Cơ sở vật lý tập 4, điện học

DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL WALKER Cff SỞ VẬT LÍ ■ TẬP BĨN : ĐIỆN HỌC (Tái lần th ứ tám ) Người dịch : Đ À M TRUNG Đ Ò N (chủ biên) H O À N G HỮU THƯ (đồng chủ biên) LÊ KHẤC BÌNH NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC POURTH EDITION PƯNDAMENTALS 0F PHYSICS DAVID HALLIDAY U niversity o f Pittsburgh ROBERT RESNICK R enssdaer Polytechnic In stitu te JEARL WALKER Cleveland S ta te U niversity JOHN VVILEY & SONS, INC Bân quycn thuộc Nhà xuál bán (iiáo dục - 0 /C X B /2 - 9 /G D M ã số : K 2 h - DAI ĐIỆN TÍCH 23 Néu bạn d ể m àt m ìn h thích nghi vói bống tối chừng 15 p h ú t n h ìn người bạn d ang nhai kẹo Uỉintergreen lifesaver, bạn tháy có tia sáng xanh yếu p h t từ niòm người bạn nhai, (Thay bạn có th ể ép cải kẹo bàng kìm nh ỏ ảnh), Nguyên n hàn p h t sáng dó (thường dược gọi "'phát tia lửa") ? Bản thân tên gọi đ ả g ợ í ý- 23-1, ĐIỆN TỪ HỌC Các nhà triết học Hy Lạp cổ biết ràng cọ xát Iiìiếng hổ th ể hút mấu cọng rơm Có đường dây phát triển trực tiếp từ cổ xưa thời đại điện tử mà sống, (Mối liên hộ th ể hiộn chỗ từ "êlectrôn" bát nguổn từ chữ Hy Lạp có nghĩa Người Hy Lạp biết số "đá" thiên nhiên mà ngày người ta m anhêtit cd thể hút sát phách, có quan sát mạnh niẽ dó hổ phách) gọi quạng Đó nguổn gốc tự nhiên khoa học điện từ Hai mơn khoa phát triển cách độc lập qua nhiếu ki, Cho đến nám 1820 H ans Christian Oersted tim thấy mối liên hệ chúng : dòng điện dẫn làm lệch kim la bàn Lí thú Ocrsted phát điồu chuẩn bị thí nghiệm chứng minh giảng cho sinh viên vật lí học dây Một khoa học điện từ học (sự kết hợp tượng điện vàtừ) phát triển nhiều nhà bác học nhiéu nước Một nhà bác học xuất sác Michael Paraday, nhà thực nghiệm thiên tài có tài nãiig trực giác hinh dung tượng vật lí Tài chứng thực sổ ghi chép thực nghiệm ông, không hể có phương trỉnh nào, Vào th ế ki 19, Janies Clerk Maxwell, người thể ý tưởng p^araday dạng toán học, đưa vào nhiéu ý tưởng minh đật sờ H thuyết cho điện từ học Bảng 37.2 cho thấy định luật cán bàn điện từ học mà ngày gọi phương trìn h Maxwell Sau nhiều chương tới phương trình đó, bạn muốn nhỉn qua chúng để biết trước đích m ỉnh gỉ Các phương trình Maxvvell điện từ học đóng vai trò giống định luật Nevvton vể chuyển động học cổ điển định luật nhiệt động học nhiệt học Sự p h t i n i li ỉ i vĩ đ i c ù a M a x v v e ll t r u ĩ i g đ iộ n tCl h ọ c lù đ ã c o i n h a n g m ộ l sóng điện từ có th ể đo vận tốc ánh sáng bầng phép đo thu ẩn túy điện từ Với khám phá đó, Maxwell đả nối liển quang học cổ điển với khoa học vế điện từ Heinrich H ertz tiến bước khổng 16 tạo tượng điện từ mà ông đả gọi "sdng M axweir\ gọi sóng radio ngán (Còn sau đó, Marconi người khác phát triển với ứng dụng thực tế tượng) Ngày phương trinh Maxwell dùng kháp th ế giới để giải hàng loạt toán kĩ th u ật thực tế 23-2 ĐIỆN TÍCH Nếu bạn thảm thời tiết khô, bạn cd th ể tạo tia lửa điện đưa ngón tay đến gần núm vặn cửa kim loại Thông báo truyén hình đâ báo động cho vấn đê "bám dính tĩnh điện" (Hình 23 - 1) mức độ lớn chớp rấ t quen thuộc với người T ất cà tượng chi biểu đơn giàn n h ấ t cùa lượng lớn diện tích chứa vật bao quanh tro ng th ể Mọi vật tron g th ế giới quanh ta mà ta nhìn thấy sờ mó chứa lượng r ấ t lớn điện tích ; nhiên điéu đđ thường bị che giấu vỉ vật chứa lượng hai loại điện tích : điện tích dương điện tích âm Vì (hay cản bàng) điện tích, vật gọi trung hòa điện ; nghĩa tổ ng điện tích vật không vật không tương tác điện với vật khác Nếu hai loại điện tích khơng cân bàng lỉlN íl 2.^-1 Sự dính ủnh ưiộn hiộn iượng thấy dưọc v ật có tổng điện tích khác khơng Ihòi ỉiííi khỏ kim cho niÁu giắy dính vào Víì vào mội lưọc líim ch.1i làm cho áo tịuán cùa cd th ể tương tác vái vật h^n dính VỈH) ngưòi khác, cổ th ể n hận biết có tổn điện tích tổng vật Tầnòi vật tích điện biểu thị nd cđ khơng cân vé điện tích vật cd điện tích tổng khác khơng (mọi khơng cân rấ t nhỏ so với lượng điện tích tồn phấn điện tích dương âm chứa tro n g vật) Các vật tích điện tương tác cách tác dụng lực lên Để chứng tỏ điểu đó, trước hết ta tích điện cho th an h thủy tinh cách cọ x át m ột đấu vào m ảnh lụa điểm tiếp xúc th an h lụa, lượng nhỏ điện tích chuyển từ vật sang vật khác, làm m ất tru n g hòa điện vật (Tsi cọ xát lụa với th an h để làm tãng sơ' điểm tiếp xúc tả n g lượng điện tích, di chuyển từ vât san ^ vât kia) Bây ta treo sợi đưa thủy tinh thứ hai, củng tích điện cách tương tự đến gấn hỉnh 23 - 2a, hai th an h đẩy Tuy nìiiên, ta cọ xát th anh chất dẻo vào lông thú đưa lại gần th an h treo hinh 23 - 2b, haị th anh sề hút Tầ hiểu hai thí nghiệm chứng minh nhờ điện tích dương âm Khi th an h thủy tinh xát vào lụa, thủy tinh m ất m ột số điện tích âm có lượng nhỏ điện tích dương không cân bàng (được biểu thị bàng dấu + hinh 23 - 2a) Khi th an h nhựa x át vào lông thú, n hự a th u lượng nhò íở) (b) MÌN!ỉ 23-2 a) lích diộn dẩy b) tích diộn trái dáu hút điện tích âm khơng cân (được biểu thị bầng dấu - hình 23 - 2h) Hai thí nghiệm chứng minh dẫn đến điểu sau : Các điệri tích đẩy điện tích khác hú t Các điện tích điện tích cđ dấu ; điện tích khác ngược dấu Trong phấn 23 - ta th ể quy tác dạng định lượng bầng định luật Coulomb vé ỉực tỉnh điện (hoặc diện lực) điện tích T huật ngữ tỉnh điện dùng để nhẵn m ạnh rằn g điện tích đứng yên chuyển động r ẩ t chậm Cách gọi "dương” "âm" dấu điện tích Benjamin Franklin chọn cách tùy ý Ơng có th ể dẻ dàng đảo l.oại dính cùa bao gói thực phẩm chắt dẻo iàm dính no tên gọi hai loại dùng với vỏ hộp nhò lực hút tĩnh điộn vùng tích điện trơn bố cặp tên gọi đối ngược khác để mặi cùa bao gỏi vùng lich điện dí) gây trốn vỏ hộp phân biệt hal loại điện tích Bao gói ihực phẨm chát dẻo làm cho tích điộn SÍIU sàn xuát chát dẻo chát cách điộn (Kranklin nhà khoa học danh nẻn điộn lích irổn dó bái động tiếng quốc tế Người ta ca ngợi thành cơng lớn Pranklin lỉnh vực ngoại giao Pháp suốt chiến tranh giành độc lập Hoa Kì, m ơng đạt có th ể vỉ ông coi nhà khoa học đánh giá cao) Sự hút đẩy vật tích điẠn ró nhÌPii ứng dụng tro n g Pống nghiệp, cd phun sơn tỉnh điện phủ bột, thu gom tro bay ống khói, in bàng tia mực photocopy Hình 23 “ chảng hạn, cho thấy h ạt m ang nhỏ máy phôtô copy Xerox bao h ạt bột đen, gọi toner, dính vào nhờ lực tĩnh điện Các h ạt toner tích điện âm cuối bị hú t từ h ạt m ang sang hình ảnh tích điện dương tài liệu cấn chụp tạo trê n m ột trổn g quay Sau đd m ột tờ giấy tích điện hút h ạt ton er từ trốn g nhờ nhiệt chúng làm chảy chỗ để tao th n h HÌNIỈ 23 -3 ‘Hạt m ang máy ị^ơtơcopy Xerox ỊÀìù bời hạt mực Các hạt mực dính vào nhờ lục hiít tĩnh điên EHrờng kính hạt cờ 0,3mm 23-3 CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHAT CÁCH ĐIỆN lYong số chất kim loại, nước vòi nước máy thể người, số điện tích âm di chuyển tương đối dễ dàng Tầ gọi vật liệu vặt dẫn Trong chất khác thủy tinh, nước tinh khiết m ật hóa học, nhựa, khơng cd điện tích chuyển động tự Ta gọi chất chát cách diện điện môi Nếu bạn cọ x át vào len giữ th an h tay, bạn khơng th ể tích điện cho th an h bạn vật dản điện Sự cọ xát gây m ột khơng cân điện tích thanh, điện tích khơng cân dịch chuyển từ th an h qua bạn xuống sàn (được nối với m ặt đất) IIĨN lỉ 23-4 Day khổng phài ÌH mộl biổu diỗn nhào iộn th a n h trở thành trun g hòa mã Ihí nghiộm nghiồm túc Ihực nAm 1774 dề điện cách nh anh chòng Khi chứng lò ccỉ Ihé người mội vậi dản điỌn Bàn khắc cho lập đường nối vật dẫn Ihẩy mội ngưòi irco nằng CHC sỢi dây Ihừng không dán vật m ặt đất, ta nói diộn lích điộn bỏi lích điộn (cỏ lẽ chạm vào nói d t vật Và việc làm tru n g hòa Ihịl khrtng phải vào quần) Khi người đưa mậl, lay trái quà cầu đẫn điộn ò lay phài đến gẩn vật (bằng cách loại trừ điện tích mộl irong dĩa kim loại, ũa lừa diện đưọc phóng qua dương âm khơng cân bằng) ta không khi, anh la dang diộn nói làm cho vật phóng điện (xem hình - ví dụ kỉ lạ phổng điện) Thay vỉ giữ than h tay bạn giừ nd qua cán cách điện, bạn loại bỏ đường dẫn xuống đất đd th an h có th ể tích điện cọ xát, chừng bạn không cham tay trực liếp vao Cấu tạo ch ất điện nguyên tử định tính chất vật dẫn vật cách điện Các nguyên tử gổm có prơtơn tích điện dương, êlectrơn tích điện âm nơtrơn tru n g hòa điện Các prôtôn nơtrôn xếp chặt (sát nhau) tron g hạt nhăn Trong mẫu nguyên tử đơn giản êlectrôn chuyển động theo quỹ đạo quanh hạt nhân Điện tích êlectrơn prơtơn có độ lớn trái dấu Do nguyên tử tru n g hòa điện chứa số êlectrôn prôtôn Các êlectrôn giữ quỹ đạo quanh hạt nhân vỉ chúng cđ điện tích trái dấu với prôtôn nằm hạt nhân bị hút vể phía hạt nhân Khi nguyên tử vật dản đến gấn để hỉnh thành chất rán , số êlectrôn ngồi (và bị giữ yếu nhất), khơng bị giữ ngun tử riêng biệt mà trở thàn h tự do, cd th ể di chuyển chất rắn Tầ gọi cậc êlectrôn di động êlectrơn dân Trong chất cách điện cd (nếu có) êlectrơn tư MỈNIi 23-5 Mổi dđu cùa mót íhanh dống trung hòa dặl cổ lẠp bị húi hỏi mộl Ihanh lích điộn VỎI dâu lùy ý- Irong irưòng hỢp Clccirổn dân Ihíinh dồng h| dầv vò đấu xa củíỉ bỏi diC n nhựa lích Am irC n Khi (Jô d i Ọ n n c h ih an h Am h ú i diên lich dưtíng cỏn ìạ\ ỏ dáu gđn cùa ỉhanh dống Thí nghiệm hinh 23.5 chứng minh cho sư linh động điện tích vật dẩn Một nhưa tích điện âm hút đẩu đồng trung hòa Nhiểu êlectrôn dẫn đẩu gần th an h đỏng bị đầy vể đấu xa điện úch âm nhựa Điếu đò làm cho đấu gần thiếu êlectrơn có lượng điện tích dương khỏng cân (bị hút bời điện tích âm nhựa) Mặc dù vản tru n g hòa điện, có điện tích càm ứng nghĩa số điện tích dương ảm bị tách tốn điện tích vật khác gẩn Tương tự, thủy tinh tích điện dương đưa đến gẩn đẩu tru n g hòa, điện tích cảm ứng xuất ẽlectrôn dản bị hút phía Đấu gấn trở nên tích điên âm đẩu xa tích điện dương Tuy vản tru n g hòa điện, hai vần hút ỉẫn Chú ý có êlectrơn có điện tích âm chuyển động, vặt trờ nên tỉch điện dương chi di chuyển điện tích ám Các chát bán dán điện, silic germani, chất tru ng gian giửa chất dẫn điện vàcách điện.- Cuộc cách m ạng vể điện tử làm biến đổi sống nhiều lỉnh vực nhờ dụng cụ bán dẫn Chúng ta nghiên cứu hoạt động chất bán dẫn điện chương 46, mở rộng học Cuối cùng, chất siêu dẫn Gọi khơng có cản trở chuyển động điện tích qua chúng Khi điện tích qua chất, ta ndi có dòng diện tổn Các vật liệu thơng thường, cà chất dẫn điện thơng thiíring ĨÍPU gây cÂn trồ dòng điện tích qua ohúng Chằng han, dây dẫn dùng dụng cụ điện cho dòng điện qua tốt, có cản trở nhò dòng điện Tuy nhiên, chất siêu dẫn điện trờ nhỏ nià thực Nếu bạn thiết lập dòng điện vòng siêu dẫn, tổn khơng thay đổi chừng bạn vân quan sát nó, mà không cán nguổn điện nguồn lượng khác để trỉ dòng điện Các chất siêu dẫn phát nảni 1911 nhà vật lí người Hà Lan Kammerlingh Onnes, người phát thủy ngân rán m ất hoàn toàn điện trở nhiệt độ 4,2K Cho đến nàm 1986, siêu dẫn chưa có ứng dụng vỉ vật liệu siêu *_ • „ : OT J _!ực tác dụng lẽn hạt xác cao phép đo, đơn vị SI điện tỉch d ẫ n xuất từ đơn vị SI cùa dòng điện ampe (A) Đơn vị SI điện tích culơng (C) , , Một culông điện lượng chuyển qua tiết diện th ản g sợi dây dẫn giây có dòng lA chạy qua nd 2C8Wliỉ0MỌCMA dương không cân (một ion dương m ột nguyên tử phân tử bị m ộ t nhiéu ôlectrôn) H ấu êlectrôn ion dương nhảy qua chỗ găy để tru n g hòa hai phía Trong q trìn h nhảy đó, êlectrơn ion dương va chạm với phân tử nitơ khơng khí trà n vào khe gây tinh thể Sự va chạm làm cho nitơ phát án h sáng tử ngoại m bạn không nhln thấy n h sáng m àu xanh yếu khổng nhìn tháy Dẩu lộc đé tin h th ể hấp thụ ánh sáng tử ngoại p hát ánh sáng xanh đủ làm sán g mổm gọng kìm Tuy nhỉên, kẹo bị ấm nước bọt, khơng th tượng nước bọt dẫn điện làm tru n g hòa hai phẩn tin h thể bị gãy trước phát sáng cd th ể x u ất BÀI TOÁN MẤU -3 Một đống xu tru n g hòa điện khối lượng m = 3,1 I g chứa m ộ t lượng điện tích dương âm Giả thử xu chế tạo hoàn toàn bàng Hỏi độ lớn q cùa điện tích dương (hoặc âm) tổng cộng tro n g xu Giải Một ngun tử tru n g hòa có điện tích âm với độ lớn bàng Ze êlectrơn ngun tử điện tích dương cd độ lớn prôtôn h ạt n h ân cùa nó, z nguyên tử số nguyên tó đ an g xét Với đổng, phụ lục D cho biết z = 29 có nghỉa cd 29 prôtốn tru n g hòa điện ctí 29 êlectrơn Độ lớn điện tích q m ta tìm NZe tro n g N số nguyên tử cd đống xu Để tim N, ta nhân số mol tro n g xu với sổ nguyên tử có m ột mol (số Avogadro = 6,02 X 10^^ nguyên tử/mol) Só mol của*đổng tro ng xu bàng m/M, tro n g đđ M khối lượng mol đổng, 63,5g/mol (xem Phụ lục D) Như ta có N = N, ^ 6,02 K 10-3 = 2,95 X 10^^ nguyên tử Khi ta có độ lớn điện tích dương âm tổng cộng tro n g xu q = NZs = (2,95 X 1022)(29)(1,6 X 10“ = 137000C (Đáp số) Đây điện tích khổng lổ (Để so sánh, ta x át th an h nhựa vào lông thú, bạn gặp may tạo 10"’ c trê n thanh) BÀI TOÁN MẤU -4 Trong toán m ẫu 23.3 ta đă thấy xu bàng chứa hai điện tích dương âm, loại có độ lớn bầng 1,37 X lO^C Giả thử điện tích tậ p tru n g hai bọc cách lOOm, Hỏi lực hú t tác dụng lên bọc 15 Giải Từ phương trỉnh 23.4 ta cđ F = — í ;rc „ ^ _ (8,99 X 10^ N (1,37 X 10^ C)^ _ ( 100m)2 = 1,69 X IQi^N (Đáp số) Nđ gán X 10*^ lực ! Thậm chí cảc điện tích cách bàng đường kính Trái Đất Lực hút mạnh, chừng 120 Tất nhiên ta né tránh vấn để tạo điện tích cách biệt m ột "bọc" cđ kích thước nhỏ so với khoảng cách chúng Một bọc vậy, cđ thể tạo thành, bị phá vỡbởi lực đẩy tỉnh điện điện tích bọc vỉ chúng đêu cđ dấu Bài học rút từ toán mẫu bạn làm lệch nhiổu khỏi trung hòa điện vật thồng thường Nếu bạn cố chuyển phấn đáng kể loại điện tích từ vật thỉ ịực tĩnh điện tự động xuất ctí xu hướng kéo lại phẩn điện tích mà bạn muổn chuyển BÀI TỐN MẪU -5 Khoảng cách trung bình r êlectrôn prôtôn tâm nguyên tử hydrô 5,3 X a) Tính độ lớn lực tỉnh điện trung bỉnh tác dụng hai hạt Giải Từ phường trìniv 23.4 ta có, với lực tĩnh điện '‘ » £ „ _ r" ( ,9 ■10^ N m ^ / c ^ ) ( ,0 X ~ '^ C )^ (5,3 X 10"llm)2 = 8,2 X 10-®N ■ (Đáp số) b) Tính độ lớn lực hấp dẫn trung bình tác dụng hai hạt đđ Giải Từ phương trin h 23.2 cho lực hấp dẫn ta cđ = (6,67 X 10" " m /k g s2 )(9 ,ll X 10-3ikg) X = 3,6 X 10"'*’ N ^ (5,3 X 10 ^ (Đáp sỗ) Tk thấy với hạt nguyên tử hydro, lực hấp dẫn nhiểu, nhiổu lán yếu lực tỉnh điện Tuy nhiên, lực hấp dẫn hút, ntí ctí th ể tác dụng để tập hợp nhiểu vật nhỏ thành khói lớn, hình thành hành tinh ngơi 16 sao, nhờ có th ể xuất lực hấp dẫn lớn Lực tĩnh điện, m ặt khác lực đẩy vái điện tích dấu nên khơng thể tích lũy nổng độ lớn điện tích dương âm BÀI TỐN MẤU -6 H ạt nhân nguyên tử sát ctí bán kính chừng 4,0 X 10~*^m chứa 26 prơtơn Hỏi lực đẩy tĩnh điện tác dụng prôtôĩi hạt nhân chúng cách 4,0 X Giải Từ phương trình 23,4 ta viết F = V (8,99 X 10‘^Nm2/c2)( 1.60 X 10-1’ C)2 = - = 14N (Đáp số) (4,0 X 10~‘5m)2 Đd lực nhò tác dụng lên lực mạnh tác dụng lên không bị dịch xa lực đẩy khổng iồ m ạnh ỉực hạt nhản m ạnh tác dụng lên vật thông thường quà dưa đỏ prôtôn Các prơtổn hạt nhân cd lực khác chí prồtơn để liên kết chúng với 23-6 ĐIỆN TÍCH Đ ộ c BẨO TOÀN Nếu bạn cọ x át thủy tinh vào lụa, điện tích dương xuất Đo đạc cho thấy điện tích âm có độ lớn xuất lụa Điểu cho thấy ràng cụ xát khOng tạo diên tích mà chi làm chuyển từ vật sang v ật làm m ất tru n g hòa điện vật trỉnh Già thiết vể bảo toàn điện tich dỏ, đưa đáu tiên Benjamin Pranklin, đ kiểm định ch ặt chẽ với vật lớn tích điện cà với nguyên tử, hạt nhân hạt bản, chưa thấy ngoại lệ nào, ta thêm điện tích vào danh sách đại lượng (bao gổm nàng lượng động lượng mômen động lượng) tuân theo định luật bảo toàn Sự phân rả phóng xạ hạt nhân h ạt nhân phát th àn h loại hạt nhân khác cho ta nhiéu thí dụ vể bào độ h ạt nhân Chảng hạn, uran 238 (hoặc tim thấy t h ể phân rã bàng cách phát hạt anpha (là hạt nhân th àn h thôri : 238u _>234rpj^ ^ phdng xạ) biến đổi cách tự tồn điện tích mức quặng uran cd hêli, "'He) chuyển (23.12) Nguyên tử số z h ạt nhân mẹ 92 cho ta biết hạt nhân chứa 92 protơn có điện tích 92e H ạt a phát cd z = h ạt nhân ion có iCMSỆtềiỌCHA 17 z = 90 Như lượng điện tích 92e trước phân rả 90e + 2e Điện tích bảo tồn phân rã tổng điện tích s a u khí Ví dụ khác vể bảo tồn điện tích xuất êlectrơn e' (cđ điện tích bàng -e) phản hạt pơditrơn (có điện tích +e) thực q trình hủy chúng chuyển thành tia ga m m a (những hạt ánh sáng không cd điện tích, có nâng lượng cao) : e“ + e'" “ * ỵ + y (sự hủy) (23.13) Khi áp dụng ngun tắc bào tồn điện tích ta phải cộng đại số điện tích, phải ý dấu chúng Trong trình hủy 23.13 đd điện tích thực hệbằng trước sau trình Điện tích bảo tồn Trong tạo cập, ngược với hủy, điện tích bảo tồn Trong trỉnh tia gam m a chuyển thàn h êlectrôn pôditrôn : y ^ e“ + (tạo cập) (23.14) Hình 23.9 cho thấy biến cố tạo cặp xuất buổng bọt Một tia gam m a vào buống từ bên trái điểm biến đổi thành êlectrơn pơditrơn hạt tích điện chuyển động, hạt đà để lại vệt dài bọt nhò (các vết bị cong có từ trường buổng) Tia gam m a khơng tích điện nên khơng để lại vết, bạn cđ th ể ndi xác nơi xầy tạo cặp - đỉnh chữ V cong nơi mà vết êlectrôn pôditrôn bát đáu IIÌN IỈ 23-9 Ánh chụp vdi họl do*mộl Clecỉrổn vã pổditrôn lạo Ihành irong huổng bọl (,'rip hat đưỢc smh bì)ỉ lia gamma vào buổng trái, ) khổng lich diộn lia gamma khổng ỉSè lai dáu vót dọc Ihco đưòng khác vỏi ổlcctrổA pôditrôn 23-7 CÁC HẰNG số VẬT LÍ Trong chương này, ta đă đưa vào số vật lí, điện tích nguyên tổ e Có lẽ ta tạm "lạc đé" để tđm tá t vai trò h àn g số cấu trúc vật lí Bảng 23.2 liệt kê bốn đại lượng đặc biệt quan trọng số hàng số vật lí 18 ỈCSVLOỘMỌCMA Tầ nhận thấy số biết với độ xác cao Mặc dù toán mẫu minh họa, ta thường dùng đến hai ba chữ số cd nghỉa, hàng số biết đến chữ số cd nghĩa Một ngoại lệ hầng sổ hấp áẳi), số biết với độ xác thấp số hầng số vật lí quan trọng Các thí nghiệm để tìm giá trị xác sổ vần thực phòng thí nghiệm tồn giới Một hầng sổ cd thể đế cập đến minh với số khác nhỉéu thí nghiệm Làm sáng tỏ tất liệu đổ nhiệm vụ đơn gỉản Thích hợp sau độ thập niên người ta lại soát lại phép đo đă tích lũy được, nhờ chương trinh máy tính cơng phu người ta lại rút từ số lớn liệu, bảng "các giá trị xác nhất" hàng số vật lí B ả n g 23.2 Bốn hầng số bàn vật lí H ằng số K í hiệu Hàng số hấp dẫn Tốc độ ánh sáng Hằng số Planck Điện tích nguyên tố G c h e Giá trị (1985) 6,67260 X lO-^m^/kgs^ 2,99792458 X 10«m/s 6,6260754 X 10'^^J.S 1,60217733 X 10' Sai só (a) 100 xác 0,6 0,3 Tiết 15-2, 15-5 17-7 -9 -5 (a) Dtin vị tính phán triệu Sự hoàn thiện hiểu biết vé số qua thời gian đà gây ấn tượng sâu sắc Chẳng hạn Bàng -3 cho thấy độ xác phép đo vận tốc ánh sáng đà hoàn thiện theo thời gian Hãy V đa dạng phương pháp cố gáng thật rộng râỉ toàn gỉới Các phép đo cuối đă đạt đến độ mà độ xác bị giới hạn khả nảng thực tế việc thực chuẩn đơn vị cỏa độ dài dùng thời điểm dó Kết người ta đâ định gán giá trị cho vận tổc ánh sáng bàng đ ịn h nghia định nghĩa iại chuấn đơn vị độ dài theo vận tốc ánh sáng (xem tiết 1-4) Mỗi hàng số Bảng -2 đdng vai trò quan trọng cấu trúc vật lí Bây ta lán lượt xem xét chúng H àng sổ háp dán G Hàng số xuất định luật hấp dẫn Newton hầng sổ trung tâm hai lí thuyết hấp dẫn Newton lí thuyết tương đối tổng quát Eỉnstein Mọỉ lí thuyết vổ câu trúc vỉ mổ phát triển vũ trụ phải chứa hàng số theo cách Vận tốc cùa ánh sáng c Hàng số xuất tát phương trỉnh thuyết tương đổi, đá tảng lí thuyết tương đổỉ hẹp Einstein Vận tốc ánh sáng lớn so với vận tốc thông thường nd vô lớn 19 B ảng - Vận tốc ánh sáng : số phép đo chọn lọc Năm 160Q 1676 1729 1849 1879 1950 1958 1972 1974 1976 1983 Người làm thực nghiệm Galileo Roemer Bradley Fizeau Michelson Michelson Essen F roome Eveson nghiệp Blaney nghiệp Woods nghiệp Nưóc Phương pháp thực nghiệm Tóc dộ (10«m/s) Độ xác (m/s) Ý Pháp Anh Pháp Hoa Kì Hoa KI Anh Anh Hoa Ki Dèn xách chán Vệ tinh Thổ Quang sai Bánh Gương quay Gương quay Hốc vi sđng Giao thoa kế Phương pháp lade "nhanh" 2,14 3,08 3,14 2,99910 2,99798 2,997925 2,997925 2,997924574 9 ọ ? 75000 22000 1000 100 1,1 Anh Phương pháp lade 2,997924590 0,6 Anh Phương pháp lade 2,997924588 0,2 2,99792458 Chính xác Giá trị quốc tế cơng nhận H àng số Planck h Hàng số số trung tâm vật lí lượng tử Hàng sđ Planck nhỏ không không Ta đả đé cập tới số cách ngán gọn tiết 8-9 Trong chương 43 44 phẩn mở rộng sách - phát triển khái niệm vật lí lượng tử từ nguổn gốc chúng - h ần g số Planck đóng vai trò trung tâm Điện tích ngun tố e Sự quan trọn g số nd có th ể kết hợp với hai hàng số khác để tạo nên m ột s6 không cđ thứ nguyên gọi hăng s ố cấu trúc tin h t é *a a = 2r„hc ^ 137 (23.15) Hằng số khững thứ nguyên trung tâm lí thuyết điện động lực học lượng tử hay QED nhu ntí thường gọi * Lí thuyết kết hợp vật lí lượng tử với lí thuyết tương đối hẹp, có lẽ lí thuyết thành cơng vật lí vé mặt kết tiên đoán phù hợp vâi thực nghiệm Số 137 đả làm mê nhà vật lí nhiêu thập ki họ đa cố • Nó có tẽn dó lí lịch sử xét cáu trúc chi tiết phỏ ánh sáng phát từ nguyẽn tủ Dại lượng ĩo xuát phương trinh 23-15 có giá tri theo định nghĩa khơng có vai trò bàn + Xem Richard P.Peynman, OED - lí (huyết kì lạ vể ánh sáng vật chát, Princeion University Press, Princeton NJ.I985 20 tìm cách khám phá ý nghỉa số cấu trúc tinh tế Phải n h vật lí không binh thường gặp tra n g 137 củạ sách mà lại khơng có ý nghĩ thống qua sổ BÀI TỐN MẤU -7 Có th ể kết hợp ba hầng số G, h c theo cách để đại lượng cò thứ nguyên thời gian Đại lượng đd gọi thời gian Planck cho Tp = AI — — (23.16) Hây chứng minh đại lượng cd thứ nguyên thời gian tìm giá trị Giải Từ bảng 23.2 ta viết ba số h = (6 ,6 = 6,63 X 0-34 J g) X lO-^^kg.m^/s G = 6,67 X - " m3/kg.s2 c X 10^ m/s = 3,00 Để tim thời gian Planck, ta thay giá trị vào phương trình 23.16 T = -J V (2 7t) (3,00x 10*^m/s)5 5,38 -« s ,Dàp =6 , Bạn kiểm tra kết cách cần thận để tự bạn tin ràng đơn vị rút gọn cho đơn vị thời gian, Có lẽ khơng đáng ngạc nhiên thời gian Planck thiết ba li thuyết vĩ đại ý nghm cn hồn Đn tuổi vũ trụ đời vụ nổ Big Bang) đd ta tin bát đầu cd giá trị Hiện ta tạm thời không giai đoạn ngắn trước lập từ hàng số cùn vũ trụ (tính từ lí thuyết vật lí biết nhiều vể vật lí Các số h, G c có th ể sáp xếp để tạo nên đại lượng có thứ nguyên độ dài khối lượng Các đại lượng gọi độ dài Planck khổi lượng Planck Cũng giống thời gian Planck, chúng cd ý nghỉa vật lí việc nghiên cứu nguổn gốc tiến hda vũ trụ ƠN TẬP VÀ TĨM TẮT Điện tích Cường độ tương tác điện h ạt với vật xung quanh phụ thuộc vào điện tích Điện tích cổ thể dương âm Các điện tích dấu đẩy 21 khác dấu hút Một vật có lượng điện tích dương lượng điện tích ấm thi tru n g hòa điện, vật có điện tích dương âm khơng cân thi tích điện Các chát dẩn điện chất cổ số đáng kể hạt tích điện (êlectrơn kim loại) tự dịch chuyển Các h ạt tích điện chát cách điện diện mồi không chuyển động tự Khi điện tích chuyển động qua chất, ta ndi cd m ộ t dòng điện tốn chất đd Culông ampe Đơn vị SI điện tích culơng (C) Nd định nghĩa dựa đơn vị dòng điện ampe (A) culơng điện tích qua điểm tron g giây dòng ampe chạy qua điểm Định luật Coulomb Định luật Coulomb mơ tà lực tĩnh điện điện tích điểm (hoặc gấn đứng yên) cách khoảng r : F = t ^1 ^2 (Đinh luât Coulomb) đứng yên (23.4) = 8,85 X 10'^^ C^/Nm^ hầng số điện ; = 8,99 X lO^Nm^/C^ Lực hút đẩy điện tích điểm đứng yên tác dụng dọc theo đường thảng nối hai điện tích Nếu có nhiều hai điện tích phương trỉn h (23-4) cho cập hạt Lực tống hợp tác dụng lên điện tích tìm ngun lí chổng chất cách lấy tổn g vectơ lực tác dụng lên điện tích từ điện tích khác hệ Một vỏ cd điện tích phân bố đẽu hút hoậc đẩy điện tích điểm nằm ngồi vỏ giống hệt tấ t điện tích lớp vỏ tập tru n g tâni nổ Một vỏ có điện tỉch phân bố đểu khơng tác dụng lực tinh điện hạt m ang điện nằm bên lớp vỏ Điện tích ngun tó Điện tích bị lượng tử hóa : điện tích đểu cd th ể viết dạng ne, đd n số nguyên dương hoậc âm e hàng số tự nhiên gọi điện tích ngun tó (gẩn bầng 1,60 X 10'^^ C) Điện tích bảo tồn : Tổng (đại số) điện tích hệ lập khổng thay đổi CÂU HỎI Cho hai cầu kim loại đặt giá đỡ cách điện, di chuyển Hảy tìm cách làm cho chúng có điện tích ngược dấu Bạn có th ể dùng số dây dẫn thủy tinh đả xát vào lụa cd th ể không chạm vào cấu Để phương pháp bạn cd th ể có kết quả, cầu có cẩn phải có kích thước khơng ? 22 Trong câu hỏi 1, tỉm cách làm cho cáu cố điện tích bàng dấu Vói phương pháp bạn cáu có cẩn phải cd kích thước bàng khơng ? Một th an h tích điện hút m ẩu li-e khơ nhỏ Các mẩu sau chạm vào th an h thường bật khỏi th an h cách m ạnh mẽ Giải thích Các thí nghiệm mô tả phần 23.2 cd th ể giải thích bàng cách giả thiết', cd loại điện tích nghĩa m ột loại cho thủy tinh, cho lụa, cho nhựa cho lông thú Chứng chống lại già thiết đd ? Một điện tích dương m ang lại r ấ t gấn m ột vật dẫn lập khơng tích điện Khi v ật dẫn nối đ át điện tích giữ gán Hỏi vật dẫn tích điện dương, âm khơng tích điện chút (a) điện tích bịđưa xa sau thơi nối đất vật dẫn (b) vật dản thơi nối đất mđc đưa điện tích xa Một chất 'điện mơi tích điện có th ể phóng điện bàng cách đưa nd qua lửa Giải thích ? Nếu bạn cọ xát nhanh tiển ngón tay, nd khơng trở nên tích điện Vì ? Nếu bạn nh an h qua thàm , bạn thường chịu tia điện chạm vào núm cửa (a) Cái gây điều đđ ? (b) Làm để cd th ể trá n h điều đd ? thí nghiệm tinh điện không thực tốt vào ngày ẩm ướt ? 10 Làm th ế bạn có th ể xác định dấu điện tích trê n th an h lập tích điện ? 11 Nếu than h thủy tinh tích điện dương giữ gấn đầu kim loại cô lập, tru n g hòa điện, số êlectrơn tron g than h kim loại bị hú t vé đấu hình 2^ 10 TWi ano Hồng ốlootrỏn ngCíng lại ? Mậc dù xét cho cố r ấ t nhiều êlectrôn tro ng th an h kim loại 12 Trên hình 23-1 có lực điện tác d ụng lên th an h kim loại không ? Giải thích HÌNH 23-10 CAu hỏị II 12 13 Một người đứng ghế cách điện chạm vào vật dẵn lập, tích điện Vật dẫn có bị phdng điện hồn tồn khơng ? 14 a) Một th an h thủy tinh tích điện dương hút vật treo dây không dẫn điện Cd th ể kết luận vật tích điện âni khơng ? (b) Một th an h thủy tinh tích điện dương đẩy vật treo tương tự Cd th ể kết luận vật tích điện dương không ? 15 Nếu êlectrôn kim loại chúng thường bị chặn lại m ặt kim loại Tại rời kim loại ? cd thể chuyển động tự do, chúng không chuyển động tiếp 16 Có thể có sai khác quan trọng không Benjamin Franklin đă thay đổi cách gọi dương âm cho điện tích ? 23 17 Định luật Coulomb tiên đoán lực tác dụng điện tích điểm lên điện tlch khác tỉ lệ với tích hai điện tích Bạn kiểm tra điéu phòng thí nghiệm ? 18 Một êlectrơn (điện tích = -e) quay quanh hạt nhân He (điện tích = +2e) nguyên tử He Hỏi hạt tác dụng lực mạnh lên hạt ? 19 tích m ột h t m ộ t hàng số đặc trưng h t dó, khơng p h ụ thuộc vào trạng thái chuyển động nó" Giải thích làm để ctí thể Jtiểm tra phát biểu đd cách thực thí nghiệm xác xem ngun tử hydrơ thực trung hòa điện 20 D ịnh lí Earnshaui ndi ràng khơng cd hạt cd thể trạng thái cân bàng có lực tỉnh điện tác dụng \ / HÌNH 23-11, Câu hỏi 20 Tuy nhiên, hảy xét điểm p tâm hlnh vuông tạo nên bốn điện tích dương cố định hình 23.11 Nếu bạn đật điện tích dương p, phải ntí khơng trạng thái cân ? Giải thích 21 Lượng tử điện tích m ột lượng tử khối lượng tương ứng khơng ? 22 Trong tốn mẫu -5 ta thấy lực điện mạnh lực hấp dẫn chừng 10^’ lẩn Bạn từ đd kết luận thiên hà, hành tinh chủ yếu phải trung hòa điện ? 23 Làm ta biết lực tỉnh điện nguyên n hân h ú t Trái Đất Mặt Trăng ? BÀI TẬP VÀ BÀI TOÁN TIẾT 23-4 ĐỊNH LUẬT COULOMB lE Tính lực tỉnh điện hai điện tích 1,00C cách khoảng (a) l,00m (b) l.OOkm cd thể đặt 2E Một điện tích điểm +3,00 X 10”^c cách điện tích điểm thứ hai -1 ,5 10"^C khoảng 12,0 cm Tính độ lớn lực tác dụng lên điện tích 3E Hỏi khoảng cách điện tích điểm = 26,0/