2.7.1.1. Cường độ điện trường của một điện tích điểm.
Học sinh vừa tìm hiểu xong biểu thức định nghĩa xác định cường độ điện trường, vì vậy, giáo viên có thể đặt vấn đề như sau: Chúng ta đã biết, xung quanh một điện tích luôn luôn tồn tại điện trường. Cường độ điện trường do điện tích gây ra tại một điểm được xác định như thế nào?
Từ đó, giáo viên nêu bài tập 1 và hướng dẫn học sinh giải như sau:
D E A B 4 C 5 C 2 C 1 C 3 C 6 C F Hình 2.12 Hình 2.11 N B A 4 C 3 C 2 C 1 C 5 C
- Để xác định được cường độ điện trường tại điểm khảo sát ta phải làm như thế nào?
Từ biểu thức cường độ điện trường: E F q
với F là lực điện tác dụng lên điện tích thử q đặt tại đó, học sinh nghĩ ngay rằng phải sử dụng một điện tích thử
q đặt tại điểm khảo sát, sau đó xác định lực điện tác dụng lên nó. - Điện tích thử q đặt trong điện trường của điện tích nào? - Xác định lực điện tác dụng vào q.
Từ đó, học sinh sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán và nhận thấy độ lớn của cường độ điện trường E
không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích thử. Ngoài ra, dựa vào biểu vectơ E F
q
học sinh hoàn toàn có thể biểu diễn được vectơ cường độ điện trường E
.
Cuối cùng, giáo viên yêu cầu học sinh xác định vectơ cường độ điện trường E
trong trường hợp Q0.
2.7.1.2. Công của lực điện trong điện trường đều.
Trước tiên giáo viên nêu vấn đề bằng câu hỏi:
- Điện trường có tác dụng cơ bản gì? (hay Làm thế nào để biết môi trường có điện trường?)
Học sinh sẽ trả lời: Điện trường tác dụng lực lên điện tích đặt trong đó. - Dưới tác dụng của lực điện, trạng thái của điện tích sẽ như thế nào?
- Như vậy, điện tích di chuyển trong điện trường chứng tỏ điện trường có khả năng gì?
Từ đó, giáo viên đề xuất vấn đề: Điện trường có khả năng sinh công, công này được xác định như thế nào? Và giáo viên ra nêu bài tập 2.
Để hướng dẫn học sinh, giáo viên định hướng cho học sinh như sau: - Điện tích di chuyển từ M đến N có thể theo những con đường nào? - Biểu thức xác định công? (A F S . .cos)
- Các đại lượng xuất hiện trong biểu thức áp dụng vào bài toán này là những đại lượng nào?
Từ đó, học sinh sẽ xây dựng được biểu thức công của lực điện trong điện trường đều.
2.7.1.3. Hệ thức giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường.
Giáo viên đề xuất vấn đề nghiên cứu: Những đại lượng nào đã học đặc trưng cho điện trường về một phương diện nào đó? Liệu chúng có quan hệ với nhau không?
Sau khi học sinh trả lời: Đã nghiên cứu hai đại lượng đặc trưng cho điện trường, đó là:
+ Cường độ điện trường E đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại một điểm.
+ Hiệu điện thế U đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường trong sự di chuyển của một điện tích từ M đến N.
Và dự đoán: Do một đại lượng đặc trưng cho khả năng tác dụng lực, một đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường nên giữa chúng có thể có mối liên hệ nào đó.
- Từ đó, giáo viên nêu ra bài tập 3: “Một điện tích có độ lớn q, chuyển động dọc theo đường sức từ M đến N của điện trường đều có cường độ điện trường E. Biết MN d , hiệu điện thế giữa M , N là U. Tìm mối quan hệ giữa cường độ điện trường E và hiệu điện thế U.”
- Giáo viên có thể hướng dẫn học sinh giải bài toán này bằng hệ thống câu hỏi định hướng tư duy học sinh như sau:
+Giữa cường độ điện trường E với lực điện F và giữa hiệu điện thế U
với công của lực điện A có mối liên hệ như thế nào?
Từ đó, yêu cầu học sinh viết biểu thức liên hệ giữa cường độ điện trường
E với lực điện F và giữa hiệu điện thế U với công của lực điện A.
+ Có biểu thức nào biểu diễn mối quan hệ giữa công của lực điệnA với lực điện F?
- Từ việc biểu diễn các mối quan hệ trên, học sinh sẽ rút ra được hệ thức liên hệ giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường.
2.7.2. Hướng dẫn học sinh giải bài tập nhằm củng cố kiến thức.
2.7.2.1. Tiết 1. Điện tích. Định luật Cu-lông.
* Trong tiết học này, học sinh đã được làm quen với một số khái niệm như điện tích, điện tích điểm, hai loại điện tích và đã biết cách làm nhiễm điện cho một vật bằng cách cọ xát từ lớp 7 nên cho phép dành khoảng 15 20 phút cho việc sử dụng hệ thống bài tập.
Giáo viên nêu ra hai loại bài tập về định luật Cu-lông. Sau đó yêu cầu học sinh giải các bài tập 1.2; 1.6; 1.9c; 2.1a.
Bài 1.2 là một bài tập đơn giản nhằm giúp làm quen với biểu thức của định luật Cu-lông. ở bài tập này, khi học sinh tóm tắt đề bài, giáo viên lưu ý học sinh đổi đơn vị và biểu diễn lực tương tác giữa hai điện tích điểm bằng hình vẽ.
Bài 1.6 và 1.9c.
- Mục đích của bài tập:
+ Vận dụng được định luật Cu-lông để xác định các lực điện thành phần tác dụng lên điện tích điểm đang xét.
+ Dựa vào đặc điểm của lực điện giữa hai điện tích, biểu diễn được các lực thành phần này trên cùng một hình vẽ và tổng hợp chúng theo quy tắc tổng hợp vectơ (quy tắc hình bình hành).
- Kiểu hướng dẫn (Ơrixtic):
+ Tác dụng lên q3 có mấy lực? Đó là những lực nào? + Các lực này có phương, chiều và độ lớn ra sao?
Sau khi học sinh trả lời, yêu cầu học sinh biểu diễn các lực thành phần đó trên cùng một hình vẽ, viết biểu thức tổng hợp lực, biểu diễn vectơ lực tổng hợp trên hình vẽ đó (theo quy tắc cộng vectơ mà học sinh đã làm quen ở lớp dưới đồng thời, giáo viên ôn lại cho học quy tắc này trong đó có lưu ý một số trường hợp đặc biệt).
Bài 2.1a là bài tập điển hình cho loại bài tập thứ hai.
- Mục đích của bài tập: Giúp học sinh tìm hiểu kĩ hơn về lực tương tác giữa các điện tích điểm.
- Kiểu hướng dẫn (Ơrixtic):
+ Nêu điều kiện cân bằng của một vật.
+ Có những lực nào tác dụng lên điện tích đang xét?
* Ra bài tập về nhà 1.1; 1.3; 1.4; 1.5; 1.9ab; 1.10; 2.1b; 2.2; 2.3; 2.4. Hướng dẫn học sinh giải bài tập về nhà:
Bài 2.2 hoàn toàn tương tự như 2.1 với lưu ý:
- Vai trò của ba điện tích ở đỉnh như nhau, do đó, chỉ cẩn cần xét điều kiện cân bằng của một điện tích ở đỉnh.
- Tìm cách đưa hệ lực tác dụng lên điện tích về còn hai lực và hai lực này là hai lực trực đối.
Bài 2.3 hoàn toàn tương tự như 2.2.
Bài 2.4 là loại bài toán về sự cân bằng của vật mang điện khi nó chịu tác dụng thêm của lực khác ngoài lực điện như: Trọng lực P
, lực căng T
của sợi dây, lực đẩy Acsimet FA
. . . và điều kiện cân bằng vẫn là hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên vật bằng không. Do đó, hướng dẫn học sinh giải bài này như sau:
- Xác định tất cả các lực tác dụng lên quả cầu. Biểu diễn trên hình vẽ. - Viết điều kiện cân bằng.
- Từ hình vẽ, dựa vào phương pháp hình học xác định góc hợp bởi dây treo và phương thẳng đứng .
Lưu ý cho học sinh, đặc biệt thường gặp trường hợp vật mang điện được treo vào sợi dây như trên và nếu góc nhỏ ( 100) có thể sử dụng công thức gần đúng: tan sin .
2.7.2.2. Tiết 2: Thuyết electron. Định luật bảo toàn điện tích.
Cuối tiết học, yêu cầu học sinh nêu lại hai loại bài tập về định luật Cu-lông và yêu cầu học sinh giải bài 1.7 và 2.5. Hai bài tập này thuộc hai loại bài tập nói trên ngoài ra còn phải áp dụng thêm định luật bảo toàn điện tích.
Bài 1.7:
- Mục đích của bài tập: Vận dụng được định luật bảo toàn điện tích để xác định dấu và độ lớn của hai quả cầu sau khi có sự di chuyển electron từ quả cầu này sang quả cầu kia.
- Kiểu hướng dẫn (Ơrixtic):
+ Sau khi có sự dịch chuyển điện tích từ quả cầu này sang quả cầu kia, điện tích của hai quả cầu như thế nào?
+ Chúng hút hay đẩy nhau?
Bài 2.5:
- Mục đích của bài tập: Vận dụng định luật bảo toàn điện tích để xác định điện tích của các quả cầu và định luật Cu-lông để giải quyết bài toán.
- Kiểu hướng dẫn (Ơrixtic):
+ Truyền cho hai quả cầu một điện tích q1, 2.108C thì mỗi điện tích của quả cầu sau đó sẽ như thế nào?
+ Sau khi một trong hai quả cầu mất hết điện tích, hiện tượng xảy ra như thế nào?
Nếu học sinh không trả lời được câu hỏi thì sự hướng dẫn của giáo viên có thể tiếp tục như sau:
- Sau khi một trong hai quả cầu mất hết điện tích, giữa chúng còn tồn tại lực Cu-lông hay không?
- Hiện tượng gì xảy ra?
Sau khi học sinh dự đoán, họ hoàn toàn có thể xác định trạng thái cuối cùng của hai quả cầu diễn ra tương tự như phần a.
*Ra bài tập về nhà: 1.8, 2.6 và yêu cầu học sinh nêu ra các bước chung để giải bài tập loại này.
2.7.2.3. Tiết 3 và tiết 4: Điện trường và cường độ điện trường. Đường sức điện.
* Cuối tiết 3, giáo viên nêu ra loại bài tập thứ ba. Loại bài tập này thực chất phương pháp giải tương tự như loại bài tập thứ nhất và thứ hai ở trên nên học sinh làm khá thuần thục. Do vậy sự hướng dẫn của giáo viên đối với loại bài toán này không cần thiết quá chi tiết (trừ trường hợp đối với lớp có nhiều học sinh học lực kém).
Giáo viên yêu cầu học sinh chữa nhanh bài 3.1. Bài tập này giúp học sinh vận dụng công thức xác định cường độ điện trường của một điện tích điểm gây ra
tại một điểm. Ngoài ra, giáo viên lưu ý học sinh có thể sử dụng công thức
F qE
để xác định lực điện tác dụng lên điện tích điểm qđặt trong điện trường. Do vậy: Nếu vectơ cường độ điện trường E
do các điện tích điểm gây ra thì lực điện F
cũng chính là lực điện tổng hợp do các điện tích điểm tác dụng lên q. Sau đó, giáo viên ra hai bài tập về nhà 3.2 và 3.4.
* Đầu tiết 4 hoặc cuối tiết 4, yêu cầu học sinh giải bài 3.2 và 3.4. Bài 3.2:
- Mục đích của bài tập: áp dụng được nguyên lí chồng chất điện trường. Bài tập này hoàn toàn học sinh có thể tự giải được theo phương pháp cộng vectơ đã được củng cố ở hai loại bài tập trước.
Bài 3.4:
- Mục đích của bài tập: Giúp học sinh hiểu sâu hơn về loại bài tập cường độ điện trường do các điện tích điểm gây ra tại một điểm.
- Kiểu hướng dẫn (định hướng khái quát chương trình hóa): + Bài toán cho biết điều gì? Biểu diễn như thế nào?
+ Qua đó, rút ra nhận xét gì về vị trí điểm cần tìm.
Sau khi nhận xét về vị trí điểm cần tìm, học sinh hoàn toàn có thể áp dụng kiến thức đã học về cường độ điện trường gây ra tại một điểm để xác định chính xác về vị trí điểm cần tìm.
Qua việc giải bài toán trên, học sinh sẽ nhận thấy bài toán này tương tự như bài toán tìm vị trí cân bằng của một điện tích điểm chỉ chịu tác dụng của lực điện. Do vậy, nếu điện tích nằm cân bằng trong điện trường và chỉ chịu tác dụng của lực điện trường thì điều kiện cần và đủ là vectơ cường độ điện trường tổng hợp E 0
(vì khi đó: F qE0
). * Ra bài tập về nhà: 3.3; 3.5; 3.6.
2.7.2.4. Tiết 5: Bài tập.
* Trong tiết này, học sinh sẽ được luyện tập về lực Cu-lông, cường độ điện trường. Trước tiên, giáo viên kiểm tra sự chuẩn bị của học sinh về lí thuyết, giải bài tập về nhà và các bước giải các bài toán cơ bản loại 1, 2, và 3. Sau đó yêu cầu học sinh phân tích cách giải một số bài tập 1.5; 1.8; 1.10; 2.6 và 3.6.
Bài 1.5:
- Mục đích của bài tập: củng cố thêm về lực Cu-lông. - Kiểu hướng dẫn (Ơrixtic):
+ Biểu diễn tương tác giữa các điện tích dựa vào định luật nào? Biểu thức tổng quát?
+ Chú ý gì về hằng số điện môi? - Lưu ý học sinh:
+ Bài toán cho các điện tích trong không khí hoặc không đề cập đến thì coi hằng số điện môi 1.
+ Bài toán không nói đến dấu của các điện tích và cũng không đề cập lực tương tác ở đây là lực hút hay lực đẩy nên ở đây chỉ có thể xác định độ lớn của các điện tích.
Bài 1.8 tương tự bài 1.7: Vì học sinh đã giải bài 1.7 nên biết rằng khi nối hai quả cầu bằng một dây dẫn thì có sự phân bố lại điện tích trên hai quả cầu.
- Mục đích của bài tập: củng cố về định luật bảo toàn điện tích. - Kiểu hướng dẫn (Ơrixtic):
+ Ban đầu lực Cu-lông giữa hai quả cầu là lực hút hay đẩy? + Điều đó chứng tỏ dấu của hai điện tích q q1, 2 như thế nào? + Lúc sau điện tích của các quả cầu như thế nào?
Bài 1.10 giống như một số bài tập đã chữa, yêu cầu học sinh phải chú ý đến hướng của các lực thành phần và nắm vững quy tắc cộng vectơ.
Ngoài phương pháp cộng vectơ ra còn có thể sử dụng phương pháp hình chiếu bằng cách chọn hệ tọa độ Oxy một cách thích hợp để khi chiếu các vectơ thành phần lên các trục tọa độ ta thu được phép tính đơn giản.
Nhằm giúp học sinh tự khái quát rút ra các bước giải bài tập loại này, ta có thể định hướng tư duy của học sinh bằng những câu hỏi và yêu cầu cụ thể sau:
+ Có những lực nào tác dụng lên điện tích điểm đang xét? + Những lực này có đặc điểm gì? (về phương, chiều và độ lớn) + Viết phương trình lực tổng hợp.
+ Tìm vectơ hợp lực theo quy tắc cộng vectơ.
Bài 2.6: Tương tự như các bài toán đã giải, tuy nhiên, do yêu cầu bài toán, đòi hỏi học sinh phải có kỹ năng về phương pháp hình học khi tổng hợp vectơ và học sinh thấy rõ có sự bảo toàn điện tích nhưng sau khi phân bố lại điện tích, lực tương tác giữa các điện tích khác so với ban đầu nên dẫn đến góc hợp bởi dây treo và phương thẳng đứng sẽ khác ban đầu.
Ngoài ra, giáo viên gợi ý cho học sinh: Để giải quyết được bài toán, cần lập tỉ số giữa các phương trình được để làm xuất hiện tỉ số 1
2
q
q bài toán yêu cầu. 2.7.2.5. Tiết 6: Công của lực điện.
Cuối tiết học, yêu cầu học sinh giải bài 4.1 và 4.2 (thuộc bài tập loại 4). Bài 4.1 rất đơn giản, giúp học sinh ghi nhớ biểu thức xác định công của lực điện.
Bài 4.2
- Mục đích bài tập: giúp học sinh ghi nhớ biểu thức xác định công của lạc điện trường, ngoài ra, yêu cầu học sinh phải ôn lại định lí biến thiên động năng.
- Kiểu hướng dẫn (định hướng khái quát chương trình hóa): - Tại sao electron dừng lại?