Giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18: Điện trường đều

Khởi động

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18 (trang 71): Chúng ta đã biết, cường độ điện trường tại mỗi điểm thường sẽ có giá trị khác nhau. Vậy có tồn tại những vùng điện trường mà cường độ điện trường tại mỗi điểm có giá trị như nhau không?

Trả lời:

- Khi ở trong điện trường đều, cường độ điện trường tại mỗi điểm có tồn tại giá trị như nhau. Điện trường trong một điện môi đồng chất nằm ở giữa hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và điện tích bằng nhau về độ lớn, giống nhau về phương và chiều.

II. Điện trường đều giữa hai bản phẳng nhiễm điện đặt song song

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18 (trang 72): Để chẩn đoán hình ảnh trong y học người ta thường sử dụng tia X (hay tia Rơn-ghen) để chụp X quang và chụp CT. Cho rằng vùng điện trường giữa hai cực của ống tia X (Hình 18.2) là một điện trường đều, chùm electron từ catốt đến anốt được coi là một chùm hẹp song song. Khoảng cách giữa hai cực bằng 2 cm, hiệu điện thế giữa hai cực là 120 kV. Hãy tính lực điện trường tác dụng lên electron.

Trả lời:

Cường độ điện trường tác dụng lên electron là: E=Ud=120.1030,02=6.106(V/m)

$E=\frac{U}{d}=\frac{120.10^{3}}{0.02}=6.10^{6}(V/m)$

Lực điện tác dụng lên electron là:

F = eE = 1,6.10⁻¹⁹.6.10⁶ = 9,6.10⁻¹³ (N)

III. Tác dụng của điện trường đều đối với chuyển động của một điện tích

Hoạt động 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18 (trang 72):

1. Giữa hai bản phẳng song song nhiễm điện có cường độ điện trường đều là E. Một điện tích q > 0 có khối lượng m bay vào trong điện trường đều trên với vận tốc $\underset{\upsilon _{0}}{\rightarrow}$ theo phương vuông góc với đường sức. Môi trường giữa hai bản phẳng nhiễm điện là chân không. Biết rằng trong hiện tượng này, trọng lực là rất nhỏ so với lực điện.

Hãy so sánh vectơ lực điện tác dụng lên điện tích q trong Hình 18.3 với vectơ trọng lực tác dụng lên vật khối lượng m chuyển động ném ngang trong trường trọng lực như Hình 18.4. Từ đó chỉ ra rằng có sự tương tự giữa hai chuyển động nói trên.

Trả lời:

* Cách so sánh thứ nhất:

- Trong hình 18.3: Điện tích chuyển động theo phương ngang với vận tốc ban đầu $\underset{\upsilon _{0}}{\rightarrow}$ dưới tác dụng của lực điện (đã bỏ qua trọng lực tác dụng lên điện tích).

Vectơ lực điện có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống: $\underset{F}{\rightarrow}$ = q$\underset{E}{\rightarrow}$

- Trong hình 18.4: Vật khối lượng m chuyển động theo phương ngang với vận tốc ban đầu $\underset{\upsilon _{0}}{\rightarrow}$ chịu tác dụng của trọng lực.

- Vecto trọng lực có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống: $\underset{P}{\rightarrow}$ = m$\underset{g}{\rightarrow}$

=> Nhận xét: từ 2 hình ta thấy:

- Lực điện $\underset{F}{\rightarrow}$ và trọng lực $\underset{P}{\rightarrow}$ tương tự nhau.

- Điện tích q và vật m tương tự nhau đều coi là chất điểm.

- Cường độ điện trường $\underset{E}{\rightarrow}$ và gia tốc trọng trường $\underset{g}{\rightarrow}$ tương tự nhau.

- Quỹ đạo chuyển động của điện tích (hay vật m) đều có dạng là một nhánh của đường parabol. Từ đó, chứng tỏ có sự tương tự giữa hai chuyển động ở 2 hình trên.

* Cách so sánh thứ hai:

- Khi electron bay vào điện trường với vận tốc ban đầu $\underset{\upsilon _{0}}{\rightarrow}$ vuông góc với các đường sức điện thì e chịu tác dụng của lực điện không đổi có hướng vuông góc với $\underset{\upsilon _{0}}{\rightarrow}$, chuyển động của e tương tự như chuyển động của một vật bị ném ngang trong trường trọng lực. Quỹ đạo của e là một phần của đường parabol.

=> Phương trình quỹ đạo của electron trong: $y=(\frac{a}{2_{0}^{2}}cos^{2}\alpha )x^{2}+x.tan\alpha$

* Cách so sánh thứ ba:

(+) So sánh lực điện tác dụng lên điện tích q trong Hình 18.3 SGK với trọng lực tác dụng lên vật m chuyển động ném ngang trong Hình 18.4 SGK:

- Vì điện tích q > 0 nên lực điện tác dụng lên điện tích cùng phương và chiếu với điện trường tức là có phương thẳng đứng hướng xuống dưới. Độ lớn của lực được xác định bằng biểu thức: F = qE.

- Phương và chiều của lực điện tác dụng lên diện tích 4 trong Hình 18.3 SGK hoàn toàn trùng với phương và chiều của trọng lực có độ lớn P = mg tác dụng lên vật m được ném ngang trong Hình 18.4 SGK - phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống dưới.

- Công thức về độ lớn của của lực điện F = qE và của trọng lực P = mg tính tương tự nhau. Trong đó q tương ứng với m (số đo của hạt); E tương ứng với g (cường độ của trường).

- Giống như sự tương tự của ngoại lực tác dụng lên vật như đã nói ở phần (a). Vận tốc ban đầu của điện tích q trong Hình 18.3 SGK và của vật m trong Hình 18.4 SGK đều có phương ngang, cùng chiếu. Ta thấy có sự tương tự giữa hai chuyển động trong hai hình trên.

2. Hãy thảo luận về tác dụng của điện trường đều lên chuyển động của điện tích bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với đường sức điện:

a) Ảnh hưởng như thế nào đến vận tốc của chuyển động?

b) Từ đó dự đoán dạng quỹ đạo chuyển động.

Trả lời:

a) Lực điện không ảnh hưởng đến phương ngang của chuyển động nên điện tích sẽ chuyển động đều theo phương ngang.

- Lực điện có chiều thẳng đứng, hướng từ trên xuống dưới nên điện tích sẽ chuyển động nhanh dần đều theo phương dọc. Dưới tác dụng của điện trường đều, vận tốc của q sẽ liên tục đối phương và tăng dẫn về độ lớn. Điện tích q có tốc độ không đổi theo phương ngang, theo phương dọc q có tốc độ tăng dần đều. Như vậy, 

b) Hình dạng quỹ đạo chuyển động của điện tích q khi bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với đường sức sẽ tương tự như quỹ đạo của vật m ném ngang và có dạng parabol.

Phương trình quỹ đạo theo phương x, y là: $$\left\{\begin{matrix}x=(\upsilon _{0}cos\alpha)t&\\\upsilon _{y}=(\upsilon _{0}sin\alpha)t+\frac{1}{2}at^{2}&\\\end{matrix}\right.$$

⇒ Phương trình quỹ đạo là: $$y=\left(\frac{a}{2\upsilon _{0}^{2}cos^{2}\alpha}\right)x^{2}+x.tan\alpha$$

Hoạt động 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18 (trang 74): Dao động kí là một loại thiết bị dùng để hiển thị dạng tín hiệu đưa vào. Cấu tạo của một dao động kí gồm bốn bộ phận chính: ống phóng tia điện tử, màn huỳnh quang, súng điện tử, hệ thống lái tia (Hình 18.6). Ống phóng tia điện tử phát ra electron bay qua hai bản lái tia theo phương x và phương y rồi đập lên màn huỳnh quang tạo ra điểm sáng trên màn.

Hãy giải thích nguyên tắc hoạt động lái tia điện tử của các bản lái tia trong Hình 18.6.

Trả lời:

* Hệ thống lái tia gồm hai bản kim loại được nối với hai cực của nguồn điện.

- Eletron bị hút về phía bản cực dương khi electron đi qua bản lái tia theo phương y sau đó đi ra khỏi bản lái tia theo phương y (so với phương ban đầu) thì chùm tia electron này đã bị lệch theo phương y 

- Electron bị hút về phía bản cực dương khi tiếp tục đi vào bản lái tia theo phương x, sau khi đi ra khỏi bản lái tia theo phương x thì chùm tia đập vào màn huỳnh quang tạo ra mỗi điểm sáng.

- Ta có thể điều khiển chùm electron đập vào vị trí xác định trên màn huỳnh quang khi đặt các hiệu điện thế thích hợp vào hai cặp bản đó. Các cực được cấu tạo, xếp đặt và có các điện thế sao cho chùm electron một mặt được tăng tốc, mặt khác được hội tụ lại để chỉ gây ra một điểm sáng nhỏ trên màn huỳnh quang.

- Nhiều chùm tia đi qua sẽ cho nhiều điểm sáng, tổng hợp các điểm sáng trên màn cho ta hình ảnh cần chiếu.

IV. Ứng dụng

Hoạt động 3 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18 (trang 74): Hãy tìm hiểu về công nghệ ion âm lọc không khí được sử dụng rất phổ biến hiện nay (để lọc không khí trong ô tô, trong gia đình, trong nhà xưởng,...). Máy hút ẩm (Hình 18.7) có các ion âm được phát ra theo phương vuông góc với đường sức điện trưởng của Trái Đất.

Hãy nêu tác dụng của điện trường đều của Trái Đất đối với chuyển động của chùm ion âm để giải thích cho khả năng lọc bụi trong không khí của chúng.

Trả lời:

* Cách giải thích thứ nhất:

- Quỹ đạo chuyển động của các ion âm là đường parabol, hướng lên phía trên mặt đất tương tự như quỹ đạo được vẽ trong hình. Điều này được lí giải là  do điện trường của Trái Đất được coi là đều trong một vùng hẹp, nó có phương thẳng đứng hướng xuống dưới nên đã ảnh hưởng tới phương chiếu và độ lớn vận tốc của các ion âm.

- Chùm ion âm sẽ được phân tán rộng và hướng lên trên do dạng của các parabol này sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào độ lớn vận tốc ban đầu vị của các ion âm.

- Sự ảnh hưởng của điện trường đều tới chuyển động của điện tích bay vào điện trường theo phương vuông góc với đường sức đã được ứng dụng trong công nghệ ion âm lọc không khí giúp phân tán chùm ion âm được phát ra.

- Các ion âm hướng lên phía trên mặt đất, phát ra có vận tốc ban đầu không giống nhau và được phân tán rộng ra, giúp tiếp cận các hạt bụi mịn nhiễm điện dương dễ dàng hơn để thực hiện lọc không khí.

* Cách giải thích thứ hai:

- Các chùm ion âm luôn bị đẩy và có thể lơ lửng trong không khí vì ngay sát bề mặt của Trái Đất có điện trường theo phương thẳng đứng hướng từ trên xuống nên. Mà các chất gây ô nhiễm, khói bụi, vi khuẩn,... trong không khí đều mang điện tích dương, vì thế ion âm sẽ hút các ion dương này, trung hòa chúng khiến chúng rơi xuống đất, giúp không khí trở nên sạch sẽ và trong lành hơn.

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 18 (trang 75): Máy lọc không khí tạo ra chùm các ion âm OH⁻ (mỗi ion OH⁻ có khối lượng m = 2,833.10⁻²⁶kg, điện tích –1,6.10⁻¹⁹C) có vận tốc ban đầu từ 20 m/s đến 40 m/s theo phương song song với mặt đất và cách mặt đất 50 cm. Điện trường đều đo được ở bề mặt Trái Đất là 114 V/m. Bỏ qua trọng lực và các loại lực cản khác, hãy xác định quỹ đạo của chùm ion âm này.

Trả lời: