Giáo án Bài 18. Điện trường đều

Huy động kiến thức về điện trường và đường sức; xác định vấn đề: trong điều kiện nào điện trường có cường độ như nhau tại mọi điểm và điện tích bay vào đó sẽ chuyển động ra sao.

GV chiếu hai hình: (1) đường sức của một điện tích điểm; (2) đường sức giữa hai bản kim loại phẳng song song. HS trả lời câu hỏi: Hình nào có các đường sức song song, cách đều? Ở hình nào mật độ đường sức và hướng thay đổi từ điểm này sang điểm khác?

HS nhận ra: ở hình hai bản song song, các đường sức song song, cách đều ở vùng giữa, nên E có cùng độ lớn và hướng; ở điện tích điểm, đường sức xuất phát từ một điểm và tỏa ra, mật độ thay đổi nên E khác nhau tại các điểm. Vấn đề cần giải quyết: Làm thế nào tạo được điện trường có E như nhau tại mọi điểm (điện trường đều) và một hạt bay vào đó sẽ chuyển động như thế nào?

Nêu được cách tạo điện trường đều bằng hai bản phẳng song song; nhận biết E gần đều ở vùng giữa; thiết lập và vận dụng được E = U/d.

HS làm việc nhóm 4 với mô phỏng 3D trên trang NeoEdu (hoặc bộ tụ phẳng nếu có). Nhóm lần lượt: (1) Quan sát đường sức giữa hai bản khi nối nguồn; (2) Đổi U và d, đọc kết quả và điền vào Phiếu học tập số 1; (3) Trả lời câu hỏi: vì sao E gần đều ở vùng giữa, xa mép bản; (4) Rút ra mối liên hệ giữa E, U và d. GV nhắc: nguồn và bản cực do GV kiểm tra, HS không chạm vào bản khi còn điện.

Bảng kết quả trong Phiếu học tập số 1: với U = 100 V, d = 0,020 m thì E = 5000 V/m; với U = 100 V, d = 0,040 m thì E = 2500 V/m; với U = 200 V, d = 0,020 m thì E = 10000 V/m. Kết luận HS rút ra: đường sức song song, cách đều; E = U/d; tăng U thì E tăng tỉ lệ, tăng d thì E giảm tỉ lệ; ở vùng giữa, xa mép bản, điện trường gần đều và có thể coi là điện trường đều.

Mô tả được chuyển động của điện tích bay vào điện trường đều theo phương vuông góc đường sức; giải thích quỹ đạo parabol; tính được gia tốc của hạt.

Nhóm dùng Phiếu học tập số 2 và mô phỏng: electron bay vào giữa hai bản với v₀ = 5·10⁷ m/s, vuông góc đường sức, U = 910 V, d = 0,02 m. Nhiệm vụ: (1) Chia chuyển động thành hai phương, ngang và đứng; (2) Tính E và gia tốc a; (3) Quan sát vết bay và so sánh với chuyển động ném ngang; (4) So sánh với proton đi cùng điều kiện.

Đáp án Phiếu học tập số 2: E = 910/0,02 = 45500 V/m ≈ 4,6·10⁴ V/m; a = |q|E/m = 1,6·10⁻¹⁹·45500/9,1·10⁻³¹ ≈ 8·10¹⁵ m/s². Phương ngang: không có lực điện nên vₓ = v₀ không đổi, x = v₀t. Phương đường sức: vy = 0 ban đầu, y = at²/2 nhanh dần đều. Từ đó y = a·x²/(2v₀²): quỹ đạo là parabol. Sau 1 ns electron đi được x = 5 cm và lệch y = 0,4 cm. Proton lệch cùng hướng ngược chiều electron và nhỏ hơn khoảng 1 800 lần. Kết luận: hạt bay vuông góc đường sức trong điện trường đều chuyển động như vật ném ngang, quỹ đạo parabol.

Vận dụng thành thạo E = U/d, F = qE, a = F/m và nhận biết điện trường đều, đặc điểm chuyển động của hạt trong trường đều.

HS làm việc cặp đôi, lần lượt giải bài tập 1 đến 7 (đã cho sẵn trong bài). Mỗi cặp làm riêng, sau đó đối chiếu chéo với cặp bên cạnh. Bài 1: U = 100 V, d = 0,020 m, tìm E. Bài 2: E = 300 V/m, d = 0,04 m, tìm |U|. Bài 3: q = 2·10⁻⁶ C, E = 5000 N/C, tìm F. Bài 4: F = 0,01 N, m = 0,002 kg, tìm a. Bài 5: nhận biết điện trường đều. Bài 6: đúng sai về hai bản phẳng. Bài 7: thành phần vận tốc vuông góc đường sức.

Đáp án: (1) E = 5000 V/m; (2) |U| = 12 V; (3) F = 0,01 N; (4) a = 5 m/s²; (5) Đáp án B: E cùng độ lớn và hướng trong vùng; (6) a) Đ, b) Đ, c) S (E = U/d nên giữ U, tăng d gấp đôi thì E giảm còn một nửa), d) Đ; (7) Đáp án D: không đổi, vì không có lực theo phương đó nên gia tốc thành phần bằng 0.

Giải được bài toán mô tả chuyển động của hạt q > 0 đi ngang vào điện trường đều thẳng đứng; liên hệ với ống phóng điện tử trong máy hiện sóng và máy in phun tĩnh điện.

HS làm việc cá nhân rồi chia sẻ theo cặp: Bài 8: Một hạt q > 0 bay ngang vào vùng điện trường đều E hướng thẳng đứng xuống dưới với vận tốc v₀ theo phương ngang. Mô tả chuyển động theo hai phương và dạng quỹ đạo. Sau đó GV đặt câu hỏi: Trong ống phóng điện tử của máy hiện sóng, vì sao điểm sáng trên màn dịch chuyển khi thay đổi hiệu điện thế U?

Lời giải bài 8: Phương ngang không có lực điện nên vₓ = v₀ không đổi, x = v₀t. Phương thẳng đứng chịu lực F = qE hướng xuống, gia tốc a = qE/m không đổi, vy ban đầu bằng 0 nên y = at²/2. Từ đó y = a·x²/(2v₀²), quỹ đạo là một nhánh parabol cong xuống trong vùng trường. Thang chấm: ngang 0,25 đ; đứng 0,25 đ; khử t 0,25 đ; quỹ đạo và điều kiện 0,25 đ. Liên hệ thực tế: trong ống phóng điện tử, điện trường đều giữa hai cặp bản làm chùm electron lệch khỏi đường thẳng; độ lệch tỉ lệ với U nên điểm sáng trên màn dịch tỉ lệ với U, từ đó hiển thị được tín hiệu.