Sáng kiến kinh nghiệm - Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi phần điện trường của các vật nhiễm điện THCS NGĨA CHÂU

Phần bài tập điện trường của các vật nhiễm điện là phần bài tập khó thường chiếm một phần điểm trong các đề thi học sinh giỏi, cũng là phần có số dạng bài và phương pháp giải phong phú..

Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Thưa các đồng chí và các em, từ lâu việc tìm kiếm, phát hiện, và bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý đã trở thành quan trọng với tất cả chúng ta “Hiền tài là nguyên khí quốc gia” vậy ta phải làm thế nào để tìm ra được những tài năng nhỏ bé khi các em đang ngồi trên ghế nhà trường Hàng năm công việc tổ chức các cuộc thi học sinh giỏi các cấp cũng lại là việc quan trọng không thể thiếu trong hoạt động của các cơ quan giáo dục từ cấp trường, Sở, cho tới cấp Bộ Theo sự phát triển của khoa học công nghệ nước nhà, đặc biệt

là ngành khoa học vật lý, nước ta cần rất nhiều những nhà vật lý có đủ trình độ năng lực có thể góp sức vào công cuộc chuyển biến của đất nước

Việc đổi mới chương trình đào tạo cũng làm thay đổi yêu cầu của việc tuyển chọn học sinh giỏi, nên một yêu cầu cấp thiết là quá trình phát hiện, và bồi dưỡng học sinh giỏi cũng cần phải thay đổi cho phù hợp Nhiều đồng nghiệp cho rằng cứ cho các em học tốt chương trình nâng cao là có thể đáp ứng được yêu cầu của đề thi học sinh giỏi, nhưng quả thực không phải như vậy Đề thi học sinh giỏi yêu cầu thí sinh phải nắm chắc kiến thức căn bản, và phải triển khai tốt những kiến thức ấy trong những bài toán cụ thể, nên thí sinh cần phải có đủ kĩ năng cũng như khả năng ứng biến, phát hiện hiện tượng vật lý trong bài… như vậy các em cần có thời gian được ôn luyện kĩ lưỡng và cần phải được chuẩn bị tốt cả về mặt kiến thức lẫn kĩ năng

Phần bài tập điện trường của các vật nhiễm điện là phần bài tập khó thường chiếm một phần điểm trong các đề thi học sinh giỏi, cũng là phần có số dạng bài và phương pháp giải phong phú Mặt khác các bài tập về điện trường của các vật nhiễm điện luôn gây nhiều hứng thú, và đôi khi là những vấn đề khó giải quyết của các em

Sáng kiến kinh nghiệm tập trung cung cấp kiến thức trọng tâm và đưa một số bài tập cụ thể có thể giúp đồng nghiệp và các em trong mức độ nào đó với hy vọng việc ôn thi học sinh giỏi không còn là quá khó với các đồng nghiệp nữa Sáng kiến lấy tên “Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện”

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng phương pháp ôn thi học sinh giỏi Cung cấp kiến thức và phương pháp giải các bài tập liên quan tới phần điện trường của các vật nhiễm điện có phân bố điện đều

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Với mục đích trên sáng kiến tập trung nhiệm vụ cung cấp một số kiến thức nâng cao không được nhắc tới trong chương trình học, tìm ra giải pháp luyện thi học sinhh giỏi ở một phần kiến thức khó có trong các đề thi

4 Khách thể và đối tượng nghiên cứu

a) Khách thể nghiên cứu

- Quá trình học của học sinh giỏi vật lý

- Quá trình dạy ở các đội tuyển vật lý

b) Đối tượng nghiên cứu

- Kiến thức phần điện học lớp 11 cơ bản và nâng cao

- Phương pháp giải các bài toán về các vật tích điện, phân bố điện đều

5 Giả thuyết khoa học

- Việc ôn thi học sinh giỏi vật lý là cần thiết, phần bài tập về điện trường của các vật nhiễm điện biết sự phân bố điện tích hay và khó

6 Cấu trúc sáng kiến

Cấu trúc sáng kiến gồm 2 mục và 4 chương tập trung chủ yếu vào chương trình vật

lý lớp 11 theo chương trình đào tạo trung học phổ thông:

- Mở đầu

- Chương I: Lý thuyết chung

- Chương II: Kiến thức về các vật nhiễm điện

- Chương III: Dạng bài và phương pháp giải

- Chương IV: Bài tập

- Kết luận, kiến nghị

CHƯƠNG I- LÝ THUYẾT CHUNG

Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện

1.1 Vai trò của làm bài tập trong quá trình học của học sinh

“Trăm hay không bằng tay quen”, người lao động xưa đã từng quan niệm rằng lí thuyết hay không bằng thức hành giỏi, điều đó cho thấy người xưa đã đề cao vai trò của thức hành Ngày nay với đà phát triển của xã hội, quan niệm lí thuyết và thức hành được hiểu khác hơn Học và hành lúc nào cũng đi đôi, không thể tách rời nhau Điều đó cũng đã được chủ tịch Hồ Chí Minh khẳng định: “Học với hành phải đi đôi, học mà không hành thì

vô ích, hành mà không học thì hành không trôi chảy.”

Học là tiếp thu kiến thức đã được tích lũy trong sách vở, là nắm vững lí luận đã được đúc kết trong các bộ môn khoa học, đồng thời tiếp nhận những kinh nghiệm của người đi trước Còn hành nghĩa là ứng dụng kiến thức, lí thuyết để giải bài tập hoặc giải quyết một

vấn đề thực tiễn đời sống Cho nên học lý thuyết và làm bài tập có mối quan hệ rất chặt

chẽ với nhau Chúng là hai mặt của một quá trình thống nhất, chúng không thể tách rời

Ta cần hiểu rõ “làm bài tập” là mục đích học tập Một khi đã nắm vững kiến thức, đã

tiếp thu lí thuyết mà ta không vận dụng vào bài tập và thực tiễn, thì học chẳng để làm gì cả Việc đưa thêm bài tập cho các em sau mỗi một lĩnh vực lý thuyết là cần thiết Rất nhiều bài kiểm tra tập trung vào việc đánh giá kĩ năng làm bài của học sinh, nên phần bài tập luôn được cho với số điểm rất cao, chiếm tới hơn 70% điểm của đề thi

“Làm bài tập” là phương pháp học tập Khi làm bài tập các em luôn phải nêu được

các định lý, định luật, các thuyết phù hợp để vận dụng, do vậy mỗi khi làm bài tập là một lần học sinh được rà soát kiến thức liên quan

“Làm bài tập” là hình thức đánh giá kết quả của quá trình học Học mà không làm

được bài tập là do học không thấu đáo hoặc thiếu môi trường hoạt động Nếu chữa bài tập

mà không có lý thuyết gắn liền, soi sáng và kinh nghiệm đã được đúc kết dẫn dắt thì việc giải các bài tập sẽ lúng túng khi gặp khó khăn trở ngại, thậm chí có khi sai lầm nữa Vì vậy trước khi bắt tay làm bài, hoặc giải bất kì bài tập nào việc cần thiết trước hết là phải nêu ra được những kiến thức cần thiết để giải

1.2 Các bước giải quyết một bài tập vật lý

1.2.1 Xác định dạng bài và lý thuyết tương ứng để giải

Việc đọc kỹ đề bài, xác định được dạng bài luôn là điều quan trọng trước khi các đồng nghiệp và các em giải bài tập Nhiều đồng nghiệp, học sinh khi giải những bài toán nâng cao các em thường mắc một số lỗi sau: lời giải cồng kềnh, khó hiểu mặc dù vẫn đúng kết quả; biết hướng giải nhưng lại không biết bắt đầu từ đâu để giải; giải sai yêu cầu của đề bài Để khắc phục những khuyết điểm ấy cách tốt nhất các đồng nghiệp và các em nên xác định đúng dạng và đúng lý thuyết được vận dụng để giải bài Trong chương sau tác giả

sẽ cung cấp các dạng toán cùng lý thuyết kèm theo sau đó mới đưa bài tập để đồng nghiệp

và các em tham khảo

1.2.2 Nêu các đại lượng vật lý, và áp dụng đúng lĩnh vực lý thuyết

Sau khi xác định được dạng bài tập và lý thuyết tương ứng, chúng ta phải bắt đầu bài tập từ những đại lượng vật lý được nêu ra Các đại lượng vật lý được nêu ra sẽ là đối tượng

để ta sử dụng các định luật, định nghĩa “tương tác” vào, từ đó hình thành lên phép toán

của bài tập Ví dụ: khi nêu các đại lượng điện trở R, r, dòng điện I và suất điện động ξ thì định luật tương ứng là định luật Ôm cho toàn mạch: I= ξ

R+r

1.2.3 Sử dụng các phép biến đổi toán để tìm ra được kết quả cuối cùng

Và bước cuối cùng là biến đổi toán học sau khi đã xây dựng được hết các phương trình toán cần thiết để tìm tới kết quả cuối cùng của bài toán

Ứng với lý thuyết chung được nêu trên, các chương II và III sẽ đi vào giải quyết các vấn đề liên quan đến bài tập và lý thuyết về điện trường của các vật nhiễm điện Bổ sung kiến thức, dạng bài và phương pháp giải, bài toán mẫu, bài tập tự giải Rất mong các đồng chí theo dõi và tìm ra được những điều bổ ích từ sáng kiến kinh nghiệm này

Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện

CHƯƠNG II – KIẾN THỨC VỀ CÁC VẬT NHIỄM ĐIỆN 2.1 Định luật Cu-lông

Lực hút hoặc đẩy tĩnh điện giữa hai hạt tích điện (hai điện tích điểm) q1 và q2 cách nhau khoảng r trong chân không có độ lớn:

1 2 2

q q

F=k

r , với k=9.10

9 Nm2/C2 gọi là hằng số tĩnh điện (2.1)

Một dạng khác là 1 22

0

q q 1

F=

4.πεr  r với εr0=8,85.10-12C2/Nm2 gọi là hằng số điện Trong trường hợp các điện tích đặt trong điện môi có hằng số điện môi εr thì lực tương tác điện giảm đi εr lần: 1 22 1 22

0

2.2 Thuyết Electrôn (thuyết điện tử)

Giá trị điện tích được chọn làm điện tích nguyên tố là e=1,6.10-19C, các vật mang điện

sẽ mang số nguyên lần e tức là sẽ nhiễm điện với các giá trị n.e (nZ) Người ta còn nói là điện tích bị lượng tử hóa Prôtôn có điện tích bằng e Electrôn có điện tích –e= -1,6.10-19C

Nơtrôn không tích điện Trong thực tế tồn tại hạt có điện tích nhỏ hơn điện tích của e là

quark, quark có điện tích ± ; ±2

nhưng quark không có khả năng tồn tại độc lập, mà chỉ

có thể tồn tại trong liên kết với nhau tạo nên prôtôn và nơtrôn Thuyết điện tử dựa vào sự tồn tại và di chuyển của electrôn để giải thích các hiện tượng điện, các tính chất điện:

- Electrôn(e) có thể rời khỏi các nguyên tử, phân tử để di chuyển Các nguyên tử trung hòa bị mất e trở thành hạt mang điện dương gọi là các ion dương

- Các nguyên tử trung hòa cũng có thể nhận thêm e để trở thành hạt mang điện âm gọi

là các ion âm

- Các vật trung hòa về điện là những vật có số prôtôn(p) bằng với số e Vật có số e lớn hơn số p thì nhiễm điện âm, và ngược lại nếu vật có số e nhỏ hơn số p thì nhiễm điện

dương

2.3 Định luật bảo toàn điện tích

Trong hệ cô lập về điện thì điện tích được bảo toàn

Các vật trong hệ cô lập về điện có thể trao đổi điện tích với nhau nhưng tổng đại số của các điện tích luôn bằng hằng số

2.4 Điện trường

Môi trường tồn tại xung quanh vật nhiễm điện, gắn liền với vật nhiễm điện, tương tác lực điện lên các vật tích điện đặt trong nó gọi là điện trường

Cường độ điện trường là đại lượng vec-tơ đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực Kí hiệu E , có đơn vị là V/m

Trước khi tính toán các điện trường của các vật tích điện ta xét một số dạng phân bố điện sau

2.5 Phân bố điện dài

Trong thực tế không phải vật nhiễm điện nào cũng có dạng hình cầu để chúng ta có thể coi là điện tích điểm Tồn tại những vật nhiễm điện có dạng đoạn thẳng, đường thẳng, đường tròn hoặc bất kì hình dạng nào Ta xét những vật nhiễm điện có dạng đường

thẳng, đoạn thẳng, điện tích phân bố đều theo phương hoặc theo đường Gọi điện tích

của vật nhiễm điện là Q, chiều dài của vật nhiễm điện là l Ta định nghĩa λ=Q

l gọi là mật

độ điện dài và có đơn vị là C/m

Như vậy điện tích của phần tử có chiều dài Δli đủ nhỏ để được coi là một điện tích

điểm, được tính bằng Δqi =Δli Và lực điện do vật tác dụng lên một điện tích điểm q đặt ở

M gần nó là tổng véc-tơ của các véc-tơ lực do mỗi điện tích điểm Δqi tác dụng lên điện tích

q Ta có:

l

n i i=1

  



(2.3)

Mỗi điện tích điểm Δqi gây lên ở điểm M bất kì gần vật một điện trường có cường độ bằng:

ΔE =k =k λ

l

Theo nguyên lý chồng chất điện trường, điện trường tổng hợp ở M là tổng véc-tơ của những điện trường thành phần:

n i M

i=1

E = ΔE



(2.5)

q





(2.6)

Chúng ta phải lưu ý với nhau một điều, các véc-tơ thành phần thường là không cùng phương, do vậy khi chưa xác định được phương chiều của véc-tơ tổng, hoặc các phép toán không thuận lợi thì chúng ta không thể sử dụng phép tích phân để tính các tổng (2.3) và (2.5) nêu trên

2.6 Phân bố điện mặt

Ta xét vật dẫn có dạng là một tấm dẹt tiết diện S, tích điện Q phân bố đều, định nghĩa Q

α=

S là mật độ điện mặt, có đơn vị là C/m

2 Như vậy, một phần tử của vật có diện tích Δsi đủ nhỏ để có thể coi là điện tích điểm

sẽ có điện tích Δqi =.Δsi Nếu gần vật một điện tích q thì lực tác dụng vào điện tích q là tổng hợp của lực do các điện tích Δqi tác dụng lên q Ta có:





n i i=1

 

(2.7)

Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện

Mỗi điện tích điểm Δqi gây lên ở điểm M bất kì gần vật một điện trường có cường độ bằng:

Theo nguyên lý chồng chất điện trường, điện trường tổng hợp ở M là tổng véc-tơ của những điện trường thành phần:

n

i=1

=

E = q





(2.10)

Đối với vật dẫn tích điện thì điện tích luôn tập trung ở mặt ngoài của vật nên tác giả chỉ xét tới hai trường hợp phân bố điện dài và phân bố điện mặt, không xét tới phân bố điện khối Chương sau là các bài tập cụ thể của các trường hợp vật nhiễm điện

2.7 Định lý Ôxtrôgratxki-Gauxơ

Một định lý khả đúng khi nghiên cứu về điện trường của các vật nhiễm điện là định lý Ôxtrôgratxki-Gauxơ (O-G) phát biểu như sau:

Trong môi trường là chân không, điện thông qua mặt kín có giá trị bằng tổng điện tích có trong mặt chia cho hằng số điện

i

= 1

εr

Về mặt toán học công thức (2.9) còn được viết dưới dạng:

i i 0 S

1

εr

 

Trong trường hợp môi trường bên trong mặt kín S bị lấp kín bởi điện môi có hằng số điện môi εr thì công thức định luật được viết dưới dạng

i

= 1

εrεr

i 0 S

1

εrεr

Trong các bài toán sau có những bài có thể giải một cách ngắn gọn nhờ định luật O-G nhưng tác giả trực tiếp sử dụng nguyên lý chồng chất điện trường và các khái niệm phân

bố điện để tính nhằm tập trung vào việc tìm điện trường của các vật tích điện một cách cơ bản nhất

CHƯƠNG III - DẠNG BÀI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI 3.1 Điện trường của lưỡng cực điện

3.1.1 Lưỡng cực điện

Hệ gồm hai điện tích cùng độ lớn q nhưng trái dấu cách nhau khoảng d trong không

gian được gọi là một lưỡng cực điện Đường thẳng nối hai điện tích được gọi là trục của

lưỡng cực điện

Véc-tơ hướng từ -q đến +q và có độ lớn bằng q.d được gọi là mô men lưỡng cực điện.

Ta tính điện trường ở điểm P trên trục của lưỡng cực điện cách trung điểm M của lưỡng cực điện một khoảng z

3.1.2 Bài toán điện trường trên trục của lưỡng cực điện

Theo nguyên lý chồng chất điện trường có: E=E +E  (+) (-) (3.1)

Hai véc-tơ cùng phương và ngược chiều nên:

(+) (-)

r r (z- d) (z+ d)

(3.2)

Chia cả tử và mẫu cho z2 ta có:

E [(1- ) -(1+ ) ] [(1- + ) -(1+ + ) ]

Vì dznên d 1

z  nên các số hạng

2 2

d 4z ≈0;

-1

(1- ) 1+

z  z và

-1

(1+ )

1-z  z nên công thức (3.3) được viết lại:

E= (1+ -1+ )=

2kqd E=

khi viết

0

1 k=

0

E=

Ta lại có p=q.d nên 3

0

E=

Các công thức (3.4), (3.5) chỉ đúng cho các điểm cách xa dọc theo trục của lưỡng cực Nhưng quy luật tỉ lệ nghịch với lập phương khoảng cách z từ điểm đó tới trung điểm của lưỡng cực thì đúng với mọi điểm nằm ở xa lưỡng cực Hay nói cách khác ta có thể

nhận thấy: cường độ điện trường của một điểm trong không gian do lưỡng cực tạo nên ở 1 điểm nằm xa lưỡng cực thì tỉ lệ nghịch với lập phương khoảng cách của điểm đó tới tâm của lưỡng cực

.

M

+q -q P E (+)

(-)

E  z

z

Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện

Xem xét kĩ hơn ta thấy dù điểm P nằm ở đâu trên trục của lưỡng cực thì E bao giờ cũng theo hướng của mô-men lưỡng cực p Ta có thể viết như sau:

3 0

E=

2πεr z



(3.6)

3.2 Điện trường của một đường tích điện, phân bố điện đều

Ta xét vật có dạng là đường tròn hoặc đường thẳng mảnh tích điện phân bố đều có mật độ điện dài , gây lên điện trường trong không gian

3.2.1 Bài toán điện trường của một đường thẳng dài vô hạn tích điện

Ta sử dụng mật độ điện dài trong bài toán này, giả sử có một dây d dài vô hạn tích điện dương, phân bố đều, có mật độ điện dài  Nhận thấy điện trường tại một điểm M trong không gian phụ thuộc vào mật độ điện dài và khoảng cách từ M tới d

Trên đường thẳng (d) ta xác định các đoạn thẳng Δli có kích thước đủ nhỏ để có thể coi là một điện tích điểm Δli có điện tích Δqi=.Δli gây lên tại M một cường độ điện

trường E i Ứng với mỗi Δli sẽ có một

Δl’i có cùng độ dài gây một E’i



mà hợp i

E của hai cường độ điện trường này có

phương nằm trên đường thẳng (c) qua M

và vuông góc với (d) Do đó ta xác định

được phương của E là nằm trên đường

thẳng (c) qua M vuông góc với d Về độ

lớn của E thì bằng với tổng các thành phần

là hình chiếu của ΔE i

trên (c)

Gọi khoảng cách từ M đến (d) là r,S

khoảng cách từ Δli đến (c) là x Ta có

Δli =dx Hình chiếu của ΔEitrên (c) sẽ có độ lớn bằng:

dE=ΔE cosα =kλ

(r +x ) r +x

Cường độ điện trường ở M có độ lớn E bằng tổng các vi phân dE Ta có thể viết như sau:

+

3

2 2

(r +x )





Tích phân trong phương trình (3.9) được tính bằng:

A

3 A

2 2

kλr

(r +x )

.

M

Δl

i

i

ΔE

i

E

d

x r

M ΔE

Δs

Δs’

O

Để tính được tích phân ở trong dấu lấy giới hạn ta chia cả tử và mẫu số cho r3 được công thức sau:

A

2 A

2

kλr

x

r (1+ )

r

Đặt x=tanu

r , khi x=-A thì

A u=arctan(- )

r ; khi x=A thì

A u=arctan

r Tích phân trong giới hạn được tính bằng:

=

du cosudu=2 sin[arctan( )]

Cường độ điện trường E được tính bằng:

A

E= lim 2 sin[arctan( )]=2 sin =

0

λ E=

2πεr r (3.13) Như vậy, điện trường do một dây dẫn thẳng dài gây lên ở điểm M cách dây khoảng r chỉ phụ thuộc vào mật độ điện dài và khoảng cách từ M đến dây dẫn Công thức (3.13) đúng với cả trường hợp dây có chiều dài hữu hạn nhưng điểm được xét có vị trí nằm đủ gần dây (r đủ nhỏ)

Phương pháp này cũng có thể tính được trong trường hợp dây có chiều dài hữu hạn so với khoảng cách r Khi ấy ta cần phải chú ý đến cận lấy tích phân

3.2.2 Bài toán điện trường của đường tròn mảnh tích điện

Ta xét một dây mảnh tích điện Q, phân bố đều với mật độ điện dài , được uốn thành một vòng tròn bán kính R Ta tính cường độ điện trường do vòng dây mảnh trên gây ra ở điểm M nằm trên trục (c) của vòng dây, cách tâm vòng dây khoảng z

Trên đường tròn ta xác định các đoạn thẳng Δsi có kích thước đủ nhỏ để có thể coi là một điện tích điểm Δsi có điện tích Δqi=.Δsi gây lên tại M

một cường độ điện trường E i

Ứng với mỗi Δsi sẽ có một

Δs’i đối xứng với Δsi qua tâm O của vòng dây, gây một

i

E’





mà hợp E i

của hai cường độ điện trường này có phương nằm trên trục (c) Do đó ta xác định được phương

của E là nằm trên trục của vòng dây Về độ lớn của E sẽ

bằng với tổng các thành phần là hình chiếu của ΔEitrên (c)

Gọi khoảng cách từ M đến O là z, khoảng cách từ Δsi

đến (c) là bán kính R của đường tròn Ta có:

(R +z ) (R +z )

Khi Δsi đủ nhỏ ta đặt Δsi =ds Hình chiếu của ΔEitrên (c)

sẽ có độ lớn bằng: