Thay trở lại phương trình nút, tính được các giá trị của điện thế các nút và từ đó tính được đại lượng khác của mạch điện. Bài tập: Câu 1: Cho đoạn mạch AB gồm 3 điện trở R 1 =1Ω, R 2 =2Ω, R 3 =3Ω. Đặt vào hai đầu A, B của một nguồn điện có hiệu điện thế U AB =13,2V. Tìm điện trở của đoạn mạch, cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch, qua các điện trở và hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở trong các trường hợp sau đây: a. Ba điện trở mắc nối tiếp b. Ba điện trở mắc song song c. Điện trở R 1 mắc nối tiếp với đoạn mạch gồm hai điện trở R 2 và R 3 mắc song song. Câu 2: Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ. Cho biết R 1 =30Ω, R 2 =60Ω, R 3 =90Ω; điện trở của am pe kế và dây nối không đáng kể, R 4 là điện trở có thể thay đổi, U AB =75V. a. R 4 =20Ω. Tìm cường độ dòng điện qua các điện trở, số chỉ am pe kế và chiều dòng điện qua am pe kế? b. Điều chỉnh cho am pe kế chỉ số 0. Tìm giá trị R 4 khi đó và hiệu điện thế trên các điện trở. Tiết tự chọn 4. Câu 1: Cho mạch điện như hình vẽ. Cho biết E=12V, r=1Ω,R 1 =R 2 =4Ω, R 3 =R 5 =8Ω, R 4 =12Ω. A R 1 R 2 R 3 R 4 C D A B R 1 D E A R 2 R 3 R 4 R 5 C [...]... t Cõu 10: Lc t tỏc dng lờn mt on dõy dn cú dũng in chy qua cú hng hp vi hng dũng in mt gúc A Cú ln cc i khi =0 B Cú ln cc i khi =/2 C Cú ln khụng ph thuc vo gúc D Cú ln dng khi nhn v õm khi tự Cõu 11: Dũng in I1 trong khung dõy dn trũn tõm O Xỏc nh lc do dũng in I1 tỏc dng lờn dũng in I2 chy qua dõy dn thng di i qua O v vuụng gúc vi mt phng cha I1 Cõu 12: Mt khung dõy dn hỡh ch nht, kớch thc . F 1 =2,5.10 - 6 N. Câu: Hai vật nhỏ giống nhau, mỗi vật thừa một electron. Tìm khối lượng mỗi vật để lực tĩnh điện giữa hai vật bằng lực hấp dẫn? ĐS: m=1,86.10. lên 2 lần B. Giảm đi 2 lần C. Tăng lên 4 lần D. Giảm đi 4 lần Câu 2: Chọn phương án đúng Hai viên bi sắt kích thước nhỏ, cách nhau 1m và mang điện tích