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

Giải bài tập Vật lí 11 Bài 19: Thế năng điện

Giải Vật lí 11trang 76

Khởi động trang 76 Vật Lí 11:Chúng ta đã biết, có sự tương tự giữa chuyển động của một điện tích q trong điện trường đều với chuyển động của một vật khối lượng m trong trường trọng lực. Như vậy thì điện tích q trong điện trường có tồn tại thế năng tương tự như vật khối lượng m trong trọng trường không?

Lời giải:

Điện tích q trong điện trường có tồn tại thế năng tương tự như vật khối lượng m trong trọng trường.

II. Thế năng của một điện tích trong điện trường

Giải Vật lí 11trang 77

Hoạt động trang 77 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

1. 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)

2. Nếu thay điện tích dương bằng điện tích âm thì công của lực điện sẽ có giá trị âm.

Giải Vật lí 11trang 78

Câu hỏi 1 trang 78 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Thế năng của điện tích khi ở điểm M: $W_M=qE{d}_M$

Thế năng của điện tích khi ở điểm N: $W_N=qE{d}_N$

Độ giảm thế năng: $\Delta W=W_M-W_N=qE{d}_M-qE{d}_N=qEd$

Công của lực điện khi điện tích q di chuyển từ M đến N: $A=qEd$

Chứng tỏ 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.

Mở rộng cho trường hợp M ở xa vô cùng: $\Delta W=W_M-W_N=0-W_N=-qE{d}_N=A_{\infty N}$

Câu hỏi 2 trang 78 Vật Lí 11: 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 không? Hãy vẽ hình minh hoạ.

Lời giải:

Khi chọn mốc là ở xa vô cùng, trường hợp có số đo thế năng âm khi điện tích q âm tại điểm M trong điện trường bị dịch chuyển tới vô cực.

$A_{M\infty }={\text{W}}_M=-q.E.d$

Em có thể trang 78 Vật Lí 11: Xác định được thế năng điện của quả cầu tích điện đều đặt trong điện trường đều của Trái Đất.

Lời giải:

W_M = q.E.d

Trong đó d là khoảng cách từ M đến bản cực âm, W_M là thế năng điện của điện tích q tại điểm M.

Em có thể trang 78 Vật Lí 11: Xác định được công dịch chuyển một điện tích giữa hai điểm trong điện trường đều của Trái Đất.

Lời giải:

Giả sử điện tích di chuyển từ điểm M tới điểm N, ta có:

A_MN = W_M – W_N = (V_M – V_N)q.

Lý thuyết Thế năng điện

I. Công của lực điện

- Điện tích dương q di chuyển trong điện trường đều từ điểm M đến điểm N sẽ chịu tác dụng của lực điện không đổi (theo Hình 19.1).

- Để tính công của lực điện trong dịch chuyển này, có thể xét chuyển động theo các quỹ đạo khác nhau.

- Công của lực điện làm di chuyển của điện tích q từ M đến N trong điện trường đều bằng qEh, không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu M và điểm cuối N của độ dịch chuyển trong trường.

- AMN=qEd trong đó: d là độ dài đại số của đoạn MM’, là hình chiếu của đoạn MN trên một đường sức điện.

- Công của lực điện trường làm di chuyển điện tích q từ M đến N không phụ thuộc vào hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí M và N của độ dịch chuyển trong trường (với mọi loại trường điện).

- Công của lực điện làm di chuyển điện tích q từ M đến N tỉ lệ thuận với điện tích q vì lực điện cũng tỉ lệ thuận với điện tích.

II. Thế năng của một điện tích trong điện trường

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

- Thế năng của điện tích q trong điện trường đều đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường đều tại điểm ta xét.

- Thế năng của một điện tích trong điện trường đều (còn gọi là thế năng điện) được tính bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích di chuyển từ điểm ta xét tới điểm mốc, thường là bản cực âm của tụ điện.

- Bản cực âm của tụ điện thường được chọn làm mốc để tính thế năng, và khi tính thế năng của một điện tích hoặc hệ điện tích bất kì, người ta thường chọn điểm mốc ở vô cực vì ở đó điện trường và lực điện trường đều bằng không.

- Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường đều bằng công của lực điện sinh ra khi điện tích q di chuyển từ M tới điểm mốc:

- Wм = qEd trong đó d là khoảng cách từ M đến bản cực âm, W là thế năng điện của điện tích q tại M điểm M.

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

- Thế năng của một điện tích q trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi đặt điện tích q tại điểm đang xét (tương tự như trường hợp điện trường đều).

- Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tới điểm mốc để tính thế năng (mốc thường chọn là vô cực).

- Khi chọn mốc thế năng tại vô cực, số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện trong dịch chuyển của điện tích q từ điểm M tới vô cực: Wм = AM∞

- Thế năng tại điểm M tỉ lệ với điện tích q, và có thể tính bằng Wм = Vмq, trong đó hệ số tỉ lệ V phụ thuộc vào điện trường và vị trí của điểm M.

Sơ đồ tư duy về “Thế năng điện”