Chi tiết hóa phương pháp bài toán hệ điện tích trong điện trường trong ôn thi học sinh giỏi lớp 11

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT NGA SƠN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI CHI TIẾT HĨA PHƯƠNG PHÁP BÀI TỐN HỆ ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG TRONG ÔN THI HSG LỚP 11 Người thực hiên: Trần Văn Dũng Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực mơn: Vật lý THANH HĨA NĂM 2020 MỤC LỤC Mở đầu…………………………………………… ………………………… 1.1 Lý chọn đề tài…………………………………… …………………… 1.2 Mục đích nghiên cứu …………………………………….…………………1 1.3 Đối tượng nghiên cứu ………………………………………………………1 1.4 Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………… Nội dung sáng kiến kinh nghiệm…………………………………………… 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm………………………… ……….2 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm……… …… 2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp sử dụng đê giải vấn đề………………………………………………………………………… …….2 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trường………………………………………… … 10 Kết luận, kiến nghị……………………………………………………….….10 3.1 Kết luận……………………………………………………………………10 3.2 Kiến nghị……………………………………………………… ……… 11 Mở đầu 1.1 Lý Lực điện trường tác dụng lên điện tích khơng đổi thay đổi tùy điện trường có hay không Thông thường giải tập hệ điện tích điện trường ta chọn phương pháp động lực học phương pháp lượng, kết hợp hai Đặc biệt điện trường không phương pháp động lực học đa số giúp giải phần định tính tập mà Hơn học sinh biết trọng trường, đàn hồi định luật bảo tồn lượng lớp 10 Vậy điện tích điện trường có định luật bảo tồn lượng khơng áp dụng nào? Trong 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, vấn đề hệ điện tích điện trường vấn đề khó khăn cho giáo viên học sinh tượng phương pháp giải thiếu kiến thức mấu chốt điện tích, hệ điện tích điện trường Nhằm mục đích phát triển tư sâu cho học sinh giỏi chất tượng Vật lý, phương pháp giải nâng cao kết bồi dưỡng học sinh giỏi, mạnh dạn chọn đề tài “ CHI TIẾT HĨA PHƯƠNG PHÁP BÀI TỐN HỆ ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG TRONG ÔN THI HSG LỚP 11” 1.2 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 - Thông qua đề tài giúp cho học sinh vận dụng thành thạo hệ điện tích tốn điện, đồng thời tạo cho học sinh kĩ phối hợp định luật bảo toàn lúc để giải tốn - 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 ôn thi HSG nói riêng Qua thúc đẩy việc dạy học trường THPT Nga Sơn, nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Thế điện tích, hệ điện tích - Chi tiết hóa phương pháp tốn hệ điện tích điểm 1.4 Phương pháp nghiên cứu Trong q trình nghiên cứu tơi sử dụng số phương pháp sau : - Nhóm hương pháp lý thuyết: Phương pháp tra cứu, thu thập tài liệu, phân tích, tổng hợp so sánh - Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Phương pháp điều tra hệ thống câu hỏi, phương pháp vấn, phương pháp nghiên cứu sản phẩm học tập học sinh Nội dung sáng kiến 2.1 Cơ sở lý luận sáng kiến - Công văn số 385/SGD& ĐT – KT&KĐCLGD việc thi học sinh giỏi Vât lý cấp tỉnh Sở GD &ĐT Thanh Hóa - Bộ giáo dục đào tạo hướng dẫn yêu cầu SGD & ĐT đạo trường THPT quan tâm đến việc bồi dưỡng học sinh giỏi mơn nhằm góp phần nâng cao chất lượng giáo dục - Căn nhiệm vụ năm học trường THPT Nga Sơn việc thi HSG cấp tỉnh - 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 tốn phần điện tích Vì vậy, xin giới thiệu với đồng nghiệp với em học sinh vấn đề chi tiết hóa tốn hệ điện tích cung cấp kiến thức hệ điện tích 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.2.1 Về phía giáo viên Trong q trình giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi, 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 tơi xin đề cập đến khái niệm tương tác chi tiết hóa số tập giải tốn phần hệ điện tích nhằm cung cấp cho thân giao viên số kiến thức mở rộng để tham khảo 2.2.2 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 toàn để giải, học sinh dễ bị sai lâu em học có hai loại năng: đàn hồi trọng trường, em chưa biết điện tích cịn tương tác 2.2.3 Nguyên nhân thực trạng Giáo viên ngại tìm tịi sáng tạo dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi Thế hệ điện tích vấn đề khó khơng đề cập chi tiết cụ thể sách giáo khoa vật lý 11 2.3 Giải pháp sử dụng để giải vấn đề 2.3.1 Lý thuyết liên quan để giải vấn đề 2.3.1.1 Công lực điện trường Xét điện trường điểm điện tích Q dương đứng yên xét điện tích q di chuyển đường cong từ A (rA ) đến B(rB) - Công nguyên tố : Mặt khác: r A q F M M M rA r Q r+ r M M’ M l rB B Cơng tồn phần lực điện trường điện tích q dịch chuyển từ A đến B => với Như : Công lực điện dịch chuyển điện tích q theo đường cong phụ thuộc vào vị trí điểm đầu ( rA ) vị trí cuối ( rB ) đường mà khơng phụ thuộc hình dạng đường Nhận xét: Trên đường cong kín rA = rB AAB= Tính chất giống tính chất trường hấp dẫn lực tĩnh điện lực trường tĩnh điện trường 2.3.1.2 Thế điện tích điện trường Trong học cơng lực hấp dẫn độ giảm vật trường lực Vì trường tĩnh điện trường lực nên công lực điện trường thực điện tích q dịch chuyển từ điểm A đến điểm B hiệu WtA WtB hai vị trí A B : AAB= WtA –WtB Với C:hằng số có giá trị phụ thuộc mốc Thường người ta quy ước đặt giá trị điện tích q cách xa Q vơ , tức C=0 Suy biểu thức điện tích q đặt điện trường điện tích điểm Q, cách Q khoảng r : Wt gọi tương tác hệ điện tích q Q 2.3.1.3 Điện Điện điểm A điện trường đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường phương diện tạo đặt điện tích q Nó xác định thương số cơng lực điện trường tác dụng lên q q di chuyển từ A vô cực độ lớn q Thế điện tích q điểm M điện trường tỉ lệ thuận với độ lớn điện tích q: WtA = = q.VA => gọi điện điểm A Điện có tính cộng được: Điện gây điểm hệ điện tích tổng đại số điện điện tích gây 2.3.1.4 Thế hệ điện tích Thực tĩnh điện nêu có nguồn gốc từ lực tương tác tĩnh điện điện tích q với điện tích khác gây điện trường tĩnh điện gọi tương tác điện tích q xét với điện tích cong lại hệ Mặt khác, có hệ điện tích điện tích hệ tương tác ( tĩnh điện ) điện trường điện tích cịn lại Tuy nhiên, khơng phải mà tương tác toàn hệ tổng điện tích Theo định luật bảo tồn lượng Thế tương tác tĩnh điện toàn hệ phải tổng động hệ dịch chuyển vơ cùng, di chuyển đồng thời hay điện tích Vì vậy, trường hợp hệ hai điện tích, điện tích , hệ , khơng phải hai lần lượng Điều kiểm tra lại phép tính cơng cho đồng thời hai điện tích vơ Tương tự, trường hợp có ba điện tích giống q nằm ba đỉnh tam giác cạnh a, điện tích Song hệ ba điện tích gấp rưỡi lượng mà thơi Thế tương tác hệ điện tích: Trong Vi ký hiệu điện gây điện tích khơng phải qi nơi đặt qi, ®ã Vi kÝ hiƯu ®iƯn thÕ gây điện tích qi nơi đặt qi 2.3.1.4 Nng lng ca h in tớch Xét hệ lập gồm n điện tích, vận tốc, khối lượng q1, q2…qn; v1,v2… m1, m2…mn Theo định luật bảo tồn ta có lượng hệ bảo toàn q a q W = (Wđ)hệ + (Wt)hệ = A B 2.3.1.5 Các ví dụ minh họa Bài Có hạt mang điện giống khối lượng hạt m, điệ tích hạt q, giữ đỉnh a hình vng, cạnh a Hv1 C q D q a Xác định động cực đại hạt Hv chúng thả tự đồng thời b Xác định động cực đại hạt ta thả cho hạt thả hạt trước xa hệ Hướng dẫn giải: Thế tương tác hệ bằng: ) ( a) a Khi ta thả đồng thời hạt, tính đối xứng hạt gia tốc khiến cho ta thả tới vô cùng, động chúng (b) b Nếu ban đầu cho hạt đỉnh A xa động cực đại điện tích = ( c) Nếu hạt thứ hai từ đỉnh C động cực đại =2k ( d) Cịn lại hai hạt đỉnh B D Giữu điện tích D thả điện tích B, động cực đại = k (e) Điện tích thứ tư hồn tồn tự sau điện tích khác hệ xa vơ Nó khơng thể tự chuyển động từ trạng thái nghỉ khơng có động Dễ dàng thấy tổng động ( c), (d) (e) động hệ bốn điện tích thả đồng thời Cũng dễ dàng thấy đổi thứ tự cho hai điện tích C B, động cực đại chúng khác đi, tổng động hệ không đổi Bài 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 =105 m/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= -1,6.10-19 C 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: Áp dụng định luật bảo toàn lượng: => = => Bài 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 Hv 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 α > 450 c α < 450 Hướng dẫn giải : Áp dụng định luật bảo tồn lượng cho hệ kín ( vật m + điện tích q2 + trái đất) vị trí A B : (1) (2) Từ (1) (2) ta có: a) Khi α =450 tanα =1 → 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 => trường hợp này, vận tốc vB hạt B có giá trị lớn trường hợp khơng có điện tích q2 C c Khi α < 450 => trường hợp này, vận tốc vB hạt B có giá trị bé trường hợp khơng có điện tích q2 C Ngoài trị số α = α0 mà 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 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 n, cịn 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 Wt tĩnh điện hai viên bi (3) ( d khoảng cách A B chúng nhũng vị trí ngang nhau) Muốn cho A vượt qua B phải có v1 > v2 (4) Từ (1), (2), (3), (4) tìm : Bài Hai viên bi mang điện tích q1và q2 có vận tốc ban đầu giống độ lớn hướng Sau tạo điện trường khoảng thời gain đó, hướng viên vi thứ quay góc 600, độ lớn giảm lần, viên bi thứ hai quay góc 900 Bỏ qua lực tương tác tĩnh điện hai viên bi a Độ lớn vận tốc viên bi thứ hai thay đổi lần? b Xác định độ lớn thương số điện tích khối lượng viên bi thứ hai, biết tỉ số với viên bi k1 viên bị thứ Hướng dẫn giải: Do điện trường nên lực tương tác lên điện tích có độ lớn hướng khơng đổi suốt thời gian tồn điện trường Trong khoảng thời gian viên bi nhận xung lượng lực tương ứng Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho viên bi (1) Đồng thời hai xung lực ban đầu góc Từ (1) (2) suy (2) song song nhau, xung lượng hợp với động lượng  E q2 t (3) ( 4) Ta có => Bài Khi hai electron cách khoảng d, v v vËn tèc cđa chóng ®Ịu cã ®é lớn v, nằm d mặt phẳng hợp với đờng nối hai electron góc nhọn Xác định khoảng cách ngắn electron lại gần Hng dn gii: Do tính đối xứng toán, lại gần electron có vận tốc v hợp với đờng nối hai electron góc nh Đồng thời khoảng cách ngắn nhát góc phải 900, góc nhọn, electron tiến dần lại Mặt khác theo phơng vuông góc với đờng nối hai electron lực tác dụng lên hạt không, nên vận tốc theo phơng bảo toàn, khiến áp dụng định luật bảo toàn lợng , ta đợc Suy Bi Hai electron nằm cách khoảng r, hạt đứng n hạt cịn lại chuyển động với vận tốc hợp với đường nối hai hạt góc nhọn  Hỏi góc vận tốc vận tốc electron chúng lại cách khoảng r ? Hướng dẫn giải: Do vận tốc electron có thành phần hướng electron nên chắn khoảng cách hai electron đầu phải giảm, trình vận tốc electron thứ tăng dần, cịn electron giảm dần, động hệ đạt cực tiểu khoảng cách hai electron ngắn Sau lực đẩy tĩnh điện, vận tốc electron thứ tiếp tục tăng, vận tốc electron tiếp tục giảm khiến khoảng cách chúng lại tăng Giả sử hai electron lại khoảng cách r vectơ vận tốc có phương chiều hình vẽ Khi lực tương tác nội lực ta có định luật bảo toàn động lượng Chiếu lên ox: Chiếu lên oy: (1) (2) y v e2 v2 r r (lần đầu ) e1 x p dng nh luật bảo tồn e2 định(lÇn sau) e1 lượng hệ thời điểm ban đầu lúc hai điện v1 tích lại cách khoảng r (3) Từ (1) (2) (3) ta có: 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=∞ Hướng dẫn giải: q1 vo q2 Khi cầu có khoảng cách cực tiểu chúng có vận tốc ( chiều ) Bảo toàn động lượng (1) Bảo toàn lượng (2) từ (1) (2) suy (3) b Xét trường hợp a = ∞ Chia tử mẫu (3) cho a ta được: c Khi hai cầu lại xa Bảo toàn động lượng : (4) Bảo toàn lượng : (5) Kết hợp (4) (5) ta : (6) Phương trình (6) có nghiệm: Vì u2 phải chiều với vo nghĩa u2 dấu với vo nên ta lấy giá trị (+) thay vào (4) ta u1 trái dấu với vo nên (1) bật trở lại với a = ∞ ; 2.3.1.6 Một số tập tương tự Bài Ba điện tích q1 = q2 =q3 = 108C ban đầu đặt xa Tính cơng cần thực để đưa điện tích đến đỉnh tam giác ABC cạnh 3cm khơng khí Bài Tại hai điểm A B cách đoạn a =20cm có hai điện tích điểm giữ cố định q1 = +9.10-6 C q2 = -106 C Một hạt có khối lượng m =0,1 kg có điện tích q3=10-6 C chuyển động từ xa đến, theo đường BA hv Hỏi hạt phải có vận tốc ban đầu tối thiểu để đến điểm B, bỏ qua tác dụng trọng trường Bài Ba cầu nhỏ tích điện nhau, có khối lượng m điện tích q, nối với đoạn dây không dãn chiều dài l Ban đầu chúng nằm cân mặt bàn nhẵn nằm ngang tạo thành tam giác Vì lí đoạn dây nối bị tuột Hãy xác định vận tốc cầu thời điểm chúng nằm đường thẳng Xem bán kính cầu nhỏ so với chiều dài đoạn dây nối chúng 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trường Với việc áp dụng sáng kiến kinh nghiệm q trình giảng dạy tơi thấy thu kết sau: Sau bổ sung thêm kiến thức lý thuyết tương tác đa số em học sinh nhận : Thế khơng đàn hồi, trọng trường mà cịn có loại 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 Kết luận, kiến nghị 3.1 Kết luận Vấn đề hệ điện tích điện trường vấn đề khó khăn cho giáo viên học sinh nhiên với việc áp dụng sáng kiến kinh nghiệm q trình giảng dạy tơi thấy thu kết khả quan sau: Sau bổ sung thêm kiến thức lý thuyết tương tác đa số em học sinh nhận khơng đàn hồi, trọng trường mà cịn có loại tương tác hạt mang điện Khi 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 Học sinh áp dụng giải số tập áp dụng em tự tin giải tập tụ tin nhuần nhuyễn 3.2 Kiến nghị Theo 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 hệ điện tích điện trường, đồng thời bổ sung thêm tiết tập phần để học sinh rèn luyện kĩ làm tốt Giáo viên giành nhiều thời gian cho việc tự học, tự bồi dưỡng khơng ngừng nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ, nghiên cứu tìm tịi tài liệu liên quan đến phần điện tích, hệ điện tích điện trường, bồi dưỡng nâng cao kiến thức cho thân Trên sáng kiến kinh nghiệm trình trực tiếp giảng dạy ơn thi học sinh giỏi lớp 11 Mặc dù thân dành nhiều thời gian nghiên cứu tìm tịi để viết sáng kiến, kinh nghiệm chưa nhiều nên viết tránh khỏi sai sót Rất mong góp ý chân thành thầy cô giáo Tôi xin chân thành cảm ơn ! Nga Sơn, ngày 01 tháng 06 năm 2020 Người viết sáng kiến kinh nghiệm Trần Văn Dũng 10 TRONG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TƠI CĨ SỬ DỤNG CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tuyển tập toán & nâng cao Vật lý 11 trung học phổ thông Tác giả Vũ Thanh Khiết Vật lý đại cương NXB giáo dục Giải Toán Vật lý 11 tác giả Bùi Quang Hân Đề thi chọn học sinh giỏi lần - Trường Lê Hồng Phong Nam Định năm 2014 Sách giáo khoa Vật lý 11 Bài tập Vật lý nâng cao dùng cho học sinh giỏi – Tác giả Lưu Đình Tuân 11 ... sinh giỏi chất tượng Vật lý, phương pháp giải nâng cao kết bồi dưỡng học sinh giỏi, mạnh dạn chọn đề tài “ CHI TIẾT HĨA PHƯƠNG PHÁP BÀI TỐN HỆ ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG TRONG ƠN THI HSG LỚP 11? ??... tích q với điện tích khác gây điện trường tĩnh điện gọi tương tác điện tích q xét với điện tích cong lại hệ Mặt khác, có hệ điện tích điện tích hệ tương tác ( tĩnh điện ) điện trường điện tích cịn... đề hệ điện tích điện trường vấn đề khó khăn cho giáo viên học sinh tượng phương pháp giải thi? ??u kiến thức mấu chốt điện tích, hệ điện tích điện trường Nhằm mục đích phát triển tư sâu cho học sinh