Hướng dẫn giải bài tập định hướng môn Vật lý đại cương 2 - Trần Thiên Đức

Nội dung text: Hướng dẫn giải bài tập định hướng môn Vật lý đại cương 2 - Trần Thiên Đức

1. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH HƯỚNG TUẦN 1-2-3 DẠNG TOÁN: BÀI TOÁN ĐIỆN TÍCH ĐIỂM 1. Nhận xét: - Đặc điểm rất dễ nhận dạng của loại bài toán này là sự xuất hiện của các điện tích điểm trong đề bài do đó chúng ta cần nắm vững một số công thức và kiến thức liên quan tới điện tích điểm: o Lực tương tác giữa hai điện tích điểm: o Cường độ điện trường: o Điện thế gây bởi điện tích điểm: o Sơ đồ chuyển đổi công thức F E V: từ sơ đồ dưới ta thấy chỉ cần nhớ công duy nhất công thức tính F là có thể suy ra công thức E, V F E V - q - r o Công dịch chuyển điện tích điểm q từ vị trí A đến vị trí B: A = q(VA – VB) o Hướng của điện trường gây bởi điện tích điểm: +: hướng ra, -: hướng về - Một số dạng bài tập điển hình: o Xác định các đại lượng cơ bản: F, E, V, q, A o Bài toán kết hợp động lực học: dây treo, trong môi trường xuất hiện lực đẩy Acsimet (lực đẩy Acsimet FA = dV – d là trọng lượng riêng của chất lỏng) o Tìm vị trí ứng với một giá trị cho trước như vị trí để E, F triệt tiêu, . o Đuổi hình bắt chữ nhìn hình vẽ để đưa ra nhận xét 2. Hướng giải: Bước 1: Cần xác định đại lượng cần tìm (đây chính là bước tóm tắt) Bước 2: Liệt kê các công thức liên quan đánh dấu những đại lượng đã biết Bước 3: Tìm liên hệ giữa đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm kết quả 3. Bài tập minh họa: Bài 1-5: Hai quả cầu mang điện có bán kính và khối lượng bằng nhau được treo ở hai đầu sợi dây có chiều dài bằng nhau. Người ta nhúng chúng vào một chất điện môi (dầu) có khối lượng riêng 1 và hằng số điện môi . Hỏi khối lượng riêng của quả cầu phải bằng bao nhiêu để góc giữa các sợi dây trong không khí và chất điện môi là như nhau? Tóm tắt: Quả cầu mang điện: bán kính, khối lượng như nhau, Điện môi: dầu - 1,  Góc lệch trong không khí = góc lệch trong chất điện môi Xác định ? Giải:
2. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Nhận xét: - Hai quả cầu mang điện bài toán điện tích điểm - Nhúng chúng vào một chất điện môi có sự liên hệ tới lực đẩy Acsimet liên quan tới động lực học sẽ phải liệt kê lực tác dụng lên quả cầu - Góc giữa các sợi dây trong không khí và chất điện môi là như nhau khoảng cách giữa các quả cầu là không đổi. - Xét trường hợp 1: Đặt trong không khí - Mỗi quả cầu sẽ chịu tác dụng của 3 lực: o Trọng lực: P o Lực đẩy Coulomb: F o Sức căng dây: T - Từ hình vẽ ta thấy khi ở điều kiện cân bằng thì: - Xét trường hợp 2: Đặt trong dầu - Mỗi quả cầu sẽ chịu tác dụng của bốn lực: o Trọng lực: P o Lực đẩy Coulomb: F’ o Sức căng dây: T’ o Lực đẩy Acsimet: FA - Từ hình vẽ ta thấy khi ở điều kiện cân bằng thì: - Kết hợp hai trường hợp trên trong đó thay: m = V; d = 1V ta có: Chú ý: - Cần nắm vững công thức tính lực đẩy Acsimet - Một số dạng bài mở rộng liên quan tới bài toán: o Xác định hằng số điện môi của chất điện môi o Xác định khối lượng riêng của chất điện môi o Xác định góc lệch của dây treo o Xác định điện tích của quả cầu o Bài 1-9: Xác định lực tác dụng lên một điện tích điểm q = 5/3.10-9 C đặt ở tâm nửa vòng xuyến bán kính r0 = 5 cm tích điện đều với điện tích Q = 3.10-7 C (đặt trong chân không). Tóm tắt: Điện tích điểm q = 5/3.10-9 C -7 Vòng xuyến: tâm O, r0 = 5 cm, tích điện đều, Q = 3.10 C Hệ trong chân không.
3. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 Xác định lực F? Giải: - Nhận xét: - Do có vòng xuyến tích điện đều bài toán liên quan tới tính tích phân áp dụng phương pháp tính tích phân (4 bước cơ bản) o Bước 1 – Vi phân vật thể: vòng xuyến xét phần tử cung tròn dl o Bước 2 – Xác định dQ: o Bước 3 – Xác định dF: o Bước 4 – Tính tích phân: . Phân tích hình vẽ ta thấy vector dF sẽ gồm hai thành phần dFx và dFy do tính đối xứng của vòng xuyến nên Fy = ∫ như vậy ta có ∫ ∫ ∫ (trong đó là góc tạo giữa vecto dF và chiều dương Ox – cũng có sách thì lại lấy là góc tạo bởi vecto dF với trục Oy và khi đó ta phải đổi hàm cos thành hàm sin dẫn đến cận tích phân cũng thay đổi cho phù hợp là từ 0 đến ) . Đến đây ta thấy có tích phân thì tính theo l, trong khi đó góc lại thay đổi tùy theo vị trí trên vòng xuyến gợi ý cho ta phải tìm mối quan hệ giữa và dl ta có mối quan hệ: dl = r0d thay vào biểu thức tính F và lấy tích phân từ đến ∫ - Chú ý: - Về cơ bản thì bài toán này sẽ đưa về bài toán xác định cường độ điện trường E sau đó suy ra lực tác dụng ta chỉ cần nhớ công thức về cường độ điện trường gây bởi một nửa vòng xuyến tại tâm của nó là: - Một bài toán mở rộng suy ra từ bài này chính là xác định hiệu điện thế gây bởi nửa vòng xuyến tại tâm của nó ta chỉ thay đổi từ bước 2 và chú ý là đối với điện thế là đại lượng vô hướng nên ta chỉ cần áp dụng trực tiếp tích phân mà không cần phải thực hiện phép chiếu: ∫ - Ngoài ra có thể có một số bài toán liên quan như: o Xác định điện tích q, Q o Xác định bán kính, đường kính vòng xuyến o Xác định mật độ điện dài trên vòng xuyến
4. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 o . Bài 1-11: Cho hai điện tích q và 2q đặt cách nhau 10 cm. Hỏi tại điểm nào trên đường nối hai điện tích ấy điện trường triệt tiêu. Tóm tắt: Hai điện tích: q và 2q r = 10 cm M AB EM = 0 Xác định vị trí M Giải: - Nhận xét: Đây là bài toán xác định vị trí triệt tiêu ta cần chú ý các điểm sau: độ lớn, dấu của điện tích điểm chiều và độ lớn của lực điện, cường độ điện trường, bố trí các điện tích điểm (chú ý các bố trí có tính đối xứng cao). - Giả sử điện tích q > 0: - Gọi EA là điện trường tại M gây bởi điện tích q - Gọi EB là điện trường tại M gây bởi điện tích 2q dễ nhận thấy là hai vector cường độ điện trường EA và EB ngược chiều nhau tồn tại một vị trí thích hợp để điện trường tổng hợp tại M bị triệt tiêu. - Giả sử điểm M cách điện tích q một khoảng r xét điều kiện triệt tiêu ta có: ⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ - Chú ý: - Đôi khi bài toán sẽ hỏi vị trí điểm M để E (hoặc F) tổng hợp tại đó bằng 1 giá trị nào đó khác 0 Bài 1-12: Xác định cường độ điện trường đặt ở tâm của một lục giác đều cạnh a, biết rằng 6 đỉnh của nó có đặt: 1. 6 điện tích bằng nhau và cùng dấu 2. 3 điện tích âm, 3 điện tích dương về trị số đều bằng nhau Tóm tắt: O: tâm lục giác đều cạnh a Xác định E0: - TH1: q1 = q2 = q3 = q4 = q5 = q6 = q - TH2: |q1| = |q2| = |q3| = |q4| = |q5| = |q6| (trong đó có 3 điện tích dương) Giải: - Nhận xét: Với hệ bố trí như bài toán, ta dễ thấy là có 4 cách bố trí, và cần chú ý tính chất đối xứng đối xứng qua tâm của hình lục giác đều.
5. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Xét xét trường hợp 1 chỉ có một cách bố trí như hình vẽ - Dựa vào tính chất đối xứng ta thấy các cặp điện tích điểm đối xứng gây ra hai vector cường độ điện trường ngược chiều nhưng cùng độ lớn điện trường tổng hợp gây bởi hai điện tích điểm đối xứng cùng dấu là bằng 0. - Đối với hệ bố trí này, 6 điện tích điểm tương đương với 3 cặp điện điện tích điểm cùng dấu đối xứng qua tâm nên điện trường tổng hợp tại tâm lục giác đều bằng 0. - Xét trường hợp 2 có 3 cách bố trí Do tính chất đối xứng ta nhận Do tính chất đối xứng ta nhận Do tính chất đối xứng ta nhận thấy các cặp điện trường E1- thấy các cặp điện trường E1- thấy các cặp điện trường E1- E4, E2-E5, E3-E6 cùng chiều và E4, E2-E5, E3-E6 cùng chiều và E4, E3-E6 ngược chiều và cùng cùng độ lớn. cùng độ lớn. độ lớn điện trường tổng Các vector điện trường tổng Các vector điện trường tổng hợp của từng cặp này bằng 0. hợp E14, E25, E36 cùng độ lớn hợp E14, E25, E36 cùng độ lớn Cặp E2-E5 cùng chiều và cùng và tạo với nhau một góc 1200 và có phương và chiều như độ lớn như hình vẽ. Dễ thấy tổng điện hình vẽ. Áp dụng quy tắc tổng Vector điện trường EO bằng trường tổng hợp của 3 vector hợp vector ta có: vector E25 có phương, chiều này bằng 0 E = 0 như hình vẽ và có độ lớn. O - Chú ý: - Đây là bài toán điển hình về việc phân tích tích chất đối xứng để tính điện trường hoặc lực tổng hợp tại một vị trí nào đó. Đề bài đôi khi có thể cho ta hệ điện tích được bố trí theo một quy tắc nào đó như hình tam giác vuông, tam giác đều, hình vuông, hình chữ nhật, - Cần nắm vững quy tắc tổng hợp vector và cách tính độ dài vector tổng hợp như (Pitago, Định lý hàm số cos trong tam giác thường) Bài 1-13: Trên hình vẽ AA’ là một mặt phẳng vô hạn tích điện đều với mật độ điện mặt  = 4.10-9 C/cm2 và B là một quả cầu tích điện cùng dấu với điện tích trên mặt phẳng. Khối lượng quả cầu m = 1 g, điện tích của quả cầu q = 10-9 C. Hỏi sợi dây treo quả cầu lệch đi một góc bằng bao nhiêu so với phương thẳng đứng. Tóm tắt:  = 4.10-9 C/cm2 m = 1 g q = 10-9 C
6. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 Xác định góc lệch Giải: - Nhận xét: Đây là bài toán cân bằng lực, dựa vào dữ kiện đề bài ta thấy muốn xác định được góc thì ta phải đi xác định được độ lớn của P (đã biết) và F (chưa biết) phương hướng là phải đi xác định giá trị đại lượng F Bản chất của lực F là lực tĩnh điện tác dụng lên điện tích điểm q khi điện tích này được đặt trong điện trường của mặt phẳng vô hạn tích điện đều - Ở trạng thái cân bằng quả cầu chịu tác dụng bởi ba lực: - Trọng lực: ⃗ - Lực Coulomb: - Lực căng dây: ⃗ - Lực Coulomb tác dụng lên quả cầu là: (biểu thức màu đỏ chính là điện trường gây bởi mặt phẳng vô hạn tích điện đều) - Từ hình vẽ ta có: - Chú ý: - Công thức cần nhớ là điện trường gây bởi mặt phẳng vô hạn mang điện đều: - Một số bài toán mở rộng: o Xác định lực căng dây T o Xác định điện tích q o Xác định mật độ điện mặt  Bài 1-18: Hạt bụi mang một điện tích q = - 1,7.10-16 C ở gần một dây dẫn thẳng khoảng 0,4 m, ở gần đường trung trực của dây dẫn. -7 Đoạn dây dẫn dài 150 cm, mang điện tích q1 = 2.10 C. Xác định lực tác dụng lên hạt bụi. Giả thiết rằng q1 được phân bố đều trên sợi dây và sự có mặt của q2 không ảnh hưởng gì tới sự phân bố. Tóm tắt: Điện tích điểm: q = - 1,7.10-16 C a = 0,4 cm -7 Dây dẫn: l = 150 cm, q1 = 2.10 C Xác định lực F Giải: - Nhận xét: Đây là một bài toán tác dụng của điện trường gây bởi một sợi dây dài vô hạn (hoặc hữu hạn) tích điện đều lên một điện tích điểm q. Ở bài này ta có thể sử dụng quy tắc phân tách r2 a.b từ công thức điện trường gây bởi điện tích điểm (chú ý là chỉ được áp dụng khi điểm khảo sát nằm rất gần hoặc trên đường trung trục trong đó a là khoảng cách từ điểm đó tới trung điểm của sợi dây và b là khoảng cách từ điểm đó đến đầu mút của dây) để xác định cường độ điện trường sau đó xác định lực F:
7. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Áp dụng quy tắc phân tách r2 ta có điện trường gây bởi sợi dây dẫn thẳng dài tại điểm nằm trên đường trung trực của dây: √ ( ) - Lực tác dụng lên điện tích điểm q1 là: √ ( ) - Chú ý: - Ở bài toán này ta hoàn toàn có thể coi như bài toán dây dài vô hạn vì l >> a do đó áp dụng định lý O-G ta dễ dàng thu được công thức điện trường gây bởi dây vô hạn tích điện đều q tại điểm M cách dây một khoảng là a - Rất dễ nhận thấy nếu tính theo công thức này thì biểu thức tính lực F cũng sẽ thay đổi kết quả sai??? thực sự thì kết quả vẫn sẽ gần như nhau do gần đúng vô hạn khi l >> a. - Các công thức cần nhớ: o o - Một số dạng bài mở rộng liên quan tới các công thức o Xác định mật độ điện dài  o Xác định khoảng cách từ điện tích q o Xác định độ dài của dây dẫn l o Xác định khoảng cách từ điện tích tới dây a o . Bài 1-24: Tính công cần thiết để dịch chuyển một điện tích q = từ một điểm M cách quả cầu tích điện bán kính r = 1 cm một khoảng R = 10 cm ra xa vô cực. Biết quả cầu có mật độ điện mặt  = 10-11 C/cm2. Tóm tắt: q = Quả cầu: r = 1 cm,  = 10-11 C/cm2 R = 10 cm Xác định AR Giải: - Nhận xét: Đây là bài toán liên quan tới công dịch chuyển điện tích điểm chúng ta quan tâm tới công thức tính công dịch chuyển từ vị trí M N nào đó: AMN = q(VM – VN) từ công thức này ta thấy phương hướng của bài toán là phải đi xác định điện thế tại vị trí M và N. Mà muốn xác định điện thế tại một điểm nào đó trước tiên ta phải xác định được hình dạng của nguồn điện
8. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 tích gây ra tại điểm đó trong bài này là mặt cầu tích điện đều ta cần chú ý tính chất điện thế gây bởi mặt cầu tích điện mặt: - Điện thế tại mọi điểm bên trong mặt cầu đều bằng điện thế tại bề mặt cầu bán kính R - Điện thế tại một điểm cách tâm cầu một khoảng r > R là: - Điện thế tại vô cùng luôn luôn bằng không để hiểu rõ công thức trên mọi người có thể tham khảo bài viết chuyên đề ứng dụng tích phân vào bài toán tĩnh điện. - Đối với bài toán ta đang khảo sát, điểm cần khảo sát nằm ngoài mặt cầu nên ta áp dụng công thức: - Chú ý: - Một số công thức cần quan tâm: o Công dịch chuyển điện tích từ vị trí M đến vị trí N: AMN = q(VM – VN) o Điện thế gây bởi quả cầu tích điện mặt - Một số bài toán mở rộng: o Xác định điện tích điểm q o Xác định bán kính cầu r o Xác định mật độ điện mặt  o Bài 1-26: Một điện tích điểm nằm cách một sợi dây dài tích điện đều một khoảng r1 = 4 cm. Dưới tác dụng của điện trường do sợi dây gây ra, một điện tích dịch chuyển theo hướng -7 đường sức điện trường khoảng r2 = 2 cm. Khi đó lực điện trường thực hiện một công A = 50.10 J. Tính mật độ dài của dây. Tóm tắt: r1 = 4 cm r2 = 2 cm A = 50.10-7 J Xác định mật độ dài của dây . Giải: - Nhận xét: Phương hướng của bài toán là phải đi tìm mối quan hệ giữa  với các đại lượng đã biết. Dễ thấy dữ kiện sợi dây dài tích điện đều +  gợi ý cho ta công thức xác định điện
9. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 trường gây bởi sợi dây thẳng dài  có liên quan tới E. Tiếp theo ta thấy công A thì thường liên hệ với V mà giữa V và E có tồn tại mối quan hệ ta đã liên hệ được đại lượng  với đại lượng đã biết là công A. - Các mối liên hệ sử dụng trong bài này là: 휆푞 TÍCH PHÂN TỪ VỊ 휀휀 TRÍ r1 r2 - Công mà lực điện trường thực hiện để dịch chuyển điện tích từ vị trí 1 đến vị trí 2 là: ∫ - Chú ý: - Cần nhớ các công thức sau: o o o - Bài toán mở rộng: o Xác định công dịch chuyển điện tích o Xác định điện tích điểm q o . Bài 1-32: Tại hai đỉnh C, D của một hình chữ nhật ABCD (có các cạnh AB = 4 m, BC = 3 m) người ta đặt hai điện tích điểm q1 = - -8 -8 3.10 C (tại C) và q2 = 3.10 C (tại D). Tính hiệu điện thế giữa A và B. Tóm tắt: AB = 4 m BC = 3 m -8 q1 = - 3.10 C -8 q2 = 3.10 C Xác định hiệu điện thế UAB Giải: - Nhận xét: Đây là bài toán điện thế gây bởi hệ điện tích điểm khác với điện trường (hoặc lực điện), điện thế là đại lượng vô hướng nên ta chỉ cần tính điện thế của từng điện tích điểm gây ra tại điểm cần xét sau đó cộng đại số với nhau. Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B được xác định bằng công thức UAB = VA - VB. - Điện thế tại A là: - Điện thế tại B là:
10. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Hiệu điện thế giữa hai điểm A, B là: UAB = VA - VB = 72 V - Chú ý: - Bài toán có thể mở rộng bằng cách bố trí số lượng và vị trí các điện tích điểm theo các hình khác nhau tính điện thế của từng điểm cộng đại số - Công thức cần nhớ: . Hiệu điện thế giữa hai điểm AB: UAB = VA - VB . Điện thế gây bởi điện tích điểm: Bài 1-33: Tính công của lực điện trường khi dịch chuyển điện -9 tích q = 10 C từ điểm C đến điểm D nếu a = 6 cm, Q1 = -9 , Q2 = - 2.10 C. Tóm tắt: q = 10-9 C a = 6 cm Q1 = -9 Q2 = - 2.10 C Tính công ACD Giải: - Nhận xét: Đây là bài toán công dịch chuyển điện tích phải đi xác định điện thế tại C và D áp dụng công thức: ACD = q(VC - VD). - Điện thế tại điểm C là: - Điện thế tại điểm D là: √ √ - Hiệu điện thế giữa hai điểm CD là: ( ) √ - Công dịch chuyển điện tích q từ C đến D là: -7 ACD = q.UCD = 0,58.10 J Bài 1-34: Giữa hai mặt phẳng song song vô hạn mang điện đều mật độ bằng nhau nhưng trái dấu, cách nhau một khoảng d = 1 cm đặt nằm ngang, có một hạt điện mang khối lượng m = 5.10-14 kg. Khi không có điện trường, do sức cản của không khí, hạt rơi với tốc độ không đổi v1. Khi giữa hai mặt phẳng này có hiệu điện thế U = 600 V thì hạt rơi chậm đi với vận tốc . Tìm điện tích của hạt.
11. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 Tóm tắt: d = 1 cm m = 5.10-14 kg U = 600 V Giải: - Nhận xét: Phân tích dữ kiện của bài toán ta thấy khi không có điện trường dưới tác dụng của trọng lực hạt bụi sẽ rơi xuống kèm theo là lực cản của không khí, nhưng khi có điện trường thì hạt rơi chậm đi có nghĩa là điện trường đã sinh ra một lực tác dụng ngược hướng với chiều của trọng lực. Hạt rơi với tốc độ không đổi gia tốc rơi của vật bằng 0 tổng các vector ngoại lực tác dụng lên vật bị triệt tiêu. - Khi không có điện trường: - Hạt chịu tác dụng của hai lực: o Trọng lực: ⃗ o Lực cản: ⃗⃗⃗ ⃗ - Do hạt rơi với tốc độ không đổi nên ta có: o ⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ (1) - Khi có điện trường: - Hạt chịu tác dụng của hai lực: o Trọng lực: ⃗ o Lực cản: ⃗⃗⃗ ⃗ o Lực Coulomb: ⃗⃗⃗ - Do hạt rơi với tốc độ không đổi nên ta có: ⃗⃗⃗⃗⃗ o ⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ (2) - Từ (1) và (2) ta có: ( ) ( ) Vì nên ta có: Bài 1-35: Có một điện tích điểm q đặt tại tâm O của hai đường tròn đồng tâm bán kính r và R. Qua tâm O ta vẽ một đường thẳng cắt hai đường thẳng cắt hai đường tròn tại các điểm A, B, C, D. 1. Tính công của lực điện trường khi dịch chuyển điện tích q0 từ B C và từ A D. 2. So sánh công của lực tĩnh điện khi dịch chuyển từ A C và từ B D. Tóm tắt: Điện tích điểm q đặt tại O Hai đường tròn đồng tâm O: r, R Xác định ABC, AAD. So sánh AAC và ABD
12. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 Giải: - Nhận xét: Đây là bài toán liên quan tới công dịch chuyển điện tích điểm q0 gây bởi lực tĩnh điện sử dụng công thức cơ bản A12 = q0(V1 – V2). Ngoài ra, do tích chất đối xứng nên các điểm nằm đường tròn có tâm là điện tích điểm q sẽ có cùng điện thế đường đẳng thế. - Công dịch chuyển điện tích q0 từ B đến C là: ABC = q0(VB – VC) - Công dịch chuyển điện tích q0 từ A đến D là: AAD = q0(VA – VD) do tính chất đường thẳng thế ta có: VB = VC, VA = VD nên ta suy ra: ABC = AAD = 0 - Công dịch chuyển điện tích q0 từ A đến C là: AAC = q0(VA – VC) - Công dịch chuyển điện tích q0 từ B đến D là: ABD = q0(VB – VD) DẠNG TOÁN: ỨNG DỤNG TÍCH PHÂN 1. Nhận xét: - Đặc điểm của bài toán này là phải sử dụng phương pháp tính tích phân để xác định cường độ điện trường, lực điện, điện thế hoặc các đại lượng suy ra từ những đại lượng trên. - Để giải quyết các bài toán dạng này chúng ta cần trang bị những kiến thức cơ bản sau: o Kỹ năng tính tích phân các hàm cơ bản o Mối liên hệ giữa các đại lượng o Tổng hợp vector o Công thức tính lực tương tác giữa hai điện tích điểm. o Công thức tính điện trường gây bởi điện tích điểm. o Công thức xác định điện thế. o Công thức xác định diện tích vành tròn giới hạn bởi hai đường tròn bán kính R1 và R2: o Công thức tính diện tích đới cầu: S = 2πRh o Nắm vững một số công thức gần đúng - Nhìn chung bài toán loại này là rất đa dạng, tuy nhiên nếu chúng ta biết được quan hệ giữa các đại lượng với nhau thì hầu như các bài toán này đều có thể đưa về dạng duy nhất là xác định cường độ điện trường gây bởi một vật thể nào đó phương pháp quy về bài toán điện trường. Ví dụ o Xác định F xác định E sử dụng mối liên hệ F = qE o Xác định VM xác định E sử dụng mối liên hệ ∫ o Xác định UMN xác định E sử dụng mối liên hệ ∫ o Xác định AMN xác định E xác định V xác định A Như vậy ta thấy các bài toán đều đi qua bài toán trung gian điện trường bài toán xác điện điện trường gây bởi vật thể đóng vai trò rất quan trọng. 2. Hướng giải: Bước 1 (vi phân vật thể): Để áp dụng tích phân ta phải tiến hành vi phân vật thể:
13. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Thanh, cung tròn, dây tròn chia thanh thành từng đoạn dx vi phân chiều dài. - Mặt phẳng vô hạn, đĩa tròn chia thành từng vành tròn có bán kính trong x bán kính ngoài x + dx vi phân diện tích dS = 2πxdx (được xác định bởi công thức tính diện tích vành tròn, trong đó loại bỏ các giá trị dx2 do rất bé) - Mặt cầu bán kính R chia thành các đới cầu có đường cao dx vi phân diện tích dS = 2πRdx (được xác định bởi công thức tính diện tích đới cầu). Bước 2 (Xác định dq): Các bài toán lực điện, điện trường, điện thế thường liên quan đến giá trị điện tích q do đó phương hướng đầu tiên cần phải xác định chính là giá trị dq. Thông thường ta phải tìm mối liên hệ giữa dq với vi phân chiều dài/vi phân diện tích - dq = λ.dx (λ: mật độ điện dài = điện tích của vật thể/độ dài vật thể - đơn vị: C/m) - dq = σ.dS (σ: mật độ điện mặt = điện tích của vật thể/diện tích bề mặt – đơn vị: C/m2) - dq = ρ.dV (ρ: mật độ điện khối = điện tích của vật thể/diện tích bề mặt – đơn vị: C/m3) dạng này thường dùng định lý O – G để giải cho đơn giản) Bước 3 (Xác định các đại lượng dF, dE, dV theo dq): Chú ý là hai đại lượng dF, dE là hai đại lượng có hướng áp dụng nguyên lý chồng chất trước khi tính tích phân, đại lượng dV ) (điện thế: cộng đại số - cộng trực tiếp, lực và điện trường: cộng vector – chiếu cộng). Bước 4 (Tính tích phân): Xác định được cận của tích phân (dựa vào giới hạn của vật thể), chú ý tính chất đối xứng của vật thể. 3. Bài tập minh họa: Bài 1-16: Một thanh kim loại mang điện tích q = 2.10-7 C. Xác định cường độ điện trường tại một điểm nằm cách hai đầu thanh R = 300 cm, cách trung điểm của thanh R0 = 10 cm. Tóm tắt: q = 2.10-7 C R = 300 cm R0 = 10 cm Xác định EO Giải: - Nhận xét: đây là bài toán ứng dụng tích phân đối với một thanh kim loại mang điện tích ứng dụng các bước cơ bản để giải bài toán này. - Bước 1 – Vi phân vật thể: Thanh kim loại vi phân theo chiều dài dx - Bước 2 – Vi phân điện tích dq: Gọi  là mật độ điện dài trên thanh ta có - Bước 3 – Xác định đại lượng dE theo dq: o Áp dụng công thức điện trường gây bởi điện tích điểm dq ta có: o Do tính chất đối xứng điện trường tổng cộng tại O sẽ nằm trên phương Ox và có chiều dài như hình vẽ. Hình chiếu của dE lên Ox có giá trị là:
14. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Bước 4 – Tính tích phân: o Điện trưởng tổng hợp tại O là: ∫ ∫ ∫ | √ - Chú ý: - Cách tính tích phân dạng: ∫ Xét tích phân ∫ sử dụng phương pháp tích phân từng phần. o Đặt { √ ta có: ∫ ∫ √ √ ∫ ∫ √ Mà ∫ nên ta có: ∫ √ - Những bài toán mở rộng: o Xác định lực điện F o Xác định các đại lượng liên quan tới công thức: R0, l, R, q,  - Các công thức cần nhớ: o Điện trường gây bởi thanh kim loại mảnh mang điện tích q tại một điểm nằm cách hai đầu thanh R và cách trung điểm của thanh R0 = 10 cm o Mật độ điện dài: o Tích phân cơ bản: ∫ √ Bài 1-17: Một mặt phẳng tích điện đều với mật độ . Tại khoảng giữa của mặt có khoét một lỗ hổng bán kính a nhỏ so với kích thước của mặt. Tính cường độ điện trường tại một điểm nằm trên đường thẳng vuông góc với mặt phẳng và đi qua tâm của lỗ hổng, cách tâm đó một đoạn là b Tóm tắt: Mặt phẳng: tích điện đều, ,  Lỗ hổng: a
15. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 O thuộc trục của lỗ và cách tâm một khoảng b Xác định E0 Giải: - Nhận xét: đây là bài toán ứng dụng tích phân đối với một mặt phẳng mang điện tích ứng dụng các bước cơ bản để giải bài toán này. - Bước 1 – Vi phân vật thể: Mặt phẳng vô hạn vi phân theo hình vành khăn với tâm là tâm của lỗ tròn bán kính a. Khi đó vi phân diện tích hình vành khăn nằm giữa hai đường tròn bán kính x và x + dx là: dS = 2 xdx (công thức này suy ra bằng cách lấy diện tích hình tròn bán kính x + dx trừ đi diện tích hình tròn bán kính x và chú ý là bỏ qua đại lượng d2x vì nó quá nhỏ) - Bước 2 – Vi phân điện tích dq: Gọi  là mật độ điện mặt ta có - Bước 3 – Xác định đại lượng dE theo dq: o Do tính đối xứng nên điện trường gây bởi các phần tử điện tích trên diện tích dS tại điểm O sẽ có phương lập với Ox một góc và có cùng độ lớn. Ta đặt ⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ Trong đó dq = dq1 + dq2 + + dqi, thay ta có: - Bước 4 – Tính tích phân: o Điện trường gây bởi toàn bộ mặt phẳng là: ∫ ∫ | √ √ √ - Chú ý: - Từ bài toán này ta có thể rút ra cách xác định điện trường gây bởi một số vật có hình dạng tương tự như: o Đĩa tròn mang điện đều bán kính R Điện trường E0 lấy tích phân từ 0 R điện trường gây bởi đĩa tròn mang điện đều tại một điểm trên trục và nằm cách tâm đĩa một khoảng là b: | √ √ ( ) o Mặt phẳng vô hạn không khoét lỗ a = 0 điện trường o Vành tròn bán kính trong là R1 bán kính ngoài là R2 lấy tích phân từ a b điện trường gây bởi vành tròn mang điện đều tại một điểm trên trục và nằm cách tâm một khoảng là b:
16. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 | √ √ √ ( ) - Một số bài toán mở rộng: o Xác định các đại lượng liên quan tới công thức: , a, b - Các công thức cần nhớ: o Điện trường gây bởi đĩa tròn bán kính R, tích điện đều o Điện trường gây bởi mặt phẳng khoét lỗ bán kính a, tích điện đều o Điện trường gây bởi mặt phẳng vô hạn tích điện đều Bài 1-29: Tính điện thế tại một điểm nằm trên trục của một đĩa tròn có tích điện đều và cách tâm đĩa một khoảng h. Đĩa có bán kính R và mật độ điện mặt . Tóm tắt: Đĩa tròn: tích điện đều, R,  Điểm M: nằm trên trục của đĩa, cách tâm một đoạn h Xác định VM Giải: - Nhận xét: đây là bài toán điện thế gây bởi đĩa tròn đều ta có thể sử dụng phương pháp quy về bài toán điện trường rồi sử dụng mối quan hệ giữa điện thế và điện trường để tìm ra điện thế tại điểm M. - Điện trường gây bởi đĩa tròn tại một điểm nằm trên trục và cách tâm đĩa một khoảng là h là √ ( ) - Áp dụng công thức liên hệ giữa điện thế và điện trường là: ∫ ∫ √ | √ ( ) Khi h thì h >> R √ như vậy ta có: (√ ) - Chú ý: - Bài toán này hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp tích phân tính trực tiếp theo điện thế V - Một số bài toán mở rộng: o Tính hiệu điện thế giữa hai điểm trên trục
17. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 o Tính công dịch chuyển điện tích giữa hai điểm trên trục o Xác định các đại lượng liên quan tới công thức - Công thức cần nhớ là: o Điện thế gây bởi đĩa tròn bán kính R tích điện đều tại một điểm trên trục của đĩa và cách tâm đĩa một khoảng h: (√ ) DẠNG TOÁN: ÁP DỤNG ĐỊNH LÝ O - G 1. Nhận xét: - Có rất nhiều bài toán trong đó vật thể có phân bố điện tích đối xứng cao: o Đối xứng phẳng o Đối xứng cầu o Đối xứng trụ về cơ bản chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp tích phân để tính các đại lượng như điện trường, lực điện ưu điểm của phương pháp tích phân là tính được hầu hết các loại vật thể nhưng nhược điểm lớn là đối với hệ có đối xứng cao thì việc tính toán lại khá dài dòng để giải quyết bài toán đối xứng cao ta sẽ sử dụng định lý O – G. - Nhờ có định luật Gauss ta dễ dàng xác định được cường độ điện trường của các vật thể có sự phân bố điện tích đối xứng cao. Thông qua việc lựa chọn mặt Gauss hợp lý ta có thể đưa ra công thức đơn giản mô tả định luật Gauss: Trong đó En là hình chiếu của vector E lên vector pháp tuyến của bề mặt Gauss Như vậy nhiệm vụ của bài toán lúc này chỉ là: - Xác định điện tích S - Xác định điện tích Q 2. Hướng giải: Bước 1: Chọn mặt kín bao quanh đối tượng (mặt Gauss): sao cho tại các phần của đối tượng ⃗ ⃗ hoặc ⃗ ⃗ với En = hằng số. Đối xứng phẳng: chọn mặt trụ. (1) Đối xứng cầu: chọn mặt cầu đồng tâm. (2) Đối xứng trụ: chọn mặt trụ đồng trục. (3)
18. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 (1) (2) (3) Bước 2: Áp dụng định luật Gauss: ∮ 3. Bài tập minh họa: Bài tập ví dụ: Xác định cường độ điện trường gây bởi dây dài vô hạn hình trụ tích điện đều với mật độ điện dài λ tại một điểm cách trục của dây một khoảng R Tóm tắt: Dây vô hạn: tích điện đều λ, hình trụ M: cách trục một khoảng R Xác định EM Giải: - Nhận xét: Do tính chất đối xứng nên: o ⃗ vuông góc với bề mặt trụ của dây – hướng ra mọi hướng o Giá của các ⃗ đều cắt trục của dây đối xứng trụ Lựa chọn mặt Gauss: đề thỏa mãn tính chất ta chọn mặt trụ bán kính R vecto cường độ điện trường vuông góc với hai vector pháp tuyến của mặt phẳng đáy và song song với vector pháp tuyến của mặt cong thành phần vuông góc bị triệt tiêu (ứng với hai mặt bên). - Ta có: trong đó: là diện tích mặt bên hình ∮ ∫ trụ - Điện tích bị bao bọc bởi mặt Gauss chính là điện tích của phần dây nằm trong hình trụ nên ta có: - Từ công thức O - G (trong đó thay En = EM) ta có: - Chú ý: cần nhớ công thức tính điện trường gây bởi dây hình trụ
19. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 Bài 1-22: Giữa hai dây dẫn hình trụ song song cách nhau một khoảng l = 15 cm người ta đặt một hiệu điện thế U = 1500 V. Bán kính mỗi dây là r = 0.1 cm. Hãy xác định cường độ điện trường tại trung điểm của khoảng cách giữa hai sợi dây biết rằng sợi dây đặt trong không khí. Tóm tắt: Dây dẫn hình trụ: 2 dây, đặt song song, bán kính r = 0.1 cm l = 15 cm U = 1500 V  = 1 O trung điểm của khoảng cách giữa hai sợi dây Xác định E0. Giải: - Nhận xét: Bài toán liên quan đến dây dẫn hình trụ đối xứng trụ áp dụng định lý O-G để xác định điện trường gây bởi từng dây dẫn trụ. Bài toán cho biết U chắc chắn cường độ điện trường sẽ được tính thông qua giá trị U. - Xét trường hợp tổng quát: giả sử điểm M cách dây dẫn thứ nhất một đoạn là x áp dụng định lý O-G và nguyên lý chồng chất điện trường ta có cường độ điện trường tại M là: ( ) - Như ta đã biết mối quan hệ giữa U và E là: nên ta có: ∫ ∫ ( ) | - Tại trung điểm O thì x = l/2 ta có: Bài 1-38: Cho quả cầu tích điện đều với mật độ điện khối , bán kính a. Tính hiệu điện thế giữa hai điểm cách tâm lần lượt là a/2 và a Tóm tắt: Quả cầu: tích điện đều , bán kính a R1 = a/2 R2 = a Xác định U12 Giải: - Nhận xét: Bài toán xác định hiệu điện thế quy về bài toán xác định điện trường tại điểm nằm trong mặt cầu áp dụng định lý O-G do tính đối xứng cầu nên lựa chọn mặt kín là mặt cầu
20. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Theo định lý O-G ta có: - Hiệu điện thế giữa hai điểm 1 và 2 là: ∫ ∫ | - Chú ý: - Các công thức cần nhớ: o Điện trường tại một điểm nằm trong mặt cầu tích điện khối: o Mối liên hệ giữa điện thế và cường độ điện trường: ∫ - Bài toán có thể mở rộng thành xét hiệu điện thế giữa hai điểm nằm ngoài mặt cầu khi đó ta vẫn áp dụng định lý O-G để xác định cường độ điện trường E xác định hiệu điện thế (hoặc điện thế tại một điểm nào đó) Bài 1-39: Người ta đặt một hiệu điện thế U = 450 V giữa hai hình trụ dài đồng trục bằng kim loại mỏng bán kính r1 = 3 cm, r2 = 10 cm. Tính: 1. Điện tích trên đơn vị dài của hình trụ 2. Mật độ điện mặt trên hình trụ 3. Cường độ điện trường tại điểm gần sát mặt trong, gần sát mặt ngoài, ở giữa (trung điểm) mặt trong và mặt ngoài. Tóm tắt: U = 450 V Hai hình trụ dài đồng trục: r1 = 3 cm, r2 = 10 cm Xác định , , E1, E2, E3. Giải: - Nhận xét: Bài toán liên quan tới xác định , và đã cho biết hiệu điện thế U liên quan tới cường độ điện trường E hình trụ (đối xứng trụ) áp dụng định lý O-G trong đó chọn mặt kín là mặt trụ. - Theo định lý O-G ta có: - Áp dụng mối liên hệ giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường ta có: ∫ - Điện tích trên bề mặt trụ: - Mật độ điện mặt trên hình trụ 1 là:
21. Gv: Trần Thiên Đức – ductt111.wordpress.com V2011 - Mật độ điện mặt trên hình trụ 2 là: - Ta có: thay ta có: - Sát mặt trụ trong: r = r1 E1 = 12500 V/m - Sát mặt trụ ngoài: r = r2 E2 = 3740 V/m - Ở chính giữa hai mặt trụ: r =(r2 – r1)/2 E3 = 5750 V/m - Chú ý: - Các công thức cần nhớ: o Cường độ điện trường giữa hai bản trụ: o Mật độ điện dài trên một đơn vị chiều dài hình trụ: o Mối liên hệ giữa mật độ điện dài và mật độ điện mặt của thanh hình trụ: