6. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
2.1.3. Kiến thức khoa họ cở chương “Điện tích – Điện trường”
2.1.3.1. Điện tích
- Khái niệm:
Điện tích là số đo độ lớn thuộc tính điện của một vật nhiễm điện.
Điện tích điểm là một vật mang điện có kích thước nhỏ không đáng kể so với khoảng cách từ điện tích đó tới những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta khảo sát.
26
Có hai loại điện tích: Điện tích dương và điện tích âm. Điện tích của electron là âm, kí hiệu là –e ; điện tích của proton là dương, kí hiệu là +e
- Sự nhiễm điện của các vật:
Khi cọ xát những vật như thanh thủy tinh, thanh nhựa… vào dạ hoặc lụa… thì những vật đó có thể hút được những vật nhẹ như mẫu giấy, sợi bông… ta nói rằng những vật đó đã bị nhiễm điện.
+ Nhiễm điện do cọ xát: Khi cọ xát những vật như thanh thủy tinh, thanh nhựa… vào dạ hoặc lụa… thì những vật đó có thể hút được những vật nhẹ như mẫu giấy, sợi bông…
+ Nhiễm điện do tiếp xúc: Khi cho một vật chưa nhiễm điện tiếp xúc cới một vật nhiễm điện thì nó sẽ bị nhiễm điện cùng dấu với vật đó.
+ Nhiễm điện do hưởng ứng ( hiện tượng cảm ứng tĩnh điện): Khi đưa quả cầu A nhiễm điện dương lại gần đầu M của một thanh kim loại MN trung hòa về điện. Ta thấy dầu M nhiễm điện âm, còn đầu N nhiễm điện dương.
- Tương tác giữa các điện tích:
Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích khác dấu thì hút nhau. Tương tác giữa các điện tích ở khoảng cách rất lớn so với kích thước của chúng tuân theo định luật Cu-lông.
- Định luật Cu-lông:
Lực hút hay 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 điểm và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
F = k. |𝑞1.𝑞2|
𝜀.𝑟2
Trong đó k = 9.109 N.𝑚2/ 𝐶2
|q1 .q2 |:Tích độ lớn của hai điện tích q1, q2 r : khoảng cách giữa hai điện tích (m)
27 𝜀 : hằng số điện môi
- Điện tích tuân theo định luật bảo toàn điện tích:
Ở một hệ vật cô lập về điện, nghĩa là hệ không trao đổi điện tích với các hệ khác, thì tổng đại số các điện tích trong hệ là không đổi.
- Thuyết electron:
Nội dung của thuyết electron về việc giải thích sự nhiễm điện của các vật: + Electon có thể rời khỏi nguyên tử để di chuyển từ nơi này đến nơi khác. Nguyên tử bị mất electron sẽ trở thành các hạt mang điện dương được gọi là ion dương.
+ Một nguyên tử trung hòa có thể nhận thêm electron để trở thành một hạt mang điện âm và được gọi là ion âm.
+ Một vật nhiễm điện âm khi số electron mà nó chứa lớn hơn số điện tích nguyên tố dương (proton). Nếu số electron ít hơn số proton thì vật nhiễm điện dương.
2.1.3.2. Điện trường
- Khái niệm :
Điện trường là một dạng vật chất ( môi trường ) bao quanh điện tích và gắn liền với điện tích. Điện trường tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó.
- Tính chất: Tác dụng lực điện lên điện tích đặt trong nó. - Cường độ điện trường
Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Cường độ điện trường 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
28
Cường độ điện trường được biểu diễn bằng một vectơ gọi là vectơ cường độ điện trường. Vectơ cường độ điện trường 𝐸⃗ có:
+ Phương và chiều trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử q
+ Chiều dài biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ xích nào đó. + Đơn vị đo cường độ điện trường: V/m
Cường độ điện trường của một điện tích điểm: E = 𝐹
𝑞 = k |𝑄|
𝑟2
Độ lớn của cường độ điện trường E không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích thử q
Điện trường của một điện tích điểm:
2 . r Q k E (V/ m)
Điện trường của n điện tích: Giả sử ta có hệ n điện tích điểm Q1, Q1,... Qn
Gọi cường độ điện trường của hệ ở một điểm nào đó trong điện trường là E.
n E E E E 1 2.... n E E
E1, 2.... lần lượt là véc tơ cường độ điện trường do các điện tích Q1, Q2,...Qn
gây ra tại điểm đó.
- Đường sức điện trường: Cách mô tả điện trường có tính trực quan rõ rệt. Đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mọi điểm của nó là gía của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác đường sức điện là đường mà lực điện tác dụng dọc theo đó.
Các đặc điểm của đường sức điện trường:
+ Tại mỗi điểm trong điện trường ta chỉ có thể vẽ được một và chỉ một đường sức điện đi qua.
29
+ Các đường sức điện là các đường có hướng. hướng của đường sức điện tại một điểm là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
+ Đường sức điện của điện trường tĩnh điện là đường không khép kín. Nó xuất phát từ các điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm. Trường hợp chỉ có một điện tích thì các đường sức xuất phát từ điện tích dương ra vô cực hoặc xuất phát từ vô cực đến điện tích âm.
+ Tuy các đường sức điện là dày đặc nhưng người ta chỉ vẽ một số ít đường theo quy ước sau: Số đường sức đi qua một diện tích nhất định đặt vuông góc với đường sức điện tại điểm mà ta xét thì tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó. + Như vậy nơi nào cường độ điện trường lớn hơn thì các đường sức điện ở nơi đó được vẽ mau hơn, nơi nào cường độ điện trường nhỏ hơn thì các đường sức được vẽ thưa hơn.
Điện trường đều: véctơ cường độ điện trường tại mọi điểm trong điện trường đều bằng nhau. Các đường sức là các đường thẳng song song cách đều.
2.1.3.3. Công của lực điện và Điện thế. Hiệu điện thế
- Công của lực điện:
Công của lực điện tác dụng lên một điện tích không phụ thuộc dạng đường đi của điện tích mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối trong điện trường.
AMN = q.E.𝑀′𝑁′̅̅̅̅̅̅̅ = q.E.d Trong đó:
q: độ lớn của điện tích (C) E: Cường độ điện trường (V/m)
d = 𝑀′𝑁′̅̅̅̅̅̅̅ : khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối của điện tích (M’, N’ là hình chiếu của 2 điểm M , N lên trục Ox) - Điện thế:
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. Nó được
30
xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên q khi q di chuyển từ M ra vô cực và độ lớn của q.
𝑉𝑀 = 𝐴𝑀∞
𝑞 (V) - Hiệu điện thế:
Hiệu điện thế giữa hai điểm M, N trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường trong sự di chuyển của một điện tích từ M đến N. Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên điện tích q trong sự di chuyển từ M đến N và độ lớn của q.
UMN = VM - VN = 𝐴𝑀𝑁
𝑞 (V)
- Hệ thức liên hệ giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường:
E = 𝑈
𝑑
2.1.3.4. Tụ điện
- Định nghĩa:
Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và được ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.
- Điện dung:
Điện dung 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 tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó:
C = 𝑄
𝑈
Trong đó:
C: Điện dung của tụ (F) Q: Điện tích của tụ (C)
31
U: Hiệu điện thế đặt vào 2 bản tụ (V)
Tụ điện phẳng: Hai bản tụ là hai tấm kim loại phẳng, có kích thước lớn, đặt đối diện nhau và song song với nhau.
- Năng lượng của điện trường trong tụ điện
Khi tụ điện được tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng, đó là năng lượng điện trường. Công thức tính năng lượng điện trường trong tụ điện là:
W = 𝑄
2 2𝐶
2.1.4. Chuẩn kiến thức, kĩ năng của chương “Điện tích – Điện trường”
Chủ đề Mức độ cần đạt
a) Điện tích. Định luật bảo toàn điện tích. Lực tác dụng giữa các điện tích. Thuyết êlectron. b) Điện trường. Cường độ điện trường. Đường sức điện. c) Điện thế và hiệu điện thế. d)Vật dẫn và điện
môi trong điện
trường.
Kiến thức
- Trình bày được các cách làm nhiễm điện một vật (cọ xát, tiếp xúc và hưởng ứng).
- Phát biểu được định luật bảo toàn điện tích.
- Phát biểu được định luật Cu -lông và chỉ ra đặc điểm của lực điện giữa hai điện tích điểm.
- Trình bày được các nội dung chính của thuyết êlectron. - Nêu được điện trường tồn tại ở đâu, có tính chất gì. - Phát biểu được định nghĩa cường độ điện trường. - Nêu được các đặc điểm của đường sức điện. - Nêu được trường tĩnh điện là trường thế.
- Phát biểu định nghĩa hiệu điện thế giữa hai điểm của điện trường và nêu được đơn vị đo hiệu điện thế.
- Nêu được mối quan hệ giữa cường độ điện trường đều và hiệu điện thế giữa hai điểm của điện trường đó. Nêu được đơn vị đo cường độ điện trường.
32
e) Tụ điện.
f) Năng lượng điện trường trong tụ điện.
trong trường tĩnh điện.
- Nêu được bản chất của hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng ở vật dẫn và điện môi.
- Nêu được nguyên tắc cấu tạo của tụ điện và nhận dạng được các tụ điện thường dùng.
- Phát biểu định nghĩa điện dung của tụ điện và nêu được đơn vị đo điện dung. Nêu được ý nghĩa các số ghi trên mỗi tụ điện.
- Nêu được điện trường trong tụ điện và mọi điện trường đều mang năng lượng. Viết được công thức W = 1
2 CU2. - Nêu được cách mắc các tụ điện thành bộ và viết được công thức tính điện dung tương đương của mỗi bộ tụ điện.
Kĩ năng
- Vận dụng thuyết êlectron để giải thích được các hiện tượng nhiễm điện.
- 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 hoặc 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 công thức C = q
U và W = 1
2CU2.
- Vận dụng được các công thức tính điện dung tương đương của bộ tụ điện.
33
đặt trong trường tĩnh điện.
- Giải thích được vì sao lực Coulomb và điện trường trong điện môi giảm so với trường hợp trong chân không.
2.2. Xây dựng tình huống dạy học theo định hướng phát triển năng lực học sinh chương “ Điện tích – Điện trường” Vật lý 11 cơ bản học sinh chương “ Điện tích – Điện trường” Vật lý 11 cơ bản
2.2.1. Bài “Điện tích. Định luật Cu-Lông”
Bước 1: Xác định mục tiêu
Kiến thức
- Trình bày được các cách làm nhiễm điện một vật (cọ xát, tiếp xúc và hưởng ứng).
- Phát biểu được định luật Cu -lông và chỉ ra đặc điểm của lực điện giữa hai điện tích điểm.
Kĩ năng
- Vận dụng được định luật Cu - lông để xác định lực điện tác dụng giữa hai điện tích điểm; giải được các bài tập có liên quan.
- Giải thích được một số hiện tượng có liên quan đến sự nhiễm điện của vật.
Thái độ
- Nghiêm túc trong giờ học.
- Có ý thức trong khi quan sát và tiến hành thí nghiệm.
- Tổng hợp và khái quát hóa các kết quả thí nghiệm thu được thành các kiến thức cần lĩnh hội.
Bước 2: Xác định vấn đề
34
- Sự nhiễm điện của các vật thường gặp trong thực tế. - Các cách làm cho một vật nhiễm điện?
- Lực tương tác giữa các điện tích được xác định như thế nào
Bước 3: Xây dựng tình huống
Tình huống 1: Chúng ta đi đường thường bắt gặp những chiếc xe chở xăng, dầu có treo một sợi dây xích thả kéo lê dưới lòng đường. Vậy đó là do sơ xuất của người vận chuyển hay sợi dây xích đó có tác dụng gì chăng?
Tình huống lựa chọn, bác bỏ.
Giải quyết tình huống:
Cơ sở vật lý: Các vật nhiễm điện trái dấu, đến một mức nào đó có thể phóng tia lửa điện qua nhau.
Khi chiếc xe chở xăng, dầu di chuyển, xăng dầu sẽ cọ xát nhiều với bồn chứa làm chúng tích điện trái dấu. Khi điện tích đủ lớn chúng sẽ phóng tia lửa gây ra cháy nổ. Sơi dây xích (vật đẫn điện) thả lê dưới đường có tác dụng làm cho các điện tích xuất hiện ở bồn chứa được truyền xuống đất nên sẽ không sinh ra cháy nổ. Ngoài ra, vào lúc khí hậu hanh khô các xe bus cũng thường phải có dây xích nối đất như thế để hành khách trên xe không bị điện giật khi cầm vào tay nắm bằng kim loại.
Tình huống 2: Vào những ngày mưa giông, tại sao lại hay có hiện tượng sấm sét?
Tình huống lựa chọn, bác bỏ.
Giải quyết tình huống:
Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu. Các đám mây giông được tích điện là do các điện tích được phân tách ra khi các hạt nước và hạt băng trong các đám mây giông cọ xát vào nhau. Khi hai đám mây tích điện
35
trái dấu lại gần nhau, hiệu điện thế giữa chúng có thể lên tới hàng triệu Vôn. Giữa hai đám mây có hiện tượng phóng tia lửa điện và ta trông thấy một tia sét. Vài giây sau ta mới nghe thấy tiếng nổ, đó là “sấm” (vận tốc của ánh sáng nhanh hơn vận tốc của tiếng động nên ta trông thấy tia sét trước).
Bước 4: Xác định các phương tiện, thiết bị, tài liệu hỗ trợ việc dạy và học
Tình huống 1: Máy chiếu, hình ảnh về những chiếc xe chở xăng, dầu có dây xích nối đất, video mô tả về sự tích điện và truyền điện tích xuống đất của xe.
Tình huống 2: Máy chiếu, hình ảnh về sấm sét, video mô tả về sự tích điện và truyền điện tích xuống đất của xe và phóng điện của các đám mây.
Ngoài ra, dặn dò học sinh chuẩn bị trước một số dụng cụ thí nghiệm: thanh thủy tinh, bút thử điện.
2.2.2. Bài “Thuyết electron. Định luật bảo toàn điện tích”
Bước 1: Xác định mục tiêu
Kiến thức
- Phát biểu được định luật bảo toàn điện tích.
- Trình bày được các nội dung chính của thuyết êlectron.
- Nêu được các tính chất của vật dẫn và điện môi khi đặt trong trường tĩnh điện.
- Trình bày được bản chất của hiện tượng nhiễm điện ở các vật.
Kĩ năng
- Vận dụng được định luật bảo toàn điện tích để giải bài tập có liên quan. - Giải thích được các tính chất của vật dẫn và điện môi khi đặt trong trường tĩnh điện.
36
Thái độ
- Hứng thú và tập trung trong tiết học; có tinh thần ham học hỏi để tiếp thu