BÀI 13: ĐIỆN THẾ VÀ THẾ NĂNG ĐIỆN

I. THẾ NĂNG ĐIỆN. ĐIỆN THẾ

1. Công của lực điện

- Công của lực điện tác dụng lên một điện tích không phụ thuộc vào dạng đường đi của điện tích mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của đường đi trong điện trường.

- Do đó, lực điện là lực thế và điện trường là một trường thế.

*Trả lời Thảo luận 1 (SGK – tr80)

- Lực thế đã học là trọng lực.

- Đặc điểm: Công của lực thế không phụ thuộc vào dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí đầu và vị trí cuối của đường đi.

*Trả lời Thảo luận 2 (SGK – tr80)

Công của lực điện tác dụng lên điện tích q khi q di chuyển từ A' đến B' là:

A$_{A'B'}$ = F.A'B' = qE.A'B'

2. Thế năng điện

- Thế năng điện của một điện tích q tại một điểm trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường để dịch chuyển điện tích q từ điểm đó ra xa vô cùng.

- Trong hệ SI, thế năng điện có đơn vị là jun (J).

3. Điện thế

- Điện thế tại một điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho thế năng điện tại vị trí đó và được xác định bằng công mà ta cần thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cực về điểm đó:

V$_{A}$=$\frac{A'_{\infty A}}{q}$

- Trong hệ SI, điện thế có đơn vị là vôn (V).

4. Hiệu điện thế

- Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường để dịch chuyển một đơn vị diện tích giữa hai điểm đó và được xác định bằng biểu thức:

U$_{AB}$=$\frac{A_{AB}}{q}$

- Trong hệ SI, hiệu điện thế có đơn vị là vôn (V).

*Trả lời Thảo luận 3 (SGK – tr82)

Kết hợp công thức (13.5) và (13.7) SGK, ta có:

U$_{AB}$=V$_{A}$-V$_{B}$=$\frac{A_{A\infty }}{q}$-$\frac{A_{B\infty }}{q}$=$\frac{A_{A\infty }}{q}$+$\frac{A_{\infty B}}{q}$=$\frac{A_{A\infty +B\infty }}{q}$

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

- Vậy U$_{AB}$=$\frac{A_{AB}}{q}$.

*Trả lời Thảo luận 4 (SGK – tr82)

- Giá trị điện thế tại M là: V$_{M}$=$\frac{A_{M\infty }}{q}$

- Giá trị điện thế tại N là: V$_{N}$=$\frac{A_{N\infty }}{q}$

- Vì vecto cường độ điện trường hướng từ M đến N ta có: $A_{M\infty }$ > $A_{N\infty }$ ⇒ V$_{M}$ > V$_{N}$

=> Kết luận: Đường sức điện hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.

*Trả lời Ví dụ (SGK – tr82)

(Tham khảo lời giải trong SGK)

5. Mối liên hệ giữa cường độ điện trường với hiệu điện thế

- Mối liên hệ giữa cường độ điện trường với hiệu điện thế:

E=$\frac{U}{d}$

Với d là khoảng cách giữa hai điểm đang xét trên phương của vecto cường độ điện trường.

*Trả lời Thảo luận 5 (SGK – tr83)

- Từ công thức E=$\frac{U}{d}$, ta thấy đơn vị của U là vôn, đơn vị của d là mét nên đơn vị của cường độ điện trường là V/m.

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

*Trả lời Ví dụ 1 (SGK – tr83)

(Tham khảo lời giải trong SGK)

*Trả lời Ví dụ 2 (SGk – tr84)

(Tham khảo lời giải trong SGK)

*Trả lời Luyện tập (SGK – tr84)

- Ta có: 

E=$\frac{U}{d}$=$\frac{5000}{0,02}$=25.10$^{4}$V/m

Độ lớn lực điện tác dụng lên hạt bụi:

F = |q|E = 8,0.10$^{-19}$.25.10$^{-4}$ = 2.10$^{-13}$ N.

III. CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỀU

1. Điện tích chuyển động với vận tốc ban đầu song song với vecto cường độ điện trường

- Dưới tác dụng của lực điện $\underset{F}{\rightarrow}$=q$_{e}$.$\underset{E}{\rightarrow}$ hạt electron được gia tốc và chuyển động theo phương song song nhưng ngược chiều với điện trường.

- Nếu ta xét tốc độ ban đầu của hạt electron bằng 0, ta có tốc độ của hạt electron tại bản dương là:

v=$\sqrt{\frac{2q_{e}Ed}{m}}$

*Trả lời Thảo luận 6 (SGK – tr85)

Theo định lí động năng trong chương trình Vật lí 10, khi vận tốc ban đầu của vật bằng 0, ta có:

W$_{đ}$=A⇒$\frac{1}{2}$mv$^{2}$=q$_{e}$Ed

v=$\sqrt{\frac{2q_{e}Ed}{m}}$

*Kết luận

- Chuyển động của hạt mang điện song song với điện trường được ứng dụng trong máy gia tốc tuyến tính. Máy gia tốc tuyến tính thường được sử dụng trong quá trình xạ trị để điều trị bệnh ung thư.

2. Điện tích chuyển động với vận tốc ban đầu vuông góc với vecto cường độ điện trường

*Trả lời Thảo luận 7 (SGK – tr85)

- Trong vùng điện trường, electron chịu tác dụng của lực điện và trọng lực. 

- Trong trường hợp trọng lực của electron có độ lớn rất nhỏ so với lực điện tác dụng lên electron, một cách gần đúng, electron chỉ chịu tác dụng của lực điện, ngược chiều với chiều của vectơ cường độ điện trường và cùng chiều với chiều dương quy ước.

- Khi đó, chuyển động của electron tương tự chuyển động của một vật ném ngang  đã học trong chương trình Vật lí 10.

*Trả lời Thảo luận 8 (SGK – tr85)

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

*Trả lời Luyện tập (SGK – tr85)

a) Gia tốc của electron: a=$\frac{\left | q_{e} \right |E}{m}$=$\frac{\left |-1,6.10^{-19} \right |10^{3}}{9,1.10^{-31}}$=1,8.10$^{14}$ m/s$^{2}$.

b) Tại thời điểm 2.10$^{-7}$ m/s

Theo phương Ox: v$_{x}$ = v$_{o}$ = 4.10$^{7}$ m/s

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

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

v=$\sqrt{v_{x}^{2}+v_{y}^{2}}$=$\sqrt{(4.10^{7})^{2}}$=5,4.10$^{7}$m/s