Thông tin trợ giúp giáo viên

1.3.2 .Dạy học dự án

2.4. Thiết kế phƣơng án dạy học chủ đề tích hợp “Chuyển động của hạt mang

2.4.1. Thông tin trợ giúp giáo viên

1. Quĩ đạo của hạt mang điện trong điện trường khi vận tốc ban đầu của hạt vng góc với vectơ cường độ điện trường:

Khi hạt mang điện tích q khối lượng m bay vào vùng khơng gian có điện trường đều với vận tốc ban đầu .

Phương trình định luật II NewTon cho hạt

Theo phương Ox: x0=0, v0x = v0 , ax= 0

y

O

Phương trình chuyển động của hạt theo Ox: x=v0.t

Theo phương Oy:

y0=0, v0=0, ay= (1)

Nên theo Oy hạt chuyển động nhanh dần đều Phương trình chuyển động của hạt theo Oy:

y= (2)

Rút ra biểu thức tính t từ (1) thế vào (2) ta được:

Vậy khi chuyển động trong điện trường đều thì hạt mang điện chuyển động với quĩ đạo là một parabol có dạng

2. Độ lệch quĩ đạo của hạt mang điện trong điện trường khi một phần quĩ đạo cvận tốc ban đầu của hạt vng góc với vectơ cường độ điện trường:

Khi hạt mang điện chuyển động có một phần quĩ đạo đi qua từ trường đều Chuyển động của hạt gồm hai phần :

+ Khi chuyển động trong từ trường đều thì quĩ đạo của hạt là một phần parabol

Chiều dài quĩ đạo theo trục Ox là l1 thì độ lệch của hạt heo phương Oy là:

y1=

+Sau khi ra khỏi điện trường khơng cịn lực điện tác dụng lên hạt hạt chuyển động thẳng đều theo quán tính với vận tốc ban đầu là vận tốc của hạt khi bắt đầu ra khỏi điện trường.

Độ lệch của hạt khi đó là:

y2=l2.tanα (α là góc giữa và khi hạt bắt đầu ra khỏi điện trường)

l1 l2 M y y1 y2 O x

Tổng độ lệch của hạt mang điện khi có một phần quĩ đạo đi qua điện trường là: d U l l v m l q E l l v m l q y y y ). 2 ( . . ). 2 ( . . 2 1 2 0 1 2 1 2 0 1 2 1      

3. Tác dụng của điện trường lên một lưỡng cực điện: a. Định nghĩa lưỡng cực điện:

Lưỡng cực điện là một hệ hai điện tích có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu + q và – q, cách nhau một đoạn rất nhỏ so với khoảng cách từ lưỡng cực tới các điểm đang xét trong điện trường.

Để đặc trưng cho lưỡng cực điện người ta dùng đại lượng vec tơ mô men lưỡng cực điện, gọi tắt là mô men

điện của lưỡng cực, kí hiệu là pe

e

p ql (1)

(pe có đơn vị trong hệ SI là C.m), trong đó l là vec tơ hướng từ – q đến + q (hình ). Đường thẳng nối hai điện tích gọi là trục của lưỡng cực.

Lưỡng cực điện là một hệ điện tích thường gặp trong các vật thể, ví dụ như các nguyên tử hay phân tử của nhiều vật thể khi đặt trong điện trường ngồi, thì dưới tác dụng của điện trường ngoài, chúng bị biến dạng (vì các hạt mang điện cấu thành chúng bị dịch chuyển do tác dụng của điện trường), khiến cho về mặt phân bố điện tích, có thể xem chúng là lưỡng cực điện. Ngoài ra một số phân tử như phân tử nước, có cấu tạo sao cho tuy tồn bộ phân tử là trung hòa về điện nhưng phân tử có thể xem như một lưỡng cực điện (hình) Hình 2.2: Mơ hình ngun tử nước +q – q l

b. Tác dụng của điện trường lên lưỡng cực điện

Trường hợp điện trường đều . Khi đó các lực tác dụng lên hai điện tích của lưỡng cực có độ lớn bằng nhau ( F = qE) và ngược hướng nhau, chúng tạo nên ngẫu lực có mơ men M qE l . .sin  p Ee. .sin (2) với  là góc hợp bởi vec tơ l và vec tơ E . Vec tơ mơ men ngẫu lực M có phương trùng với trục quay của lưỡng cực điện, tức là vng góc với pevà E .

Ngẫu lực này có tác dụng làm cho lưỡng cực điện quay trong điện trường sao cho hai vec tơ pevà E song song với nhau. Vị trí cân bằng của lưỡng cực điện là vị trí ở đó có mơ men ngẫu lực bằng không, ứng

với 0 và   . Vị trí ứng với 0 là vị trí cân bằng bền cịn vị trí  

là vị trí cân bằng khơng bền, vì chỉ cần cho lưỡng cực điện quay lệch khỏi vị trí đó một chút là sẽ có xuất hiện ngay một mô men ngẫu lực làm nó lệch thêm khỏi vị trí này.

Với quy ước mô men lực làm lưỡng cực quay theo chiều kim đồng hồ có giá trị âm thì thay cho (2) ta có thể viết: M  qE l. .sin  p Ee. .sin (3)

+ Bây giờ ta xét lưỡng cực điện đặt trong điện trường không đều. Đầu tiên ta giả sử rằng, lưỡng cực điện đã nằm dọc theo một đường sức của điện trường (0) (hình vẽ). Khi đó, lực tác dụng lên các điện tích khơng bằng nhau và lực điện tổng hợp tác dụng lên lưỡng cực điện là khác không. Ta chọn trục tọa độ x theo hướng của vec tơ pe (tức là chiều của vec tơ l). Vì điện trường không đều, nên cường độ điện trường tại điểm đặt điện tích – q là E còn cường độ điện trường tại điểm đặt điện tích + q là E' E E.l x     F F  +q – q – q +q l 2 F 1 F E

Do đó lực tác dụng lên điện tích âm có độ lớn là F2 = qE, và lực tác dụng lên điện tích dương có độ lớn là F1 qE' q E E.l

x            Lực tổng hợp F tác dụng lên lưỡng cực có độ lớn là 1 2 e E E F F F ql p x x      

  (4). Và hướng về phía có điện trường mạnh.

Trong điện trường đều thì E 0

x

 

 , lúc đó F = 0

Như vậy, nếu đặt một lưỡng cực điện vào trong một điện trường khơng đều, thì nó chịu tác dụng của lực và ngẫu lực. Ngẫu lực có xu hướng làm nó quay trong điện trường cho đến khi mô men lưỡng cực pe có phương trùng với vec tơ E ; cịn lực có tác dụng kéo lưỡng cực về phía có điện trường mạnh.

3. Tác dụng của từ trường đều lên điện hạt mang điện chuyển động. a.Khi hạt chuyển động vào từ trường với vận tốc ban đầu

Lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện có phương vng góc với véc tơ vận tốc của hạt. Vì vậy lực Lo-ren-xơ làm vật thay đổi quĩ đạo thành quĩ đạo tròn và lực Lo-ren-xơ là lực hướng tâm, từ đó tính được bán kính quĩ đạo và chu kỳ chuyển động của hạt mang điện.

và qB

m T  2

b. Độ lệch quĩ đạo của hạt mang điện khi hạt có một phần quĩ đạo qua từ trường

Khi hạt chuyển động có

trong từ trường có bề rộng từ trường

f . O y l1 l2 O y1 y2 x M

l1, hạt chuyển động trên một cung trịn có bán kính khi đó độ lệch quĩ đạo của hạt là:

Sau khi ra khỏi từ trường khơng cịn lực lo-ren-xơ tác dụng vào hạt nên hạt chuyển động thẳng đều theo quan tính với vận tốc vẫn là

Độ lệch của hạt khi tiếp tục chuyển động một đoạn l2 bên ngoài từ trường là

Độ lệch tổng cộng của hạt mang điện khi có một phần quĩ đạo qua từ trường là ) 2 ( 1 2 0 2 1 l l mv qBl y y y    t 

4. Cấu tạo của ống phóng điện tử trong dao động ký điện tử:

Hình 2.4: Ống tia điện tử

Cấu tạo của ống phóng điện tử được mơ tả như hình 2.3 và hình 2.4. Trong ống phóng điện tử đã được hút chân khơng. Súng bắn điện tử phát ra chùm electron. Chùm electron được điều chỉnh cho đi qua khoảng không gian giữa hai bộ bản cực làm lệch dọc và lệch ngang rồi đập vào màn huỳnh quang được giữ ở điện áp cao làm màn huỳnh quang phát sáng. Dùng điện trường giữa hai bản cực làm lệch dọc để làm lệch chùm tia theo phương thẳng đứng. Tương tự dùng điện trường giữa hai bản cực làm lệch ngang để làm chùm hạt lệch theo phương nằm ngang. Khi đó điểm phát sáng sẽ di chuyển vẽ lên một đường sáng trên màn huỳnh quang.

Dao động ký điện tử được dùng trong việc quan sát các dao động điện hoặc các các dao động hiển thị dưới dạng sóng. Thiết bị này chủ yếu được dùng để vẽ dạng của tín hiệu điện thay đổi theo thời gian.

Máy hiện sóng là thiết bị đo dùng để quan sát dạng tín hiệu thơng qua đó đo lường các tham số của nó như biên độ, tần số, góc lệch pha giữa hai tín hiệu...... Ngồi ra máy hiện sóng cịn dùng trong rất nhiều các phép đo khác như: vẽ đặc tuyến tần số của bộ khuếch đại, vẽ đường cong từ trễ, nếu lắp thêm các thiết bị bổ trợ máy hiện sóng có thể kiểm tra điện trở, tụ điện, đi ốt....Tóm lại máy hiện sóng như một thiết bị đo lường vạn năng được dùng rộng dãi trong kỹ thuật vô tuyến và các ngành trong quân sự cũng như trong nghiên cứu khoa học và trong y học.

5. Ngun lý làm chín thức ăn của lị vi sóng:

Ngày nay lị vi sóng là thiết bị dùng làm nóng thức ăn rất phổ biến. Lị vi sóng làm chín thức ăn bằng cách tạo ra sóng điện từ có tần số lớn. Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong khơng gian. Đồ thị của sóng điện từ như hình 2.6.

Hình 2.6: Đồ thị sóng điện từ

Khi sóng điện từ lan truyền các véc tơ cường độ điện trường và véc tơ cảm ứng từ luôn dao động cùng tần số theo hai phương vng góc với nhau.

Về tính chất điện thì các phân tử thực phẩm trong thức ăn (chủ yếu nước) là một lưỡng cực điện. Khi lị vi sóng hoạt động, sóng điện từ có bước sóng ngắn (cỡ cm) được tạo ra làm trong lị vi sóng xuất hiện một điện trường biến thiên nhanh. Khi đó xuất hiện mơmen lực làm cho các phân tử thức ăn

quay qua quay lại theo sự biến thiên của chiều và độ lớn của điện trường. Năng lượng của điện từ trường được chuyển dần thành năng lượng dao động nhiệt của các phân tử nước, kết quả làm cho nước nóng lên, thực phẩm được nấu chín.

6. Nguyên lý hoạt động của ống phóng điện tử trong ti vi (đèn hình crt):

Hình 2.7: Ống đèn hình CRT

Cấu tạo của đèn hình CRT được mơ tả như hình 2.7. Chùm electron do súng electron phát ra được điều chỉnh đi qua khoảng không gian giữa hai cuộn dây được cuốn theo dạng đặc biệt gọi là cuộn lái tia, sau đó hội tụ trên màn huỳnh quang giữ ở điện áp cao. Dùng từ trường tạo bởi hai dòng điện biến thiên theo thời gian theo qui luật thích hợp chạy qua hai cuộn dây, làm lệch chùm electron theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang, làm sáng toàn bộ màn huỳnh quang. Đèn hình CRT thường được dùng trong ti vi và máy tính.

Cơng nghệ màn hình rất đa dạng và giúp tivi gọn nhẹ hơn và có những ưu điểm vượt trội xong màn hình CRT có những ưu điểm khơng thể thay thể thay thế. CRT là loại màn hình có giá rẻ hơn so với những loại màn hình khác. Chúng có thể hoạt động ở mọi độ phân giải, hình dạng, tỉ lệ kích thước mà khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. CRT tạo ra màu sắc đẹp và góc nhìn tốt duy trì được độ sáng và có tuổi thọ bền.

7. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc hạt Cyclotron:

Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt. Có nhiều loại máy gia tốc hạt như máy gia tốc hạt thẳng, máy gia tốc hạt vòng (cyclotron, synchrotron). Trong luận văn này trình bày về máy Cyclotron. Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt: gia tốc những hạt tích điện dùng tần số cao. Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình xoắn ốc trong một đường trịn để chúng được gia tốc nhiều lần. Ernest Lawrence, của Đại học California, Berkeley, được công nhận với máy Cyclotron đầu tiên vào năm 1929.

Máy Cyclotron có ngun tắc cấu tạo như hình vẽ

Trong Cyclotron, các điện cực được đặt trên ống chân không, một tần số cao cung cấp cho điện cực “D”( hình chữ D) hút và đẩy những hạt điện tích nằm ở trung tâm của từ trường, các hạt này được gia tốc khi vượt xuyên qua khe giữa hai cực. Từ trường thẳng đứng cùng với lực hút giữa nguyên tử với nguyên tử làm tăng chuyển động của hạt trên đường xoắn ốc.

Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ trường sẽ đi theo một đường tròn. Trong Cyclotron, năng lượng được cung cấp cho hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng được gia tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh sáng. Cả hai hiệu ứng (tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của hình trịn và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc. Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dịng điện của electron hoặc ion phun thẳng đến một từ trường. Những hạt điện tích chuyển động tự do trong chân khơng, vì vậy những hạt điện tích phun ra một đường xoắn ốc.

Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống chân không. Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va chạm sẽ tạo những hạt điện tích thứ yếu, cái mà có thể được dẫn ra ngoài Cyclotron và đi đến dụng cụ phân tích. Kết quả sẽ cho phép tính tốn những thuộc tính khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản phẩm va chạm khác.

Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm năng lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân, vài Cyclotron thì vẫn dùng cho nghiên cứu.

Cyclotron có thể được dùng để xem xét ung thư. Chùm ion từ Cyclotron có thể được dùng để thâm nhập vào người và diệt khối u ác tính bằng xạ trị.

Chùm Cyclotron có thể được bắn phá những nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị.

Máy gia tốc hạt được dùng để tìm ra các hạt cơ bản nghiên cứu về phản vật chất đặc biệt là ghi nhận bằng chứng thực nghiệm về hạt Higgs.