Hướng dẫn giải nhanh vật lí 11 CTST bài 13: Điện thế và thế năng điện

I. THẾ NĂNG ĐIỆN. ĐIỆN THẾ

Thảo luận 1 trang 80 sgk vật lý 11 ctst

Liệt kê một số lực thế đã được học. Trình bày đặc điểm về công của lực thế.

Đáp án:

Lực thế: Trọng lực hay lực hấp dẫn của trái đất, lực đàn hồi

Công của lực thế không phụ thuộc và hình dạng quỹ đạo chuyển động của vật mà chỉ phụ thuộc và vị trí điểm đầu và điểm cuối.

Thảo luận 2 trang 80 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 13.2, xác định công của lực điện tác dụng lên điện tích q >0 khi q di chuyển từ A' đến B'.

Đáp án:

$A_{A'B'}$ = F.A’B’ = qE$\bar{A'B'}$

Thảo luận 3 trang 82 sgk vật lý 11 ctst

Kết hợp công thức (13.5) và (13.7), em hãy rút ra công thức (13.8).

Đáp án:

Ta có: $U_{AB}$=$V_{A}$-$V_{B}$=$\frac{A_{A\infty }}{q}$-$\frac{A_{B\infty }}{q}$=$\frac{A_{A\infty }}{q}$+$\frac{A_{\infty B}}{q}$=($A_{A\infty }$+$B_{\infty B}$)/q 

Vì lực điện là lực thế nên: $A_{A\infty }$ + $A_{\infty B}$ = $A_{AB}$.

=> $U_{AB}$ = $\frac{A_{AB }}{q}$

Thảo luận 4 trang 82 sgk vật lý 11 ctst

Xét hai điểm M và N trong điện trường đều. Biết vectơ cường độ điện trường hướng từ M đến N. Hãy so sánh giá trị điện thế tại M và N.

Đáp án:

$V_{M}$ = $\frac{A_{M\infty }}{q}$

$V_{N}$ =  $\frac{A_{N\infty }}{q}$   

Vì vectơ cường độ điện trường hướng từ M đến N => $A_{M\infty }$ > $A_{N\infty }$ ⇒ $V_{M}$ > $V_{N}$ 

Thảo luận 5 trang 83 sgk vật lý 11 ctst

Giải thích vì sao cường độ điện trường có thể được đo bằng đơn vị vôn trên mét (V/m).

Đáp án:

Dựa vào công thức: E=U/d trong đó U có đơn vị là V (Vôn), d có đơn vị là m (mét) nên E có đơn vị là V/m.

II. VẬN DỤNG CÔNG THỨC LIÊN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ

Luyện tập trang 84 sgk vật lý 11 ctst

Xét hai bản kim loại song song, cách nhau 2,0 cm và có hiệu điện thế 5,0 kV. Tính độ lớn lực điện tác dụng lên một hạt bụi nằm trong khoảng giữa hai bản, biết hạt bụi có điện tích 8,0.10$^{−19}$ C

Đáp án:

F = qE = q.$\frac{U}{d}$ = 8.10$^{-19}$.$\frac{5.10^{3}}{0,02}$= 2.10$^{-13}$N

Vận dụng: Đo điện tim trang 84 sgk vật lý 11 ctst

Trong máy đo điện tim, các điện cực được sử dụng để đo hiệu điện thế giữa các điểm khác nhau trên da của bệnh nhân, thường không vượt quá 1 mV đối với người bình thường (Hình 13.4). Đây là một phương pháp có độ nhạy cao để phát hiện sự bất thường của chức năng tim. Dựa vào sách, báo, intemet, các em hãy tìm hiểu và trình bày ngắn gọn nguyên lí hoạt động của máy đo điện tim.

Đáp án:

Máy đo điện tim hoạt động bằng cách thu thập tín hiệu điện tim từ người bệnh thông qua các điện cực dán hoặc điện cực hút. Tín hiệu này được đưa đến mạch tiền khuếch đại để tăng độ lớn, sau đó được đưa vào tầng công suất để chuyển đổi thành dòng điện. Dòng điện biến thiên này tạo ra một từ trường biến thiên dưới tác động của cuộn dây, và từ trường này tác động lên thanh nam châm đồng thời là bút vẽ. Bút này di chuyển tịnh tiến khi cuộn rubăng giấy di chuyển, tạo ra biểu đồ ghi lại sự biến thiên, và đó cũng là tín hiệu điện tâm đồ.

III.  CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆNTRƯỜNG ĐỀU

Thảo luận 6 trang 85 sgk vật lý 11 ctst

Áp dụng định lí động năng, em hãy rút ra công thức (13.11).

Đáp án:

Ta có: Độ biến thiên động năng bằng công của lực điện trường

=> $W_{đ}$ − $W_{đo}$ = A

=> 12mv$^{2}$ – 0 = $q_{e}$Ed

=> v = $\sqrt{\frac{q_{e}Ed}{m}}$

Thảo luận 7 trang 85 sgk vật lý 11 ctst

Xác định các lực tác dụng lên electron trong Hình 13.7. Từ đó, dự đoán chuyển động của electron. 

Đáp án:

Trong vùng có tồn tại một cường độ điện trường, electron sẽ bị tác động bởi lực điện từ. Lực điện từ này sẽ đẩy electron theo hướng ngược chiều với vectơ cường độ của điện trường và theo chiều của điện trường dương. Trong điều kiện mà trọng lực đối với electron quá nhỏ so với lực điện từ, electron sẽ chủ yếu chịu tác động của lực điện và có chuyển động tương tự như vật ném ngang mà chúng ta đã học trong môn Vật lý 10.

Thảo luận 8 trang 85 sgk vật lý 11 ctst

Mô tả chuyển động của proton chuyển động với vận tốc vo vào vùng điện trường đều như Hình 13.7.

Đáp án:

Chuyển động của proton tương tự chuyển động của electron. Tuy nhiên, do lực điện tác đụng lên proton cùng chiều với cường độ điện trường (ngược chiều với hướng dương quy ước), nên quỹ đạo của proton sẽ là một nhánh parabol hướng về tấm kim loại có điện tích âm.

Luyện tập trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Một electron chuyển động với vận tốc đầu 4.10$^{7}$ m/s vào vùng điện trường đều theo phương vuông góc với các đường sức điện. Biết cường độ điện trường là E = 10$^{3}$ V/m Hãy xác định:

a) Gia tốc của electron.

b) Vận tốc của electron khi nó chuyển động được 2.10−7 s trong điện trường.

Đáp án:

a) a =$\left | q_{e} \right |.\frac{E}{m}$=$\frac{\left | -1,6.10^{-19} \right |.10^{3}}{9,1.10^{-31}}$=1,76. 10$^{14}$ m/s$^{2}$

b) Tại thời điểm 2.10$^{-7}$ m/s

+ Theo phương Ox: vx = vo = 4.10$^{7}$ m/s

+ Theo phương Oy: vy = at = 1,8.10$^{14}$.2.10$^{-7}$ = 3,6.10$^{7}$ m/s

Vận tốc của electron khi nó chuyển động được 2.10$^{-7}$ s trong điện trường là:

v = vx2+vy2=4.1072+3,6.1072 = 5,4.107m/s

Vận dụng trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Neutron là một hạt không mang điện, có khối lượng xấp xỉ proton. Một hạt neutron tự do có thể tồn tại khoảng 10 đến 15 phút, sau đó phân rã thành electron, proton và phản neutrino (là một hạt không mang điện, có khối lượng rất bé, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không). Em hãy đề xuất phương án để tách hai hạt electron và proton ngay sau khi neutron bị phân rã 

Đáp án:

Phương án: Đặt hạt neutron vào vùng điện trường đều. Ngay khi neutron phân rã thành electron, proton và phản neutrino, dưới tác dụng của điện trường, proton sẽ chuyển động hướng về phía bản kim loại tích điện âm, electron sẽ chuyển động hướng về phía bản kim loại tích điện dương.

Bài tập 1 trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Độ chênh lệch điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào trong cơ thể người là 90 mV. Biết mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào lần lượt mang điện âm và mang điện dương. Xác định công mà tế bào cần thực hiện để đưa một ion Na+ chuyển động từ bên trong ra bên ngoài màng tế bào theo cơ chế chủ động qua kênh protein.

Đáp án:

Hiệu điện thế giữa hai mặt của màng tế bào là U = - 90mV 

Công của lực điện để đưa một ion Na+ (điện tích của ion Na+ là q = 1,6.10$^{-19}$ C ) từ mặt trong ra mặt ngoài tế bào:

A = qU = 1,6.10$^{-19}$.(−90.10$^{-3}$) = −1,44.10$^{-20}$J

Bài tập 2 trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Một electron chuyển động với tốc độ ban đầu v0 = 1,6.10$^{6}$m / s chuyển động vào vùng điện trường đều theo phương song song với hai bản và ở chính giữa khoảng cách hai bản như Hình 13P.1. Biết chiều dài mỗi bản là 3 cm và khoảng cách giữa hai bản là 1 cm. Giữa hai bản có điện trường hướng từ trên xuống, điện trường bên ngoài hai bản bằng 0. Biết electron di chuyển đến vị trí mép ngoài của tấm bản phía trên, tính độ lớn cường độ điện trường giữa hai bản.

 Đáp án:

Thời gian electron chuyển động trong điện trường cũng chính là thời gian electron đi đến mép ngoài của tấm bản phía trên

t=$\frac{x}{v_{0}}$=$\frac{0,03}{1}$.$6.10^{6}$ =1,875.10$^{-8}$s

Quãng đường electron di chuyển theo phương thẳng đứng là 

y=$\frac{d}{2}$=$\frac{0,01}{2}$=5.10$^{-3}$m

Theo phương Oy, electron chuyển động thẳng nhanh dần đều với phương trình y=$\frac{1}{2}$at$^{2}$

=> 5.10$^{-3}$=$\frac{0,01}{2}$.a.(1,875.10$^{-8}$)$^{2}$

=> a=2,8.$\frac{10^{13}m}{s^{2}}$

=> E=$\frac{ma}{q}$=9,1.10$^{-31}$.$\frac{2,8.10^{13}}{1,6.10^{-19}}$=159,25V/m