(Sáng kiến kinh nghiệm) một số bài toán cơ bản về tụ điện vật lý 11 nâng cao

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VĨNH PHÚC TRƯỜNG THPT YÊN LẠC BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN “MỘT SỐ BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ TỤ ĐIỆN - VẬT LÝ 11 NÂNG CAO” Tên tác giả sáng kiến: Trần Thị Vân Đơn vị: Trường THPT Yên Lạc Mã sáng kiến: Yên Lạc, tháng 02 năm 2020 MỤC LỤC Lời giới thiệu………………………….………………………………….2 Tên sáng kiến.…………………………………………………………….2 Tác giả sáng kiến…………………………………………………………2 Chủ đầu tư tạo sáng kiến …………………………………………… Lĩnh vực áp dụng sáng kiến………………………………………………3 Ngày sáng kiến áp dụng lần đầu áp dụng thử………………………3 Mô tả chất sáng kiến ……………………………………………3 7.1 Về nội dụng áp dụng sáng kiến…………………………………… 7.2 Về khả áp dụng sáng kiến……………………………………29 Những thông tin cần bảo mật (nếu có)……………………………29 Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến………………………… 29 10.Đánh giá lợi ích thu dự kiến thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả theo ý kiến tổ chức, cá nhân tham gia áp dụng sáng kiến lần đầu kể áp dụng thử (nếu có) theo nội dung sau……29 10.1 Đánh giá lợi ích thu dự kiến thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả ………………………………………….… 29 10.2 Đánh giá lợi ích thu dự kiến thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tổ chức, cá nhân…………………………………….……29 11 Danh sách tổ chức, cá nhân tham gia áp dụng sáng kiến lần đầu (nếu có) ………………………………………………………………….……29 BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN TÊN ĐỀ TÀI: MỘT SỐ BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ TỤ ĐIỆN - VẬT LÝ 11 NÂNG CAO Lời giới thiệu Trong giai đoạn đẩy mạnh cơng nghiêp hóa đại hóa đất nước hội nhập Quốc tế, nguồn lực người có ý nghĩa quan trọng, định thành công công phát triển đất nước Giáo dục ngày có vai trò nhiệm vụ quan trọng việc xây dựng hệ người Việt Nam có tri thức, phẩm chất đạo đức tốt, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế đất nước Để đáp ứng vai trò nhiệm vụ quan trọng đó, giáo dục cần có bước chuyển mạnh mẽ, phải đổi Trước hết đổi phương pháp dạy học nói chung đổi phương pháp dạy học Vật lý nói riêng Đổi phương pháp dạy học nhằm phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo học sinh, tăng cường kỹ thực hành, vận dụng kiến thức, kỹ vào giải vấn đề thực tiễn Trong PPDH tích cực, phương pháp phân loại tập theo nhóm giúp HS hệ thống hóa kiến thức, xác định dạng tập nâng cao, luyện giải thành thạo dạng tập Vật lý, từ đạt hiệu cao dạy học Vật lý Mặt khác phương pháp phân loại tập theo nhóm cịn giúp HS rèn luyện, phát triển tư phân tích vấn đề, tư logic, khả tự học, phát huy tính tích cực chủ động HS không chi học tập môn Vật lý mà vấn đề khác sống Tuy nhiên, tập vật lý biến đổi linh hoạt, đa dạng, học sinh dễ nhầm lẫn công thức không định hướng công thức, cách giải cho tập Vì tơi chọn đề tài “Một số toán tụ điện - Vật lý 11 nâng cao” Tên sáng kiến “Một số toán tụ điện - Vật lý 11 nâng cao” Tác giả sáng kiến Họ tên: Trần Thị Vân Địa chi tác giả sáng kiến: Trường THPT Yên Lạc - H.Yên Lạc - T.Vĩnh Phúc Số điện thoại: 0973.374.168 -Email: tranthivan.c3yenlac@vinhphuc.edu Chủ đầu tư tạo sáng kiến Tác giả: Trần Thị Vân Lĩnh vực áp dụng sáng kiến - Đối tượng: Học sinh lớp 11 học sách giáo khoa Vật lý 11 - nâng cao - Với tinh thần giúp học sinh nắm bắt tốt việc học phần tụ điện, tơi đưa số tốn tụ điện - Vật lý 11 nâng cao Ngày sáng kiến áp dụng lần đầu áp dụng thử Ngày bắt đầu áp dụng sáng kiến ngày 01/11/2018 Mô tả chất sáng kiến 7.1 Về nội dung sáng kiến A CƠ SỞ LÝ LUẬN + Tụ điện hệ hai vật dẫn đặt gần ngăn cách lớp cách điện Mỗi vật dẫn gọi tụ điện + Tụ điện dùng để chứa điện tích + Tụ điện dụng cụ dùng phổ biến mạch điện xoay chiều mạch vơ tuyến Nó có nhiệm vụ tích phóng điện mạch điện + Độ lớn điện tích tụ điện tích điện gọi điện tích tụ điện + Điện dung tụ điện C = Q đại lượng đặc trưng cho khả tích điện U tụ điện hiệu điện định + Đơn vị điện dung fara (F) + Điện dung tụ điện phẳng C = εS 9.10 9.4πd Trong S diện tích (phần đối diện); d khoảng cách hai ε số điện môi lớp điện môi chiếm đầy hai + Mỗi tụ điện có hiệu điện giới hạn Khi hiệu điện hai tụ vượt hiệu điện giới hạn lớp điện môi hai tụ bị đánh thủng, tụ điện bị hỏng + Ghép tụ điện * Ghép song song: U = U1 = U2 = … = Un; Q = q1 + q2 + … + qn; C = C1 + C2 + … + Cn * Ghép nối tiếp: Q = q1 = q2 = … = qn; U = U1 + U2 + … + Un; 1 1 = + + + C C1 C Cn 1 Q2 + Năng lượng tụ điện tích điện: W = QU = = CU2 2 C B NỘI DUNG Hệ thống tập về tụ điện giới hạn chương trình vật lý 11 nâng cao có thể chia làm dạng sau + Tính điện dung,điện tích hiệu điện tụ điện + Ghép tụ chưa tích điện + Ghép tụ tích điện + Giới hạn hoạt động tụ điện + Năng lượng tụ điện I Bài tập tự luận Tính điện dung,điện tích hiệu điện tụ điện 1.1 Phương pháp - Điện dung tụ điện: C = Q U (1) - Điện dung tụ điện phẳng: C = ε ε o S ε S = d 9.10 4.π d (2) Trong + S diện tích đối diện hai tụ + d khoảng cách hai tụ + ε số điện môi lớp điện môi hai tụ - Công thức (2) chi áp dụng cho trường hợp chất điện môi lấp đầy khoảng không gian hai q q -Điện tụ điện cầu: V1 = k ε.R ; V2 = k ε.R Chú ý: + Nối tụ điện vào nguồn: U = const + Ngắt tụ điện khỏi nguồn: Q = const 1.2 Bài tập ví dụ Ví dụ 1.1 Một tụ điện phẳng điện dung 12 pF, điện môi khơng khí Khoảng cách hai tụ 0,5 cm Tích điện cho tụ điện hiệu điện 20 V Tính: a điện tích tụ điện b cường độ điện trường tụ c sau tháo bỏ nguồn điện tăng khoảng cách hai tụ lên gấp đơi Tính hiệu điện hai tụ Lời giải a Điện tích tụ Q= U.C= 12.10-12.20= 2,4.10-10 (C) b Cường độ điện trường bên tụ là: E= U 20 = = 4000 (V / m ) d 0.5.10 −2 c Tháo bỏ nguồn điện nên điện tích tụ bảo tồn Q’= Q Điện dung tụ sau khoảng cách hai tụ tăng lên gấp đôi là: C' = C = pF Hiệu điện hai tụ là: U '= Q' = 2U = 40 V C' Ví dụ 1.2 Tụ điện phẳng khơng khí có điện dung C = 500 pF tích điện đến hiệu điện 300 V a Tính điện tích Q tụ điện b Ngắt tụ điện khỏi nguồn nhúng tụ điện vào chất điện mơi lỏng có ε = Tính điện dung C1 , điện tích Q1 hiệu điện U1 tụ điện lúc c Vẫn nối tụ điện với nguồn nhúng tụ điện vào chất điện môi lỏng có ε = Tính C2 , Q2 , U2 tụ điện Lời giải a Điện tích tụ Q= U.C= 15.10-5 (C) b Ngắt tụ khỏi nguồn nên điện tích tụ bảo tồn Q1=Q Điện dung tụ C1= 2C= 10-6 (F) Q U Hiệu điện hai tụ U = C = = 150V c Tụ vẫn nối với nguồn nên hiệu điện hai tụ không đổi U 2= U= 300V Điện dung tụ C2= 2C= 10-6 (F) Điện tích tụ Q2= U2.C2= 30.10-5 (C) Ví dụ 1.3 Một tụ điện cầu cấu tạo cầu bán kính R vỏ cầu bán kính R2 (R1 < R2) Tính điện dung tụ điện R1 Lời giải Hai tụ điện hai mặt cầu kim loại đồng tâm bán kính R 1, R2 R2 - q q Điện bản: V1 = k ε.R ; V2 = k ε.R - Hiệu điện hai tụ: U = V1 − V2 = k - Điện dung tụ điện : C = U = k  R 2− R1 ÷   q q q q 1  − k = k  − ÷ ε.R1 ε.R ε  R1 R  ε  R R  Ví dụ 1.4 Tụ phẳng khơng khí, diện tích S, khoảng cách d nối với nguồn có hiệu điện U Bản U tụ giữ cố định, có bề dày h, khối lượng riêng D đặt đế cách điện Biết tụ không nén lên đế Bỏ qua lực đẩy Acsimet Tính U Lời giải Bản tụ không nén lên đế tức trọng lượng cân với lực điện trường P = F ⇔ mg = q.E q Với E cường độ điện trường tụ gây : E = 2ε εS  ε0 εS   d ÷ U 2 ε εS.U q C U  ⇔ D.S.h.g = ⇔ D.S.h.g = = = 2ε0 εS 2ε εS 2ε0 εS 2d ε0 εU 2.D.h.g ⇔ D.h.g = ⇔U=d 2d ε0ε Vậy: hiệu điện tụ là: U = d 2.D.h.g ε0ε 1.3 Bài tập vận dụng Bài tập Tụ điện phẳng có tụ hình trịn bán kính 10cm.Khoảng cách hiệu điện hai 1cm,108V.Giữa hai khơng khí.Tìm điện tích tụ điện ĐS: 10-9 C Bài tập Một tụ điện phẳng khơng khí,điện dung 40pF,tích điện cho tụ điện hiệu điện 120V a.Tính điện tích tụ b.Sau tháo bỏ nguồn điện tăng khoảng cách hai tụ lên gấp đơi.Tính hiệu điện hai tụ ĐS: 48 10-10C, 240 V Bài tập Tụ điện phẳng gồm hai tụ hình vng cạnh a=20cm đặt cách 1cm.Chất điện môi hai thủy tinh có ε =6.Hiệu điện hai U=50V a.Tính điện dung tụ điện b.Tính điện tích tụ điện ĐS: 212,4 pF ; 10,6 nC 2.Ghép tụ chưa tích điện 2.1 Phương pháp - Áp dụng cơng thức tính điện dung, điện tích, hiệu điện tụ điện cách mắc song song nối tiếp: U = U = U =  + Các tụ mắc song song  C = C1 + C +  Q = Q + Q +  + Các tụ mắc nối tiếp  U = U + U +  1 + +  = C C C   Q = Q1 = Q2 = Nếu có nhiều tụ mắc hốn hợp ta cần tìm cách mắc tụ tính tốn - Khi tụ bị đánh thủng trở thành vật dẫn 2.2 Bài tập ví dụ Ví dụ 2.1 Có tụ điện C1 = 10 µF, C2 = µF, C3 = µF mắc vào nguồn điện có hiệu điện U = 38 V a Tính điện dung C tụ điện, điện tích hiệu điện tụ điện b Tụ C3 bị “đánh thủng” Tìm điện tích hiệu điện tụ C1 Lời giải a Sơ đồ : ( C1 // C2 ) nt C3 Điện dung tụ Cb = ( C1 + C ).C C1 + C + C = (10 + 5).4 10 + + C1 C3 C2 = 3,16 µF Điện tích tụ Qb = Q3 = Q12 = Q1 + Q2 = 1,2.10 -4 (C) Hiệu điện tụ C1 C2 U1 = U = Q12 1,2.10 −4 = = (V ) C12 10.10 −6 + 5.10 −6 Hiệu điện tụ C3 là: U3 = Q3 1,2.10 −4 = = 30 (V ) C3 4.10 −6 Điện tích tụ là: Q1 = U C1 = 8.10 −5 ( C ) Q2 = U C = 4.10 −5 ( C ) Q3 = 8.10 −5 ( C ) b Tụ C3 bị đánh thủng, mạch tụ C1 // C2 Hiệu điện hai đầu tụ : U1= U2= U= 38 (V) Q1 = U C1 = 3,8.10 −4 ( C ) Điện tích tụ C1 đó: Ví dụ 2.2 Tụ điện phẳng khơng khí có điện dung C = 4pF Nhúng nửa tụ vào điện môi lỏng có số điện mơi ε = Tìm điện dung tụ điện nhúng, đặt: a thẳng đứng b nằm ngang Lời giải a Hai đặt thẳng đứng: Ta xem tụ điện cho gồm tụ ghép song song C C2 Ta có: C1 = C0 ε.C0 ( ε + 1) C0 = 8(pF) ; C2 =  C = C1 + C2 = 2 C C b Hai tụ đặt nằm ngang: Ta xem tụ điện cho gồm tụ ghép nối tiếp C1 C2 2εC0 C1 C2 Ta có: C1 = 2C0 ;C2 = 2ε.C0  C = C + C = ( ε + 1) = 6(pF) C C Ví dụ 2.3 10 Vì ban đầu tụ chưa tích điện C = C Q1 = Q ⇒ Q D = −Q1 + Q = * K đóng: (C // C ) nt (C // C ) ( C + C3 ) ( C2 + C4 ) = 3, 6(µF) C13C 24 = C13 + C 24 C1 + C3 + C + C C 'b = Q 'b = Q '13 = Q '24 = C 'b U MN = 6, 48(µC) Q '1 = C1.Q '13 = 3, 24(µC) ( C1 + C3 ) Q '2 = C2 Q '24 = 2,16(µC) ( C2 + C4 ) ⇒ Q D = −Q '1 + Q '2 = −1, 08 ( µF ) D D  Lượng điện tích dịch chuyển qua khóa K : ∆Q = Q ’ – Q = -1,08µF < Vì ∆Q < nên electron di chuyển đến nút D Số e di chuyển : n= ∆Q D 1, 08.10 −6 = = 6, 75.1012 (e) e 1, 6.10−19 Ví dụ 3.4 Cho mạch điện hình vẽ : C = C = 3µF ; C = 6µF ; A C1 B C3 M C2 19 Ban đầu tụ chưa tích điện Ban đầu K vị trí (1) đặt vào mạch hiệu điện U AB = 18V a.Tìm hiệu điện thế, điện tích tụ khóa K vị trí (1) khóa K chuyển từ vị trí (1) sang vị trí (2) b Tính số e phóng qua K khóa K chuyển từ vị trí (1) sang vị trí (2) Lời giải * Khi K vị trí (1): (C1 nt C3)//C2 U = U AB = 18(V) U1 = C3 C1 U AB = 12(V); U = U AB = 6(V) C1 + C3 C1 + C3 A Điện tích tụ : C1 + Q1 = C1.U1 = 36 ( µC )  Q = C2 U = 54 ( µC )  Q3 = C3 U = 36 ( µC ) - A B M C1 C3 + - + C2 K vị trí + - + - B M C3 + - C2 K vị trí * Khi K vị trí (2): (C1 // C2) nt C3 Giả sử dấu điện tích tụ không đổi * Các tụ nối với M: −Q1 − Q + Q3 = −Q '1 − Q '2 + Q '3 ⇒ −C1.U '1 − C U '2 + C3 U '3 = −54  −3U '1 − 3U '2 + 6.U '3 = −54 (1) 20 AB Vì U khơng đổi nên ta có : U’ +U’ = U AB AB  U’ +U’ = U = 18 (2) Vì C = C nên U’ = U’ (3) Ta có hệ phương trình :  −3U '1 − 3U '2 + 6.U '3 = −54  U '1 = 13,5(V)   + U '3 = 18 ⇒  U '2 = 13,5(V)  dấu tụ giống giả thuyết  U '1  U' − U'  U ' = 4,5(V) =0   3.3 Bài tập vận dụng Bài tập Cho mạch điện hình vẽ C = 1μF, C2 = 2μF, C3 = 3μF, U = 110V.Ban đầu K (1) a tìm điện tích tụ K C2 b Đảo K sang vị trí (2), tìm điện tích hiệu điện U + C3 tụ C1 -4 Đ.s: a.Q1 =1,1.10 C b.U1’=50V, U2 = 30V;U3 = 20V; q1’ = 50 μC;q2 = q3 = 60 μC Bài tập a Trong hình bên, U = 60V (khơng đổi).C = 20μF C2 = 10μF a ban đầu tụ chưa tích điện Khóa K vị trí b, + U chuyển sang a lại b Tính điện lượng qua R b Sau chuyển K sang a lại b.Tính điện lượng qua R lần nạp điện thứ c Tính tổng điện lượng qua R sau n lần tích điện d Tính điện tích C2 sau số lớn lần tích điện Đ.s: a ΔQ1 = 4.10-4C b ΔQ2 = 400/3 (μC)  ( n) c Q2 = 600 1 −  b K C1 C2 R 1 ÷(μC) 3n  d Q2= 6.10-4C 21 Bài tập Ba tụ C1 = 1μF, C2 = 3μF, C3 = 6μF tích điện tới hiệu điện U = 90V, dấu điện tích hình vẽ Sau tụ ngắt khỏi nguồn nối với thành mạch kín, điểm tên hình vẽ nối với Tính hiệu điện hai tụ Đ.s: U1’ = -90V, U2’ = 30V, U3’ = 60V 4.Giới hạn hoạt động tụ điện 4.1 Phương pháp - Trường hợp tụ điện: E ≤ E gh , U = Ed, => U ≤ E gh d => Ugh = Egh.d - Trường hợp tụ ghép: + ghép nối tiếp: xác định điện tích giới hạn tụ, điện tích giới hạn tụ điện tích giới hạn nhỏ tụ thành phần (Qbộ)gh = {(Q gh ) i } Khi hiệu điện giới hạn tụ tính theo cơng thức: (U bơ ) gh = ( Qbô ) gh C bô + ghép song song: xác định hiệu điện Ugh tụ, hiệu điện giới hạn tụ hiệu điện giới hạn nhỏ tụ (Ubộ)gh = {(U gh ) i } + trường hợp có nhiều tụ ghép hỗn hợp cần xác định rõ cách ghép tụ áp dụng tìm Ugh cho từng phần mạch 4.2 Bài tập ví dụ Ví dụ 4.1 Hai tụ C1 = 5.10-10F, C2 = 15.10-10F mắc nối tiếp, khoảng hai tụ lấp đầy điện mơi có chiều dày d = 2mm điện trường giới hạn 1800V/mm Hỏi tụ chịu hiệu điện giới hạn bao nhiêu? Lời giải U C Hai tụ mắc nối tiếp: U = C = , U1 + U2 = U ⇒  U1 = U  U = U  Hiệu điện giới hạn tụ: Ugh = Egh.d = 1800.2 = 3600V Từ (1) (2): để tụ khơng bị đánh thủng U1 ≤ Ugh (1) (2) 22 ⇒ U ≤ 4800V Vậy tụ chịu hiệu điện giới hạn 4800V Ví dụ 4.2 C1 = C2 = C3 = C, R1 biến trở, R2 = 600Ω, U = 120V a Tính hiệu điện hai tụ theo R1 Áp dụng với R1 = 400Ω b Biết hiệu điện giới hạn tụ 70V Hỏi R thay đổi khoảng giá trị nào? C1 C2 Lời giải +++ a Các điện trở: R1 nt R2 cường độ dòng điện qua điện trở: C3 R2 R1 +U - U 120 I= = R1 + R2 R1 + 600 UR 120 R 1 Hiệu điện hai đầu R1: UR1 = I.R1 = R + R = R + 600 UR 72000 Hiệu điện hai đầu R2: UR2 = I.R2 = R + R = R + 600 Gọi hiệu điện tụ C 1, C2, C3 U1, U2, U3 giả sử dấu điện tích tụ hình vẽ, ta có liên hệ: ( 1) U1 + U = U = 120V  UR1 120 R1  = U1 + U = U R1 = R1 + R2 R1 + 600   −Q + Q + Q =  Thay C1 = C2 = C3 = C vào(3),được: −U1 + U + U = Từ (1), (2), (3’) ta tìm được: ( 2) ( 3) ⇒ U + U = U1 (3’)  R1 + 600 U1 = 40 × R1 + 600   R1 + 1200 U = 40 × R1 + 600   R − 600 U = 40 × R1 + 600  Áp dụng: R1 = 400Ω ta được: U1 = 56V; U2 = 64V; U3 = -8V Nhận thấy U3 < 0, nên điện tích C3 phải có dấu phân bố ngược lại so với giả thiết ban đầu, hiệu điện C3 8V b So sánh U1, U2, U3, dễ thấy U1, U2 > U3 Để tụ khơng bị đánh thủng U1, U2 ≤ 70V (4) U1 ≥ U2 ⇒ R1 ≥ 600Ω 23 Điều kiện (4) trở thành: U1 ≤ 70V ⇒ ⇒ R1 ≤ 1800Ω ⇒ 600Ω ≤ R1 ≤ 1800Ω +) U1 < U2 ⇒ R1 < 600Ω Điều kiện (4) trở thành: U2 ≤ 70V ⇒ 4.3 Bài tập vận dụng R + 600 U1 = 40 × ≤ 70V R1 + 600 (5) R1 ≥ 200Ω Bài tập Ba tụ điện có điện dung C1=0,002 µ F; C2=0,004 µ F; C3=0,006 µ F mắc nối tiếp thành Hiệu điện đánh thủng tụ điện 4000 V.Hỏi tụ điện chịu hiệu điện U=11000 V không? Khi hiệu điện đặt tụ bao nhiêu? ĐS: Không Bộ bị đánh thủng; U1=6000 V; U2=3000 V; U3=2000 V Bài tập Ba tụ C1 = 1μF, C2 = 2μF, C3 = 3μF có hiệu điện giới hạn U = 1000V, U2 = 200V, U3 = 500V mắc thành Cách mắc có hiệu điện giới hạn tụ lớn nhất? Tính điện dung và hiệu điện giới hạn tụ lúc ĐS: C1 nt (C2 // C3); 1200V, µF Bài tập Người ta dùng hai nhơm mỏng có chiều dài a= 10cm, chiều rộng b= 3,14cm để làm tụ điện cách đặt hai nhôm tời giấy có tẩm parafin có số điện mơi ε= 3,6 bề dày d= 0,1mm Các lớp nhôm giấy chồng khít lên a Tính điện dung tụ điện b Biết lớp giấy bị cháy điện trường bên lớp giấy vượt giới hạn EO= 106 V/m Tính hiệu điện tối đa đặt vào hai tụ ĐS: a C= 1nF b UO= 100 V 5.Năng lượng tụ điện 5.1 Phương pháp 24 - Áp dụng công thức lương tụ điện: W = QU CU Q = = 2 2C - Năng lượng tụ: Wbộ = ∑ wi - Trường hợp tụ điện phẳng, tính mật độ lượng điện trường w εε E tụ điện: = V - Áp dụng định luật bảo toàn lượng vào tính cơng mà tụ nhận hay nhiệt lượng tỏa mạch ngồi 5.2Bài tập ví dụ Ví dụ 5.1 Hai tụ C1 = 600pF; C2 = 1000pF mắc nối tiếp vào nguồn U = 20kV ngắt tụ khỏi nguồn Sau nối dấu hai tụ với Tính lượng tia lửa điện phát C1 + Lời giải C2 - + - / B +C /- A Nhận xét: dạng tập ghép tụ tích điện CC Điện dung tương đương tụ: C = C + C = 375(pF) 1 + - C2 + - -6 Điện tích tụ : Q = Q = C.U = 7,5.10 (C)=7,5µC Năng lượng ban đầu tụ: W = C.U = 0,075(J ) Khi nối dấu tụ với nhau, ta có Q1 + Q = Q '1 + Q '2 ⇒ Q '1 + Q '2 = 15µC  Q '1 Q '2 Q '1 Q '2  U ' = U ' ⇔ = ⇔ = ⇒ 5Q '1 − 3Q '2 =  C1 C2 600 1000   Q’ = 5,625µC ; Q’ = 9,375µC 2 Q'1 Q'2 + ≈ 0,07(J ) Năng lượng ban đầu tụ: W' = C1 C2 25 Năng lượng tia lửa điện phát ra: ∆W = W − W' = 0,075− 0,07 = 0,005(J ) Ví dụ 5.2 Một tụ điện có điện dung C1 = 0,2µF , khoảng cách hai d1 = 5cm nạp điện đến hiệu điện U = 100V a Tính lượng tụ điện b Ngắt tụ khỏi nguồn điện Tính độ biến thiên lượng tụ dịch hai gần lại cách d2 = 1cm Lời giải a lượng tụ điện là: W = C.U = 10 −3 J b điện dung tụ dịch hai gần lại cách d2 = 1cm C ' = C d = 5C = µC d' Tụ ngắt khỏi nguồn nên điện tích khơng đổi Năng lượng tụ lúc sau là: W '= Q C 2U = = 0,2.10 −3 J 2C ' 2C[ Biến thiên lượng tụ ∆W = W '−W = 0,810 −3 J Ví dụ 5.3 Hai tụ phẳng C1, C2 tích điện Q1, Q2 a Tìm tổng lượng tụ b Bây dùng hai dây dẫn để nối hai dương lại với nối hai âm lại với Tìm lượng hệ tụ điện c So sánh lượng với ban đầu hệ, lí giải khác Lời giải a Tổng lượng hai tụ: W = W1 + W2 = + - C1 + - C2 Q12 Q22 + 2C1 2C2 b Khi nối hai tích điện dấu hai tụ với nhau: U1 = U = U ' Q1 + Q2 ( Q1 + Q2 ) ⇒ U'= = Hiệu điện điện tích tụ:  C1 + C2 ( C1 + C2 ) Q1 '+ Q2 ' = Q1 + Q2 26 2 Năng lượng hệ tụ: W ' = C1U12 + C2U 22 c Hiệu lượng trước sau nối:  Q12 Q22  ( Q1 + Q2 ) ( C Q − C1Q2 ) > W − W' =  + = ; ÷−  2C1 2C2  ( C1 + C2 ) 2C1C2 ( C1 + C2 ) 2 Năng lượng chuyển thành nhiệt tỏa R sóng điện từ mạch khơng có điện trở Ví dụ 5.4 Hai tụ điện phẳng có diện tích S, cách khoảng d Điện tích tụ điện Q không nối với nguồn Tính cơng cần thực để tách hai xa thêm đoạn ∆d Từ suy biểu thức lực hút hai Lời giải Vì hai tụ khơng nối với nguồn nên điện tích Q tụ khơng thay đổi dịch chuyển hai tụ Điện dung tụ điện phẳng : C = Năng lượng ban đầu tụ : W = ε.ε S d Q2 Q2 = d C ε.ε0 S Khi tách hai xa thêm khoảng ∆d : W ' = Q2 ( d + ∆d ) ε.ε0 S Năng lượng tụ biến thiên lượng : ∆W = W '− W = Q2 ∆d ε.ε S Vì ∆W > nên ta cần cung cấp cho tụ công A = ∆W mà A = F.∆d  F = A Q2 = ∆d ε.ε0 S Ví dụ 5.5 Hai tụ điện phẳng khơng khí giống có điện dung C mắc song song tích đến hiệu điện U ngắt khỏi nguồn Hai tụ cố định, 27 hai tụ chuyển động tự do.Tìm vận tốc tự thời điểm mà khoảng cách chúng giảm nửa Biết khối lượng tụ M, bỏ qua tác dụng trọng lực Lời giải + Năng lượng hai tụ trước chưa dịch chuyển W = CU = CU 2 + Điện tích hệ: Q = 2CU + Khi hai tụ điện di chuyển đến khoảng cách nửa khoảng cách lúc đầu, điện dung tụ 2C + Gọi W lượng hệ, U hiệu điện tụ lúc Q = Q1 + Q2 ⇒ 2CU = (C + 2C )U1 = 3CU1 ⇒ U1 = U 1 2 W2 = CU12 + 2CU12 = C ( U )2 = CU 2 2 3 + Độ biến thiên lượng tụ động mà hai thu được: đ 2W = W – W ⇔ MV = CU − CU = CU 2 3 ⇒V =U C 3M 5.3 Bài tập vận dụng Bài tập Tụ phẳng có S = 200cm2, điện mơi thủy tinh dày d = 1nn, = 5, tích điện hiệu điện U = 300V Rút thủy tinh khỏi tụ Tính độ biến thiên 28 lượng tụ công cần thực Công dùng để làm gì? Xét trường hợp: a Tụ ngắt khỏi nguồn b Tụ vẫn nối với nguồn Đ.s: a 1,593.10-4J b 3,18.10-5J Bài tập Tụ phẳng khơng khí C=6.10-6 F tích đến U=600V ngắt khỏi nguồn a.Nhúng tụ vào chất điện mơi có = ngập 2/3 diện tích Tính hiệu điện tụ? b.Tính cơng cần thiết để nhấc tụ điện khỏi điện môi Bỏ qua trọng lượng tụ? Đ.s a.U’=200V b.0,72J Bài tập Một tụ điện phẳng mà điện mơi có ε =2 mắc vào nguồn điện có hđt U=100 V; khoảng cách d=0,5 cm; diện tích 25 cm2 a Tính mật độ lượng điện trường tụ b Sau ngắt tụ khỏi nguồn,điện tích tụ điện phóng qua lớp điện mơi tụ đến lúc điện tích tụ khơng Tính nhiệt lượng toả điện môi Đ.s a 0,707J/m3 b 4,42.10-8J II Bài tập trắc nghiệm Câu 1: Để tụ tích điện lượng 10 nCthì đặt vào hai đầu tụ hiệu điện 2V Để tụ tích điện lượng 2,5 nC phải đặt vào hai đầu tụ hiệu điện A 0,05V B 500 mV C 5V D 20 V Câu 2: Hai đầu tụ 20 μF có hiệu điện 5V lượng tụ tích A 0,25 mJ B 500 J C 50 mJ D 50 μJ Câu 3: Một tụ điện tích điện hiệu điện 10 V lượng tụ 10 mJ Nếu muốn lượng tụ 22,5 mJ hai tụ phải có hiệu điện A 15 V B 7,5 V C 20 V D 40 V Câu 4: Một tụ điện có điện dung tích lũy lượng 0,0015J hiệu điện 6V: 29 A 1833μF B 83,3 μF C 833nF D 833pF Câu 5: Một tụ điện khơng khí có điện dung 40 pF khoảng cách hai cm Tính điện tích tối đa tích điện cho tụ, biết cường độ điện trường khơng khí lên đến 3.106 V/m khơng khí trở thành dẫn điện A 1,2 μC B 1,5 μC C 1,8 μC D 2,4 μC Câu 6: Một tụ điện chịu điện trường giới hạn 3.10 6V/m, khoảng cách hai tụ 1mm, điện dung 8,85.10-11F Hỏi hiệu điện tối đa đặt vào hai tụ bao nhiêu: A 300V B 3000V C 30000V D 1500V Câu 7: Một tụ điện phẳng không khí có điện dung 1000 pF khoảng cách hai tụ mm Tích điện cho tụ điện hiệu điện 60 V Điện tích tụ điện cường độ điện trường tụ điện A 60 nC 60 kV/m B nC 60 kV/m C 60 nC 30 kV/m D nC kV/m Câu 8: Bộ tụ điện gồm hai tụ điện: C = 20 µF, C2 = 30 µF mắc song song với nhau, mắc vào hai cực nguồn điện có hiệu điện U = V Ti số lượng điện trường tụ C1 C2 có giá trị: A B C D Câu 9: Một tụ điện điện dung 24 nF tích điện đến hiệu điện 450 V có electron di chuyển đến âm tụ điện: A 575.1011 electron B 675.1011 electron C 775.1011 electron D 875.1011 electron Câu 10: Bộ tụ điện trongđèn chụp ảnh có điện dung 750 μF tích điện đến hiệu điện 330 V Mỗi lần đèn lóe sáng tụ điện phóng điện thời gian ms Tính cơng suất phóng điện tụ điện: A 5,17kW B 6,17kW C 8,17W D.8,17 kW Đáp án tập trắc nghiệm Câu 10 Đáp án B A A B D B C A C D 30 7.2 Về khả áp dụng sáng kiến Đề tài áp dụng thử nghiệm với học sinh lớp 11 trường THPT, lớp vận dụng đề tài lớp đối chứng mang lại kết thiết thực Ngồi đề tài cịn áp dụng cho đối tượng học sinh khá, giỏi 8.Những thông tin cần bảo mật (nếu có) Không 9.Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến Đối tượng: Học sinh lớp 11 Cở sở vật chất: Phòng học có đầy đủ máy tính, máy chiếu để trợ giảng nội dung đề tài có nhiều hình vẽ 10.Đánh giá lợi ích thu dự kiến có thể thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả theo ý kiến tổ chức, cá nhân tham gia áp dụng sáng kiến lần đầu, kể áp dụng thử (nếu có) theo nội dung sau: 10.1 Đánh giá lợi ích thu dự kiến có thể thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả Tôi áp dụng với học sinh lớp 11 thu kết sau: Lớp áp dụng sáng kiến học sinh chủ động việc lựa chọn phương pháp đưa cách giải nhanh so với lớp đối chứng kết học tập cao 10.2 Đánh giá lợi ích thu dự kiến có thể thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tổ chức, cá nhân 11 Danh sách tổ chức cá nhân tham gia áp dụng thử áp dụng sáng kiến lần đầu (nếu có) STT Tên tổ chức/ cá nhân lớp học 40 học sinh Địa Trường THPT Yên Lạc, Yên Lạc, Vĩnh Phúc Phạm vi – Lĩnh vực áp dụng sáng kiến Giáo viên KẾT LUẬN 31 Trên số toán tụ điện Các tập áp dụng đề tài có nhiều cách giải nhiên với tập học sinh phải phân tích kỹ đề để từ có phương pháp giải phù hợp đơn giản Tôi mong đề tài giúp học sinh có nhìn tổng qt tụ điện từ có phương pháp làm tập Vật lý nói chung tập tụ điện nói riêng tốt Mặc dù thân cố gắng nhiều sáng kiến tránh khỏi thiếu sót Vì tơi mong nhận góp ý q thầy giáo bạn đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Yên Lạc, ngày … tháng … năm 2020 Yên Lạc, ngày 15 tháng 02 năm 2020 Thủ trưởng đơn vị/Tổ trưởng chuyên môn Tác giả sáng kiến Trần Thị Vân 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quang Hân - Trần Văn Bồi - Phạm Văn Tiến - Nguyễn Thành Tương Giải toán Vật lí 11(tậpI), NXB Giáo dục, 2001 [2] Vũ Thanh Khiết Kiến thức nâng cao Vật lí THPT (II), NXB Hà Nội , 2013 [3] Vũ Thanh Khiết – Nguyễn Đức Hiệp 121 tập vật lý nâng cao 11, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2011 33 ... đề tài ? ?Một số toán tụ điện - Vật lý 11 nâng cao? ?? Tên sáng kiến ? ?Một số toán tụ điện - Vật lý 11 nâng cao? ?? Tác giả sáng kiến Họ tên: Trần Thị Vân Địa chi tác giả sáng kiến: Trường THPT Yên Lạc... kiến ngày 01 /11/ 2018 Mô tả chất sáng kiến 7.1 Về nội dung sáng kiến A CƠ SỞ LÝ LUẬN + Tụ điện hệ hai vật dẫn đặt gần ngăn cách lớp cách điện Mỗi vật dẫn gọi tụ điện + Tụ điện dùng để chứa điện. .. Ghép tụ chưa tích điện + Ghép tụ tích điện + Giới hạn hoạt động tụ điện + Năng lượng tụ điện I Bài tập tự luận Tính điện dung ,điện tích hiệu điện tụ điện 1.1 Phương pháp - Điện dung tụ điện: