Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 11: Định luật Coulomb về tương tác tĩnh điện
Giải bài 11: Định luật Coulomb về tương tác tĩnh điện sách Vật lí 11 chân trời sáng tạo. Phần đáp án chuẩn, hướng dẫn giải chi tiết cho từng bài tập có trong chương trình học của sách giáo khoa. Hi vọng, các em học sinh hiểu và nắm vững kiến thức bài học.
MỞ ĐẦU
Câu hỏi: Vào những ngày thời tiết lạnh, đặc biệt là vào mùa đông, ta thường hay gặp một số hiện tượng như: bị điện giật khi chạm tay vào tay nắm cửa kim loại (Hình 11.1) hay nghe tiếng lách tách khi thay quần áo. Vậy nguyên nhân của hiện tượng này là gì?
Hướng dẫn trả lời:
Đây chính là hiện tượng tĩnh điện và chúng không gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Thông thường, yếu tố tĩnh điện từ quần áo, chăn chủ yếu do nguyên liệu, tính chất lý hóa của các loại xơ sợi bên trong. Tĩnh điện là hiện tượng xảy ra do mất cân bằng điện tích trên bề mặt của một vật liệu, do sự tương tác giữa các điện tích với nhau.
1. SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC ĐIỆN TÍCH
Câu hỏi 1: Xét quả cầu kim loại nhỏ có điện tích $-3,2.10^{-7}$C. Qủa cầu này thừa hay thiếu bao nhiêu electron?
Hướng dẫn trả lời:
Qủa cầu này có điện tích âm nên quả cầu thừa electron và thừa số electron là:
$n=\frac{q}{e}=\frac{-3,2.10^{-7}}{-1,6.10^{-19}}=2.10^{12}$ electron
Câu hỏi 2: Sử dụng một số dụng cụ đơn giản mảnh lụa, miếng thuỷ tinh, vụn giấy nhỏ, lược nhựa, quả bóng bay, vỏ lon,... em hãy thực hiện thí nghiệm:
a) Làm nhiễm điện cho các vật.
b) Về tương tác giữa các vật nhiễm điện.
Hướng dẫn trả lời:
+ Dùng thước nhựa (hoặc lược nhựa, miếng thuỷ tinh) cọ xát với vải khô hoặc mảnh lụa, sau đó để gần các vụn giấy nhỏ hoặc gần tóc, ta sẽ thấy thước nhựa hút các vụn giấy nhỏ hoặc tóc.
+ Dùng quả bóng bay cọ xát với tóc rồi kéo dãn quả bóng bay ra, ta thấy quả bóng bay hoặc đã qua hoạt, bay gần các vua giấy nhỏ ta thấy gi hút các sợi tóc; hoặc để quả bóng bay gần các vụn giấy nhỏ, ta thấy quả bóng bay cũng hút các vụn giấy
Luyện tập: Giải thích hiện tượng bị điện giật trong các trường hợp:
a) Khi chạm tay vào nắm cửa kim loại trong thời tiết hanh khô (Hình 11.1).
b) Khi chạm tay vào vỏ kim loại của máy tính đang hoạt động.
Hướng dẫn trả lời:
Khi chúng ta mặc, co kéo quần áo; chải đầu bằng lược nhựa hoặc thực hiện các hoạt động khác, cơ thể của chúng ta có thể bị nhiễm điện. Lúc đó, khi tay người chạm vào nắm cửa kim loại thì sẽ có một dòng điện tích được phóng ra giữa tay người và nắm cửa kim loại trong khoảng cách gần gây ra hiện tượng điện giật. Tương tự, khi máy tính hoạt động, trong một số điều kiện, vỏ kim loại của máy tính có thể bị nhiễm điện. Khi tay người chạm vào vỏ kim loại của máy tính, sẽ có một dòng điện tích được phóng ra giữa tay người và vỏ kim loại của máy tính trong khoảng cách gần gây ra hiện tượng điện giật.
Vận dụng: Ngày nay, công nghệ sơn tĩnh điện (Hình 11.4) được sử dụng rất phổ biến với các ưu điểm vượt trội so với công nghệ sơn thường. Từ các nguồn tư liệu sách, báo, internet,... em hãy viết một bài giới thiệu ngắn về công nghệ sơn tĩnh điện.
Hướng dẫn trả lời:
Công nghệ sơn tĩnh điện trong tiếng anh có tên là Electro Static Power Coating Technology. Nó được xem là công nghệ hiện đại nhất hiện nay, được phát minh vào đầu thập niên những năm 1950 bởi tiến sỹ Erwin. Qua nhiều lần cải tiến bởi các nhà khoa học, nhà sản xuất và chế tạo thiết bị, đã giúp cho công nghệ sơn tĩnh điện ngày một tối ưu hơn giúp cho chất lượng sản phẩm và giá thành tốt hơn rất nhiều.
Hai dạng sơn tĩnh điện:
- Sơn tĩnh điện dạng khô (sơn bột): Là dạng phun bột trực tiếp không pha. Được ứng dụng sơn cho các sản phẩm bằng kim loại: sắt thép, nhôm, inox...
- Sơn tĩnh điện dạng ướt (sử dụng dung môi): Là dạng pha bột với dung môi hoặc nước. Được ứng dụng sơn cho các sản phẩm bằng kim loại, nhựa, gỗ,...
Hiện nay, chất liệu sơn tĩnh điện dạng bột được sử dụng phần lớn bởi tính hiệu quả mà hệ thống phun bột mang lại, nó cao hơn nhiều so với phun sơn dạng dung môi hoặc dạng nước. Sau khi phun, lượng bột không bám vào chi tiết sẽ được thu hồi và tái sử dụng lại lên đến trên 90%. So với các kỹ thuật phun sơn dạng ướt thì dạng bột có độ phủ lớn hơn. Lý do bởi vì dạng bột có thể phủ lên tất cả các góc cạnh và bề mặt của chi tiết mà chúng không thể trực diện với súng phun được.
TÌM HIỂU VỀ SƠN TĨNH ĐIỆN
Sơn tĩnh điện là một dạng vật liệu phủ được làm bằng một hợp chất hữu dạng bột được gia nhiệt, hay còn gọi là nhựa nhiệt dẻo. Sở dĩ được gọi tên là sơn tĩnh điện vì nó sử dụng phương pháp tích điện cho bột sơn nhằm tạo liên kết ion với chi tiết cần phủ. Sơn tĩnh điện còn được gọi là sơn khô vì tính chất phủ ở dạng bột, khi sử dụng bột sơn sẽ được tích một điện tích dương (+) và được đưa qua thiết bị được gọi là súng sơn tĩnh điện, đồng thời vật liệu cần sơn cũng sẽ được tích một điện tích âm (-) nhằm hình thành một lực hút tĩnh điện giữa hai ion trái dấu, hay còn gọi là liên kết ion. Do đây là một dạng liên kết ion nên bột sơn sẽ có độ bám dính rất tốt và bền.
Thành phần công thức của bột sơn sử dụng cho công nghệ sơn tĩnh điện bao gồm: Hợp chất polymer hữu cơ (Organic Polymer), curatives, bột màu, chất làm đều màu, và các chất phụ gia khác. Tất cả được trộn lại với nhau và được làm nóng chảy tạo để thành hỗn hợp đồng nhất, sau đó được làm nguội và nghiền thành dạng bột mịn, được gọi là bột sơn tĩnh điện.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CÔNG NGHỆ SƠN TĨNH ĐIỆN
Sơn tĩnh điện được phủ lên trên bề mặt vật liệu bằng một loại súng phun sơn đặc biệt. Khi bột sơn tĩnh điện đi qua súng phun tĩnh điện sẽ được đun nóng và tích điện dương (+) tại đầu kim phun, sau đó đi qua kim phun và di chuyển theo điện trường để đến vật liệu sơn đã tích điện âm (-). Lúc này nhờ vào lực hút giữa các ion điện tích, bột sơn từ từ bám vào quanh vật liệu sơn. Phương pháp này giúp cho bột sơn được rải đều quanh vật liệu, và có thể di chuyển vào hầu hết các bề mặt bị khuất.
Nhìn chung, công nghệ phun sơn tĩnh điện khá là đơn giản, trong đó thiết bị chính là một súng phun tĩnh điện cùng với bộ điều khiển tự động. Bên cạnh đó là các thiết bị hỗ trợ khác như buồng phun sơn, thiết bị thu hồi bột sơn, buồng hấp bằng tia hồng ngoại (giúp điều chỉnh nhiệt độ và thời gian tắt mở). Các thiết bị hỗ trợ phun sơn như máy nén khí, hệ thống trước khi sơn như máy tách ẩm khí nén, các bồn chứa hóa chất bằng composite nhằm giúp cho xử lý bề mặt vật liệu trước khi sơn.
Trong quá trình sơn tĩnh điện, vật liệu phủ cần được làm nóng ở nhiệt độ cao nhằm tránh cho bột sơn bị khô trước khi tiếp xúc tới vật liệu phủ. Do đó, bạn sẽ thấy nó chỉ thường áp dụng cho những vật phẩm bằng kim loại hoặc những vật có khả năng chịu được nhiệt độ cao. Quá trình làm nóng này tiêu tốn khá nhiều thời gian và công sức, nên để tối ưu cho sản xuất thì các mẻ sơn sẽ có đồng nhất một màu.
QUY TRÌNH PHUN SƠN TĨNH ĐIỆN
+ Bước 1: Chuẩn bị/xử lý bề mặt trước khi sơn.
+ Bước 2: Phun sơn tĩnh điện.
+ Bước 3: Sấy sơn.
+ Bước 4: Kiểm tra, đóng gói sản phẩm.
Sơn tĩnh điện là dòng sơn có khả năng chống chịu tốt với thời tiết, độ bền cao, đa dạng về màu sắc và có tính ứng dụng rất tốt vì vậy thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như:
- Sơn kệ sắt thép mạ kẽm
- Sơn hàng rào sắt thép
- Sơn cổng sắt, cổng nhôm
- Sơn quạt máy công nghiệp, lò nướng
- Sơn khung võng làm bằng kim loại
- Sơn khung cửa sắt thép
- Sơn nội thất kim loại
2. ĐỊNH LUẬT COULOMB
Câu hỏi 3: Các cặp lực $\vec{F_{12}}$ và $\vec{F_{21}}$ trong Hình 11.5 có phải là các cặp lực cân bằng không? Vì sao?
Hướng dẫn trả lời:
Các cặp lực $\vec{F_{12}}$ và $\vec{F_{21}}$ trong Hình 11.5 không phải là các cặp lực cân bằng vì điểm đặt của chúng ở hai điện tích khác nhau.
Câu hỏi 4: Một mẩu sắt nhỏ 6 g có thể chứa khoảng $10^{24}$ electron. Vậy vì sao các electron này không bay ra khỏi mẫu sắt, mặc dù giữa chúng luôn tồn tại lực đẩy?
Hướng dẫn trả lời:
Nguyên nhân là do ngoài lực tương tác đẩy giữa các electron vẫn có lực tương tác hút giữa electron và hạt nhân (lực hút giữa electron – hạt nhân lớn hơn lực đẩy giữa các electron với nhau).
Câu hỏi 5: Hai vật nhỏ tích điện cùng dấu, ban đầu được giữ ở vị trí rất gần nhau. Dựa vào công thức (11.1), em hãy mô tả đặc điểm chuyển động của hai vật ngay thời điểm khi chúng được thả tự do. Giả sử hai vật chỉ chịu tác dụng của lực tương tác tĩnh điện giữa chúng.
Hướng dẫn trả lời:
Ngay thời điểm khi hai vật nhỏ được thả tự do, dưới tác dụng của lực tương tác tĩnh điện, cả hai vật được gia tốc và chuyển động nhanh dần ra xa nhau.
Luyện tập: Theo mô hình nguyên tử của nhà vật lí Ernest Rutherford (Ơ-nít Rơ-dơ-pho) (1871- 1937), nguyên tử gồm hạt nhân (tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử và có kích thước rất nhỏ so với bán kính nguyên tử) mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân.
Xét mô hình nguyên tử Rutherford cho nguyên tử hydrogen (Hình 11.6), em hãy cho biết lực giữ cho electron chuyển động tròn quanh hạt nhân là lực gì? Xác định phương, chiều của lực đó.
Hướng dẫn trả lời:
Lực giữ cho electron chuyển động tròn quanh hạt nhân là lực tương tác tĩnh điện giữa electron và proton (lực hút). Lực này có phương nằm trên bán kính quỹ đạo và luôn có chiều hướng vào tâm quỹ đạo. Do đó, lực này đóng vai trò như lực hướng tâm, giữ cho electron chuyển động trên quỹ đạo tròn quanh hạt nhân.
Vận dụng: Tại 3 điểm A, B, C cố định trong chân không, đặt 3 điện tích điểm có giá trị lần lượt là $q_{1} = 6.10 ^ {- 6} C ,q_{2} = - 6.10 ^ {- 6}C$ và $q_{3} = 3.10 ^ {- 6}C$. Biết AB = 3 cm, AC = 4cm và BC = 5cm Tính độ lớn lực tác dụng lên điện tích điểm đặt tại C.
Hướng dẫn trả lời:
Lực tương tác giữa điện tích q1 tác dụng lên điện tích q3 là:$F_{13}=k\frac{q_{1}q_{3}}{AC^{2}}=9.10^{9}.\frac{|6.10 ^ {- 6}.3.10^{-6}|}{0,04^{2}}=101,25N$
Lực tương tác giữa điện tích q2 tác dụng lên điện tích q3 là:
$F_{23}=k\frac{q_{2}q_{3}}{AC^{2}}=9.10^{9}.\frac{|-6.10 ^ {- 6}.3.10^{-6}|}{0,05^{2}}=64,8N$
Ta có góc tạo bởi hai vector $\vec{F_{13}}$ và $\vec{F_{23}}$ là $\alpha = 143,13^{\circ}$
Độ lớn tác dụng lên điện tích q3 là $F^{3}=\sqrt{F_{13}^{2}+F_{23}^{2}+2F_{13}F_{23}cos\alpha }$
$=\sqrt{101,25^{2}+64,8^{2}+2.101,25.64,8.cos143,13^{\circ}}=62,873N$
BÀI TẬP
Bài 1: Sau khi cọ xát thanh thuỷ tinh (trung hoà về điện) với mảnh lụa, thanh thuỷ tinh tích điện dương và có giá trị 13 nC. Hãy giải thích quá trình tích điện cho thanh thuỷ tinh và xác định số electron đã bị bứt ra khỏi thanh thuỷ tinh.
Hướng dẫn trả lời:
Khi cọ xát thanh thuỷ tinh và mảnh lụa với nhau, các electron sẽ dịch chuyển từ thanh thuỷ tinh sang lụa. Do đó, thanh thuỷ tinh mất bớt electron và trở thành vật nhiễm điện dương. Số electron đã bứt ra khỏi thanh thuỷ tinh:
$n=\frac{|q|}{e}=\frac{13.10^{-9}}{1,6.10^{-19}}=8,125.10^{10}$ electron
Bài 2: Một phân tử DNA bao gồm hai nhánh xoắn kép được liên kết với nhau có chiều dài $0,459.10 ^ {- 6}$ m. Phần đuôi của phân tử có thể bị ion hoá mang điện tích âm $q_{1} = - 1,6.10 ^ {- 19}$ C đầu còn lại mang điện tích dương $q_{2} = 1,6.10 ^ {- 19}$ C. Phân tử xoắn ốc này hoạt động như một lò xo và bị nén 1% sau khi bị tích điện. Xác định “độ cứng k” của phân tử. Biết phân tử DNA trong nhân tế bào và môi trường xung quanh là nước; hằng số điện môi của nước là 81.
Hướng dẫn trả lời:
Khoảng cách của phân tử sau khi tích điện là:$r=99$%$l=0,99.0,459.10^{- 6}=0,454.10^{-6}$m
Độ cứng K cần tìm là:
$F=k\frac{q_{1}.q_{2}}{\varepsilon r^{2}}=9.10^{9}\frac{-1,6.10^{-19}.1,6.10^{-19}}{81.(0,454.10^{-6})^{2}}=1380,02.10^{-20}N$
Bài 3: Hai quả cầu A, B có kích thước nhỏ được đặt cách nhau một khoảng 12 cm trong chân không. Biết quả cầu A có điện tích $- 3,2.10 ^ {- 7}$ C và quả cầu B có điện tích $2,4.10^ {- 7 }$C
a) Tính lực tương tác giữa hai quả cầu.
b) Cho hai quả cầu tiếp xúc với nhau, sau đó đặt cách nhau một khoảng như lúc đầu. Biết rằng, sau khi tiếp xúc, hai quả cầu có điện tích bằng nhau. Tính lực tương tác giữa hai quả cầu lúc này.
Hướng dẫn trả lời:
a) Lực tương tác giữa hai quả cầu:$F=k\frac{q_{1}.q_{2}}{r^{2}}=9.10^{9}\frac{-3,2.10^{-7}.2,4.10^{-7}}{0,12^{2}}=0,048N$
b) Điện tích của quả cầu sau khi tiếp xúc là:
$q'_{1}=q'_{2}=\frac{q_{1}+q_{2}}{2}=\frac{-3,2.10^{-7}+2,4.10^{-7}}{2}=-0,4.10^{-7} C$
Lực tương tác giữa hai quả cầu lúc này:
$F'=k\frac{q'_{1}.q'_{2}}{r^{2}}=9.10^{9}\frac{(-0,4.10^{-7})^{2}}{0,12^{2}}=0,001N$