2.5. Điện trường đều
3.3 Mối quan hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế điện trường và hiệu điện thế trường và hiệu điện thế
Mối quan hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế
cường độ điện trường vật 4.1. Định nghĩa tụ điện
4.2. Điện dung của tụ điện 4.3. Điện dung của tụ điện 4.4. Ghép tụ thành bộ 3.1. Công của lực điện
3.2. Khái niệm điện thế. Hiệu điện thế thế
Sơ đồ 2.1. Nội dung chương “Điện tích. Điện trường”
Ở THCS, học sinh đã được học về các loại điện tích, sự nhiễm điện do cọ xát và tương tác giữa các điện tích tuy nhiên các kiến thức này mới dừng lại ở mức độ các khái niệm ban đầu và các hiện tượng định tính. Chỉ đến THPT các kiến thức này mới được trình bày một cách hệ thống và bản chất. Các hiểu biết về cấu tạo nguyên tử và thuyết electron giúp học sinh giải thích được các hiện tượng nhiễm điện, hiểu rõ về hai loại điện tích, tính dẫn điện, cách điện của các chất liệu.
Điện trường cho phép lí giải sự tương tác giữa các điện tích. Điện trường là một trường vật chất truyền lực tương tác giữa các điện tích và nó cũng mang năng lượng. Để khảo sát năng lượng của điện trường cần tạo ra sự dịch chuyển của điện tích trong đó. Qua khảo sát cơng của lực điện trường đẫn đến kết luận điện trường trường thế, lực tĩnh điện là lực thế. Tương tự như trọng trường học sinh đã được học ở lớp 10, đại lượng đặc trưng cho năng lượng điện trường tại mỗi điểm là điện thế tại điểm đó, điện tích q đặt tại đó sẽ có thế năng tương tự như thế năng trọng trường. Cuối cùng là tụ điện, một dụng cụ, là sản phẩm phát minh lớn của loài người, nhằm lưu trữ được các điện tích trong một vật thể. Đó cũng là lúc các nghiên cứu về điện được ứng dụng.
Chỗ khó của học sinh khi học phần này là sự trừu tượng của khái niệm điện trường. Tuy học sinh đã học trọng trường ở lớp 10, song trọng trường là môi trường gần gũi với cuộc sống của mỗi người nên dù sao học sinh cũng dễ hình dung ra, và dễ nhận thức. Còn điện trường là một trường mới và học sinh khó tưởng tưởng ra nên khó tiếp thu khái niệm này. Cũng từ đó mà khó hình thành khái niệm điện thế và hiệu điện thế. Để giải quyết các vấn đề này, cần đặt vấn đề dẫn dắt học sinh giải thích sự tương tác giữa các điện tích, dùng các đường sức mơ tả điện trường. Các đường sức cũng không thể vẽ một cách
tùy tiện mà phải dựa trên hình ảnh thực của điện phổ. Như vậy học sinh sẽ có sự tưởng tượng và trực quan hóa điện trường. Cịn khái niệm điện thế, để hình thành được thì cách tốt nhất là so sánh khi một điện tích q trong điện trường với một vật m trong trọng trường về hiện tượng, lực tác dụng, công thực hiện suy ra tương tự về dạng năng lượng (thế năng).
2.2.3. Ý tưởng thiết kế ebook chương “Điện tích. Điện trường”
Ebook là sản phẩm của đề tài về chương “Điện tích. Điện trường”. Ý tưởng thiết kế là sẽ tạo ra một ebook gồm các nội dung:
- Mục giới thiệu chung về chương cung cấp các thơng tin về q trình lịch sử nghiên cứu điện học từ thời sơ khai.
- Nội dung của chương được chia nhỏ thành bốn bài học dựa trên chương trình vật lý hiện hành đề học sinh thuận tiện theo dõi.
Mỗi bài học bao gồm:
Nội dung chi tiết của bài học. Phần nội dung được đưa thêm vào các hình ảnh, video minh họa sinh động giúp cụ thể hóa những đơn vị kiến thức trừu tượng hoặc các hiện tượng vật lý.
Tóm tắt các kiến thức trọng tâm.
Tiếp đến là giới thiệu các ứng dụng của kiến thức trong mỗi bài học vào thực tiễn để học sinh thấy được ý nghĩa của việc học cũng như tạo hứng thú, động cơ học tập cho học sinh.
Cuối cùng là hệ thống các bài tập có hướng dẫn chi tiết áp dụng các kiến thức bài học, hệ thống bài tập để học sinh luyện tập, và đề kiểm tra để học sinh tự kiểm tra đánh giá mức độ tiếp thu kiến thức của bài học. Các câu hỏi, bài tập trong phần luyện tập hay kiểm tra bám sát nội dung bài học và đáp ứng mục tiêu đề ra của các đơn vị kiến thức trong bài học.
2.3. Kịch bản về nội dung các bài học chƣơng “Điện tích. Điện trƣờng” (file xuất ra ebook)
CHƢƠNG I. ĐIỆN TÍCH. ĐIỆN TRƢỜNG I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỆN
HỌC TỪ THỜI KÌ SƠ KHAI
Thalès de Milet (khoảng 624-546 TCN) nhà toán học, triết gia thời Hy Lạp
cổ đại đã tình cờ phát hiện ra miếng hổ phách khi được chà xát bằng da thú có thể hút được các vật nhỏ, nhẹ như: lông chim, mẩu giấy, mẩu gỗ… Sau khi tiến hành nhiều thí nghiệm ơng kết luận: Miếng hổ phách có “sức mạnh” khi được chà xát.
Hơn 2000 năm sau Wiliam Gibert (1544-1603), bác sĩ, nhà Vật lý, nhà khoa học lớn của thời kỳ phục hưng đã có những nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng điện, từ. Ông đã tiến hành khảo sát
lại các thí nghiệm của Thalès và đi đến kết luận khơng chỉ có hổ phách mà nhiều vật liệu khác như lưu huỳnh, thủy tinh, silic cũng có tính chất như vậy khi bị chà xát. Ông cũng là người đưa ra khái niệm về điện tích (electricité) được đặt theo từ elektra (hổ phách) và dụng cụ xác định một vật có bị nhiễm điện hay khơng électroscope (điện nghiệm).
Hình 2.3. Chân dung Thalès
Nguồn:https://www.google.com.v n/search?tbm=isch&q=nhà%20b ác%20học%20thaflet%20 Hình 2.4. Wiliam Gibert Nguồn:https://www.google.com.vn/se arch?tbm=isch&q=Wiliam%20Gibert %20
Otto Von Guericke
(1602-1688), nhà khoa học, nhà phát minh, chính trị gia người Đức đã thiết kế một hệ thống tạo ra điện tích lớn bằng cách cho quả cầu lưu huỳnh quay tròn cọ xát với
tấm da. Ơng tiến hành thí nghiệm cho các vật khác chạm vào quả cầu thì thấy chúng cũng có thể hút được các vật nhẹ. Thí nghiệm này chứng tỏ điện tích có thể di chuyển từ vật này đến vật khác. Dụng cụ mà ông phát minh ra được gọi là tĩnh điện kế.
Trong các thí nghiệm tiếp theo về điện, Stephen Gray
(1666-1736), nhà hóa học, nhà thiên văn học người Anh đã đóng góp thêm cho nhân loại những hiểu biết về chất dẫn điện, chất cách điện, phương thức truyền điện tích đi xa. Ông kết
luận kim loại là chất dẫn điện tốt nhất, dịng dịch chuyển của điện tích được gọi là dịng điện. Ơng ví dịng điện giống như dịng nước, chảy trong dây dẫn.
Trong q trình làm thí nghiệm các nhà vật lý nhận thấy rằng khơng khí ẩm làm giảm điện tích của máy tĩnh điện, cùng với phát hiện của Stephen Gray về chất dẫn điện và chất cách điện, Pieter Van Musschenbroek (1692-1761),
giáo sư Vật lý trường Đại học Layde, Hà Lan giải thích hiện tượng mất điện tích là do điện tích đã truyền vào khơng khí. Để lưu trữ và tránh điện tích bị truyền ra ngồi Musschenbroek đã dùng một bình thủy tinh chứa nước nối với máy tĩnh
Hình 2.5. Otto Von Guericke
Nguồn:https://www.google.com.vn/search?q=Ott
o+Von+Guericke+&tbm=isch&ved=2ahUKEwj iqKW2o53mAhVH6ZQKHdb0A6UQ2
Hình 2.6. thí nghiệm sự truyền điện
Nguồn:https://www.google.com.vn/search?q=S
tephen+Gray+&tbm=isch&ved=2ahUKEwiE7 Zq8o53mAhUIXJQKHftEAkEQ2
điện bằng một sợi dây kim loại. Khi quả cầu của máy tĩnh điện được tích điện, điện tích sẽ theo sợi dây kim loại truyền vào bình nước và tích trữ ở đó. Bình thủy
tinh sau này được cải tiến thành dụng cụ tích điện và được gọi là chai Layden. Chai Layden được bọc bên ngồi bởi kẽm và được tích điện trở lại sau khi dùng hết, nó chính là tụ điện (tích trữ điện) sơ khai đầu tiên. Musschenbroek cũng phát hiện ra khi ông đồng thời chạm tay vào
bình thủy tinh và dây kim loại thì bị giật, đó là một trong các tính chất của dịng điện.
Nhằm nâng cao khả năng tích điện và tạo ra dòng điện ổn định hơn,
Alesssandro Volta (1745 -1827) nhà Vật
lý người Ý đã chế tạo thành công dụng cụ mới gồm các tấm đồng, kẽm dạng hình trịn xếp chồng lên nhau liên tiếp, ngăn cách nhau bởi lớp giấy xốp tẩm dung dịch
axit H2SO4. Sau này người ta gọi nó là pin Volta (từ pin bắt nguồn từ từ “pile” có nghĩa các tấm xếp chồng lên nhau)
Việc chế tạo ra pin Volta có ý nghĩa quan trọng trong lịch sử phát triển Vật lý điện từ. Nó giúp việc lưu trữ điện lâu dài và tạo ra dịng điện tương đối ổn
Hình 2.7. Thí nghiệm tích điện, chai Leyden
Nguồn:https://www.google.com.vn/search?q=Steph en+Gray+&tbm=isch&ved=2ahUKEwiE7Zq8o53 mAhUIXJQKHftEAkEQ2 Hình 2.8. Alesssandro Volta Nguồn:https://www.google.com.vn/ search?q=Stephen+Gray+&tbm=i sch&ved=2ahUKEwiE7Zq8o53mA hUIXJQKHftEAkEQ2
định, góp phần quan trọng trong các thí nghiệm vật lý điện từ. Vơn được dùng để đặt tên cho đơn vị đo khả năng tích trữ của nguồn điện (suất điện động)
Như vậy sau một khoảng thời gian khá dài, từ những phát hiện về những hiện tượng trong tự nhiên, với sự say mê và trí tuệ của mình các nhà khoa học đã giúp con người có sự hiểu biết đầy đủ hơn về lĩnh vực điện học, từ đó tạo ra nhiều ứng dụng phục vụ cuộc sống của con người và giúp Vật lý không ngừng được phát triển.
II. NỘI DUNG KIẾN THỨC CHƢƠNG ĐIỆN TÍCH. ĐIỆN TRƢỜNG Bài học số 1. Sự nhiễm điện của các vật. Thuyết electron.
Định luật Coulomb về tƣơng tác giữa các điện tích.
1.1. Sự nhiễm điện của các vật
Video về sự nhiễm điện của vật do cọ sát
- Trong tự nhiên có hai loại điện tích là điện tích âm (-) và điện tích dương (+). - Người ta qui ước, điện tích của thanh thủy tinh khi cọ xát vào lụa là điện tích dương (+); điện tích của thanh nhựa sẫm màu cọ xát vào vải khơ là điện tích (-) - Có ba cách làm nhiễm điện cho các vật: Cọ xát, tiếp xúc, hưởng ứng.
- Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau
Hiện tượng nhiễm điện được giải thích như thế nào?
1.2. Thuyết electron.
Kiến thức đã học ở mơn Hóa cho biết ngun tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm chuyển động quay quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ.
Số electron ở lớp vỏ bằng số proton ở hạt nhân mà điện tích của mỗi electron bằng âm một đơn vị điện tích nguyên tố (1-), điện tích của mỗi proton bằng dương một đơn vị điện tích ngun tố (1+), nơtron khơng mang điện nên bình thường mỗi ngun tử có tổng đại số điện tích bằng khơng điện tích dương nhưng tổng số điện tích âm bằng tổng số điện tích dương
Tuy nhiên trong mỗi nguyên tử các electron có khối lượng rất nhỏ, các electron càng ở lớp ngồi của ngun tử thì càng liên kết yếu với hạt nhân nên có thể tách ra khỏi nguyên tử trở thành electron tự do trong khối vật hoặc di chuyển sang vật khác làm tổng điện tích của vật khác khơng, khi ấy vật bị nhiễm điện và có thể tương tác với các vật nhiễm điện khác. Học thuyết dựa vào sự di chuyển hoặc trú ngụ của các electron để giải thích tính chất điện của các vật được gọi là thuyết electron.
Nội dung thuyết electron
- Bình thường ngun tử trung hịa về điện. Nếu nguyên tử mất electron (so với bình thường) thì nguyên tử trở thành ion dương, nếu nguyên tử nhận thêm electron thì nguyên tử trở thành ion âm.
- Nếu vật thừa electron thì vật nhiễm điện âm (mang điện tích âm), vật thiếu electron thì vật nhiễm điện dương (mang điện tích dương)
Cần lưu ý rằng phần điện tích dương (hoặc âm) dư ra bao giờ cũng rất nhỏ so với lượng điện tích tồn phần của điện tích dương hoặc âm.
Nguồn:
Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử Hình 2.10.Mơ hình cấu tạo ngun tử
1.3. Giải thích ba hiện tƣợng nhiễm điện
- Nhiễm điện do cọ xát: khi chà xát hai vật lên nhau, xuất hiện các điểm tiếp xúc chặt chẽ giữa hai vật, tùy theo bản
chất của hai vật mà số electron đi qua điểm tiếp xúc chặt chẽ từ vật này sang vật kia sẽ nhiều hơn theo chiều ngược lại. Kết quả một vật sẽ thừa electron nên nhiễm điện âm, vật còn lại thiếu electron nên nhiễm điện dương. Điện tích trên hai vật nhiễm điện do cọ xát bao giờ cũng trái dấu
- Nhiễm điện do tiếp xúc: Nếu một vật kim loại đang trung hòa về điện tiếp xúc với vật kim loại nhiễm điện dương (hoặc nhiễm điện âm) thì electron tự do ở vật trung hòa sẽ di chuyển qua điểm
tiếp xúc sang vật nhiễm điện dương (hoặc electron dư thừa từ vật nhiễm điện âm di chuyển sang vật trung hòa) làm vật trung hòa bị nhiễm điện cùng dấu với điện tích của vật nhiễm điện mà nó tiếp xúc.
Nếu các vật (kim loại) bị nhiễm điện cùng loại tiếp xúc nhau thì electron sẽ di chuyển từ vật có mật độ electron cao hơn sang vật có mật độ electron thấp hơn.
- Nhiễm điện do hưởng ứng: Khi một vật kim loại trung hòa về điện
Hình 2.11. Nhiễm điện do cọ xát
Hình 2.12. Nhiễm điện do tiếp xúc
đặt gần một vật nhiễm điện (khơng tiếp xúc) thì một số electron trên vật trung hịa sẽ vị hút lại gần phía vật nhiễm điện dương hoặc bị đẩy ra xa vật nhiễm điện âm. Trên vật trung hòa xảy ra sự phân bố lại electron khiến cho một đầu vật bị nhiễm điện dương, một đầu vật bị nhiễm điện âm.
Nếu đưa vật nhiễm điện ra rất xa quả cầu thì electron trên quả cầu sẽ phân bố lại và quả cầu lại trung hòa như lúc ban đầu
Như vậy nếu một vật bị nhiễm điện thì điện tích của nó bao giờ cũng bằng một số nguyên lần điện tích của một electron (e = -1,6.10-19C).
1,6.10-19C được gọi là điện tích nguyên tố.
1.4. Định luật bảo tồn điện tích
“Đối với hệ cơ lập về điện (khơng có sự trao đổi điện tích với vật ngồi hệ),
tổng đại số điện tích của hệ khơng đổi”
' ' '
1 2 n 1 2 n
q q ... q q q ... q (1.1)
Chú ý rằng nếu hai vật A và B giống nhau thì sau khi trao đổi điện tích, điện tích trên hai vật trở nên bằng nhau.
' ' 1 2 1 2 q q q q 2 (1.2) 1. 5. Chất dẫn điện, chất cách điện
Cấu tạo và bản chất của các nguyên tử quyết định tính chất của vật dẫn và vật cách điện
1.5.1. Chất dẫn điện
Trong một số vật liệu như kim loại, nước biển, cơ thể người một số điện tích có thể dễ dàng di chuyển, ta nói các chất liệu đó là chất dẫn điện.
1.5.2. Chất cách điện
Trong một số chất khác như cao su, nhựa, thủy tinh, nước tinh khiết, khơng khí khơ… khơng có điện tích nào có thể di chuyển được, ta nói các chất liệu đó là chất cách điện điện.
1.5.3. Chất bán dẫn
Các chất như silic và germani là các chất trung gian giữa chất dẫn điện chất cách điện. Ở điều kiện bình thường chúng cách điện tốt nhưng khi bị chiếu sáng hoặc tác dụng bởi nhiệt độ thì chúng trở nên dẫn điện tốt. Đặc tính dẫn điện của chúng còn phụ thuộc vào tạp chất được pha vào. Nhờ việc sử dụng các vật liệu bán dẫn, cuộc cách mạng về điện tử đã làm thay đổi cuộc sống của chúng ta trong nhiều lĩnh vực.
1.5.4 Chất siêu dẫn
Gọi là chất siêu dẫn vì khơng có một sự cản trở nào khi các điện tích chuyển động qua chúng. Các vật liệu thông thường, ngay cả các vật liệu dẫn điện tốt nhất đều gây ra tác dụng cản trở khi dòng điện chạy qua chúng, cịn vật liệu siêu dẫn thì khơng. Nếu thiết lập một dịng điện chạy trong một vịng dây siêu dẫn thì dịng điện ấy sẽ tồn tại mãi mãi mà mà khơng cần nguồn điện nào để duy trì.
Năm 1911 vật liệu siêu dẫn đầu tiên được phát hiện bởi nhà vật lý người Hà Lan, Kammerlingh Onnes, ông phát hiện ra thủy ngân rắn bị mất điện trở hoàn toàn ở nhiệt độ dưới 4,15K (nhiệt độ tới hạn). Đến năm 1986, siêu dẫn vẫn chưa được ứng dụng vì các vật liệu siêu dẫn đã biết cần phải được làm lạnh xuống dưới 20K mới có
tính siêu dẫn. Tuy nhiên trong những năm gần đây người ta đã nâng được nhiệt độ tới hạn của vật liệu siêu lên cao hơn nhưng ở nhiệt độ bình thường thì vẫn là hi vọng trong tương lai.