Tĩnh điện kế

Hình 2 .21 Hình ảnh đường sức điện trường của điện tích

Hình 2.27 Tĩnh điện kế

U Ed E q q d      (3.5)

(3.5) là công thức liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế trong điện trường đều, với d = MN’, là hình chiếu của M, N lên một đường sức bất kỳ.

Đến đây ta hiểu vì sao cường độ điện trường có đơn vị V/m Video chuyển động của e trong bóng hình

Video phóng điện giữa các đám mây

Tóm tắt nội dung bài học

- Công của lực điện:

A = qEd - Lực điện là lực thế

- Thế năng của điện tích tại một điểm trong điện trường bằng cơng mà lực điện thực hiện để di chuyển điện tích từ điểm đó đến điểm có điện thế bằng khơng.

M M M

W qV A  - Điện thế tại một điểm:

Hình 2.27. Tĩnh điện kế E E d M N N' Hình 2.27. Hình chiếu đường đi

M M M A W V q q    - Hiệu điện thế: MN MN M N A U V V q   

- Mối quan hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế:

MN MN A qEd U U Ed E q q d      3.4. Luyện tập 3.4.1. Bài tập ví dụ có hướng dẫn

Bài 1: Một điện tích q =10-8 C dịch chuyển theo các cạnh của một tam giác đều ABC cạnh 20 cm, đặt trong điện trường đều có cường độ 3000V/m. Tính cơng của lực điện trường thực hiện khi dịch chuyển điện tích dọc theo AB, BC, AC, ABCA. Biết EBC

Hƣớng dẫn:

Cơng của lực điện được tính bởi cơng thức: A = q.E.d (d là hình chiếu của đường đi lên chiều E)

- Trên AB: AAB = q.E.dAB = q.E.(-HB) = q =10-8. 3000.(-0,1) = -3.10-6J - Trên BC: ABC = q.E.dBC = q.E.BC = q =10-8. 3000.0,2 = 6.10-6J

- Trên AC: AAC = q.E.dAC = q.E.HC = q =10-8. 3000.0,1 = 3.10-6J = -ACA - Trên quỹ đạo ABCA: AABCA = AAB + ABC + ACA = 0

Bài 2: Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N là UMN = 1 V. Công của điện trường làm dịch chuyển điện tích q = - 1 μC từ M đến N là

B

A

C E H

Hƣớng dẫn:

Áp dụng công thức: A = qMN .UMN = - 1 μJ.

Bài 3: Một điện tích q = 2.10-8 C dịch chuyển theo các cạnh của một tam giác đều ABC cạnh 4cm, đặt trong điện trường đều có cường độ 5000V/m. Biết EAB

a. Tính cơng của lực điện khi q di chuyển từ B đến C.

b. Tính hiệu điện thế giữa hai điểm A và B; B và C; A và C c. Điện thế tại A và C biết điện thế tại B là 50V

Hƣớng dẫn:

a. ABC = q.E.dBC = 2.10-8.5.103.(-0,02) = -2.10-6 J

b. Dùng công thức U = Ed để tính hiệu điện thế hai điểm, lưu ý d là hình chiếu đường đi từ điểm đầu đến điểm cuối lên E, chú ý lấy dấu cho d

UAB = E.dAB = 5.103. AB = 200 V UBC = E.dBC = 5.103. (-BH) = -100 V UAC = E.dAC = 5.103. (AH) =-100 V

c. UAB = VA – VB suy ra VA = VB + UAB 250 V UBC = VB – VC Suy ra VC = VB – UBC = 150 V

Bài 4: A, B, C là ba điểm tạo thành tam giác

vuông tại A đặt trong điện trường đều có EBA như hình vẽ. Cho α = 600; BC = 10 cm và UBC = 400 V.

a. Tính UAC, UBA và E.

b. Tính cơng thực hiện để dịch chuyển điện tích q = 10-9 C từ A đến B, từ B đến C và từ A đến C. C B E H A

c. Đặt thêm ở C một điện tích điểm q = 9.10-10 C. Tìm cường độ điện trường tổng hợp tại A.

Hƣớng dẫn:

a. UAC = E.dAC = E.0 = 0.

UBA = UBC + UCA = UBC = 400 V. UBA = E.dBA = E. BC.cosα 3 BA U E 8.10 BC.cos     V/m b. AAB = qUAB = -qUBA = -4.10-7 J. ABC = qUBC = 4.10-7 J. AAC = qUAC = 0.

c. Điện tích q đặt tại C sẽ gây ra tại A véc tơ cường độ điện trường E/ có

phương chiều như hình vẽ; có độ lớn: ' 3

2 2 q q E k k 5,4.10 CA (BC.sin )     V/m

Cường độ điện trường tổng hợp tại A là: ' A

E  E E , có phương chiều như hình vẽ, có độ lớn:

EA = E2E'2 = 9,65.103 V/m.

Bài 5: Một prôtôn bay trong điện trường. Lúc prơtơn ở điểm A thì vận tốc của

nó bằng 2,5.104 m/s. Khi bay đến B vận tốc của prôtôn bằng không. Điện thế tại A bằng 500 V. Tính điện thế tại B. Biết prơtơn có khối lượng 1,67.10-27 kg và có điện tích 1,6.10-19 C.

Hƣớng dẫn:

Áp dụng định lý biến thiên động năng: Wđ = WđB - WđA = -

2

1mv2 = A Mặt khác A = q(VA – VB)

Bài 6: Một electron di chuyển một đoạn 0,6 cm, từ điểm M đến điểm N dọc

theo một đường sức điện thì lực điện sinh cơng 9,6.10-18 J.

a. Tính cơng mà lực điện sinh ra khi electron di chuyển tiếp 0,4 cm từ điểm N đến điểm P theo phương và chiều nói trên.

b. Tính vận tốc của electron khi đến điểm P. Biết tại M, electron khơng có vận tốc ban đầu. Khối lượng của electron là 9,1.10-31 kg.

Hƣớng dẫn:

a. Công lực điện thực hiện trên đoạn MN: AMN = q.E.dMN

Do A > 0; q < 0 nên theo quy ước chọn chiều E làm chiều dương thì dMN < 0

 MN MN 4 MN A A E 10 q.d q.( MN)      V/m

dMN < 0 cho biết electron chuyển động ngược chiều E Công lực điện thực hiện trên đoạn NP:

ANP = q.E.dNP q.E.(-NP) = 6,4.10-18 J

b. Áp dụng định lý biến thiên động năng cho quá trình chuyển động từ M đến P Ta có: Wđ = WđP – WđM = 2 1mv2 P = AMP = AMN + ANP MN NP 6 p 2(A A ) v 5,93.10 m     m/s

Bài 7: Cho hai bản kim loại có độ dài l = 5cm đặt nằm ngang, song song,

cách nhau một khoảng d = 2cm. Giữa hai bản có hiệu điện thế U = 910 V. Một electron bay theo phương ngang, vào giữa 2 bản với v0 = 5.103 km/s. a. Lập phương trình quỹ đạo và xác định dạng quỹ đạo của electron trong điện trường.

b. Tính độ lệch của electron của electron khỏi phương ban đầu khi nó vừa ra khỏi bản kim loại. Coi điện trường giữa hai bản kim loại là đều và bỏ qua tác

Hƣớng dẫn:

a. Khảo sát chuyển động của electron trong điện trường theo hai phương Ox và Oy.

Theo phương Ox: electron chuyển động thẳng đều

x = v0t (1)

Oy: electron chuyển động nhanh dần đều với gia tốc ay = a

y = at2/2 = at2 F 2 q U 2

y t t

2 2m 2md

   (2)

Từ (1) và (2) ta thu được phương trình quỹ đạo:

19 2 2 2 2 31 6 0 q U 1,6.10 .910 16 y x x x 2mdv 2.9,1.10 .0,02.(5.10 ) 5      (3)

Dạng quỹ đạo của electron là một phần parabol.

b. Độ lệch của electron so với phương ban đầu là tọa độ y tại x = l Thay x = 0,05 m vào (3), tìm được y = h = 0,8 cm

3.4.2. Bài tập tự luyện (Phụ lục 8) Bài học số 4. Tụ điện 4.1. Định nghĩa tụ điện v0 F x - - - + + + -

Video về sự phóng điện, tích điện của tụ điện khác nhau

 Cấu tạo gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và cách điện với nhau  Ký hiệu trong mạch điện (Hình 4.2)

 Muốn tích điện cho tụ, mắc tụ vào nguồn một chiều, bản nối với cực (+) được tích điện +Q, bản nối với cực âm sẽ tích điện –Q.

 Điện tích trên tụ được quy ước là điện tích trên bản +Q

4.2. Điện dung của tụ điện

Mỗi tụ điện khi nối với nguồn có khả năng tích điện khác nhau. Đại lượng

đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ được gọi là điện dung C Q

C U

 (4.1) Với: C là điện dung (Fara – F)

Q là điện tích tụ tích được (Culong – C) U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ (Vôn – V) 1mF = 10-3F 1µF = 10-6 F

1nF = 10-9 F 1pF = 10-12 F

Các tụ điện có điện dụng khác nhau là do chúng có cấu tạo khác nhau về hình dạng và kích thước các bản. Với tụ điện phẳng điện dung được tính theo cơng

C

Hình 2.29. Ký hiệu tụ điện và một số loại tụ điện thường gặp trong các mạch điện

C

+ -

Sơ đồ 2.2. Mạch tích điện cho tụ tích điện cho tụ

S C 4 kd    (4.2) Với: ε là hằng số điện môi của chất điện môi giữa hai bản tụ

S diện tích của một bản (m2) k = 9.109 (N.m2/C2)

d là khoảng cách giữa hai bản (m)

Trên vỏ mỗi tụ điện bao giờ cũng ghi giá trị của điện dung và điện áp giới hạn

4.3. Năng lƣợng của tụ điện

Một tụ sau khi tích điện, nó dự trữ năng lượng. Năng lượng ấy được giải phóng khi phóng điện. 2 2 1 1 Q W CU QU 2 2 2C    (4.3) 4.4. Ghép tụ thành bộ 4.4.1. Ghép nối tiếp Qb = Q1 = Q2 =…= Qn Ub = U1 + U2 +…+ Qn b 1 2 n 1 1 1 1 ... C C C  C Cb < Ci 4.4.2. Ghép song song Qb = Q1 + Q2 +…+ Qn Ub = U1 = U2 =…= Qn Cb = C1 + C2 +…+ Cn C > C C1 C2 Cn

Sơ đồ 2.3 . Mạch tụ ghép nối tiếp

C C2 C1 Sơ đồ 2.4. Mạch tụ ghép song song Hình 2.30. Điện dung và điện áp giới hạn của một tụ điện

Video ứng dụng của tụ trong các mạch điện thực tiễn

Tóm tắt nội dung bài học

 Tụ điện là hệ thống gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và cách điện với nhau

 Tụ điện trong các mạch có vai trị tích tụ điện tích (tụ điện) và phóng điện

 Điện dung của tụ điện C Q U 

 Năng lương của tụ điện 1 2 1 Q2

W CU QU

2 2 2C

  

 Để tạo ra những tụ điện tương đương có điện dung mong muốn ta ghép các tụ với nhau.

4.5. Luyện tập

4.5.1. Bài tập ví dụ có hướng dẫn

Bài 1: Một tụ điện phẳng khơng khí có điện dung 20 pF. Tích điện cho tụ điện

đến hiệu điện thế 250 V.

a. Tính điện tích và năng lượng điện trường của tụ điện.

b. Sau đó tháo bỏ nguồn điện rồi tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện lên gấp đơi. Tính hiệu điện thế giữa hai bản khi đó.

Hƣớng dẫn:

a. Điện tích của tụ: q = CU = 5.10-9 C Năng lượng của tụ: W =

2

1CU2 = 625.10-9 J. b. Từ biểu thức tính điện dung của tụ C S

4 kd  

 suy ra khi d tăng lên gấp đơi thì C giảm đi một nửa C' C 10pF

2

 

Hiệu điện thế giữa hai bản tụ sau đó là U' q' 2q 2U 500V C' C

   

Bài 2: Hai bản của tụ điện phẳng có dạng hình trịn bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa 2 bản là 2 mm. Giữa 2 bản là khơng khí.

a. Tính điện dung của tụ điện.

b. Có thể tích cho tụ điện đó một điện tích lớn nhất là bao nhiêu để tụ điện không bị đánh thủng. Biết cường độ điện trường lớn nhất mà khơng khí chịu được là 3.106 V/m . Hiệu điện thế lớn nhất giữa 2 bản tụ là bao nhiêu?

Hƣớng dẫn:

a. Điện dung của tụ điện: S R2 9

C 5.10 F 4 kd 4 kd        

b. Mỗi chất điện môi chịu được một cường độ điện trường giới hạn. Nếu vượt q giá trị đó, lớp điện mơi sẽ bị ion hóa, tức là xuất hiện các hạt mang điện tự do, ta nói điện mơi bị đánh thủng. Do đó mỗi tụ có một hiệu điện thế giới hạn, điện tích giới hạn.

Hiệu điện thế lớn nhất mà tụ chịu được là: Ugh = Egh.d = 3.106.2.10-3 = 6000V Điện tích lớn nhất tụ có thể tích được: Qgh = C.Ugh = 3.10-5C.

Bài 3: Một tụ điện phẳng mà điện mơi có bằng 2 mắc vào nguồn điện có hiệu

điện thế U = 100 V; khoảng cách giữa 2 bản là d = 0,5 cm; diện tích một bản là 25 cm2

a. Tính mật độ năng lượng điện trường trong tụ

b. Sau khi ngắt tụ ra khỏi nguồn, điện tích của tụ điện phóng qua lớp điện mơi giữa 2 bản tụ đến lúc điện tích của tụ bằng khơng. Tính nhiệt lượng toả ra ở điện mơi

Hƣớng dẫn:

a. Mật độ năng lượng của tụ: 2 2 3

2 W E U 3,54.10 V 8 k 8 k.d           (J/m 3)

b. Nhiệt lượng tỏa ra ở điện mơi bằng năng lượng mà tụ tích trữ được trước đó Q = W = ωV = 4,42.10-18J

Bài 4: Cho bộ tụ được mắc như hình vẽ. Trong

đó: C1 = C2 = C3 = 6 F; C4 = 2 F; C5 = 4 F; q4 = 12.10-6 C.

a. Tính điện dung tương đương của bộ tụ.

b. Tính điện tích, hiệu điện thế trên từng tụ và hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch. Hƣớng dẫn: Phân tích đoạn mạch: ((C1 nt C2 nt C3) // C4) nt C5. a. 123 123 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 C 2 F C C C C     6 6 6 2   C1234 = C123 + C4 = 4 F;

Điện dung tương đương của mạch: 1234 5 1234 5 C .C C 2 F C C     b. U4 = U123 = U1234 = 4 4 q C = 6 V; q1234 = q5 = Q = C1234U1234 = 24.10-6 C; U5 = 5 5 q C = 6 V; q123 = q1 = q2 = q3 = C123.U123 = 12.10-6 C; U1 = 1 1 q C = 2 V = U2 = U3; UAB = q C= 12 V.

Bài 5: Cho bộ tụ được mắc như hình vẽ.

Trong đó C1 = C2 = 2 F; C3 = 3 F; C4 = 6F;

C5 = C6 = 5 F. U3 = 2 V. Tính: a. Điện dung của bộ tụ.

Hƣớng dẫn: a. Phân tích đoạn mạch: (((C2 nt C3 nt C4) // C5) nt C1) // C6. 234 234 2 3 4 1 1 1 1 1 1 1 1 C 1 F C  C C C     2 3 6   C2345 = C234 + C5 = 6 F 2345 1 12345 2345 1 C .C C 1,5 F C C    

Điện dung t-ơng đ-ơng của bé tô: C = C12345 + C6 = 6,5 F b. q3 = q2 = q4 = q234 = C3U3 = 6.10-6 C U234 = U5 = U2345 = 234 234 q C = 6 V; q5 = C5U5 = 30.10-6 C q2345 = q1 = q12345 = C2345.U2345 = 36.10-6 C; U1 = 1 1 q C =18 V 4.5.2. Bài tập luyện tập (Phụ lục 9)

CHƢƠNG 3. TỔ CHỨC THỰC NGHIỆM

3.1. Mục đích thực nghiệm sƣ phạm

Đánh giá tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng ebook.

- Tính khả thi của việc sử dụng ebook thể hiện qua số học sinh quan tâm, hứng thú sử dụng ebook thiết kế và sự phù hợp của ebook với điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị, và kỹ năng sử dụng CNTT của học sinh.

- Tính hiệu quả của việc sử dụng ebook thể hiện qua

Mức độ tiếp thu kiến thức trong các bài học trên lớp, sự hiểu biết sâu sắc về các hiện tượng, khái niệm vật lý, khả năng vận dụng kiến thức đã học vào giải quyết các bài tập cũng như các hiện tượng thực tế. Kết quả được đánh giá thông việc quan sát của giáo viên đối với quá trình học tập của học sinh.

Kết quả học tập sau một quá trình sử dụng ebook thể hiện qua bài kiểm tra kiến thức của chương với thời gian làm bài 45 phút của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng.

Thăm dò ý kiến đánh giá của học sinh về mức độ hứng thú đối với môn học sau khi sử dụng ebook.

3.2. Nội dung thực nghiệm

Thực nghiệm cả chương “Điện tích. Điện trường” vì các lí do sau:

- Việc học tập của học sinh là cả một quá trình, các em cần có một khoảng thời gian để thẩm thấu, kiến tạo kiến thức, cần có một khoảng thời gian mới hình