1.3.1 .Dạy và học trong thời đại công nghệ thông tin
2.1. Đặc điểm cấu trúc nội dung chương ‘‘Điện tích Điện trường’’ vật lí11
2.1.2. Sơ đồ cấu trúc chương“Điện tích Điện trường’’
2.1.3. Chuẩn kiến thức, kỹ năng của chương “Điện tích - Điện trường”
Chủ đề Mức độ cần đạt
a) Điện tích. Định luật bảo tồn 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.
e) Tụ điện.
Kiến thức
- Biết được các cách làm nhiễm điện một vật (cọ xát, tiếp xúc và hưởng ứng).
- Phát biểu được định luật bảo tồn điện tích. - Phát biểu được định luật Coulomb 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.
- Hiểu được các tính chất của vật dẫn và điện mơi khi đặt trong trường tĩnh điện.
- Hiểu 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.
Chủ đề Mức độ cần đạt f) Năng lượng điện
trường trong 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 cơng 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 Coulomb 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 cơng 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 cơng thức tính điện dung tương đương của bộ tụ điện.
- Giải thích được các tính chất của vật dẫn và điện mơi khi đặt trong trường tĩnh điện.
- Giải thích được vì sao lực Coulomb và điện trường trong điện mơi giảm so với trường hợp trong chân không.
2.1.4. Phân tích nội dung chương “Điện tích - Điện trường” * Điện tích * Điện tích
Điện tích là vật bị nhiễm điện.
Điện tích điểm là một vật mang điện có kích thước nhỏ khơng đáng kể so với khoảng cách từ điện tích đó tới những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta khảo sát.
Quy ước có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương.
Có ba cách để làm cho một vật nhiễm điện: Nhiễm điện do cọ xát, nhiễm điện do tiếp xúc và nhiễm điện do hưởng ứng.
*Định luật Coulomb
Lực hút hay lực đẩy giữa hai điện tích điểm đặt trong chân khơng 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 và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng 1 2 2 q q F = k ε r
r (m) là khoảng cách giữa hai điện tích q1 và q2.
hệ số tỉ lệ k trong hệ SI, 9 2 2 0 1 k = 9.10 ( / ) 4πε Nm C ; 12 0 F ε = 8,85. 10 ( ) m : hằng số điện môi. F (N): lực Coulomb
Hai điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, hai điện tích trái dấu thì hút nhau.
*Thuyết electron
Nội dung chính của thuyết electron trong việc giải thích sự nhiễm điện của các vật:
- Bình thường tổng đại số các điện tích trong nguyên tử bằng khơng, ngun tử trung hồ về điện.
-Nếu ngun tử bị mất đi một số electron thì tổng đại số các điện tích trong nguyên tử là một số dương, nó là một ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử nhận thêm một số electron thì nó là ion âm.
- Khối lượng của electron rất nhỏ nên độ linh động của chúng rất lớn. Vì vậy, do một số điều kiện nào đó (cọ xát, tiếp xúc, nung nóng,...) một số electron có thể bứt ra khỏi nguyên tử, di chuyển trong vật hay di chuyển từ vật này sang vật khác. Electron di chuyển từ vật này sang vật khác làm cho các vật nhiễm điện. Vật nhiễm điện âm là vật thừa electron, vật nhiễm điện dương là vật thiếu electron.
* Định luật bảo tồn điện tích
Nội dung định luật:
Tổng đại số các điện tích trong một hệ cơ lập về điện là không đổi.
Hệ cô lập về điện là hệ khơng trao đổi điện tích với các hệ khác.
* Điện trường
Điện trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh vật tích điện truyền tác dụng lực từ vật tích điện này lên một vật tích điện khác.
Điện trường có hai đặc trưng: đặc trưng về mặt tác dụng lực là cường độ điện trường và đặc trưng về mặt dự trữ thế năng là điện thế.
*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 của một điểm trong điện trường của điện tích điểm Q được tính theo cơng thức
E k Q2
r
là hằng số điện môi của môi trường chứa điểm mà ta cần tính cường độ điện trường.
*Cơng của lực điện. Hiệu điện thế
Bất kì một điện tích nào nằm trong điện trường đều bị điện trường tác dụng lực nên khi điện tích chuyển dời điện trường đã thực hiện công. Độ lớn của công này phụ thuộc vào sự phân bố cường độ điện trường ở những điểm khác nhau của trường và độ dời của điện tích. Nhưng khi điện tích chuyển dời theo đường cong kín thì cơng của lực điện trường bằng khơng.
Thế năng W của một điện tích q trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh cơng của điện trường khi đặt điện tích q tại điểm mà ta đang xét trong điện trường. Công của lực tác dụng lên vật trong trường lực thế bằng độ giảm thế năng của vật đó trong trường lực. Tương tự, điện trường là một trường thế nên công của lực tĩnh điện trong sự dịch chuyển một điện tích q trong điện trường cũng bằng độ giảm thế năng W của điện tích đó trong điện trường.
Ứng với mỗi điểm trong điện trường có một giá trị xác định của tỉ số M
A q
. Vì vậy ta có thể dùng tỉ số này để đặc trưng cho tính chất của điện trường về mặt dự trữ thế năng gọi là điện thế.
M M A V = q
Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện cơng của điện trường khi có một điện tích di chuyển giữa hai điểm đó.
MN M N
U = V - V
Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế trong điện trường đều
E = U
d
trong đó d là khoảng cách giữa hai điểm dọc theo đường sức
*Tụ điện-Năng lượng điện trường
Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.
Điện dung của tụ điện 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 của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó
C =
Đơn vị của C: Fara (F)
Năng lượng điện trường trong tụ: =
2
2.2. Xây dựng hệ thống bài tập chương“Điện tích - Điện trường” vật lí 11
2.2.1. Sơ đồ phân loại bài tập chương “Điện tích - Điện trường”
Hình 2.2. Sơ đồ phân loại bài tập chương ‘‘Điện tích - Điện trường’’
Điện tích – Điện trường
Điện thế - Hiệu điện thế Bài tập về điện trường Lực tương tác tĩnh điện Bài tập về tụ điện Lực tương tác giữa 2 điện tích đứng yên Tương tác của nhiều điện tích Cân bằng của điện tích Độ lớn điện tích Tính cơng của lực điện. Hiệu điện thế Chuyển động của điện tích trong điện trường đều Điện trường do 1 điện tích điểm gây ra Cđđt do nhiều điện tích điểm gây ra Cường độ điện trường tổng hợp triệt tiêu Cân bằng của điện tích trong điện trường Cđđt do vật tích điện có kích thước tạo nên Tính tốn các đại lượng Ghép tụ chưa tích điện Ghép tụ đã chứa điện tích Hiệu điện thế giới hạn Tụ có chứa nguồn. Tụ xoay Mạch cầu tụ Năng lượng điện trường
2.2.2. Soạn thảo hệ thống bài tập chương ‘‘Điện tích - Điện trường’’ 2.2.2.1. Nguyên tắc xây dựng hệ thống bài tập 2.2.2.1. Nguyên tắc xây dựng hệ thống bài tập
Hệ thống bài tập mà giáo viên lựa chọn phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Bài tập phải đi từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp (phạm vi và số lượng các kiến thức, các kĩ năng cần vận dụng một đề tài đến nhiều đề tài, số lượng các đại lượng cho biết và các đại lượng cần tìm…) giúp học sinh nắm được phương pháp giải các bài tập điển hình[14].
- Mỗi bài tập là một mắt xích trong hệ thống bài tập đóng góp một phần nào đó việc củng cố, hồn thiện và mở rộng kiến thức.
- Hệ thống bài tập đa dạng, phong phú cần bao gồm nhiều thể loại bài tập. - Hệ thống bài tập có tác dụng đối với sự phát triển tư duy, bồi dưỡng năng lực sáng tạo cho HS, có thể phân hố HS hướng đến tính tích cực trong nhận thức của HS.
-Các bài tập đã lựa chọn có thể sử dụng ở các khâu khác nhau của quá trình dạy học: nêu vấn đề, hình thành kiến thức mới, củng cố, hệ thống hoá, kiểm tra và đánh giá kiến thức, kĩ năng của học sinh.[14]
- Trong tiến trình dạy học một kiến thức vật lí cụ thể, việc giải hệ thống bài tập mà GV lựa chọn cho HS thường bắt đầu bằng những bài tập tập dượt. Sau đó HS sẽ giải những bài tập có tính chất phức tạp hơn: bài tập tính tốn, bài tập đồ thị… Việc giải các bài tập phải vận dụng kiến thức tổng hợp, những bài tập có nội dung kĩ thuật khơng đầy đủ, những bài tập sáng tạo có thể coi là sự kết thúc việc giải hệ thống bài tập đã lựa chọn.
- Phải chú ý đến việc cá biệt hoá HS trong việc giải BTVL: biến đổi mức độ yêu cầu về số lượng bài tập cần giải về mức độ tự lực của HS trong quá trình giải bài tập.
2.2.2.2. Hệ thống bài tập chương ‘‘Điện tích - Điện trường’’ vật lí 11
Dạng 1:Xác định các đại lượng liên quan đến lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên
Bài 1: Hai vật nhỏ mang điện tích đặt trong khơng khí cách nhau 1m, lực
đẩy giữa chúng bằng 1,8 N. Điện tích tổng cộng của hai vật là 3.10 C5 . Tính điện tích của mỗi vật.
Bài 2: Hai quả cầu kim loại nhỏ giống nhau, mang các điện tích q q1, 2đặt trong khơng khí, cách nhau một đoạn 20cm, chúng hút nhau bằng lực
4
3,6.10 .
F N Cho hai quả cầu tiếp xúc nhau rồi lại đưa về khoảng cách cũ,
chúng đẩy nhau bằng lực ' 4
2,025.10 .
F N Tính q q1, 2.
Bài 3: Hai quả cầu kim loại nhỏ như nhau , mang các điện tích q q1, 2đặt trong khơng khí, cách nhau một đoạn 2cm, chúng đẩy nhau bằng lực
4
2, 7.10 .
F N Cho hai quả cầu tiếp xúc nhau rồi lại đưa về khoảng cách cũ,
chúng đẩy nhau bằng lực ' 4
3, 6.10 .
F N
Tính q q1, 2
Dạng 2: Tìm lực tổng hợp tác dụng lên một điện tích
Bài 4: Hai điện tích 8 8
1 8.10 , 2 8.10
q C q C đặt tại A, B trong khơng khí (AB = 6 cm). Xác định lực tác dụng lên 8 3 8.10 q C đặt tại C, nếu: a, CA = 4 cm, CB = 2 cm. b, CA = 4 cm, CB = 10 cm. c, CA = CB = 5 cm.
Bài 5: Trong chân khơng, cho hai điện tích q1 q2 107C đặt tại hai điểm A và B cách nhau 8cm. Tại điểm C nằm trên đường trung trực của AB và cách AB 3cm người ta đặt điện tích qo 107C. Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên qo.
Bài 6: Người ta đặt 3 điện tích 9 9
1 8.10 , 2 3 8.10
q C q q C tại ba đỉnh của tam giác đều ABC cạnh a = 6 cm trong khơng khí. Xác định lực tác dụng
lên 9
0 6.10
q C đặt ở tâm O của tam giác
Dạng 3: Khảo sát sự cân bằng của một điện tích
Bài 7: Hai điện tích q1 = 2.10-8 C, q2 =- 8.10-8 C đặt tại A, B trong khơng khí, AB = 8 cm. Một điện tích q3 đặt tại C. Hỏi: C ở đâu để q3 nằm cân bằng?
Bài 8: Hai quả cầu kim loại nhỏ giống nhau treo vào một điểm bởi hai
dây l = 20 cm. Truyền cho hai quả cầu điện tích tổng cộng q = 8.10-7C, chúng đẩy nhau, các dây treo hợp thành góc 2900. Cho g = 10 m/s2.
a, Tìm khối lượng mỗi quả cầu.
b, Truyền thêm cho một quả cầu điện tích q’ hai quả cầu vẫn đẩy nhau nhưng góc giữa hai dây treo giảm cịn 600. Tính q’.
Dạng 4: Xác định cường độ điện trường tạo bởi điện tích điểm.
Bài 9: Hai điện tích q1 = q2 = q >0 đặt tại A và B trong khơng khí. cho biết AB = 2a.
a)Xác định cường độ điện trường tại điểm M trên đường trung trực của AB cách AB một đoạn h.
b) Xác định độ lớn cường độ điện trường tại điểm M khi q = 6.10-6 C, a = 8cm, h = 6 cm
Bài 10: Cho hai điện tích điểm cùng dấu có độ lớn q1= 4q2 đặt tại a,b cách nhau 12cm. Điểm có vectơ cường độ điện trường do q1 và q2 gây ra triệt tiêu nhau ở vị trí nào?
Dạng 5: Điện tích trong điện trường đều
Bài 11: Electron đang chuyển động với vận tốc v0 = 4.106 m/s thì đi vào một điện trường đều, cường độ điện trường E = 910 V/m, v0
cùng chiều đường sức điện trường. Tính gia tốc và quãng đường electron chuyển động chậm dần đều cùng chiều đường sức. Mơ tả chuyển động của electron sau đó.
Bài 12: Một e có động năng ban đầu 1500 eV bay vào một tụ phẳng
theo hướng hợp với bản dương một góc 150. Chiều dài mỗi bản tụ 5cm. Khoảng cách giữa hai bản tụ 1cm. Tính hiệu điện thế giữa hai bản để e rời tụ theo phương song song với hai bản.
Mục tiêu sử dụng:Bài tập này được tôi sử dụng trong các tiết dạy bài tập
chương ‘‘Điện tích - Điện trường’’ để củng cố kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải bài tập cho HS.
2.3. Hướng dẫn HS giải bài tập chương “Điện tích - Điện trường” Vật lí 11 có sử dụng phần mềm Mathematica
2.3.1. Phương pháp
Bước 1: Tìm hiểu đề bài .
Đọc kỹ đề bài, ghi ngắn gọn các dữ liệu ban đầu và các đại lượng phải tìm.
Bước 2: Thiết lập các mối quan hệ cơ bản của các dữ liệu ban đầu và các đại lượng phải tìm .Sau đó cụ thể hố bằng các câu lệnh trong chương trình Mathematica.
Bước 3: Luận giải
Khác với phương pháp giải truyền thống học sinh phải tự giải thì với việc sử dụng phần mềm hỗ trợ Mathematica, máy tính sẽ giải và cho ta kết quả ra màn hình.
Bước 4: Kiểm tra xác nhận kết quả
Sau khi có kết quả trên màn hình máy tính , học sinh phải căn cứ vào bài