Bài 13. Điện thế và thế năng điện trang 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86 Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo

KĐ

Vào ngày 27/5/1994, đường dây cao thế 500 kV Bắc – Nam (Hình 13.1) đã chính thức được đưa vào vận hành. Sự kiện này đánh dấu một cột mốc lịch sử khi tạo ra sự liên kết lưới điện quốc gia. Vậy “thế” trong cụm từ “cao thế” đặc trưng cho khả năng gì về điện?

Lời giải chi tiết:

"Thế" trong cụm từ "cao thế" đặc trưng cho điện trường về phương diện tạo ra thế năng của điện tích q trong điện trường.

CH

1. Liệt kê một số lực thế đã được học. Trình bày đặc điểm về công của lực thế.

2. Quan sát Hình 13.2, xác định công của lực điện tác dụng lên điện tích q >0 khi q di chuyển từ A' đến B'.

Lời giải chi tiết:

1. Lực bảo toàn hay còn gọi là lực thế là các loại lực khi tác động lên một vật sinh ra một công cơ học có độ lớn không phụ thuộc vào dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điềm đầu và điểm cuối.

Lực thế được sinh ra trong trường thế.

Trọng lực hay lực hấp dẫn của trái đất lên các vật là lực thế.

Các ví dụ của lực bảo toàn là lực tĩnh điện và lực hấp dẫn.

2. Công của lực điện tác dụng lên điện tích q khi q di chuyển từ A' đến B' là 

\({A_{AB}} = q.E.\overline {A'B'} \)

CH 1

Kết hợp công thức (13.5), (13.6) và (13.7), em hãy rút ra công thức (13.8).

Lời giải chi tiết:

Ta có: \({V_A} = \frac{{{A_{A\infty }}}}{q}\)

\({V_B} = \frac{{{A_{B\infty }}}}{q}\)

\( \Rightarrow {U_{AB}} = {V_A} - {V_B} = \frac{{{A_{A\infty }}}}{q} - \frac{{{A_{B\infty }}}}{q} = \frac{{{A_{A\infty }} - {A_{B\infty }}}}{q}\)

Mà \({A_{A\infty }} = {A_{AB}} + {A_{B\infty }}\)

\( \Rightarrow {U_{AB}} = \frac{{{A_{AB}} + {A_{B\infty }} - {A_{B\infty }}}}{q} = \frac{{{A_{AB}}}}{q}\)

CH 2

Xét hai điểm M và N trong điện trường đều. Biết vectơ cường độ điện trường hướng từ M đến N. Hãy so sánh giá trị điện thế tại M và N.

Lời giải chi tiết:

Giá trị điện thế tại M là: \({V_M} = \frac{{{A_{M\infty }}}}{q}\)

Giá trị điện thế tại N là: \({V_N} = \frac{{{A_{N\infty }}}}{q}\)

Vì vectơ cường độ điện trường hướng từ M đến N nên ta có \({A_{M\infty }} > {A_{N\infty }} \Rightarrow {V_M} > {V_N}\)

CH

Giải thích vì sao cường độ điện trường có thể được do bằng đơn vị vôn trên mét (V/m).

Lời giải chi tiết:

Ta có: \(E = \frac{U}{d}\) trong đó U có đơn vị là V, d có đơn vị là m nên E có đơn vị là V/m.

LT

Xét hai bản kim loại song song, cách nhau 2,0 cm và có hiệu điện thế 5,0 kV. Tính độ lớn lực điện tác dụng lên một hạt bụi nằm trong khoảng giữa hai bản, biết hạt bụi có điện tích 8,0.10⁻¹⁹ C

Lời giải chi tiết:

Độ lớn lực điện tác dụng lên một hạt bụi là:

\(F = q.E = q.\frac{U}{d} = {8.10^{ - 19}}.\frac{{{{5.10}^3}}}{{0,02}} = {2.10^{ - 13}}N\)

VD

Trong máy đo điện tim, các điện cực được sử dụng để đo hiệu điện thế giữa các điểm khác nhau trên da của bệnh nhân, thường không vượt quá 1 mV đối với người bình thường (Hình 13.4). Đây là một phương pháp có độ nhạy cao để phát hiện sự bất thường của chức năng tim. Dựa vào sách, báo, intemet, các em hãy tìm hiểu và trình bày ngắn gọn nguyên lí hoạt động của máy đo điện tim.

Lời giải chi tiết:

Nguyên lý kỹ thuật đo điện tim

     Tín hiệu điện tim được lấy từ người bệnh nhân qua các nút thu tín hiệu (điện cực dán, điện cực hút) qua đường dây cáp khám đến mạch tiền khuếch đại. Tín hiệu điện được khuếch đại lần thứ nhất sau đó tín hiệu đến tầng công suất để khuếch đại tín hiệu thành dòng điện. Dòng điện biến thiên này sẽ được đưa vào một cuộn dây, dưới tác động của dòng điện cuộn dây sinh ra một từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên này tác động lên thanh nam châm đồng thời là bút vẽ. Bút này di chuyển tịnh tiến khi cuộn rubăng giấy di chuyển sẽ vẽ lại trên giấy đồ thị của sự biến thiên, và đó cũng là tín hiệu điện tâm đồ.

Phân loại máy điện tim

• Phân loại máy đo điện tim theo số kênh: Đây là cách phân loại theo số kênh ghi đồng thời. Đơn giản nhất là máy điện tim 1 kênh có kích thước và khối lượng nhỏ dùng để xách tay. Hiện nay với nhu cầu đánh giá nhanh chóng tính trạng bệnh lý nên phổ biến nhất là các loại máy đo điện tim 3 kênh, máy đo điện tim 6 kênh, máy đo điện tim 12 kênh được sử dụng trong các phòng khám, bệnh viện. Ngoài chức năng đo điện tâm đồ còn có thêm các thông số khác liên quan được tích hợp kèm theo như âm tim, nhịp đập của mạch, áp suất mạch máu….
• Phân loại máy đo điện tim theo nguồn điện cung cấp: Các máy điện tim có thể sử dụng nguồn điện 1 chiều (sử dụng các loại pin sạc) hoặc nguồn điện xoay chiều thông dụng. Thông thường các máy điện tim xách tay sử dụng nguồn điện 1 chiều.
• Phân loại máy điện tim theo phương pháp in tín hiệu ra giấy
  • Máy ghi điện tim đầu ghi quang: Được thực hiện bằng những tia sáng phản xạ từ gương của điện kế ghi (bộ rung) trên giấy hoặc trên phim ảnh chuyển động.
  • Máy điện tim với đầu ghi mực trên băng giấy: Nhờ ngòi bút đặc biệt loại bỏ được nhược điểm của máy ghi điện tim đầu ghi quang.
  • Máy điện tim đầu ghi nhiệt: Được thực hiện bằng bút ghi đặc biệt với đầu bút có bộ phận nung nóng nhẹ được cấp nhiệt, giấy in giấy đen được phủ một lớp nén trắng (Giấy in nhiệt)

CH 1

Áp dụng định lí động năng, em hãy rút ra công thức (13.11).

Lời giải chi tiết:

Độ biến thiên động năng bằng công của lực điện trường:

\({W_d} - {W_{d0}} = A \Rightarrow \frac{1}{2}m{v^2} - 0 = {q_e}Ed \Rightarrow v = \sqrt {\frac{{2{q_e}Ed}}{m}} \)

CH 2

1. Xác định các lực tác dụng lên electron trong Hình 13.7. Từ đó, dự đoán chuyển động của electron.

2. Mô tả chuyển động của proton chuyển động với vận tốc \(\overrightarrow {{v_0}} \) vào vùng điện trường đều như Hình 13.7.

Lời giải chi tiết:

1. Trọng lực của electron có độ lớn rất nhỏ so với lực điện tác dụng lên electron, khi đó gần như electron chỉ chịu tác dụng của lực điện \(\overrightarrow F  = {q_e}.\overrightarrow E \)  cùng chiều với quy ước.

Qũy đạo chuyển động của electron khi này gần giống với quỹ đạo chuyển động của vật ném ngang gồm hai thành phần:

• Phương Ox: Electron chuyển động thẳng đều với tốc độ v₀
• Phương Oy: Lực điện \(\overrightarrow F \)  gây ra gia tốc \(\overrightarrow a  = \frac{{{q_e}.\overrightarrow E }}{m}\). Electron chuyển động thẳng nhanh dần đều không vận tốc đầu.

LT

Một electron chuyển động với vận tốc đầu 4.10⁷ m / s vào vùng điện trường đều theo phương vuông góc với các đường sức điện. Biết cường độ điện trường là E=10³ V / m Hãy xác định:

a) Gia tốc của electron.
b) Vận tốc của electron khi nó chuyển động được 2.10⁻⁷ s trong điện trường.

Lời giải chi tiết:

a) Gia tốc của electron là:

\(a = \frac{{{q_e}.E}}{m} = \frac{{ - 1,{{6.10}^{ - 19}}{{.10}^3}}}{{9,{{1.10}^{ - 31}}}} =  - 1,{76.10^{14}}m/{s^2}\)

b) Vận tốc của electron khi nó chuyển động sau khoảng thời gian là: 

v=v₀+at=4.10⁷−1,76.10¹⁴.2.10⁻⁷=4,8.10⁶m/s

VD

Neutron là một hạt không mang điện, có khối lượng xấp xỉ proton. Một hạt neutron tự do có thể tồn tại khoảng 10 đến 15 phút, sau đó phân rã thành electron, proton và phản neutrino (là một hạt không mang điện, có khối lượng rất bé, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không). Em hãy đề xuất phương án để tách hai hạt electron và proton ngay sau khi neutron bị phân rã

Lời giải chi tiết:

Ta có thể bố trí thí nghiệm như hình 13.7 khi đó hạt electron sẽ bị hút về cực dương và hạt proton bị hút về cực âm.

Bài 1

Độ chênh lệch điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào trong cơ thể người là 90 mV. Biết mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào lần lượt mang điện âm và mang điện dương. Xác định công mà tế bào cần thực hiện để đưa một ion Na⁺ chuyển động từ bên trong ra bên ngoài màng tế bào theo cơ chế chủ động qua kênh protein.

Lời giải chi tiết:

Số electon của ion Na⁺ là 10 electon

Công mà tế bào cần thực hiện để đưa một ion Na⁺ chuyển động từ bên trong ra bên ngoài màng tế bào theo cơ chế chủ động qua kênh protein là

A=q_e.U=10.1,6.10⁻¹⁹.90.10⁻³=14,4.10⁻²⁰

Bài 2

Một electron chuyển động với tốc độ ban đầu v0=1,6.106m / s chuyển động vào vùng điện trường đều theo phương song song với hai bản và ở chính giữa khoảng cách hai bản như Hình 13P.1. Biết chiều dài mỗi bản là 3 cm và khoảng cách giữa hai bản là 1 cm. Giữa hai bản có điện trường hướng từ trên xuống, điện trường bên ngoài hai bản bằng 0. Biết electron di chuyển đến vị trí mép ngoài của tấm bản phía trên, tính độ lớn cường độ điện trường giữa hai bản.

Lời giải chi tiết:

Ta có: \(v = \sqrt {\frac{{2{q_e}Ed}}{m}} \)

Cường độ điện trường giữa hai bản là: \(E = \frac{{m{v^2}}}{{2{q_e}d}} = \frac{{9,{{1.10}^{ - 31}}{{({{1.6.10}^6})}^2}}}{{2.1,{{6.10}^{ - 19}}.0,005}} = 1456V/m\)

Lí thuyết