Giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 19: Thế năng điện

Khởi động

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 19 (trang 76): Chúng ta đã biết, có sự tương tự giữa chuyển động của một điện tích q trong điện trưởng đều với chuyển động của một vật khối lượng m trong trường trọng lực. Vậy thì điện tích q trong điện trường có tồn tại thế năng tương tự như vật khối lượng m trong trọng trường không?

Trả lời:

- Điện tích q trong điện trường có tồn tại thế năng tương tự như vật khối lượng m trong trọng trường. Thế năng của điện tích q trong điện trường đều đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường đều khi đặt điện tích q tại điểm đang xét.

II. Thế năng của một điện tích trong điện trường

1. Thế năng của một điện tích trong điện trường đều

Hoạt động SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 19 (trang 77): Một điện tích dương q được đặt tại điểm M trong điện trường đều của một tụ điện có độ lớn của cường độ điện trường là E (Hình 19.2).

1. Chứng minh rằng công mà điện trường đều của tụ điện có thể sinh ra khi dịch chuyển điện tích dương q từ điểm M tới bản cực âm là A = qEd.

2. Hãy nhận xét về công A khi ta thay q bằng một điện tích âm.

Trả lời:

1. Chứng minh A = qEd.

* Cách chứng minh thứ nhất:

Vì lực cùng phương, cùng chiều với độ dịch chuyển nên công của lực điện tác dụng lên điện tích dương là

A = F. s. cos 0⁰ = q. E. d (vì $E=\frac{F}{q},s=d$)

* Cách chứng minh thứ hai:

Công điện trường đều của tụ điện có thể sinh ra khi dịch chuyển điện tích dương q từ điểm M tới bản cực âm bằng chính công của lực điện trường trong dịch chuyển này

A = F.d mà F = E.q ⇒ A = E.q.d

2. Trong trường hợp này, lực điện trường sẽ hướng lên bản nhiễm điện dương và ngược chiều với chiều chuyển động của điện âm. Do đó, nếu thay điện tích dương bằng điện tích âm thì công của lực điện sẽ có giá trị âm, điện trường sẽ sinh một công âm và cản trở chuyển động.

2. Thế năng của một điện tích trong điện trường bất kì

Câu 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 19 (trang 78): Chứng tỏ rằng, công của lực điện trong sự dịch chuyển của điện tích q từ điểm M đến điểm N sẽ bằng độ giảm thế năng của điện tích q trong điện trường. Hãy mở rộng cho trường hợp M ở xa vô cùng.

Trả lời:

* Cách giải 1:

- Công của lực điện trong sự dịch chuyển điện tích q chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của độ dịch chuyển mà không phụ thuộc vào hình dạng quãng đường mà. Do đó, nếu xét dịch chuyển từ điểm M đến vô cực theo hai cung đường khác nhau từ M đến vô cùng mà cung đường thứ hai đi qua điểm N ta sẽ có cùng kết quả:

A_M∞ = A_MN∞=W_M (1)

Mặt khác: A_M∞ = A_MN + A_N∞ =A_MN + W_N (2)

Từ (1) và (2) ta có: 

W_M = A_MN +W_N hay bằng A_MN = W_M - W_N

* Cách giải 2:

- Thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường đều bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tới mốc tính thế năng WM = qEd₁ = A_M  (d₁ là khoảng cách từ M đến bản cực âm)

Thế năng của điện tích q tại điểm N: W_N = qEd₂ =A_N (d₂ là khoảng cách từ N đến bản cực âm)

⇒A_MN = A_M - A_N = W_M - W_N

- Đối với trường hợp điện tích dương q đặt tại điểm M nằm trong môi trường điện bất kì thì thế năng có thể bằng công của lực điện khi di chuyển điện tích q từ điểm M ra vô cực. Vì ở vô cực khoảng cách rất xa nên điện trường bằng không và lực điện hết khả năng sinh công.

=> W_M = A_M∞

Câu 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 19 (trang 78): Trong điện trường bất kì, khi chọn mốc là ở xa vô cùng, có trường hợp mà số đo thế năng sẽ có giá trị âm hay không? Hãy vẽ hình minh họa

Trả lời:

- Trong điện trường của một diện tích dương, lực điện tác dụng lên q ngược chiều với chiều dịch chuyển từ M đến vô cùng vì khi ta đặt một điện tích âm q < 0 tại điểm M thì thế năng của điện tích âm sẽ có giá trị âm

- Trong điện trường của điện tích âm, thế năng của điện tích q tại N có giá trị âm khi tại điểm N ta đặt một điện tích q > 0