Giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16: Lực tương tác giữa hai điện tích

Khởi động

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 61): Em đã biết các điện tích cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau. Theo em, độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích phụ thuộc như thế nào vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa chúng?

Trả lời:

- Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

$F=k\frac{\left|q_{1} \right|q_{2}}{r^{2}}=\frac{\left\|q_{1} \right\|q_{2}}{4\pi \varepsilon _{0}r^{2}}$

I. Lực hút và lực đẩy giữa các điện tích

Hoạt động 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 61): Treo thanh nhựa A bằng một dây chỉ để nó có thể quay tự do rồi dùng len cọ xát một đầu của nó.

Quan sát, mô tả và giải thích hiện tượng xảy ra khi:

a) Dùng len cọ xát một đầu thanh nhựa B rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1a).

b) Dùng lụa cọ xát một đầu thành thuỷ tinh C rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1b).

Dựa vào Hình 16.2a, vẽ các vectơ lực biểu diễn tương tác giữa các điện tích trong việc hình còn lại.

Biểu diễn lực điện tác dụng lên mỗi điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều. Biết các điện tích trên đều cùng dấu và cùng độ lớn.

Trả lời:

* Khi treo thanh nhựa A bằng một dây chỉ để nó có thể quay tự do rồi dùng len cọ xát một đầu:

a) Thanh nhựa cọ xát với với len sẽ nhiễm điện âm nên khi hai thanh nhựa lại gần nhau sẽ đẩy ra xa vì cả hai thanh nhựa nhiễm điện cùng dấu

b) Thanh thuỷ tinh C và thanh nhựa A nhiễm điện trái dấu do Thanh thủy tinh cọ xát với lụa sẽ nhiễm điện dương và thanh nhựa nhiễm điện âm, nên khi đó thanh C sẽ hút thanh A lại gần. 

* Vẽ hình cho hai trường hợp

+ Cách vẽ thứ nhất:

- Hình 16.2 b và 16.2c

- Vectơ lực của ba điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều. Biết các điện tích trên đều cùng dấu và cùng độ lớn. Trong trường hợp này chọn 3 điện tích dương.

+ Cách vẽ thứ hai:

- Biểu diễn lực tương tác giữa các điện tích:

- Lực điện tác dụng lên mỗi điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều.

Hoạt động 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 62): Độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích có phụ thuộc như thế nào vào khoảng cách giữa các điện tích? Đề xuất phương án thí nghiệm để kiểm tra dự đoán.

Trả lời:

- Độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích có tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

- Phương án thí nghiệm:

+ Phương án 1: Để tìm được mối quan hệ giữa lực tương tác và khoảng cách. Ta dùng hai điện tích có độ lớn điện tích không đổi sau đó thay đổi khoảng cách giữa chúng xác định độ lớn của lực tương tác trong các trường hợp.

+ Phươn án 2: Thí nghiệm cân xoắn Coulomb

A: Quả cầu kim loại được giữ cố định.

B: Quả cầu kim loại, được gắn vào một đầu của thanh ngang làm bằng chất cách điện.

C: Quả cầu đối trọng của B để giữ thanh ngang cân bằng

D: Dây treo có tính đàn hồi chống lại sự xoắn.

E: Chốt quay để thay đổi vị trí của thanh ngang.

G: Bảng chia độ.

=> Tiến hành: Cho quả cầu A đã được tích điện tiếp xúc với quả cầu B. Quả cầu A sẽ đẩy quả cầu B ra xa nhờ lực tĩnh điện do quả cầu A đã truyền cho quả cầu B một nửa điện tích của mình. Lực đẩy tĩnh điện của hai quả cầu làm xoắn dây treo D. Trên hình trụ, nhờ bảng chia độ G góc xoắn giữa hai quả cầu được xác định . Từ đó, xác định được độ lớn của lực tương tác giữa hai quả cầu và quan hệ của lực này với độ lớn của điện tích và khoảng cách giữa hai quả cầu.

II. Định luật Coulomb (Cu-lông)

Câu 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 63): Hãy nêu tên các đại lượng và tên các đơn vị trong biểu thức (16.2) và (16.3).

Trả lời:

- Biểu thức 16.2: $$F=\frac{\begin{vmatrix}q_{1}q_{2}\end{vmatrix}}{4\pi\varepsilon _{0}r^{2}}$$

- Biểu thức 16.3: $$F=\frac{\kappa\begin{vmatrix}q_{1}q_{2}\end{vmatrix}}{r^{2}}$$

* Các đại lượng trong hai biểu thức:

+ F: độ lớn lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích – đơn vị niuton (N)

+ q₁; q₂: điện tích – đơn vị Cu-long (C)

+ r: khoảng cách giữa hai điện tích – đơn vị mét (m)

+ε_o: hằng số điện môi – đơn vị C²/N.m².

Câu 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 63): Nếu khoảng cách giữa hai điện tích điểm tăng lên 2 lần và giá trị của mỗi điện tích điểm tăng lên 3 lần thì lực điện tương tác giữa chúng tăng hay giảm bao nhiêu lần?

Trả lời:

* Cách giải 1:

* Cách giải 2:

- Độ lớn lực tương tác tĩnh điện ban đầu: $F=\frac{k\left\|q_{1}q_{2} \right\|}{r^{2}}$

- Khi giá trị của mỗi điện tích điểm tăng 3 lần, khoảng cách giữa hai điện tích điểm tăng lên 2 lần, ta có:

$F'=\frac{k\left\|3.q_{1}.3.q_{2} \right\|}{(2r)^{2}}=2,25.\frac{k\left\|k\left\|q_{1}q_{2} \right\| \right\|}{r^{2}}=2,25F$

=> Nếu khoảng cách giữa hai điện tích điểm tăng lên 2 lần và giá trị của mỗi điện tích điểm tăng lên 3 lần thì lực điện tương tác giữa chúng tăng tăng 2,25 lần.

Câu 3 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 63): Hãy vẽ các vectơ lực điện tương tác giữa hai điện tích điểm q₁ = 10^-5 C và q₂ = 10^-7 C đặt cách nhau 10 cm trong chân không theo tỉ lệ 1 cm ứng với khoảng cách 2 cm và lực 0,4 N. Lấy k = 9.10⁹ Nm²/C²

Trả lời:

* Cách vẽ thứ nhất:

- Lực điện giữa hai điện tích trên:

$$F_{12}=F_{21}=F=\kappa\frac{\begin{vmatrix}q^{1}q^{2}\end{vmatrix}}{r^{2}}=9.10^{9}\frac{\begin{vmatrix}10^{-5}.10^{-7}\end{vmatrix}}{0,1^{2}}=0,9N$$

=> Tỉ lệ 1 cm ứng với khoảng cách 2 cm và lực 0,4 N nên có hình vẽ như sau:

* Cách vẽ thứ hai: 

- Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích: 

$$F_{12}=F_{21}=\kappa\frac{\begin{vmatrix}q^{1}q^{2}\end{vmatrix}}{r^{2}}=9.10^{9}\frac{\begin{vmatrix}10^{-5}.10^{-7}\end{vmatrix}}{0,1^{2}}=0,9N$$

=> Hai điện tích đẩy nhau và hướng ra xa độ lớn của lực theo tỉ lệ độ lớn do hai điện tích là điện tích dương

* Cách vẽ thứ ba

$$F=\kappa\frac{\begin{vmatrix}q^{1}q^{2}\end{vmatrix}}{r^{2}}=9.10^{9}\frac{\begin{vmatrix}10^{-5}.10^{-7}\end{vmatrix}}{0,1^{2}}=0,9N$$

- Theo yêu cầu tỉ lệ của đề bài khoảng cách giữa hai điện tích là 5cm.

=> Hai điện tích đẩy nhau do hai điện tích là điện tích dương và hướng ra xa độ lớn của lực theo tỉ lệ độ lớn được vẽ bằng 2,25 cm.

Em có thể

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 16 (trang 64): Trình bày được nguyên tắc hoạt động của máy lọc không khí trong gia định dựa trên sơ đồ hình 16.7.

Trả lời:

- Quạt hút của máy sẽ tiến hành hút không khí và đẩy chúng qua màng lọc. 

- Tại (1), (2), (3) khu vực bộ lọc, màng lọc sẽ giữ lại bụi bẩn, to, nhỏ, mịn … và các thành phần có hại cho sức khỏe sẽ bám vào các ion âm sau đó sẽ bị bản kim loại tích điện dương giữ lại. 

Màng lọc (4) sẽ lọc nấm mốc, vi khuẩn, virus và thổi không khí đã được làm sạch ra phòng.