Câu hỏi trang 75 Khởi động
Để dịch chuyển một điện tích dương đến gần điện tích dương khác, cần phải đẩy nó để thắng lực đẩy giữa chúng, Hình 3.1. Trong trường hợp này, ta nói rằng cần phải thực hiện một công để di chuyển một điện tích lại gần một điện tích khác.
Năng lượng của một điện tích di chuyển trong điện trường được xác định như thế nào?
Áp dụng kiến thức về công của lực điện để trả lời
Năng lượng của một điện tích di chuyển trong điện trường bằng công của lực điện tác dụng lên điện tích để di chuyển điện tích trong điện trường.
\({\rm{W}} = A = qEd\).
Câu hỏi trang 76 Câu hỏi 1
1. Vì sao đường biểu diễn sự thay đổi thế năng điện trong điện trường đều ở Hình 3.2 là một đường thẳng?
Đặc điểm của cường độ điện trường \(\vec E\) trong điện trường đều.
Trong điện trường đều, thế năng điện tại điểm M cách bản âm khoảng cách d là: \({{\rm{W}}_M} = A = qEd\). Do điện trường đều có \(\vec E\) không đổi nên thế năng\({{\rm{W}}_M}\) có dạng \({{\rm{W}}_M} = ad\)với a là hằng số, là hàm bậc nhất của khoảng cách d. Do đó, đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa thế năng và khoảng cách là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
Câu hỏi trang 76 Câu hỏi 2
2. Vì sao thế năng của điện tích tăng theo chiểu ngược với chiều của cường độ điện trường?
Giải thích bằng công của lực điện, định luật bảo toàn năng lượng.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, công thực hiện để đưa một điện tích dương đến gần bản dương \(A = qEd > 0\) chuyển hóa thành thế năng điện của điện tích, làm thế năng tăng lên, nghĩa là, thế năng tăng khi đi từ bản âm đến bản dương. Trong khi đó, cường độ điện trường có chiều từ dương sang âm. Như vậy, thế năng của điện tích tăng theo chiểu ngược với chiều của cường độ điện trường.
Câu hỏi trang 77 Câu hỏi 1
3. So sánh công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cực và công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cực về điểm đang xét
Công của lực điện \(A = qEd\).
Công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cực bằng công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cực về điểm đang xét nhưng trái dấu.
Câu hỏi trang 77 Câu hỏi 2
4. Điện thế tại một điểm trong điện trường là gì?
Nêu định nghĩa của điện thế tại một điểm.
Điện thế tại một điểm trong điện trường là đại lượng vật lý đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng, được các định bằng công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cực.
Câu hỏi trang 78 Luyện tập
1. Cho hai bản cực song song, cách nhau 25 cm như Hình 3.3. Hiệu điện thế giữa hai bản là 2kV.
a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là bao nhiêu?
b) Cường độ điện trường tại C và tại D là bao nhiêu?
c) Tìm lực điện tác dụng lên một điện tích \( + 5\mu C\)đặt tại C.
Hiệu điện thế giữa A và B là hiệu điện thế giữa hai bản cực. Điện trường giữa hai bản là điện trường đều. Lực điện tác dụng lên điện tích đặt trong điện trường là \(\vec F = q\vec E\).
a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là \({U_{AB}} = 2kV\).
b) Điện trường giữa hai bản là điện trường đều nên cường độ điện trường tại C và tại D là bằng nhau và bằng: \(E = \frac{U}{d} = \frac{{2000}}{{0,25}} = 8000\)(V/m).
c) Lực điện tác dụng lên điện tích \( + 5\mu C\)đặt tại C là:
\(F = \left| q \right|E = {5.10^{ - 6}}.8000 = 0,04\)(N).
Câu hỏi trang 81 Câu hỏi
5. Vì sao tụ điện có năng lượng?
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng.
Khi tụ điện chưa được tích điện (hiệu điện thế hai đầu tụ điện bằng 0), trên hai bản tụ điện không có điện tích.
Khi tụ điện được nối với nguồn điện, các bản tụ được tích điện. Đó là do nguồn điện thực hiện công đưa dần các điện tích đến các bản tụ điện. Theo định luật bảo toàn năng lượng, công này được đưa đến tụ điện, trở thành năng lượng tích lũy trong tụ điện. Vì thế, tụ điện có năng lượng.
Câu hỏi trang 82 Luyện tập
Một tụ điện có điện dung 2 000\(\mu F\)được tích điện đến 10 V. Tính năng lượng của tụ điện.
Sử dụng công thức tính năng lượng của tụ điện: \({\rm{W}} = \frac{{C{U^2}}}{2}\).
Advertisements (Quảng cáo)
Điện dung của tụ \(C = 2000\mu F = {2.10^{ - 3}}F\). Hiệu điện thế hai đầu tụ \(U = 10V\).
Năng lượng của tụ điện là: \({\rm{W}} = \frac{{C{U^2}}}{2} = \frac{{({{2.10}^{ - 3}}){{.10}^2}}}{2} = 0,1\)(J).
Câu hỏi trang 82 Vận dụng
Cho các dụng cụ sau:
Một tụ điện có điện dung 100\(\mu F\)và hiệu điện thế định mức khoảng 12 V; 4 pin 1,5 V; một LED; một điện trở \(5\Omega \); công tắc, dây dẫn điện. Nêu phương án dùng các dụng cụ này chứng minh tụ điện có lưu trữ năng lượng.
Thiết kế sơ đồ mạch điện thể hiện cách mắc. Đầu tiên, tích điện cho tụ. Chứng minh tụ điện lưu trữ năng lượng bằng cách cho tụ giải phóng năng lượng qua LED để đèn sáng.
Ghép 4 pin lại tạo thành bộ nguồn có hiệu điện thế lớn hơn.
Mắc mạch điện như hình vẽ:
Đầu tiên, mở cả 2 khóa K1 và K2. Khi đó, tụ không được tích điện. Đóng khóa K2, đèn LED không sáng.
Mở K2, đóng K1 để tích điện cho tụ. Sau một thời gian, tụ đã được tích điện, mở khóa K1, tụ bị ngắt khỏi nguồn.
Đóng K2, lúc này, đèn LED sáng một thời gian rồi tắt khi tụ phóng hết điện tích, chứng tỏ có năng lượng giải phóng từ tụ điện, nghĩa là trong quá trình tích điện, tụ đã lưu trữ năng lượng.
Bài tập chủ đề 3 Bài 1
1. Quả cầu nhỏ thứ nhất mang điện tích \( - 0,1\mu C\), quả cầu nhỏ thứ hai mang điện tích có độ lớn \(0,05\mu C\). Hai quả cầu hút nhau với lực điện có độ lớn 0,05 N.
a) Điện tích của quả cầu thứ hai mang dấu gì?
b) Tính khoảng cách giữa hai tâm của hai quả cầu.
Sử dụng quy luật của lực điện tương tác giữa hai điện tích để xác định dấu điện tích. Áp dụng định luật Coulomb để suy ra khoảng cách giữa hai tâm quả cầu.
a) Hai quả cầu tác dụng lên nhau lực hút, do đó điện tích của hai quả cầu trái dấu nhau. Vậy quả cầu thứ hai tích điện dương.
b) Khoảng cách giữa hai tâm của hai quả cầu là: \(F = k\frac{{\left| {{q_1}{q_2}} \right|}}{{{r^2}}} \Rightarrow r = \sqrt {\frac{{k.\left| {{q_1}{q_2}} \right|}}{F}} = \sqrt {\frac{{{{9.10}^9}.0,{{1.10}^{ - 6}}.0,{{05.10}^{ - 6}}}}{{0,05}}} = 0,03\)(m) = 3 cm.
Bài tập chủ đề 3 Bài 2
Đặt một điện tích thử dương \({q_1} = 2,{0.10^{ - 9}}\)C trong một điện trường thì điện trường tác dụng lên nó lực có độ lớn là \(F = 4,{0.10^{ - 9}}\)N.
Tìm độ lớn của cường độ điện trường tại vị trí đặt điện tích thử.
Sử dụng công thức tính độ lớn cường điện trường: \(E = \frac{F}{q}\).
Độ lớn của cường độ điện trường tại vị trí đặt điện tích thử là:
\(E = \frac{F}{q} = \frac{{4,{{0.10}^{ - 9}}}}{{2,{{0.10}^{ - 9}}}} = 2\)(V/m).
Bài tập chủ đề 3 Bài 3
Hai tụ điện có điện dung lần lượt là \({C_1} = 100\mu F\); \({C_2} = 50\mu F\)và được mắc vào nguồn điện như hình vẽ. Biết hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là \(U = 12V\). Tính:
a) Điện dung của bộ tụ điện,
b) Hiệu điện thế giữa hai bản của mỗi tụ điện,
c) Điện tích của mỗi tụ điện.
Tính điện dung của bộ tụ song song \(C = {C_1} + {C_2}\). Hiệu điện thế của bộ tụ song song có đặc điểm gì? Tính điện tích của mỗi tụ điện bằng công thức \(Q = CU\).
Mạch gồm \({C_1}//{C_2}\)
a) Điện dung của bộ tụ là: \(C = {C_1} + {C_2} = 100 + 50 = 150(\mu F)\).
b) Hiệu điện thế giữa hai bản của mỗi tụ điện bằng hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện: \({U_1} = {U_2} = U = 12V\).
c) Điện tích của tụ điện C1,C2 lần lượt là:
\({Q_1} = {C_1}U = ({100.10^{ - 6}}).12 = 1,{2.10^{ - 3}}(C)\)
\({Q_2} = {C_2}U = ({50.10^{ - 6}}).12 = 0,{6.10^{ - 3}}(C)\).
Bài tập chủ đề 3 Bài 4
Một đèn flash máy ảnh sử dụng tụ điện có điện dung \({C_1} = 4700\mu F\)và được sạc bằng pin 12 V. Sau đó, tụ điện được ngắt khỏi pin và phóng điện qua đèn để hiệu điện thế giữa hai bản tụ là 9,0 V. Tính năng lượng tụ điện đã chuyển qua đèn.
Tính năng lượng của tụ điện trước và sau khi phóng điện. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng tụ điện đã chuyển qua đèn bằng hiệu của năng lượng trước và sau khi phóng điện.
: Năng lượng của tụ điện trước khi phóng điện là: \({{\rm{W}}_1} = \frac{{C{U_1}^2}}{2} = \frac{{({{4700.10}^{ - 6}}){{.12}^2}}}{2} = 0,3384\) (J).
Năng lượng của tụ điện sau khi phóng điện là:
\({{\rm{W}}_2} = \frac{{C{U_2}^2}}{2} = \frac{{({{4700.10}^{ - 6}}){{.9}^2}}}{2} = 0,19035\)(J).
Năng lượng tụ điện đã chuyển qua đèn là:
\({\rm{W}} = {{\rm{W}}_1} - {{\rm{W}}_2} = 0,3384 - 0,19035 = 0,14805\)(J).