Lý thuyết và bài tập bài 3 công của lực điện, hiệu điện thế của chương trình vật lý 11 nâng cao được Kiến Guru biên soạn nhằm giúp các bạn nắm bắt những kiến thức lý thuyết quan trọng của bài này, từ đó vận dụng vào làm những bài tập cụ thể. Đặc biệt, Kiến Guru sẽ hướng dẫn các em làm những bài tập bám sát chương trình SGK lý 11 nâng cao để có thể làm quen và thành thạo những bài tập của phần này.
I. Những lý thuyết cần nắm trong Bài 4: Công của lực điện, hiệu điện thế [ vật lý 11 nâng cao]
Để làm tốt các dạng bài tập vật lý 11 nâng cao bài 4: Công của lực điện, hiệu điện thế, các em cần nắm vững các lý thuyết dưới đây:
1. Công của lực:
- Công của lực tác dụng lên một điện tích sẽ không phụ thuộc vào dạng đường đi của điện tích đó mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của đường đi trong điện trường.
- Biểu thức: A = q.E.d
Trong đó: d là hình chiếu của quỹ đạo lên phương đường sức điện
2. Khái niệm hiệu điện thế
a. Công của lực điện và hiệu thế năng của điện tích
AMN=WM-WN
b. Hiệu điện thế, điện thế
- Điện thế tại một điểm M trong điện trường là đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường về khả năng sinh công khi đặt nó tại một điện tích q, được xác định bằng thương của công lực điện tác dụng lên q khi di chuyển q từ M ra vô cực và độ lớn của q.
- Biểu thức: VM=AMq
- Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường nếu có một điện tích di chuyển giữa hai điểm đó
Biểu thức: UMN=VM-VN=AMN/q
- Chú ý:
+ Điện thế và hiệu điện thế là đại lượng vô hướng có giá trị dương hoặc âm;
+ Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N trong điện trường có giá trị xác định còn điện thế tại một điểm trong điện trường có giá trị phụ thuộc vào vị trí ta chọn làm gốc điện thế.
+Trong điện trường, vectơ cường độ điện trường sẽ có hướng từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp.
3. Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế
II. Bài tập vật lý 11 nâng cao: Công của lực điện, hiệu điện thế
Vận dụng các lý thuyết ở trên để giải các bài tập trong bài: Công của lực điện, hiệu điện thế
Bài 1/ SGK Vật lý 11 nâng cao trang 22: Mỗi điện tích q chuyển động trong điện trường [đều hay không đều] theo một đường cong kín. Gọi công của lực điện trong chuyển động đó là A thì
A. A > 0 nếu q > 0
B. A > 0 nếu q < 0
C. A ≠ 0 nếu điện trường không đổi
D. A = 0
Hướng dẫn: Một điện tích q chuyển động trong điện trường [đều hay không đều] theo một đường cong kín tức là điểm đầu và điểm cuối trùng nhau, nên A = 0
Đáp án: D
Bài 2/ SGK Vật lý 11 nâng cao trang 22: Chọn phương án đúng. Cho ba điểm M, N, P trong một điện trường đều. MN = 1 cm, NP = 3 cm;UMN=1V;UMP=2V. Gọi cường độ điện trường tại M, N, P là EM, EN, EP
A. EN>EM
B. EP= 2EN
C. EP= 3EN
D. EP=EN
Hướng dẫn: Trong điện trường đều, cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau.
⇒EM =EN=EP
Đáp án: D
Bài 3/ SGK Vật lý 11 nâng cao trang 23: Một điện tích q chuyển động từ điểm M đến điểm N, từ điểm N đến điểm P như trên hình 4.4 thì công của lực điện trong mỗi trường hợp bằng bao nhiêu ? Giải thích?
Hình 4.4
Hướng dẫn:
Vì M, N, P nằm trên cùng một đường thẳng vuông góc với đường sức của điện trường đều, nên điện thế của các điểm này bằng nhau VM=VN=VP
Lại có: AMN=WM-WN=q.UMN=q.[VM-VN]
ANP=WN-WP=q.UNP=q.[VN-VP]
⇒ AMN=ANP=0
Bài 4/SGK Vật lý 11 nâng cao trang 23: Hai tấm kim loại đặt song song, cách nhau 2cm, được nhiễm điện trái dấu nhau và có độ lớn bằng nhau. Muốn điện tích q = 5.10-10C di chuyển từ tấm này đến tấm kia cần tốn một công A = 2.10-9J. Hãy xác định cường độ điện trường bên trong hai tấm kim loại đó. Cho biết điện trường bên trong hai tấm kim loại đã cho là điện trường đều và có đường sức vuông góc với các tấm.
Hướng dẫn:
Công của lực điện trường tác dụng lên điện tích q khi di chuyển trong điện trường đều E là: A= q.E.d
Cường độ điện trường bên trong hai tấm kim loại:
Bài 5/SGK Vật lý 11 nâng cao trang 23: Một electron chuyển động dọc theo đường sức của một điện trường đều. Cường độ điện trường E = 100V/m. Vận tốc ban đầu của electron bằng 300 km/s. Hỏi electron chuyển động được quãng đường dài bao nhiêu thì vận tốc của nó bằng không? Cho biết khối lượng electron m = 9,1.10-31kg.
Hướng dẫn:
Công của lực điện trường thực hiện trên electron : A12=F.d=q.F.d
Mặt khác, theo định lý động năng:
Quãng đường mà electron đi được cho đến khi vận tốc của nó bằng không là:
Bài 6/SGK Vật lý 11 nâng cao trang 23: Hiệu điện thế giữa hai điểm M, N là UMN = 1V. Một điện tích q = -1 C di chuyển từ M đến N thì công của lực điện bằng bao nhiêu? Giải thích ý nghĩa của kết quả tính được.
Hướng dẫn:
Công của lực điện khi điện tích q = -1 C di chuyển từ M đến N là:
Ý nghĩa : Vôn là hiệu điện thế giữa hai điểm M, N mà khi có một nguồn điện tích âm -1 C di chuyển từ điểm M đến điểm N thì lực điện sẽ thực hiện một công âm là -1 J.
Bài 7/SGK Vật lý 11 nâng cao trang 23: Một quả cầu nhỏ khối lượng 3,06. 10-15kg nằm lơ lửng giữa hai tấm kim loại song song nằm ngang và nhiễm điện trái dấu. Điện tích của quả cầu đó bằng 4,8.10-18C. Hai tấm kim loại cách nhau 2cm. Hãy tính hiệu điện thế đặt vào hai tấm đó. Lấy g = 10m/s2
Hướng dẫn:
Để quả cầu nhỏ nằm lơ lửng giữa hai tấm kim loại nhiễm điện trái dấu thì lực điện trường phải cân bằng với mọi trọng lực của quả cầu:
Ta có:
Đây là tài liệu biên soạn về lý thuyết và bài tập vật lý 11 nâng cao bài 4: Công của lực điện, hiệu điện thế. Hy vọng tài liệu này của Kiến Guru sẽ giúp các em học tập tốt hơn.
Câu 8: SGK trang 29:
Có hai bản kim loại phẳng song song với nhau và cách nhau 1 cm. Hiệu điện thế giữa hai bản dương và bản âm là 120 V. Hỏi điện thế tại điểm M nằm trong khoảng giữa hai bản, cách bản âm 0,6 cm sẽ là bao nhiêu ? Mốc điện thế ở bản âm.
Xem lời giải
1. Điện thế
a] Khái niệm điện thế.
Trong công thức tính thế năng của một điện tích q tại một điểm M trong điện trường WM= VMq thì hệ số VMkhông phụ thuộc q, mà chỉ phụ thuộc điện trường tại M. Nó đặc trưng cho điện trường về phương diện tạo ra thế năng của điện tích q. Ta gọi nó là điện thế tại M :
b] Định nghĩa
Điện thế tại một điểm M trong điện trường là đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường về khả năng sinh công khi đặt nó tại một điện tích q. Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên q khi q di chuyển từ M ra vô cực và độ lớn của q :
c] Đơn vị điện thế.
Đơn vị điện thế là Vôn, kí hiệu là V.
Trong công thức [5.1], nếu q = 1 C, AM∞= 1 J thì VM= 1 V.
d] Đặc điểm của điện thế.
- Điện thế là đại lượng số. Trong công thức
vì q > 0 nên nếu AM∞>0 thì VM> 0. Nếu AM∞< 0 thì VM< 0.
- Điện thế của đất và của một điểm ở vô cực thường lấy bằng 0. [Vđất= 0].
- Điện thế tại điểm M gây bởi điện tích q:
- Điện thế tại một điểm do nhiều điện tích gây ra:V=V1+V2+...+VM
2. Hiệu điện thế
a] Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N là hiệu điện thế giữa VMvà VN. [Hình 5.1]
UMN= VM– VN. [5.2]
b] Định nghĩa
Từ công thức [5.2] ta suy ra :
Mặt khác ta có thể viết AM∞=AMN+ AN∞
Kết quả thu được
Vậy hiệu điện thế giữa hai điểm M và N trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của lực điện trong sự di chuyển của điện tích từ M đến N. Nó được xác định bằng thương số công của lực điện tác dụng lên điện tích q trong sự di chuyển của M và N và độ lớn của q.
Đơn vị hiệu điện thế cũng là Vôn [V].
Vôn là hiệu điện thế giữa hai điểm mà nếu di chuyển điện tích q = 1 C từ điểm nọ đến điểm kia thì lực điện sinh công là 1 J.
c] Đo hiệu điện thế
Bạn có thể sử dụng vôn kế để đo hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ
dụng cụ vôn kế cơ và vôn kế điện tử dùng để đo hiệu điện thế.
Khi đo điện áp giữa hai điểm MN vôn kế chỉ 5V => UMN=5V có nghĩa là Điện thế tại điểm M lớn hơn điện thế tại điểm N là 5V [ VM – VN=5V] khi đó dòng các điện tích dương sẽ dịch chuyển từ điểm M về điểm N
Khi đo điện áp giữa hai điểm MN vô kế chỉ -5V => UMN=-5V có nghĩa là Điện thế tại điểm M nhỏ hơn điện thế tại điểm N là 5V [VM – VN=-5V] khi đó dòng các điện tích dương sẽ dịch chuyển từ điểm N về điểm M
=>ta luôn có: UMN = – UNM
d/ Công thức liên hệ giữa điện áp [hiệu Điện thế] và cường độ điện trường xét điện trường đều giữa hai bản kim loại đặt song song tích điện trái dấu đặt cách nhau một khoảng là d khi đó ta có công thức liên hệ giữa điện áp [hiệu Điện thế] và cường độ điện trường
U=Aq=qEdq=EdU=Aq=qEdq=Ed
Trong đó:
- U: điện áp [hiệu Điện thế] giữa hai bản kim loại [V]
- E: cường độ điện trường [V/m]
- d: khoảng cách giữa hai bản kim loại [m]
3.Hiệu điện thế được sinh ra được sinh ra như thế nào?
Hiệu điện thế được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau, mỗi nguồn sẽ cho ra những hiệu điện thế nhất định. Các nguồn sinh ra hiệu điện thế gồm:
- Trường tĩnh điện.
- Dòng điện chạy qua từ trường.
- Trường từ thay đổi theo thời gian.
4. Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện
- Cường độ dòng điện được tạo ra bởi những điện áp nhất định, có nghĩa là điện áp có thể tạo nên cường độ dòng điện.
- Trong một điện trường thì nhất định phải có điện áp và không cần thiết phải có cường độ dòng điện khi đã có điện áp.
- Như vậy, hiệu điện thế và cường độ dòng điện có mối tương quan mật thiết với nhau để tạo nên dòng điện sử dụng cho mục đích hằng ngày của con người.
5.Sự khác nhau và cách phân biệt hiệu điện thế với cường độ dòng điện
Sự khác nhau giữa hiệu điện thế với cường độ dòng điện
Hiệu điện thế và cường độ dòng điện đều được dùng để mô tả cách các dòng electron hoạt động. Tuy nhiên, chúng vẫn có những điểm khác nhau, cơ bản như sau:
- Hiệu điện thế xác địnhsự khác biệtdòng điện ở hai điểm.
- Cường độ dòng điện xác địnhtốc độcủa dòng điện khi di chuyển từ điểm này qua điểm kia.
6.Cách phân biệt hiệu điện thế với cường độ dòng điện
Mục đích xác định
- Hiệu điện thế được dùng để xác định sự khác biệt của dòng điện ở 2 điểm bất kỳ trong điện trường.
- cường độ dòng điện dùng để xác định tốc độ của dòng điện khi chuyển động từ điểm A đến điểm B bất kỳ.
Đơn vị tính
- Điện áp có đơn vị tính sẽ là Vôn, kí hiệu là V.
- Cường độ dòng điện có đơn vị tính là Ampe, kí hiệu là A.
Kí hiệu
- Hiệu điện thế được kí hiệu là U.
- Cường độ dòng điện được kí hiệu là I
7.Lưu ý về hiệu điện thế giữa hai điểm bất kì
- Hiệu điện thế được hiểu một cách đơn giản là một đại lượng vô hướng. Đại lượng này có giá trị dương hoặc âm tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể khác nhau. Đại lượng vô hướng nhưng khi xác định giá trị của điện áp giữa 2 điểm bất kỳ thì có thể xác định được giá trị một cách chính xác và tuyệt đối.
- Hiệu điện thế giữa 2 điểm A và B bất kỳ trong điện trường sẽ có giá trị luôn luôn xác định. Giá trị này sẽ tính ra được nhờ vào công thức tính điện thế. Còn đối với tại 1 điểm bất kỳ trong điện trường thì giá trị còn phụ thuộc vào điểm được chọn làm gốc. Điểm làm gốc này có thể xa hay gần tùy vào từng trường hợp khác nhau để lựa chọn.
- Để xác định hướng của vector cường độ điện trường thì có thể xác định hướng của điện thế cao sang điện thế thấp. Không bao giờ có trường hợp xác định từ điện thế thấp đến điện thế cao.