CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TẬP CÓ NỘI DUNG THỰC TẾ CHỦ ĐỀ “ĐIỆN TRƯỜNG” - VẬT LÍ 11
2.3. Xây dựng các bài tập có nội dung thực tế chủ đề “Điện trường” - Vật lí 11
2.3.2. Xây dựng bài tập cụ thể
Bài tập 1: Quy trình sơn một sản phẩm theo sơn tĩnh điện gồm 4 bước:
Bước 1: Xử lý bề mặt sản phẩm cần phun sơn tĩnh điện Bước 2: Sấy khô sản phẩm trước khi phun sơn tĩnh điện Bước 3: Vào buồng Phun sơn tĩnh điện
Bước 4: Sấy định hình và hoàn thiện sản phẩm
Câu 1.1: ( HV1, M1) Theo quy trình ở hình 1, để thực hiện công việc sơn, người ta làm như sau: “Các hạt sơn được trộn lẫn với khí, được bắn ra từ súng sơn dưới áp suất cao. Các hạt sơn được tích điện âm, vật cần sơn tích điện dương. Giải thích tại sao các hạt sơn bị hút chặt vào bề mặt cần sơn.
Đa: Vì được thực hiện bằng cách cho bột sơn mang điện tích âm, còn bề mặt kim loại mang điện tích dương. Khi sơn, các điện tích dương (+) gặp điện tích âm (-) sẽ hút dính chặt vào bề mặt cần sơn.
Câu 1.2: (HV1, M2) Tại sao phải xử lí vệ sinh bề mặt trước khi sơn tĩnh điện?
Đáp án: Các lớp tạp chất, dầu mỡ, bụi bẩn, gỉ sét bám trên bề mặt làm lớp bột sơn tĩnh điện không bám và phủ đều được vào vật. Bột sơn không bám dính tốt vào bề mặt lẫn tạp chất nên dẫn đến dễ bị bong tróc, phồng rộp dưới tác động của thời tiết và độ ẩm. Các lớp tạp chất còn tạo ra một lớp màng không khí giữa màng sơn và vật, làm cho vật dễ bị oxi hóa, ion hóa. Vì vậy cần phải xử lí vệ sinh bề mặt trước khi sơn tĩnh điện để chất lượng sơn được tốt nhất.
Câu 1.3: (HV2,M2) So với phun sơn thông thường, công nghệ phun sơn tĩnh điện tạo ra sản phẩm có nước sơn đồng đều hơn, sơn bám chặt hơn và có độ bóng độ mịn cao hơn. Hãy giải thích tạo sao?
Đáp án: Tại sơn tĩnh điện là quá trình sử dụng súng phun sơn tĩnh điện phủ một lớp sơn lên bề mặt cần sơn. Trong quá trình sơn thì hạt bột sơn và vật cần sơn được tích điện trái dấu nhau nhằm tạo lực hút để lớp sơn và vật cần sơn dính chặt vào nhau, giúp sản phẩm có độ bền cao hơn.Những sản phẩm sơn tĩnh điện thường có màu sắc chuẩn xác, bóng mịn.
Bài tập 2: (HV3,M2) Quan sát hình, các em có thể trình bày nguyên lý hoạt động của máy lọc không khí dựa trên sơ đồ?
1: Lớp lọc bụi có kích thước lớn 2: Lưới lọc tĩnh điện cực dương 3: Lưới lọc tĩnh điện cực âm 4: Màng lọc vi khuẩn
5: Màng lọc mùi 6: Quạt
Đa: Nguyên lý hoạt động của máy lọc không khí là dựa trên sự phát tán các Ion âm vào trong không khí. Các ion này sẽ bám vào khói bụi, vi khuẩn trong không khí và bản tích điện dương của máy sẽ hút giữ chúng lại trong máy. Máy còn chứa màng thẩm thấu ẩm giúp cân bằng độ ẩm trong không khí.
Bài tập 3: (HV4,M2) Một hiện tượng thiên nhiên đặc biệt phổ biến xảy ra ở khắp mọi nơi trên trái đất của chúng ta, đó là sét. Nó là một luồng điện cực mạnh và sẵn sàng phá hủy mọi thứ mà nó phóng xuống. Những trận mưa dông, những đám mây đen u ám trên bầu trời kéo theo những luồng điện cực đại phóng các tia chớp giữa các đám mây. Khi phóng điện trong khí quyển tia sét có thể di chuyển với tốc độ 36.000 km/s.
Khi mà chỉ cần một tia sét cũng chứa một lượng lớn năng lượng, lượng năng lượng
này tập trung vào một điểm nhỏ và tồn tại trong thời gian rất ngắn (mili giây) do vậy năng lượng điện này cực cao. Hãy giải thích tại sao có hiện tượng phóng tia lửa điện và sau mỗi lần sét đánh ta lại nghe tiếng sấm đùng đùng?
Đa: Khi hai đám mây tích điện trái dấu lại gần nhau, hiệu điện thế giữa chúng rất lớn có thể lên tới hàng triệu vôn. Giữa hai đám mây có hiện tượng phóng tia lửa điện và ta trông thấy một tia chớp. Vài giây sau ta mới nghe thấy tiếng sét đùng đùng, vì sét là sự di chuyển của các ion nhưng hình ảnh của sét là do dòng plasma phát sáng tạo ra nên có thể thấy nó trước khi nghe âm thanh vì chuyện tốc độ ánh sáng nhanh hơn tốc độ âm thanh không phải là vấn đề chính trong chủ đề tĩnh điện, cần nhấn mạnh về sự tích điện của các đám mây (do cọ sát khi di chuyển….), sự ion hóa không khí làm cho không khí bị đánh thủng. Khi đám mây dông tích điện đi gần mặt đất tới những khu vực trống trải, gặp một vật có độ cao như cây cối, người cầm cuốc xẻng… thì sẽ có hiện tượng phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất.
Bài tập 4: Ta dùng vải cọ sát cây thước rồi đưa lại gần quả bóng nhiễm điện dương reo lơ lửng quan sát có hiện tượng gì?
Câu 4.1: (HV1,M1) Có phải là hiện tượng điện hưởng không?Giải thích tại sao?
Đa: Khi ta đưa cây thước nhựa đang cọ sát lại gần quả bóng reo lơ lửng quan sát có hiện tượng chúng hút nhau quả bóng nhiễm điện dương đầu cây thước sẽ nhiễm điệm âm đầu còn lại sẽ nhiễm điện dương. Đây chính là hiện tượng hưởng ứng vì nếu ta đưa quả cầu ra xa thì cây thước sẽ trở lại trạng thái trung hòa về điện.
Câu 4.2: (HV1,M1) Điện trường có tồn tại trong quả bóng và cây thước khi được cọ xát không? Vì sao?
ĐA: Điện trường có tồn tại trong hai vật chất này, vì điện trường là một trường điện tạo ra từ các đường sức điện bao quanh điện tích nên khi chúng tương tác giữa các điện tích thì chúng sẽ tồn tại trong điện trường.
Bài tập 5: (HV2,M2) Nhờ sở hữu tính năng và hiệu suất lọc bụi tốt nên các hệ thống lọc bụi tĩnh điện được áp dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau như: nhà máy sản xuất xi măng, chế biến khoáng sản, bông vải, luyện cán thép, xưởng chế biến gỗ, sản xuất vật liệu xây dựng, các khu công nghiệp,…. Từ sơ đồ hệ thống hút lọc bụi tĩnh điện là dựa trên nguyên ion hóa và tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi qua vùng có trường điện lớn. Giải thích cho khả năng lọc bụi của chúng.
Đáp án: Vì bên trong buồng lọc được đặt các tấm cực song song, khi các hạt bụi nhỏ, nhẹ bay lơ lửng trong không khí được đưa qua buồng lọc có đặt các tấm cực. Mà trên trên các tấm cực, người ta cấp điện cao áp một chiều rất lớn để tạo thành một điện trường có cường độ lớn. Về nguyên lý “trái dấu hút nhau” nên các phân tử bị ion hóa thành ion dương (vùng 3) và khi đi qua vùng điện cực (vùng 4) ta thấy các hạt bụi bị hút, bám chặt vào điện cực âm.
Bài tập 6: (HV1,M2) Trong thực tế quả cầu plasma tạo ra một điện trường mạnh khi ta đưa một bóng đèn lại gần quả cầu plasma tích điện đang đứng yên, ta thấy bóng đèn phát sáng. Tăng dần khoảng cách giữa bóng đèn và quả cầu plasma ta thấy độ sáng giảm dần rồi tắt hẳn. Hãy giải thích tại sao?
Đáp án: Quả cầu plasma tạo ra một điện trường mạnh xung quanh. Điện trường này làm cho các electron bên trong bóng đèn được gia tốc, và những electron chuyển
động đó kích thích bóng đèn phát sáng. Vì độ lớn cường độ điện trường giảm dần theo khoảng cách từ nên càng xa quả cầu, cường độ điện trường càng giảm, độ sáng của đèn càng giảm dần, đến một lúc cường độ điện trường không đủ để gia tốc electron, bóng đèn tắt hẳn.
Bài tập 7: (HV2,M2) Quan sát hình bên, tính điện tích, năng lượng tối đa của tụ thông thường và siêu tụ điện trong hình. Tụ điện nào có khả năng tích trữ năng lượng lớn hơn, giải thích vì sao?
Đa: Q1=C.U=1000.10-6.63=63.10-3 (C)
W1= .1000.10-6. =1.9845 (J) Q2=C.U=1000.2,7=2700(C)
W2= .1000. = 3645 (J)
Sau khi tính toán năng lượng giữa hai tụ thì siêu tụ điện dung lượng cao có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng gấp gần 10 đến 100 lần năng lượng so với các tụ điện thông thường. Vì điện dung tỉ lệ với năng lượng khi điện dung càng lớn năng lượng của siêu tụ điện càng lớn thì khả năng sạc nhanh hơn và cung cấp năng lượng nhanh hơn.
Câu 7.1: (HV2,M1) Hãy nêu một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống mà em biết?
ĐA:
- Trong bộ chọn sóng của máy thu thanh vô tuyến - Trong bộ chỉnh lưu dòng điện xoay chiều
- Trong máy khử rung tim - Trong máy tạo nhịp tim
- Trong bộ lưu trữ điện trong đèn flash máy ảnh
Bài tập 8:(HV2,M3) Mạch nguồn một chiều là mạch điện quan trọng trong các thiết bị điện. Mạch có nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều để cung cấp cho các thiết bị điện tử.
Một ví dụ thực tế về mạch nguồn một chiều được cho như hình vẽ
Khối 1 là biến áp nguồn: dùng để tăng áp hoặc hạ áp điện xoay chiều 220V
Khối 2 là mạch chỉnh lưu: dùng các diod để biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều
Khối 3 là mạch lọc nguồn: dùng các tụ điện có điện dung lớn kết hợp với cuộn cảm để giảm độ gợn của điện áp ra. Căn cứ vào các thông số của các tụ cho trên sơ đồ, hãy tính điện tích và năng lượng lớn nhất mà các tụ C1, C2 tích được.
Khối 4 là mạch ổn định: dùng để giữ cho mức điện áp một chiều ra trên tải luôn ổn định. Căn cứ vào thông số cho trên sơ đồ, điện tích và năng lượng của tụ C3 là bao nhiêu?
Giải
Đối với tụ C1 và C2, điện tích và năng lượng lớn nhất mà chúng có thể tích được là
Qmax = C1.Umax = 50.1000.10-6 = 0,05(C) Wmax = .1000.10-6. = 1,25 (J) Đối với tụ C3, điện tích và năng lượng nó tích được là Q3 = C3.Ura = 0,1.10-6.12 = 1,2.10-6 (C)
W3 =
Bài tập 9: (HV2, M3)Hiện nay, chúng ta thấy các trạm sạc ô tô điện, xe buýt, xe lửa, thang máy đều sử dụng siêu tụ điện ở nơi công cộng. Có điện áp hoạt động 3,8V, điện dung của tụ 220F được sử dụng chủ yếu tại các trạm sạc nhanh trên cao tốc, trạm dừng nghỉ.Hãy tính:
a) Điện tích của tụ
b) Năng lượng của tụ
c) Thông thường nếu chúng ta sạc xe điện ở nhà mất khoảng 6-8h nhưng khi đến các trạm thì chỉ mất khoảng 20 phút. Giải thích vì sao?
Đa: a) Q=C.U=220.3,8=836(C)
b) W= .220. = 1588,4(J)
c) Trong thực tế, trạm sạc xe điện cũng giống như bộ sạc ở nhà, chúng sử dụng nguồn 220V, qua chỉnh lưu và cung cấp điện áp và dòng sạc phù hợp. Có thể sạc nhanh ở trạm vì các trạm có công nghệ sạc nhanh, chúng cung cấp công suất sạc lớn nên giảm được thời gian sạc.
Bài tập 10: (HV2, M3) Điện trung thế là các đường điện thuộc cấp điện áp từ 15kV (15.000V).Vị trí nối đất là A.Ở các mức điện áp này có thể gây ra phóng điện khi vi phạm khoảng cách an toàn (người hoặc vật đến gần dây điện hoặc thiết bị điện dưới 0,7m) vị trí B. Đường điện trung thế được sử dụng dây bọc gắn trên trụ bằng sứ cách điện. Nguồn điện này được treo trên cột bê tông ly tâm, cao từ 12m vị trí C, sứ cách điện là sứ đỡ hoặc sứ treo. Tính:
a) Cường độ điện trường?
b) Thế năng nằm trong điện trường?
Cường độ điện trường giữa hai bản tụ cũng chính là cường độ điện trường tại mọi điểm phía trong bản tụ (vì đây là điện trường đều): E= V/h=
= 1250 (C)
Thế năng điện trong điện tích nằm trong điện trường: W=V.e= 15000.1,6.10-19= 2,4.10-15 (J)