Bảng 2.1. Sơ đồ cấu trúc logic chương “Điện tích. Điện trường”. 2.3. Mục tiêu dạy học chương Điện tích. Điện trường .
2.3.1. Về kiến thức.
2.3.1.1. Nêu được các cách nhiễm điện cho một vật.
- Có ba cách nhiễm điện cho một vật.
Điện trường Đường sức điện U E d Hai loại điện tích Tương tác điện Cường độ điện trường F E q Điện tích Công của lực điện AqEd MN MN A U q
Định luật bảo toàn điện tích Định luật Cu-lông Thuyết electron Tụ điện Điện
+ Do cọ xát: trên hai vật cọ xát xuất hiện điện tích khác loại (điện tích âm và điện tích dương).
+ Do tiếp xúc: trên hai vật tiếp xúc xuất hiện điện tích cùng loại. + Do hưởng ứng (Hình 2.1): đặt vật
B chưa nhiễm điện lại gần vật A đã nhiễm điện. Đầu của B ở gần A sẽ nhiễm điện trái dấu với điện tích của A, đầu của B ở xa A sẽ nhiễm điện cùng dấu với điện tích của A.
2.3.1.2. Phát biểu được định luật bảo toàn điện tích.
“Trong một hệ vật cô lập về điện (là hệ vật không có trao đổi điện tích với vật khác ngoài hệ), tổng đại số của các điện tích là không đổi”.
2.3.1.3. Phát biểu, viết được biểu thức của định luật Cu-lông và nêu được đặc điểm của lực điện giữa hai điện tích điểm.
- Nội dung định luật: Lực hút hay lực đẩy giữa hai điện tích điểm đặt trong chân không có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm đó, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. - Biểu thức: 2 9 1 2 2 2 ( 9.10 ) q q Nm F k k C r
- Trường hợp tổng quát: Khi đặt các điện tích trong một điện môi đồng tính có hằng số điện môi ( 1)thì biểu thức của định luật Cu-lông sẽ là:
1 2 2 q q F k r A B B A Hình 2.1
- Đặc điểm của lực điện giữa hai điện tích (Hình 2.2):
+ Điểm đặt: điện tích điểm đứng yên mà ta khảo sát.
+ Phương: trùng với đường thẳng nối hai điện tích.
+ Chiều: hướng vào nhau nếu hai điện tích trái dấu, hướng ra xa nhau nếu hai điện tích cùng dấu.
+ Độ lớn: 1 2 2 q q F k r
2.3.1.4. Nêu được các nội dung chính của thuyết êlectron.
- Nội dung chính:
+ Nguyên tử có cấu tạo gồm một hạt nhân mang điện dương nằm ở trung tâm và các êlectron mang điện âm chuyển động xung quanh. Hạt nhân có cấu tạo gồm hai loại hạt là nơtron không mang điện và prôtôn mang điện dương.
+ Bình thường, số prôtôn trong hạt nhân bằng số êlectron quay xung quanh hạt nhân nên độ lớn của điện tích dương của hạt nhân bằng độ lớn của điện tích âm của êlectron nghĩa là tổng đại số của tất cả các điện tích trong nguyên tử bằng không. Ta nói: nguyên tử trung hòa về điện.
+ êlectron có điện tích là 1,6.1019 C và khối lượng là 9,1.1031 kg; prôtôn có điện tích là 1,6.1019 C và khối lượng là 1,67.1027 kg; khối lượng của nơtron xấp xỉ bằng khối lượng của prôtôn. Điện tích của êlectron và prôtôn là
21 F 1 q q2 12 F 21 F 1 q q2 21 F 12 F 1 q q2 Hình 2.2
điện tích nhỏ nhất mà ta có thể có được vì vậy gọi chúng là những điện tích nguyên tố và điện tích của một vật có độ lớn bằng số nguyên lần điện tích nguyên tố q n e.
2.3.1.5. Nêu được điện trường tồn tại ở đâu, có tính chất cơ bản gì?
- Điện trường là một dạng vật chất (môi trường) bao quanh điện tích và gắn liền với điện tích.
- Điện trường là môi trường truyền tương tác điện.
2.3.1.6. Phát biểu và viết được công thức định nghĩa cường độ điện trường E
. Xác định được các yếu tố của vectơ cường độ điện trường E
.
- Định nghĩa: Cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Nó được xác định bằng thương số của độ lớn lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) đặt tại điểm đó và độ lớn của q: F E q - Đặc điểm:
+ Điểm đặt: tại điểm khảo sát
+ Phương và chiều: trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử q(dương) (Hình 2.3): E F q + Độ lớn: E k Q2 r
- Nguyên lý chồng chất điện trường:
1 2 .... E E E Hình 2.3 Q r r E E M M Q Hình 2.3
- Điện trường đều là điện trường mà vectơ cường độ điện trường E
có cùng độ lớn và hướng tại mọi điểm.
2.3.1.7. Nêu được biểu thức, đặc điểm công của lực điện và khái niệm, biểu thức tính thế năng của một điện tích trong điện trường.
- Công của lực điện trong sự di chuyển của điện tích trong điện trường đều từ điểm M đến điểm N:
+ Biểu thức: AMN qEd (d là hình chiếu của đường đi trên phương của đường sức điện).
+ Đặc điểm: không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối của đường đi. Đặc tính này cho thấy trường tĩnh điện là trường thế.
+ Ngoài ra đối với điện trường bất kỳ, ta có thể sử dụng công thức sau để tính công của lực điện làm di chuyển một điện tích q từ điểm M đến điểm N
trong điện trường: Aq V( M VN)qUMN
Với: VM,VN là điện thế lần lượt tại M vàN.
MN
U là hiệu điện thế giữa hai điểm M vàN. - Thế năng của một điện tích trong điện trường:
+ Thế năng của một điện tích q trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi đặt điện tích q tại điểm mà ta xét trong điện trường.
+ Biểu thức tính thế năng của điện tích q:
W qV (khi q đặt tại điểm có điện thế V )
M
W k
r
2.3.1.8. Phát biểu được định nghĩa điện thế, hiệu điện thế và viết được biểu thức của chúng.
a. Điện thế:
- Định nghĩa: Điện thế tại điểm M trong điện trường là đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường về phương diện tạo ra thế năng khi đặt tại đó một điện tích q.
- Điện thế được xác định bởi thương số của công của lực điện tác dụng lên điện tích q khi q di chuyển từ điểm M ra vô cực và độ lớn của q:
M M A V q
- Điện thế của điện trường gây bởi điện tích điểm Q tại điểm M trong điện trường bằng:
Q
V k
r
(với quy ước điện thế tại vô cực bằng không V 0) - Chú ý:
Điện thế là đại lượng đại số, phụ thuộc vào dấu của công của lực điện
M
A và điện tích điểm Q.
Nếu các điện tích điểm Q Q1, 2,....gây ra tại M các điện thế lần lượt là
1, 2,....
V V thì điện thế tổng cộng gây ra bởi hệ điện tích là:
1 2 ....
M
V V V
b. Hiệu điện thế:
- Định nghĩa: Hiệu điện thế giữa hai điểm M vàN trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường trong sự di chuyển của một điện tích từ điểm M đến điểmN.
- Hiệu điện thế giữa hai điểm M vàN trong điện trường được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên điện tích q trong sự di chuyển từ điểm M đến điểmN và độ lớn của q:
MN MN A U q - Ngoài ra có thể xác định: UMN VM VN. - Đơn vị của hiệu điện thế: V (Vôn).
- Mối liên hệ giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường là:
U E
d
2.3.1.9. Phát biểu và viết được biểu thức định nghĩa, đơn vị của điện dung của tụ điện. Nêu được đặc điểm của điện trường, năng lượng điện trường giữa hai bản của tụ điện và các cách ghép tụ điện thành bộ, ưu điểm của từng cách ghép.
- Định nghĩa: điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó:
Q C
U
- Đơn vị: F(Fara)
- Điện trường giữa hai bản của tụ điện là điện trường đều, có đường sức vuông góc với hai bản, hướng từ bản dương sang bản âm và có cường độ: E U
d
- Năng lượng điện trường giữa hai bản của tụ điện:
2 2 Q W C - Các cách ghép tụ điện thành bộ:
+ Ghép nối tiếp (Hình 2.4): 1 2 1 2 1 2 .... .... 1 1 1 1 .... b n b n b n U U U U Q Q Q Q C C C C + Ghép song song (Hình 2.5): 1 2 1 2 1 2 .... .... .... b n b n b n U U U U Q Q Q Q C C C C Cách ghép này tạo ra bộ tụ có điện dung lớn. 2.3.2. Về kĩ năng:
- Vận dụng được thuyết electron để giải thích các hiện tượng nhiễm điện, tính dẫn điện và tính cách điện của một vật.
- Vận dụng được định luật Cu- lông để xác định lực điện tác dụng giữa hai điện tích điểm.
- Xác định được cường độ điện trường (phương, chiều và độ lớn) tại một điểm của điện trường gây bởi một, hai, ba,...điện tích điểm.
- Tính được công của lực điện khi di chuyển một điện tích giữa hai điểm trong điện trường đều.
- Giải được bài tập về chuyển động của điện tích trong điện trường đều. - Vận dụng được các công thức tính điện dung tương đương của bộ tụ điện.
B 1 C C2 Cn A Hình 2.4 n C 2 C B 1 C A Hình 2.5
2.4. Thực trạng dạy học giải bài tập chương Điện tích. Điện trường .
Qua dự giờ, trò chuyện với giáo viên và học sinh chúng tôi nhận thấy nhiều học sinh không tích cực theo dõi quá trình giải bài tập trên bảng, chủ yếu là ghi chép một cách máy móc vào vở những phép tính toán cụ thể và kết quả cuối cùng, có khi còn không chép công thức vật lí. Sau khi được hỏi lại thì họ không biết xuất phát từ đâu mà có những phép toán đó (nghĩa là không hiểu bản chất vật lí). Trong quá trình điều tra, chúng tôi phát hiện trong quá trình học tập và giải bài tập chương “Điện tích. Điện trường”, học sinh gặp các khó khăn chủ yếu và mắc các sai lầm phổ biến sau:
- Hiểu rất mơ hồ về khái niệm điện trường bởi học sinh nghĩ rằng, muốn tác dụng lực lên một vật (điện tích) phải có một vật cụ thể và phải có sự tiếp xúc giữa các vật đó.
- Khi biểu diễn lực điện tác dụng lên một điện tích điểm hay biểu diễn cường độ điện trường tại một điểm gây bởi một điện tích, học sinh thường nhầm hướng của các vectơ này. Đặc biệt trong nhiều trường hợp, một điện tích điểm chịu tác dụng của nhiều lực hay tại một điểm có nhiều cường độ điện trường thành phần thì việc biểu diễn vectơ tổng hợp cũng như xác định độ lớn của vectơ này gây rất nhiều khó khăn cho học sinh bởi khả năng giải toán theo phương pháp hình học của học sinh còn hạn chế.
- Đối với loại bài toán xác định điều kiện cân bằng của hệ điện tích điểm, nhẽ ra khi viết điều kiện cân bằng của một điện tích điểm phải là hợp lực của tất cả các lực thành phần tác dụng lên điện tích đó bằng không thì nhiều học sinh khi viết lại viết thừa lực thành phần hoặc thiếu lực thành phần nghĩa là trong biểu thức tổng hợp vectơ có lúc xuất hiện thêm lực điện tác dụng lên một điện tích điểm khác. Điều này là do học sinh nghĩ rằng điều kiện đó là chung cho cả hệ nên tìm được lực điện nào là học sinh ghi luôn vào biểu thức.
- Đối với bài toán xác định công của lực điện: AqEd, học sinh không xác định được đúng hình chiếu d của đường đi trên phương của lực mà thường nghĩ rằng d chính là đường đi.
- Đối với bài toán xác định điện thế tại một điểm, học sinh hay nhầm quy ước về dấu, nên xác định điện thế tổng cộng bằng cách tính tổng đại số thường dẫn đến kết quả sai.
- Đối với bài toán về chuyển động của các hạt mang điện trong điện trường đều, nhiều học sinh cho rằng tác dụng vào điện trường ngoài trọng lực còn một loại lực nữa là “lực rơi” làm cho vật rơi xuống. Mặt khác, loại bài toán này dùng nhiều kiến thức động lực học chất điểm đã học từ lớp 10 nên đa số học sinh không nhớ kiến thức đó vì vậy gặp khó khăn khi giải loại toán này.
- Đối với loại bài toán là một bộ tụ điện, học sinh thường gặp khó khăn khi viết sơ đồ mạch tụ, không biết viết từ đâu.
2.5. Phân loại bài tập và phương pháp giải từng loại.
Căn cứ vào cấu trúc, mục tiêu dạy học và tiến trình dạy học nội dung kiến thức của chương “Điện tích. Điện trường”, chúng tôi phân bài tập chương này thành 6 loại cơ bản và đề ra cách giải từng loại.
2.5.1. Phân loại bài tập
1. Loại 1: Xác định lực điện tác dụng lên một điện tích điểm từ phía các điện tích điểm khác nằm cố định trong không gian.
2. Loại 2: Xác định điều kiện cân bằng của hệ điện tích điểm.
3. Loại 3: Xác định cường độ điện trường do hệ điện tích điểm gây ra tại một điểm.
4. Loại 4: Tính điện thế, hiệu điện thế, công của lực điện và các đại lượng khác có liên quan.
5. Loại 5: Khảo sát sự chuyển động của hạt mang điện trong điện trường đều.
6. Loại 6: Tính điện tích của tụ điện trong mạch điện phức tạp và các đại lượng khác có liên quan.
2.5.2. Phương pháp giải từng loại:
2.5.2.1. Loại 1: Xác định lực điện tác dụng lên một điện tích điểm từ phía các điện tích điểm khác nằm cố định trong không gian.
- Bước 1: Xem điện tích điểm đang xét chịu tác dụng của bao nhiêu lực điện từ các điện tích điểm khác (có bao nhiêu điện tích xung quanh thì có bấy nhiêu lực điện tác dụng lên nó). Xác định từng lực ấy và biểu diễn chúng trên cùng một hình vẽ.
- Bước 2: Dựa vào hình vẽ, xác định vectơ hợp lực của tất cả các lực theo quy tắc hợp lực (cộng vectơ):
1 2 ....
F F F
Lưu ý:
+ Công thức tính lực Cu-lông có thể áp dụng cho cả trường hợp hai quả cầu nhỏ mang điện, khi đó r là khoảng cách giữa tâm hai quả cầu.
+ Thường xét bài toán trong trường hợp điện tích đặt trong chân không hoặc trong không khí. Nếu bài toán không đề cập đến thì coi điện tích đặt trong không khí có hằng số điện môi 1.
+ Khi tổng hợp lực lưu ý một số trường hợp đặc biệt về phương, chiều. Trong trường hợp tổng quát F F 1, 2
khác độ lớn và hợp với nhau một góc thì: 2 2
1 2 2 1 2 cos
F F F F F .
+ Ngoài ra, để xác định hợp lực có thể sử dụng phương pháp hình chiếu: Chọn hệ toạ độ vuông góc xOy và chiếu vectơ lên các trục toạ độ Ox, Oy.
Khi đó: 2 2 ; x y F F F tan x y F F
2.5.2.2. Loại 2: Xác định điều kiện cân bằng của hệ điện tích điểm.
- Bước 1: Chỉ ra hệ điện tích đang xét ở trạng thái cân bằng. - Bước 2: Xác định hợp lực của các lực đặt vào điện tích đang xét.
- Bước 3: Từ điều kiện cân bằng và đặc điểm của các lực cân bằng đó (có thể sử dụng phương pháp hình chiếu lên các trục toạ độ xOy: F