Đang tải... (xem toàn văn)
Đặt một điện tích dương qo tại điểm M nào đó trong điện trường (điện tích này đủ nhỏ để nó không làm thay đổi điện trường mà ta đang xét - gọi là điện tích thử), thì qo sẽ bị điện trườ[r]
(1)BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CHƯƠNG TRÌNH: VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG (ĐIỆN-QUANG) TÊN MƠN HỌC: VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG ( ĐIỆN- QUANG) MÃ SỐ: 12012
THỜI LƯỢNG
CHƯƠNG TRÌNH: 45T ( ĐVHT)
ĐIỀU KIỆN
TIÊN QUYẾT:
SV cần có kiến thức sau: - Hình học giải tích (Các phép tính véctơ) - Tốn Cao cấp
- Cơ-Nhiệt đại cương
MƠ TẢ MÔN HỌC: - Cung cấp kiến thức Điện, Quang
- Cung cấp tượng Cơ về: Điện, Quang- Các định luật về: Điện , quang
- Giúp tính tốn tốn, thơng điện từ, quang học, ứng dụng ngành Cơ khí, Cắt may, Kỹ Thuật Điện, Điện tử,Viễn thông…
ĐIỂM ĐẠT: * Lý thuyết: 100% điểm - Hiện diện lớp: 10% điểm
- Kiểm tra tổng quát KQHT: 20 % điểm - Kiểm tra hết môn : 70% điểm
CẤU TRÚC MÔN HỌC: KQHT 1: Nhận biết được trường tĩnh điện, tính chất
KQHT 2: Giải thích tượng điện hưởng (cảm ứng điện), tượng phân cực chất điện môi
KQHT 3: Giải toán mạch điện phân nhánh
KQHT 4: Giải thích tương tác dịng điện với dòng điện, từ trường với hạt mang điện
KQHT 5: Trình bày tượng cảm ứng điện từ, điều kiện tồn dịng điện cảm ứng
KQHT 6: Trình bày mối liên hệ điện & từ theo định tính theo định lượng
(2)KẾ HOẠCH ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC Hình thức đánh giá Kết học
tập
Thời lượng GD (trên lớp)
Mức độ yêu cấu Viết& trắc nghiệm
Thao tác
BT về
nhà
TT thực tế
Đề
tài Tự
học
KQHT 8 tiết X X X
KQHT 6 tiết X X X
KQHT 6 tiết X X X
KQHT 6 tiết X X X
KQHT 6 tiết X X X
KQHT 6 tiết X X X
KQHT 7 tiết
Sinh viên chuẩn bị trước với số tiết tối thiểu có mặt lớp
X X X
ĐÁNH GIÁ CUỐI MƠN HỌC HÌNH THỨC: - Thi viết giấy thi
- Trắc nghiệm THỜI GIAN:
1 90 phút thi viêt 60 phút trắc nghiệm
NỘI DUNG: Trọng tâm:
- Biết tượng điện & từ giao thoa nhiễu xạ ánh sáng, giải thích tường điện, từ, giao thoa nhiễu xạ
- Tính tốn thơng số sơ đồ mạch điện, thông số từ trường, điện trường
(3)NỘI DUNG CHI TIẾT MÔN HỌC KQHT 1: Nhận biết trường tĩnh điện, tính chất
TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN 1.1 ĐIỆN TÍCH VÀ VẬT DẪN ĐIỆN
Các tượng tự nhiên thể nhiều dạng khác nhau, vật lý học đại cho chúng thuộc vào bốn dạng tư ơng tác sau: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh, tương tác yếu; tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ phổ biến Đối với vật thể có kích thước thơng thường tương tác hấp dẫn yếu bỏ qua Nhưng tương tác điện từ nói chung đáng kể, chí nhiều đáng kể Trong tương tác hấp dẫn hai vật có loại, lực hút hai vật Cịn tương tác điện từ có lực hút lẫn lực đẩy Tương tác hấp dẫn phụ thuộc khối lượng vật thể Cịn tương tác điện từ phụ thuộc điện tích chúng Năm 1881, nhà bác học Stoney đề nghị chọn hệ thống đơn vị tự nhiên, với đơn vị tốc độ ánh sáng, số hấp dẫn điện tích ngun tố Ơng cho phải có điện tích ngun tố nhỏ nhất, chia nhỏ hơn, gắn liền với nguyên tử vật chất Ơng đề nghị gọi tên electron Thực nghiệm chứng tỏ:
Một điện tích q vật có cấu trúc gián đoạn số nguyên n lần điện tích nhỏ e (hay điện tích nguyên tố)
e = 1.602.10-19 (C) q = ± ne
Trong số hạt mang điện tích ngun tố có prơton electron: Prơton = +e , mp = 1.67.10-27kg
Electron = -e , me =9.1.10-31kg
Prơton electron có thành phần cấu tạo nguyên tử chất Prôton nằm hạt nhân nguyên tử, electron chuyển động xung quanh hạt nhân Ở trạng thái bình thường ( trạng thái trung hồ điện) tổng đại số điện tích ngun tử khơng
Vật mang điện dương hay âm nhận thêm số electron so với lúc không mang điện
Dựa vào thực nghiệm ta đưa định luật bảo toàn điện tích: “Tổng đại số điện tích hệ cô lập điện không đổi”
1.2. VẬT DẪN ĐIỆN VÀ VẬT CÁCH ĐIỆN:
1.2.1 Vật dẫn điện (vật dẫn): vật có điện tích chuyển động tự tồn thể tích vật, trạng thái nhiễm điện truyền vật (kim loại, dd axid bazơ…)
1.2.2 Điện môi (chất cách điện): chất khơng điện tích chuyển động tự do, mà điện tích xuất đâu định xứ (thuỷ tinh, cao su, dầu, nước, nguyên chất…)
Thật vậy, điều kiện định, vật dẫn điện được, chúng khác chổ dẫn điện nhiều hay
Thí dụ: Thuỷ tinh nhiệt độ bình thường khơng dẫn điện, nhiệt độ cao trở thành chất dẫn điện
(4)1.3.1.Điện tích điểm:
Là vật mang điện có kích thướt nhỏ khơng đáng kể so với khoảng cách từ điện tích tới điểm vật mang điện khác mà ta xét
1.3.2.Định luật Coulomb:
Lực tương tác tĩnh điện hai điện tích q1, q2 đứng yên mơi trường có:
– Phương nằm đường thẳng nối liền hai điện tích điểm
– Chiều phụ thuộc vào dấu hai điện tích (hai điện tích dấu đẩy nhau, hai điện tích trái dấu hút nhau)
– Có độ lớn: 22
1 r
q q F
ε πε
= (1.1)
Trong đó:
ε phụ thuộc vào tính chất mơi trường (người ta gọi số điện môi) Đối với chân khơng thìε=1
2
2
0
10 99 10
1
C Nm C
Nm
k = = =
πε
2 12
0 8.85.10 C Nm −
= ε
số điện
Nếu có nhiều hai điện tích phương trình cho cặp điện tích Lực tổng hợp tác dụng lên điện tích tìm nguyên lý chồng chất: Tức tổng vectơ lực tác dụng lên điện tích từ điện tích khác hệ
Dạng biểu thức định luật Coulomb tương tự dạng biểu thức định luật vạn vật hấp dẫn Nhưng lực hấp dẫn lực hút, lực tĩnh điện (tương tác hai điện tích) lực đẩy lực hút tuỳ thuộc vào dấu điện tích
1.4 ĐIỆN TRƯỜNG
Như ta biết, điện tích tương tác với chúng cách khoảng r Ở ta đặt nhiều câu hỏi: lực tương tác điện tích truyền nào? Có tham gia mơi trường xung quanh khơng? Khi có điện tích khơng gian bao quanh điện tích có thay đổi?
1.4.1.Khái niệm điện trường:
Thực nghiệm cho rằng: không gian bao quanh điện tích có xuất dạng vật chất đặc biệt gọi điện trường Chính nhờ điện trường làm nhân tố trung gian lực tương tác tĩnh điện truyền từ điện tích tới điện tích Một tính chất điện trường điện tích đặt điện trường bị điện trường tác dụng lực
1.4.2.Véctơ cường độ điện trường:
Nhiệt độ có giá trị xác định điểm phòng mà bạn ngồi, bạn đo nhiệt độ điểm cách đặt vào nhiệt kế Ta gọi phân bố nhiệt độ trường nhiệt độ Cũng tương tự cách ta nghĩ đến trường áp suất khí Đó phân bố điểm giá trị áp suất
Hai ví dụ trường vơ hướng nhiệt độ áp suất trường vơ hướng Điện trường trường véctơ, gồm phân bố vectơ
a.Định nghĩa:
Đặt điện tích dương qo điểm M điện trường (điện tích đủ nhỏ để khơng làm thay đổi điện trường mà ta xét - gọi điện tích thử), qo bị điện trường tác dụng lựcFr Thực nghiệm chứng tỏ
0 q
Fr không phụ thuộc vào điện tích qo mà
chỉ phụ tht vị trí điểm M phụ thuộc vào điện tích gây điện trường Tức điểm xác định điện trường tỷ số
0 q
F E
r r
(5)Như vậy, Er đặc trưng cho điện trường phương diện tác dụng lực điểm xét Er gọi véctơ cường độ điện trường điểm , độ lớn Er gọi cường độ điện trường
Trong hệ SI, đơn vị điện trường V/m
b.Vectơ cường độ điện trường gây điện tích điểm:
Giả sử có điện tích q tạo khơng gian chung quah điện trường Để tìm điện trường này, ta đặt điện tích thử qo dương điểm cách điện tích q khoảng r Theo định luật Coulomb, độ lớn lực tĩnh điện tác dụng lên qo:
2
0
1 r
q q F
ε πε
=
Nếu q>0: Fr hướng xa q Nếu q<0: Fr hướng vào q
Theo định nghĩa: Độ lớn vectơ cường độ điện trường:
0
1 r
q q
F E
ε πε
=
= (1.2)
Hướng Er trùng với hướng lực tác dụng lên điện tích thử, tức là: Er hướng xa q q>0
Er hướng vào q q<0
Vậy, để tìm véctơ cường độ điện trường khơng gian điện tích điểm cách di chuyển điện tích thử quanh khơng gian
c Cường độ điện trường gây vật mang điện: Nguyên lý chồng chất điện trường:
Bài toán tĩnh điện học là: biết phân bố điện tích (nguồn sinh điện trường) không gian, xác định vectơ cường độ điện trường điểm điện trường
Để giải toán người ta đưa vào nguyên lý gọi nguyên lý chồng chất điện trường
Cụ thể, ta xét hệ điện tích điểm q1, q2, q3… qn phân bố không liên tục không gian Ta xác định vectơ cường độ điện trường điểm điện trường - Trước tiên, ta đặt điện tích thử q0 vào điễn trường hệ điện tích nói - Kế tiếp, ta đo lực tổng hợp tác dụng lên qo bằng:
∑
=
= n
i i
F F
1 r r
i
Fr: lực tác dụng điện trường lên điện tích thứ i
- Theo định nghĩa: ∑ ∑ = = = =
= n
i i n
i i E
q F q
F E
1
r
r ( 1.3)
Vậy: vectơ cường độ điện trường gây hệ điện tích điểm tổng vectơ cường độ điện trường gây điện tích điểm hệ Đây nguyên lý chồng chất điện trường
dEn P
dE
dEt
θ
θ
r h
(6)Nhận xét:
- Cường độ điện trường mặt phảng mang điện gây điểm M điện trường không phụ thuộc vào vị trí điểm M (E =const)
- Tại điểm điện trường, vectơ Er (do mặt phẳng vơ hạn mang điện gây ra) có phương vng góc với mặt phẳng, hướng phía ngồi mặt phẳng mặt phẳng mang điện dương, hướng phía mặt phẳng mặt phẳng mang điện âm
1.5. ĐIỆN THƠNG ĐỊNH LÍ OSTROGRADKI-GAUSS (ĐỊNH LÝ O-G) 1.5.1.Đường sức điện trường:
Đường sức điện trường đường cong vẽ điện trường cho tiếp tuyến điểm có phương tiếp tuyến với phương cường độ điện trường điểm có chiều chiều vectơ điện trường điểm
Qui ước:
- Các đường sức vẽ cho số đường sức đơn vị diện tích mặt phẳng thẳng góc với đường sức tỉ lệ với độ lớn Er Điều có nghĩa nơi đường sức sát E lớn, nơi đường sức thưa E nhỏ
- Tập hợp đường sức điện trường gọi phổ đường sức điện trường hay điện phổ Tính chất
- Đường sức điện trường đường không khép kín: xuất phát từ điện tích dương (+) kết thúc điện tích âm (-)
- Các đường sức không cắt 1.5.2.Thông lượng điện (điện thông):
Giả sử ta đặt diện tích (S) điện trường Er
Ta chia diện tích S thành diện tích vơ nhỏ ds cho vectơ Er điểm diện tích
Người ta định nghĩa thơng lượng gởi qua diện tích ds bằng: s
d E dΦe = r r s
dr vectơ diện tích hướng theo pháp tuyến nr ds có độ lớn ds
Ta có:
n e
e e
s d E d
s d E d
E n Eds
s d E d
r r
r r
r r r
r
) , ( ),
4 ( cos
= = ⇒
= =
= φ
φ
α α
φ
(En hình chiếu E
r
lên nr, dsn hình chiếu dsr lên phương vng góc với Er) Vậy: Thơng lượng Er gởi qua mặt (S) là:φe =∫(S)En.ds=∫(S)E.dsn
Từ biểu thức (1.4), cho ta thấy dấu dφe phụ thuộc vào góc α
Người ta qui ước: mặt kín ta ln chọn chiều dương nr chiều hướng xa mặt
Với qui ước ta có: nr Er
ds (S)
•
α
dSn dS Er n Er nr
(7)0 < e
dφ α >π2
> e
dφ α <π2
Theo hình vẽ ta thấy số đường sức gởi qua ds số đường sức gởi qua dsn
Vậy: Thông lượng điện trường Er gởi qua diện tích (S) đại lượng có độ lớn số đường sức điện trường vẽ qua diện tích
Trong hệ SI, đơn vị điện thông vôn.mét (V.m) 1.5.3. Đinh lý O-G (Ostrograski-Gauss)
Để tìm khối tâm củ khoai, bạn thực thực nghiệm cách tính tốn số tích phân ba lớp Tuy nhiên củ khoai có dạng elipsơit đối xứng giúp bạn biết xác khối tâm mà khơng cần tính tốn
Sự đối xứng có lĩnh vực vật lý, có ý nghĩa thể định luật vật lý dạng tận dụng đầy đủ tính đối xứng
Định luật coulomb định luật chủ chốt tĩnh điện học khơng thể dạng để làm cho việc tính tốn đặt biệt đơn giản trường hợp có đối xứng Đinh lý O-G dể dàng tận dụng trường hợp đặ c biệt
Trọng tâm định lý O-G mặt giả thuyết mặt kín (cịn gọi mặt Gauss) Mặt kín có dạng mà bạn muốn Nhưng mặt kín có mặt thể tính đối xứng (Thường mặt cầu, mặt trụ có dạng đối xứng đó)
Xét hệ điện tích điểm q1, q2,… qn (Phân bố gián đoạn khơng gian), hệ tích
điểm gây xung quanh điện trường Định lý O-G cho phép ta tính thơng lượng điện trường qua mặt kín (S) đặt điện trường
a.Phát biểu:
“ Thông lượng điện trường gởi qua mặt kín (S) mơi trường đồng chất tổng đại số điện tích nằm mặt kín chia cho tích số ε0ε ”:
ε ε φ
0
) (
∑ ∫ = = =
n
i i
S e
q s
d Er r
Chú ý: Vế phải phương trình dấu điện tích tổng cộng chứa mặt (S) Nhưng Er vế trái điện trường tất điện tích lẫn ngồi mặt kín tạo
b.Ví dụ: Tính thông lượng điện trường trường hợp sau: Cho
: q q C
C q
C q
C q
9
4
9
9
9
10 10
10 10
− −
− −
= = =
− = =
Giải
Nhận xét mặt kín (S) có tất điện tích ?(có 3: q1, q2,q3 )
Định lý O-G:
∑n qi
r r
• • •
• • q1
q2 q3