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
2 2
x y
F F 0) suy ra lời giải.
2.5.2.3. Loại 3: Xác định cường độ điện trường do hệ điện tích điểm gây ra tại một điểm.
- Bước 1: Xác định tại điểm đang xét có bao nhiêu điện trường. Viết biểu thức của nguyên lý chồng chất điện trường, xác định cường độ điện trường tổng hợp E (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
theo quy tắc tổng hợp vectơ: EE1E2 ....
- Bước 2: Xác định các vectơ cường độ điện trường gây bởi từng điện tích tại điểm khảo sát và biểu diễn chúng trên cùng một hình vẽ. Tuỳ từng trường hợp có thể sử dụng một trong ba công thức sau để xác định độ lớn của cường độ điện trường: + E k Q2
r
nếu biết điện tích điểm Q gây ra cường độ điện trường. + E U
d
nếu biết hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường đều. +E F
q
nếu biết lực tác dụng lên điện tích điểm q tại điểm khảo sát. - Bước 3: Dựa vào hình vẽ, xác định vectơ cường độ điện trường E
.
2.5.2.4. Loại 4. Tính điện thế, hiệu điện thế, công của lực điện và các đại lượng khác có liên quan.
Để giải bài tập này cần chú ý: a. Về tính điện thế của một điểm:
- Trước hết cần tìm xem tại điểm đang xét có bao nhiêu điện thế và tính từng điện thế theo một trong các công thức sau:
V k Q
r
nếu biết độ lớn, dấu của điện tích Q gây ra điện thế.
(Với qui ước: V 0nếu Q0; V 0 nếu Q0; điện thế ở vô cực V 0)
M M A V q
nếu biết độ lớn, dấu của công AM và dấu của điện tích q. - Sau đó tính điện thế tổng cộng gây ra bởi hệ điện tích bằng tổng đại số các điện thế: V V1V2 ....
Chú ý: Đối với quả cầu kim loại tích điện, vì lý do đối xứng nên coi như điện tích tập trung ở tâm quả cầu và sử dụng công thức:
Q
V k
r
để tính điện thế ở một điểm ngoài của quả cầu.
Q
V k
r (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
để tính điện thế quả cầu. b. Tính hiệu điện thế giữa hai điểm:
Có thể sử dụng một trong ba công thức sau:
MN MN
A U
q
nếu biết độ lớn và dấu công của lực điện AMN và điện tích q
MN M N
U V V nếu biết điện thế tại M và N.
MN
U Ed đối với điện trường đều, d là khoảng cách giữa M và N theo phương của điện trường.
c. Tính công của lực điện: Có thể sử dụng một trong hai công thức sau:
MN MN
MN
A qEd dùng trong điện trường đều.
2.5.2.5. Loại 5: Khảo sát sự chuyển động của hạt mang điện trong điện trường đều.
- Bước 1: Chọn hệ quy chiếu sao cho việc giải bài toán đơn giản nhất (thường chọn hệ toạ độ xOy với gốc O tại vị trí của hạt bắt đầu chuyển động trong điện trường đều, trục Ox vuông góc với đường sức điện, trục Oy song song với đường sức điện và mốc thời gian là lúc vật bắt đầu chuyển động trong điện trường đều).
- Bước 2: Xác định lực tác dụng lên hạt mang điện.
- Bước 3: Viết phương trình hình chiếu của gia tốc, vận tốc và phương trình chuyển động của hạt mang điện trên các trục tọa độ:
+ Theo trục Ox: hạt chuyển động thẳng đều. Với:
0 0 0 0, cos cos cos . x Ox x x a v v v v x v t
+ Theo trục Oy hạt chuyển động thẳng biến đổi đều. Với:
0 0 0 2 0 , sin sin 1 2 y Oy y y y y y y F a v v m v v a t v a t y v t a t
- Bước 4: Từ phương trình đã viết suy ra các đại lượng cần tìm. Chú ý:
+ Trong bài toán này, thường bỏ qua trọng lực của hạt mang điện và sức cản của không khí nên tác dụng lên hạt mang điện chỉ có lực điện :
U
F qE q
d
+ Trong trường hợp điện tích chuyển động tròn đều trong trường lực xuyên tâm thì lực Cu-lông giữ vai trò là lực hướng tâm, do đó:
2 2 1 2 2 q q v k m mR R R
(R là bán kính hay kích thước quỹ đạo) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.5.2.6. Loại 6: Tính điện tích của tụ điện trong mạch điện phức tạp và các đại lượng khác có liên quan.
Bài toán thường gặp là cho mạch tụ gồm các đoạn mạch mắc song song, biết điện dung từng tụ, điện tích của bộ tụ, tính điện tích từng tụ và điện dung của cả bộ tụ hay cho một mạch tụ phức tạp, biết điện dung từng tụ, hiệu điện thế giữa hai đầu mạch tụ, tính điện tích từng tụ và điện dung của cả bộ tụ.
Các bước giải bài toán này như sau: - Viết sơ đồ mạch tụ.
- Phân tích mạch với lưu ý sau:
+ Điện tích của các nhóm tụ mắc nối tiếp luôn bằng nhau và bằng điện tích toàn mạch nối tiếp.
+ Nếu mạch gồm các nhóm tụ mắc song song thì áp dụng công thức sau:
TM nh TM nh q q U C C
Trong đó: qTM: Điện tích của toàn mạch
nh
q : Điện tích của mỗi nhánh
TM
C : Điện dung của toàn mạch
nh
C : Điện dung của mỗi nhánh Chú ý :
+ Trường hợp tụ điện vẫn nối với nguồn, khi đó hiệu điện thế U không đổi nên nếu điện dung thay đổi thì điện tích của tụ thay đổi.
+ Trường hợp tụ ngắt khỏi nguồn thì điện tích q không đổi nên nếu điện dung thay đổi thì hiệu điện thế thay đổi.