Bài 18. Điện trường đều trang 71, 72, 73, 74, 75 Vật Lí 11 Kết nối tri thức

KĐ

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?

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học của những bài trước để trả lời.

Lời giải chi tiết:

Cường độ điện trường tại mỗi điểm có giá trị như nhau khi ở trong điện trường đều. Điện trường trong một điện môi đồng chất nằm ở giữa hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và điện tích bằng nhau, trái dấu là một điện trường đều.

CH

Để chẩn 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.

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học để trả lời.

Lời giải chi tiết:

Cường độ điện trường tác dụng lên electron là: E=Ud=120.1030,02=6.106(V/m)

\(E = \frac{U}{d} = \frac{{{{120.10}^3}}}{{0.02}} = {6.10^6}(V/m)\)

Lực điện tác dụng lên electron là:

F = eE = 1,6.10⁻¹⁹.6.10⁶ = 9,6.10⁻¹³ (N)

HĐ

Giữa hai bản phẳng song song nhiễm điện có cường độ điện trưởng đều là E. Một điện tích q > 0 có khối lượng m bay vào trong điện trường đều trên với vận tốc v 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.

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học để trả lời.

Lời giải chi tiết:

Khi electron bay vào điện trường với vận tốc ban đầu\(\overrightarrow {{v_0}} \) vuông góc với các đường sức điện thì e chịu tác dụng của lực điện không đổi có hướng vuông góc với \(\overrightarrow {{v_0}} \), chuyển động của e tương tự như chuyển động của một vật bị ném ngang trong trường trọng lực. Quỹ đạo của e là một phần của đường parabol.

Phương trình quỹ đạo của electron trong

\(y = \left( {\frac{a}{{2v_0^2{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\alpha }}} \right){x^2} + x.\tan \alpha \)

HĐ

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.

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học để trả lời.

Lời giải chi tiết:

a) Lực điện tác dụng ta có: \(\overrightarrow F  = q\overrightarrow E \)

Sử dụng phương pháp tọa độ, phân tích chuyển động của vật thành hai phần và điịnh luật II Newton để giải toán:

Gia tốc của chuyển động: \(\left\{ \begin{array}{l}{a_x} = 0\\{a_y} = \frac{F}{m}\end{array} \right.\)

Vận tốc ban đầu: \(\left\{ \begin{array}{l}{v_x} = {v_0}{\rm{cos}}\alpha \\{v_y} = {v_0}{\rm{sin}}\alpha \end{array} \right.\)

Từ đó ta có phương trình vận tốc: \(\left\{ \begin{array}{l}{v_x} = {v_0}{\rm{cos}}\alpha \\{v_y} = {v_0}{\rm{sin}}\alpha  + at\end{array} \right.\)

b) Phương trình quỹ đạo theo phương x, y là: \(\left\{ \begin{array}{l}x = \left( {{v_0}{\rm{cos}}\alpha } \right)t\\{v_y} = \left( {{v_0}{\rm{sin}}\alpha } \right)t + \frac{1}{2}a{t^2}\end{array} \right.\)

⇒ Phương trình quỹ đạo là: \(y = \left( {\frac{a}{{2v_0^2{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\alpha }}} \right){x^2} + x.\tan \alpha \)

HĐ 1

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 bốn 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.

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học để trả lời.

Lời giải chi tiết:

Khi chùm tia điện tử đi qua bản lệch dọc hoặc lệch ngang, thì điện trường giữa hai bản cực này sẽ lái chùm tia điện tử lệch theo chiều dọc và chiều ngang bằng lực tĩnh điện (điều này khác với sự lệch chùm tia điện tử của đèn hình trong ti vi bằng lực điện từ, nghĩa là có cuộn dây lệch thay cho bản cực lệch). Độ lệch của chùm tia điện tử theo chiều dọc hoặc ngang phụ thuộc vào điện áp giữa hai bản cực.

HĐ 2

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 trưởng 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.

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học để trả lời.

Lời giải chi tiết:

Máy lọc không khí tạo ion hoạt động bằng cách sản sinh ra các ion âm và phát tán các ion này vào trong không khí, các ion âm trung hòa ion dương bằng cách hút các ion tích điện dương như chất gây dị ứng, bụi bẩn và vi khuẩn. Dưới tác dụng của trọng lực sẽ làm cho không khí sạch sẽ trong lành hơn.

Tác dụng của điện trường đều của Trái Đất đối với chuyển động của chùm ion âm, sẽ làm cho chùm ion âm bay trong không khí để trung hòa những ion dương và rơi xuống đất chứ không lơ lửng trong không khí.

CH

Máy lọc không khí tạo ra chùm các ion âm OH⁻ (mỗi ion OH⁻ có khối lượng m = 2,833.10⁻²⁶kg, điện tích –1,6.10⁻¹⁹C) 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.

Phương pháp giải:

Dựa vào nội dung kiến thức đã học để trả lời.

Lời giải chi tiết:

Vector cường độ điện trường hướng từ trên xuống dưới 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

- Phương trình chuyển động theo phương Ox: x = v₀.t (1)

- Phương trình chuyển động theo phương Oy: y =\(\frac{1}{2}{a_y}{t^2} = \frac{1}{2}\frac{F}{m}{t^2} =  - \frac{1}{2}\frac{{qE}}{m}{t^2}\) (2)

Từ (1) và (2) ta thu được phương trình quỹ đạo của chuyển động: \(y =  - \frac{1}{2}\frac{{qE}}{m}{\left( {\frac{x}{{{v_0}}}} \right)^2}\)với v₀ = 20 m/s đến 40 m/s