Giải SGK Vật Lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 18: Điện trường đều

Giải Vật Lí 11 Bài 18: Điện trường đều

Khởi động trang 71 Vật Lí 11: Chúng ta đã biết, cường độ điện trường tại mỗi điểm thường sẽ có giá trị khác nhau. Vậy có tồn tại những vùng điện trường mà cường độ điện trường tại mỗi điểm có giá trị như nhau không?

Lời giải:

Có tồn tại những vùng điện trường mà cường độ điện trường tại mỗi điểm có giá trị như nhau, đó là điện trường đều. Điện trường đều là điện trường mà cường độ điện trường tại mỗi điểm có giá trị bằng nhau về độ lớn, giống nhau về phương và chiều.

II. Điện trường đều giữa hai bản phẳng nhiễm điện đặt song song

Câu hỏi trang 72 Vật Lí 11: Để chuẩn đoán hình ảnh trong y học người ta thường sử dụng tia X (hay tia Rơn-ghen) để chụp X quang và chụp CT. Cho rằng vùng điện trường giữa hai cực của ống tia X (Hình 18.2) là một điện trường đều. Khoảng cách giữa hai cực bằng 2 cm, hiệu điện thế giữa hai cực là 120 kV. Hãy tính lực điện trường tác dụng lên electron.

Lời giải:

Cường độ điện trường: $E=\frac{U}{d}=\frac{120000}{\mathrm{0,02}}={6.10}^{6}V/m$

Lực điện trường tác dụng lên electron có độ lớn:

$F=\left|q\right|E={\mathrm{1,6.10}}^{-19}{\mathrm{.6.10}}^6={\mathrm{9,6.10}}^{-13}\text{}N$

III. Tác dụng của điện trường đều đối với chuyển động của một điện tích

Hoạt động 1 trang 72 Vật Lí 11: Giữa hai bản phẳng song song nhiễm điện có cường độ điện trường đều là E. Một điện tích q > 0 có khối lượng m bay vào trong điện trường đều trên với vận tốc $\overrightarrow{v_0}$ theo phương vuông góc với đường sức. Môi trường giữa hai bản phẳng nhiễm điện là chân không. Biết rằng trong hiện tượng này, trọng lực là rất nhỏ so với lực điện. Hãy so sánh vectơ lực điện tác dụng lên điện tích q trong Hình 18.3 với vectơ trọng lực tác dụng lên vật khối lượng m chuyển động ném ngang trong trường trọng lực như Hình 18.4. Từ đó chỉ ra rằng có sự tương tự giữa hai chuyển động nói trên.

Lời giải:

- Trong hình 18.3: Điện tích chuyển động theo phương ngang với vận tốc ban đầu ${\overrightarrow{v}}_0$ dưới tác dụng của lực điện (đã bỏ qua trọng lực tác dụng lên điện tích).

Vectơ lực điện có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống: $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$.

- Trong hình 18.4: Vật khối lượng m chuyển động theo phương ngang với vận tốc ban đầu ${\overrightarrow{v}}_0$ chịu tác dụng của trọng lực.

Vecto trọng lực có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống: $\overrightarrow{P}=m\overrightarrow{g}$.

$\Rightarrow$ Nhận xét: từ 2 hình ta thấy:

- Lực điện $\overrightarrow{F}$ và trọng lực $\overrightarrow{P}$ tương tự nhau.

- Điện tích q và vật m tương tự nhau đều coi là chất điểm.

- Cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ và gia tốc trọng trường $\overrightarrow{g}$ tương tự nhau.

- Quỹ đạo chuyển động của điện tích (hay vật m) đều có dạng là một nhánh của đường parabol. Từ đó, chứng tỏ có sự tương tự giữa hai chuyển động ở 2 hình trên.

Hoạt động 2 trang 73 Vật Lí 11: Hãy thảo luận về tác dụng của điện trường đều lên chuyển động của điện tích bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với đường sức điện:

a) Ảnh hưởng như thế nào đến vận tốc của chuyển động?

b) Từ đó dự đoán dạng quỹ đạo chuyển động.

Lời giải:

a) Chuyển động của điện tích bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với đường sức điện tương tự như chuyển động ném ngang của một vật khối lượng m trong trường trọng lực.

Ta có: $F=\left|q\right|E=\left|q\right|\frac{U}{d}=ma$

Vận tốc của chuyển động cũng được phân tích làm 2 thành phần

Ox: $v_x=v_0$

Oy: $v_y=a_{y}t=\frac{F}{m}.t=\frac{\left|q\right|U}{md}t$

b) Dự đoán quỹ đạo chuyển động có dạng một nhánh của parabol.

Hoạt động trang 74 Vật Lí 11: Dao động kí là một loại thiết bị dùng để hiển thị dạng tín hiệu đưa vào. Cấu tạo của một dao động kí gồm 4 bộ phận chính: Ống phóng tia điện tử, màn huỳnh quang, súng điện tử, hệ thống lái tia (Hình 18.6). Ống phóng tia điện tử phát ra electron bay qua hai bản lái tia theo phương x và phương y rồi đập lên màn huỳnh quang tạo ra điểm sáng trên màn.

Hãy giải thích nguyên tắc hoạt động lái tia điện tử của các bản lái tia trong Hình 18.6.

Lời giải:

Hệ thống lái tia gồm hai bản kim loại được nối với hai cực của nguồn điện.

- Khi electron đi qua bản lái tia theo phương y thì eletron bị hút về phía bản cực dương, sau khi đi ra khỏi bản lái tia theo phương y thì chùm tia electron này đã bị lệch theo phương y (so với phương ban đầu).

- Chùm electron tiếp tục đi vào bản lái tia theo phương x, electron bị hút về phía bản cực dương, sau khi đi ra khỏi bản lái tia theo phương x thì chùm tia đập vào màn huỳnh quang tạo ra mỗi điểm sáng.

- Khi đặt các hiệu điện thế thích hợp vào hai cặp bản đó, ta có thể điều khiển chùm electron đập vào vị trí xác định trên màn huỳnh quang. Các cực được cấu tạo, xếp đặt và có các điện thế sao cho chùm electron một mặt được tăng tốc, mặt khác được hội tụ lại để chỉ gây ra một điểm sáng nhỏ trên màn huỳnh quang.

- Nhiều chùm tia đi qua sẽ cho nhiều điểm sáng, tổng hợp các điểm sáng trên màn cho ta hình ảnh cần chiếu.

IV. Ứng dụng

Hoạt động trang 74 Vật  Lí 11: Hãy tìm hiểu về công nghệ ion âm lọc không khí được sử dụng rất phổ biến hiện nay (để lọc không khí trong ô tô, trong gia đình, trong nhà xưởng....). Máy hút ẩm (Hình 18.7) có các ion âm được phát ra theo phương vuông góc với đường sức điện trường của Trái Đất. Hãy nêu tác dụng của điện trường đều của Trái Đất đối với chuyển động của chùm ion âm để giải thích cho khả năng lọc bụi trong không khí của chúng.

Lời giải:

- Với trình độ khoa học kĩ thuật cao, con người có thể dễ dàng tạo ra ion âm bằng cách:

+ Sử dụng điện áp cao, điện ly (ion hóa) không khí để tạo ra ion âm.

+ Hoặc là từ những nguyên liệu thiên nhiên như các loại khoáng thạch, đá thạch, nham thạch và rong biển có chứa anbumin,.. đều có khả năng phát xạ ra ion âm cao, các nhà khoa học đã tiến hành đưa các ứng dụng khoa học kỹ thuật và gia công chúng trở thành bột mịn. Các bột mịn này sẽ được kết hợp với các vật liệu cao phân tử để tạo thành ion âm nhân tạo.

- Tác dụng của điện trường đều của Trái Đất đối với chuyển động của chùm ion âm: Vì ngay sát bề mặt của Trái Đất có điện trường theo phương thẳng đứng hướng từ trên xuống nên các chùm ion âm luôn bị đẩy và có thể lơ lửng trong không khí. Mà các chất gây ô nhiễm, khói bụi, vi khuẩn,... trong không khí đều mang điện tích dương, vì thế ion âm sẽ hút các ion dương này, trung hòa chúng khiến chúng rơi xuống đất, giúp không khí trở nên sạch sẽ và trong lành hơn.

Câu hỏi trang 75 Vật Lí 11: Máy lọc không khí tạo ra chùm các ion âm OH^- (mỗi ion OH^- có khối lượng m = 2,833.10^-26 kg, điện tích –1,6.10^-19 C) có vận tốc ban đầu từ 20 m/s đến 40 m/s theo phương song song với mặt đất và cách mặt đất 50 cm. Điện trường đều đo được ở bề mặt Trái Đất là 114 V/m. Bỏ qua trọng lực và các loại lực cản khác, hãy xác định quỹ đạo của chùm ion âm này.

Lời giải:

Đặt gốc toạ độ đúng tại điểm ion âm bắt đầu vào điện trường đều. Trục Ox có hướng trùng với vectơ vận tốc ban đầu, trục Oy hướng thẳng đứng lên trên.

Độ lớn cường độ điện trường giữa hai bản phẳng là E = 114 V/m

Chú ý rằng vectơ cường độ điện trường hướng từ trên xuống dưới và ngược chiều với Oy nên hình chiếu trên phương Oy sẽ có giá trị âm.

Lực điện tác dụng lên ion âm chiếu trên phương Oy có giá trị bằng:

$F=-qE=-\left(-{\mathrm{1,6.10}}^{-19}\right).114={\mathrm{1,824.10}}^{-17}N$

Phương trình chuyển động theo phương Ox: $x=v_{0}t$

Phương trình quỹ đạo của chuyển động:

$y=\frac{1}{2}{a}_y{t}^2=\frac{1}{2}.\frac{F}{m}.t^2=\frac{1}{2}.\frac{{\mathrm{1,824.10}}^{-17}}{{\mathrm{2,833.10}}^{-26}}.{\left(\frac{x}{v_0}\right)}^2=\frac{\mathrm{3,2}}{v_0^2}.x^2$

Từ phương trình quỹ đạo ta thấy ion âm chuyển động theo cung parabol có bề lõm hướng lên trên.

Em có thể trang 75 Vật Lí 11: Mô tả được ảnh hưởng của điện trường đều lên chuyển động của một điện tích khi bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với các đường sức. Từ đó giải thích được nguyên tắc lái tia điện tử trong ống phóng tia điện tử.

Lời giải:

Hệ thống lái tia gồm hai bản kim loại được nối với hai cực của nguồn điện. Khi đặt các hiệu điện thế thích hợp vào hai cặp bản đó, ta có thể điều khiển chùm electron đập vào vị trí xác định trên màn huỳnh quang. Các cực được cấu tạo, xếp đặt và có các điện thế sao cho chùm electron một mặt được tăng tốc, mặt khác được hội tụ lại để chỉ gây ra một điểm sáng nhỏ trên màn huỳnh quang.

Em có thể trang 75 Vật Lí 11: Giải thích được cơ chế gia tốc cho electron trong ống phóng tia X, từ đó giúp điều khiển một số đặc tính của chùm tia X theo mong muốn.

Lời giải:

Cơ chế phát tia X: Electron của Catod được tăng tốc trong điện trường mạnh nên có động năng rất lớn. Khi gặp các nguyên tử Anode, các electron này xuyên sâu vào vỏ nguyên tử, tương tác với hạt nhân và các lớp electron của nguyên tử làm dịch chuyển các electron từ tầng này qua tầng khác (nguyên tử có nhiều lớp các eclectron từ trong ra ngoài được đặt tên K, L , M.. theo mức năng lượng của electron từ thấp tới cao). Chính quá trình dịch chuyển từ tầng này sang tầng khác của các electron tạo ra tia X. Có hai dạng tia X được tạo là ‘bức xạ hãm’ và tia X đặc trưng. Bức xạ hãm tạo ra do sự tương tác giữa các điện tử và hạt nhân nguyên tử vật liệu làm bia. Tia X đặc trưng tạo ra khi các electron bắn phá bia làm bật electron trên các quỹ đạo bên trong ra khỏi nguyên tử vật liệu làm bia. Tia X này được gọi là tia X đặc trưng vì nó đặc trưng riêng cho từng loại nguyên tố làm bia. Hình ảnh được tạo ra khi chụp X quang là do bức xạ hãm, tia X đặc trưng sinh nhiệt lớn cần được giải nhiệt để đầu đèn hoạt động tốt.

Xem thêm các bài giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 16: Lực tương tác giữa hai điện tích

Bài 17: Khái niệm điện trường

Bài 19: Thế năng điện

Bài 20: Điện thế

Bài 21: Tụ điện