Giải chi tiết Vật lí 11 kết nối mới bài 20: Điện thế

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Trong thực tế chúng ta gặp những đường dây dẫn điện cao thế, trung thế, hạ thế. Từ "thế" ở đây được hiểu như thế nào? Có liên quan tới thế năng điện đã học ở Bài 19 hay không?

Hướng dẫn trả lời:

Điện thế là đại lượng vật lý đặc trưng riêng cho điện trường về khả năng tạo ra năng lượng tiềm năng (thế năng), thế năng sẽ cung cấp năng lượng cho các điện tích dịch chuyển trong điện trường (giống như trong trường hấp dẫn thế năng của lực hấp dẫn sẽ cung cấp năng lượng cho vật ở độ cao h chuyển động rơi về phía tâm trái đất)

I. ĐIỆN THẾ TẠI MỘT ĐIỂM TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

Hoạt động 1: Để đặt một điện tích q vào điểm M trong điện trường chúng ta cần cung cấp thế năng WM cho điện tích q. Điều này tương ứng với việc thực hiện một công A dịch chuyển điện tích q từ vô cực về điểm M. Hãy vận dụng công thức (19.3) và (19.4) để thu được công thức: $V=\frac{A}{q}$

Hướng dẫn trả lời: 

Ta có:
Công thức (19.3): W_M = A_M∞ trong đó AM là công thức điện dịch chuyển điện tích từ điểm M đến vô cùng. A_M∞ cũng chính bằng công A cần thực hiện để dịch chuyển điện tích q từ vô cùng về điểm M.
Công thức (19.4): W_M = V_Mq, trong đó V_M thường kí hiệu đơn giản là V
$\Rightarrow $ V_Mq = A_M∞  $\Rightarrow V=\frac{A}{q} $

Hoạt động 2: Tỉ số $V = \frac{A}{q}$ như trên được gọi là điện thế của điện trường tại điểm M.

a) Hãy dự đoán điện thế V đặc trưng cho đại lượng nào của điện trường.
b) Xác định độ lớn điện tích q khi điện thế V có giá trị bằng công A thực hiện để dịch chuyển điện tích q từ vô cực về điểm M.

Hướng dẫn trả lời: 

a) Điện thế tại một điểm trong điện trường đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng, được xác định bằng công dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cực về điểm đó.
b) Điện tích q có độ lớn $V=\frac{A}{q} \Rightarrow q=\frac{A}{V} $

II. MỐI LIÊN HỆ GIỮA ĐIỆN THẾ VÀ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG

Hoạt động: Hãy vận dụng công thức $V = \frac{A}{q}$ để chứng tỏ rằng công thực hiện để dịch chuyển điện tích q từ điểm N đến điểm M bằng: A_MN = (V_M - V_N)q = U_MNq

Hướng dẫn trả lời: 

Xét cung đường dịch chuyển từ vô cùng tới điêm M có đi qua điểm N:
$V_{M}=\frac{A_{\infty NM}}{q}=\frac{A_{\infty N}+A_{NM}}{q}=V_{N}+\frac{A_{NM}}{q}$
Hiệu điện thế UMN bằng độ biến thiên thế năng từ M đến N: UMN = VM - VN
$V_{MN}=\frac{A_{NM}}{q} \Rightarrow A_{NM} = (V_{M} - V_{N})q=U_{MN}q$

Câu hỏi 1: Tế bào quang điện chân không (Hình 20.1) gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt, được hút chân không (áp suất trong khoảng $10 ^ {- 8}$ mmHg đến$10 ^ {- 6}$ mmHg). Trong ống đặt một catôt (cực âm) có khả năng phát xạ electron khi chiếu và một anôt (cực dương). Electron trong điện trường giữa hai cực sẽ dịch chuyển về phía anôt nếu U_AK >0.

Cho hiệu điện thế U_AK = 45 V được đặt vào giữa hai cực của tế bào quang điện. Khi chiếu xạ ánh sáng phù hợp để catôt phát xạ electron vào vùng điện trường giữa hai cực. Hãy tính công của điện trường trong dịch chuyển của electron từ catôt tới anôt.

Hướng dẫn trả lời:

Công của điện trường trong dịch chuyển của electron từ catôt tới anôt là:

A_KA = e.U_AK = $1,6.10^{-19}.45=720.10^{-20}$ (J)
Câu hỏi 2: Tính thế năng điện của một electron đặt tại điểm M có điện thế bằng 1000 V.

Hướng dẫn trả lời:

Thế năng điện của một electron đặt tại điểm M là:

W_M = V_M.e= $1000.1,6.10^{-19}=1,6.10^{-16}$(J)

Câu hỏi 3: Vận dụng mối liên hệ giữa điện thế và cường độ điện trường để xác định điện thế tại một điểm cách mặt đất 5 m ở nơi có điện trường của Trái Đất là 114 V/m.

Hướng dẫn trả lời: 

Khi mốc điện thế tại mặt đất bằng 0, áp dụng công thức $E_{M}=\frac{V_{M}-V_{N}}{\overline{MN}}$

ta có V_N = 0, $\overline{MN} = 5m$ vì chiều của MN cùng chiều với chiều điện trường nên 

$\Rightarrow$ Điện thế tại điểm cần tìm cách mặt đất 5m là: V = E.h = 114.5 = 570 (V)