Giáo án Bài 16. Lực tương tác giữa hai điện tích

HS quan sát hiện tượng hút, đẩy giữa các vật nhiễm điện và nêu được vấn đề cần nghiên cứu: lực tương tác phụ thuộc vào những yếu tố nào.

GV biểu diễn: cọ thước nhựa vào mảnh vải khô rồi đưa lại gần quả cầu xốp đang treo trên dây cách điện; sau đó dùng hai quả cầu xốp cùng được nhiễm điện treo gần nhau.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Vì sao quả cầu xốp bị thước nhựa hút về phía nó?
• Vì sao hai quả cầu xốp cùng nhiễm điện lại đẩy nhau?
• Theo em, lực tương tác giữa hai điện tích phụ thuộc vào những yếu tố nào?

• HS nêu được: vật nhiễm điện tác dụng lực hút hoặc đẩy lên vật khác; hai vật cùng nhiễm điện thì đẩy nhau.
• HS đưa ra giả thuyết: lực phụ thuộc vào độ lớn điện tích và khoảng cách giữa hai điện tích.
• Vấn đề cần giải quyết: xác định quy luật định lượng của lực tương tác giữa hai điện tích điểm.

HS phát biểu được định luật Coulomb, viết được công thức và rút ra quan hệ của lực với độ lớn điện tích và khoảng cách.

HS làm việc theo cặp, hoàn thành Phiếu học tập số 1 gồm hai ví dụ:

• Ví dụ 1: $q_1 = q_2 = 1\ \mu\mathrm{C}$, $r = 0{,}30$ m, $k = 9\times 10^9\ \mathrm{N\cdot m^2/C^2}$. Tính $F$.
• Ví dụ 2: $F$ ban đầu là $0{,}4$ N, tăng khoảng cách gấp 2 lần, giữ nguyên $q$. Tính $F$ mới.
  Sau đó HS đọc phần khái niệm, phát biểu định luật Coulomb theo lời của mình.

• Đáp án Ví dụ 1: $F = \dfrac{9\times 10^9\times 10^{-6}\times 10^{-6}}{0{,}30^2} = 0{,}10$ N.
• Đáp án Ví dụ 2: $F$ tỉ lệ với $\dfrac{1}{r^2}$ nên $F' = \dfrac{0{,}4}{4} = 0{,}1$ N.
• Kiến thức HS rút ra: Lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách: $F = k\dfrac{|q_1 q_2|}{\varepsilon r^2}$ (với $\varepsilon = 1$ trong chân không); đơn vị $r$ phải là m, $q$ là C.

HS biểu diễn được lực tương tác bằng vectơ và nêu được ảnh hưởng của môi trường điện môi đến độ lớn lực.

HS sử dụng mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu, làm Phiếu học tập số 2 với các thao tác:

• Đặt $q_1 = q_2 = +1\ \mu\mathrm{C}$, $r = 20$ cm; quan sát chiều hai mũi tên lực.
• Đổi $q_2$ thành $-1\ \mu\mathrm{C}$; quan sát chiều lực.
• Cho $q_2 = +2\ \mu\mathrm{C}$; đưa hai quả cầu về 10 cm.
• Đổ dầu hoả ($\varepsilon = 2$) rồi nước ($\varepsilon = 81$) vào bể ở khoảng cách 10 cm; ghi số liệu lực.

Bảng kết quả HS ghi trong Phiếu học tập số 2 (số liệu từ mô phỏng):

• $q_1 = q_2 = +1\ \mu\mathrm{C}$, $r = 20$ cm: $F = 0{,}225$ N, hai lực hướng ra xa nhau (đẩy).
• $q_2 = -1\ \mu\mathrm{C}$: $F = 0{,}225$ N, hai lực hướng vào nhau (hút), độ lớn không đổi.
• $q_2 = +2\ \mu\mathrm{C}$: $F = 0{,}45$ N, hai lực cùng tăng, vẫn bằng nhau.
• Đưa về $r = 10$ cm: $F = 0{,}9$ N, lực tăng 4 lần.
• Trong dầu hoả ($\varepsilon = 2$), $r = 10$ cm: $F = \dfrac{0{,}9}{2} = 0{,}45$ N.
• Trong nước ($\varepsilon = 81$), $r = 10$ cm: $F = \dfrac{0{,}9}{81} \approx 0{,}011$ N.
• Kết luận HS rút ra: hai lực tương tác luôn bằng nhau về độ lớn, ngược chiều, đặt lên hai vật khác nhau; trong môi trường điện môi lực giảm $\varepsilon$ lần so với chân không.

HS vận dụng công thức Coulomb để giải bài tập định lượng và định tính, rèn kĩ năng đổi đơn vị và xác định chiều lực.

HS làm việc theo cặp, giải các bài tập sau:

1. Trong chân không, $q_1 = q_2 = 1\ \mu\mathrm{C}$, $r = 0{,}30$ m. Tính độ lớn $F$.
2. $F$ ban đầu là $0{,}4$ N; tăng $r$ gấp 2, giữ $q$. Tính $F$ mới.
3. Lực trong chân không là $0{,}6$ N; đặt cùng $q$, $r$ vào điện môi $\varepsilon = 3$. Tính $F$.
4. Hai điện tích trái dấu tương tác thế nào? A. Đẩy nhau; B. Không lực; C. Chỉ khi cùng khối lượng; D. Hút nhau.
5. Nếu tăng cả $q_1$, $q_2$ gấp 2, cùng $r$ thì $F$ thế nào? A. Không đổi; B. Tăng 4 lần; C. Tăng 2 lần; D. Giảm 4 lần.
6. Hai điện tích $+2\ \mu\mathrm{C}$ và $-3\ \mu\mathrm{C}$ cách nhau $0{,}30$ m trong chân không. Tính lực và nêu chiều.

Đáp án:

1. $F = \dfrac{9\times 10^9\times 10^{-12}}{0{,}30^2} = 0{,}10$ N.
2. $F' = \dfrac{0{,}4}{4} = 0{,}1$ N.
3. $F = \dfrac{F_0}{\varepsilon} = \dfrac{0{,}6}{3} = 0{,}2$ N.
4. Đáp án D: điện tích trái dấu hút nhau.
5. Đáp án B: tích $|q_1 q_2|$ tăng 4 lần nên $F$ tăng 4 lần.
6. $F = \dfrac{9\times 10^9\times (2\times 10^{-6})(3\times 10^{-6})}{0{,}09} = 0{,}60$ N; hai điện tích hút nhau; mỗi lực nằm trên đường nối hai điện tích, hướng về điện tích kia, đặt lên hai vật khác nhau.
   HS sửa các lỗi thường gặp: cho rằng điện tích lớn hơn chịu lực lớn hơn (hai lực luôn bằng nhau); quên bình phương khoảng cách.

HS vận dụng định luật Coulomb và tính chất điện môi để giải thích ứng dụng thực tế và đề xuất cách thay đổi lực.

GV nêu tình huống: Máy lọc bụi tĩnh điện và sơn tĩnh điện đều dựa trên lực hút giữa các điện tích trái dấu. Câu hỏi:

• Muốn lực hút giữa hai điện tích giảm còn một phần tư thì cần thay đổi khoảng cách thế nào, khi $q$ giữ nguyên?
• Nếu thí nghiệm đặt trong nước thay vì không khí thì lực thay đổi ra sao? Vì sao không nên làm việc với nguồn cao áp tự chế?
• Nêu một ví dụ khác trong đời sống có liên quan đến lực tương tác giữa các điện tích.

• Đáp án câu 1: $F$ tỉ lệ với $\dfrac{1}{r^2}$, muốn $F$ giảm 4 lần thì tăng $r$ gấp 2 lần.
• Đáp án câu 2: trong nước ($\varepsilon = 81$) lực giảm 81 lần so với chân không; không tự chế nguồn cao áp vì có nguy cơ gây điện giật.
• Ví dụ HS nêu: hiện tượng quả cầu xốp bị thước nhựa hút; sơn tĩnh điện bám đều lên bề mặt vật; các thiết bị lọc bụi dùng lực hút giữa điện tích trái dấu.