Giáo án Bài 17. Khái niệm điện trường

Tạo tình huống mở đầu để HS nhận ra cần có khái niệm trung gian mang tương tác điện từ điện tích này sang điện tích khác, từ đó dẫn tới khái niệm điện trường.

GV làm thí nghiệm đơn giản: cọ xát thước nhựa vào vải khô rồi đưa lại gần mẩu giấy vụn đặt trên bàn; sau đó đặt hai quả cầu nhỏ đã tích điện cách nhau vài centimét và hỏi HS.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Vì sao mẩu giấy vụn bị hút dù thước nhựa không chạm vào giấy?
• Vì sao hai quả cầu nhiễm điện đặt cách nhau vẫn đẩy hoặc hút nhau?
• Theo em, giữa điện tích và vật bị hút có “cái gì” truyền tương tác?

HS nêu được: tương tác điện xảy ra qua không gian quanh điện tích, không cần tiếp xúc trực tiếp. Dự kiến HS trả lời: “Quanh điện tích có một thứ gì đó tác dụng lực lên điện tích khác”. GV ghi lên bảng hai ý then chốt: (1) có điện tích thì có điện trường; (2) điện trường tác dụng lực lên điện tích khác đặt trong nó. HS ghi nhận tên bài 17 và nhiệm vụ của tiết học.

HS hình thành khái niệm cường độ điện trường $\vec E = \dfrac{\vec F}{q}$ và nhận ra $\vec E$ là đặc trưng của điện trường tại điểm xét, không phụ thuộc điện tích thử; xác định được chiều lực điện với điện tích dương và âm.

HS làm việc theo cặp đôi với Phiếu học tập số 1, sau đó dùng mô phỏng NeoEdu để kiểm tra.
Nhiệm vụ 1: Điện tích thử $q = +2\,\mu\mathrm{C}$ đặt tại điểm M chịu lực $F = 0{,}006\ \mathrm{N}$ hướng sang phải. Tính $E$ tại M và xác định hướng của $\vec E$.
Nhiệm vụ 2: Thay $q$ bằng $-2\,\mu\mathrm{C}$ đặt tại đúng điểm M. Lực điện có hướng nào? Vectơ $\vec E$ có đổi không?
Nhiệm vụ 3: Trên mô phỏng, đổi điện tích thử q từ $10^{-9}\ \mathrm{C}$ lên gấp đôi, quan sát F và E tại M; giải thích vì sao E không đổi.

Phiếu 1 hoàn chỉnh gồm:

• Nhiệm vụ 1: $E = \dfrac{F}{|q|} = \dfrac{0{,}006}{2\times 10^{-6}} = 3000\ \mathrm{N/C}$, hướng sang phải.
• Nhiệm vụ 2: lực điện $F = qE$ với $q<0$ nên lực hướng sang trái, ngược $\vec E$; $\vec E$ tại M giữ nguyên (3000 N/C, sang phải).
• Nhiệm vụ 3: khi q tăng gấp đôi thì F tăng gấp đôi, nhưng $E = F/q = 10\,000\ \mathrm{V/m}$ không đổi vì $E$ chỉ phụ thuộc điện tích nguồn và vị trí điểm xét.
• Kết luận HS rút ra: $\vec E = \dfrac{\vec F}{q}$; $\vec E$ cùng chiều lực với điện tích dương và ngược chiều lực với điện tích âm; $E$ đặc trưng cho điện trường tại điểm xét.

HS nêu được định nghĩa đường sức điện, vẽ đúng chiều đường sức quanh điện tích dương và âm, nhận ra độ dày đường sức phản ánh độ lớn E và sửa được quan niệm sai “đường sức là quỹ đạo của điện tích”.

Hoạt động kết hợp quan sát thí nghiệm điện phổ do GV biểu diễn và mô phỏng NeoEdu.
GV biểu diễn điện phổ: hạt cỏ hoặc mùn cưa trong dầu cách điện sắp xếp theo đường sức khi bật nguồn cao áp. Lưu ý an toàn: chỉ GV thao tác với điện cực và nguồn cao áp, dùng bộ che chắn, ngắt nguồn trước khi điều chỉnh; HS không chạm vào điện cực.
HS dùng mô phỏng: kéo điểm M ra xa Q và quan sát E thay đổi; đổi dấu Q và quan sát hướng $\vec E$.
HS hoàn thành Phiếu học tập số 2, phần đường sức điện.

Phiếu 2 phần đường sức điện gồm:

• Định nghĩa: đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm cùng phương với vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
• Quy ước chiều: điện tích dương (nguồn Q > 0) có đường sức đi ra; điện tích âm (Q < 0) có đường sức đi vào, $\vec E$ hướng vào Q.
• Độ dày: đường sức dày ở gần Q nơi E lớn; thưa ra khi xa Q vì E giảm theo $1/r^2$.
• Hình ảnh điện phổ: hạt cỏ xếp thành các đường cong nối từ điện cực dương đến điện cực âm, minh họa đường sức điện.
• Sửa quan niệm sai: đường sức không phải quỹ đạo chuyển động của điện tích; đường sức là hình ảnh mô tả phương và chiều của $\vec E$.

HS vận dụng được công thức $E = k\dfrac{|Q|}{\varepsilon r^2}$ để tính cường độ điện trường của điện tích điểm và áp dụng nguyên lí chồng chất để cộng vectơ cường độ điện trường thành phần.

HS làm việc theo nhóm 4 với kĩ thuật mảnh ghép ngắn: hai nhóm đôi cùng xử lí một nhiệm vụ.
Nhiệm vụ A: Trong chân không, điện tích nguồn $Q = 1\ \mathrm{nC}$, điểm xét cách Q $r = 0{,}30\ \mathrm{m}$, $k = 9\cdot 10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^2/C^2}$. Tính E.
Nhiệm vụ B: Hai vectơ $E_1 = 300\ \mathrm{N/C}$ và $E_2 = 400\ \mathrm{N/C}$ vuông góc nhau. Tính E tổng.
Nhiệm vụ C (quan sát mô phỏng): tại trung điểm của hai điện tích, nếu hai điện tích cùng dấu thì $\vec E$ tổng bằng bao nhiêu; nếu trái dấu thì $E$ bằng bao nhiêu?

• Nhiệm vụ A: $E = k\dfrac{|Q|}{r^2} = \dfrac{9\cdot 10^{9}\cdot 1\cdot 10^{-9}}{0{,}09} = 100\ \mathrm{N/C}$ (hay 100 V/m).
• Nhiệm vụ B: $E = \sqrt{300^2 + 400^2} = 500\ \mathrm{N/C}$; vì vectơ vuông góc nên cộng theo quy tắc hình bình hành, không cộng đại số.
• Nhiệm vụ C: hai điện tích cùng dấu thì hai vectơ E tại trung điểm ngược chiều, triệt tiêu, tổng bằng 0; trái dấu thì hai vectơ cùng chiều, $E = 2\times 10\,000 = 20\,000\ \mathrm{V/m}$ (theo mô phỏng).
• Kết luận HS rút ra: $\vec E_{\text{tổng}} = \vec E_1 + \vec E_2 + \cdots$; không cộng độ lớn đại số khi các vectơ không cùng phương.

HS củng cố định nghĩa $\vec E$, quan hệ $F = |q|E$, chiều lực điện, tính $E$ của điện tích điểm và tổng vectơ; phát hiện và sửa lỗi sai trong lập luận.

HS làm bài tập 1 đến 7 trong phần bài tập của bài học theo nhóm 4 (kĩ thuật “khăn trải bàn”: mỗi HS viết đáp án cá nhân vào ô của mình, sau đó thống nhất ở ô giữa). GV chọn 4 câu (bài 1, 2, 5, 6) để chữa nhanh, các câu còn lại HS tự kiểm tra.
Đề các câu chính:

• Bài 1: $q = 2\,\mu\mathrm{C}$, $F = 0{,}006\ \mathrm{N}$. Tính $E$.
• Bài 2: $q = 3\,\mu\mathrm{C}$, $E = 2000\ \mathrm{N/C}$. Tính $F$.
• Bài 5: Điện tích âm đặt trong điện trường hướng phải thì chịu lực hướng nào? A. Luôn lên; B. Không có lực; C. Trái; D. Phải.
• Bài 6: Đúng hay sai: a) E có thể tính theo N/C; b) Đường sức của điện tích dương hướng ra; c) Các vectơ E cộng theo vectơ; d) Tăng điện tích thử đôi làm E nguồn tăng đôi.

Đáp án:

• Bài 1: $E = \dfrac{0{,}006}{2\times 10^{-6}} = 3000\ \mathrm{N/C}$.
• Bài 2: $F = 3\times 10^{-6}\times 2000 = 0{,}006\ \mathrm{N}$.
• Bài 5: Đáp án C (trái): $F = qE$ với $q<0$ nên lực ngược chiều $\vec E$.
• Bài 6: a) Đúng; b) Đúng; c) Đúng; d) Sai, vì E của nguồn không đổi khi thay đổi điện tích thử, chỉ lực thử tăng đôi.
  HS tự kiểm tra thêm bài 3 ($E = 500\ \mathrm{N/C}$), bài 4 ($E = 100\ \mathrm{N/C}$), bài 7 (đáp án A: tổng bằng 0 tại trung điểm hai điện tích dương bằng nhau), bài 8 (tổng $E = 400\ \mathrm{N/C}$ hướng đông, $F = 0{,}002\ \mathrm{N}$ hướng tây).

HS vận dụng khái niệm điện trường, đường sức điện và mối liên hệ độ dày đường sức với độ lớn E để giải thích hai ứng dụng thực tế trong bài.

Nhiệm vụ nhóm (kĩ thuật sơ đồ tư duy):

• Ứng dụng 1: Thiết kế thiết bị chống sét. Dựa vào mô phỏng về điện tích và đường sức, giải thích vì sao vùng có đường sức dày (E lớn) là nơi cần được bảo vệ hoặc đặt điểm thu sét.
• Ứng dụng 2: Màn hình cảm ứng điện dung. Giải thích vì sao khi ngón tay chạm vào màn hình, điện trường tại vùng đó thay đổi và thiết bị nhận biết được vị trí.
  Mỗi nhóm vẽ sơ đồ tư duy trên giấy A3 gồm: khái niệm điện trường, đường sức, cường độ E, và ứng dụng được giải thích.

Sơ đồ tư duy cần có các ý:

• Điện trường là trường lực do điện tích tạo ra; $\vec E = \dfrac{\vec F}{q}$ đặc trưng cho điện trường tại điểm.
• Đường sức điện dày ở nơi $E$ lớn; ở đầu nhọn hoặc gần điện tích lớn, E lớn hơn nên là vị trí cần lưu ý khi thiết kế thiết bị thu sét.
• Với màn hình cảm ứng điện dung: khi có ngón tay gần bề mặt, điện trường cục bộ thay đổi; thiết bị xác định vị trí dựa trên sự thay đổi này.
• Kết luận: các ứng dụng đều dựa trên việc điện trường tác dụng lực lên điện tích và phân bố của đường sức điện.