Giáo án Bài 20. Điện thế

Huy động kiến thức về thế năng và công của lực điện; tạo tình huống để HS nhận ra cần đại lượng đặc trưng cho riêng điểm điện trường, không phụ thuộc vào điện tích thử.

GV nêu tình huống: Đặt lần lượt điện tích thử $q_1=1\,\mu\mathrm{C}$ và $q_2=2\,\mu\mathrm{C}$ tại cùng một điểm M trong điện trường. Hỏi: (1) Thế năng $W_M$ của hai điện tích có bằng nhau không? (2) Tỉ số $\dfrac{W_M}{q}$ có thay đổi khi đổi điện tích thử không?
HS suy nghĩ cá nhân 1 phút, sau đó chia sẻ với bạn cùng bàn.

HS nhận ra: $W_M$ tỉ lệ thuận với $q$ nên $W_{M1}=\dfrac{1}{2}W_{M2}$ (khác nhau); còn tỉ số $\dfrac{W_M}{q}$ có giá trị không đổi tại điểm M. Từ đó HS đặt vấn đề: cần một đại lượng đặc trưng cho điểm M của điện trường, không phụ thuộc điện tích thử, gọi là điện thế.

Nêu được định nghĩa điện thế, hiệu điện thế; viết được $V_M=\dfrac{W_M}{q}$, $U_{MN}=V_M-V_N=\dfrac{A_{MN}}{q}$; giải thích hiệu điện thế không phụ thuộc mốc.

Nhóm 4 người, mỗi thành viên nhận một phần của Phiếu học tập số 1 (kĩ thuật mảnh ghép) rồi ghép lại kết quả.
Bước 1: Quan sát mô phỏng 3D: đưa bút dò M từ bản (−) lên bản (+), ghi số chỉ $V_M$ theo khoảng cách; đổi điện tích thử $q$ và ghi lại $W_M$, $V_M$.
Bước 2: Chọn điểm N cố định (cách bản (−) 1 cm), đổi mốc điện thế sang bản (+) và so sánh $U_{MN}$ trước và sau khi đổi mốc.
Bước 3: Điền bảng và hoàn thành định nghĩa điện thế, hiệu điện thế.

• Khi M đi từ bản (−) lên bản (+), $V_M$ tăng đều khoảng 2 V mỗi cm (điện thế tăng dần từ 0 đến 12 V khi mốc ở bản (−)).
• Đổi $q$ thì $W_M$ đổi nhưng $V_M=\dfrac{W_M}{q}$ không đổi.
• $U_{MN}=V_M-V_N=\dfrac{A_{MN}}{q}$; khi đổi mốc, mọi điện thế giảm 12 V nhưng $U_{MN}$ không đổi; $U_{MN}=0$ khi M và N cùng mặt đẳng thế.
• Định nghĩa: Điện thế là đại lượng đặc trưng cho khả năng tạo thế năng của điện trường tại một điểm, bằng thế năng của điện tích trên một đơn vị điện tích. Hiệu điện thế giữa hai điểm đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi điện tích dịch chuyển giữa hai điểm đó.

Vận dụng được $A_{MN}=qU_{MN}$; xác định được dấu của công theo dấu của $q$ và $U_{MN}$; tính được công và $U_{NM}$ theo $U_{MN}$.

Nhóm thảo luận Phiếu học tập số 2 với ví dụ: $V_M=120\,\mathrm{V}$, $V_N=40\,\mathrm{V}$.
Câu 1: Tính $U_{MN}$.
Câu 2: Tính công $A_{MN}$ khi $q=+3\,\mu\mathrm{C}$; tính công khi $q$ là điện tích âm có cùng độ lớn.
Câu 3: Tính $U_{NM}$ và giải thích vì sao đổi thứ tự điểm thì đổi dấu.
Câu 4: Chứng minh đơn vị $\mathrm{V}=\mathrm{J/C}$.

• $U_{MN}=V_M-V_N=120-40=80\,\mathrm{V}$.
• Với $q=+3\,\mu\mathrm{C}=3\times10^{-6}\,\mathrm{C}$: $A_{MN}=qU_{MN}=3\times10^{-6}\times80=2{,}4\times10^{-4}\,\mathrm{J}=240\,\mu\mathrm{J}$ (công dương). Với $q$ âm cùng độ lớn: $A_{MN}=-240\,\mu\mathrm{J}$ (công đổi dấu).
• $U_{NM}=V_N-V_M=-80\,\mathrm{V}=-U_{MN}$.
• $1\,\mathrm{V}=\dfrac{1\,\mathrm{J}}{1\,\mathrm{C}}$, vì $U=\dfrac{A}{q}$.

Nêu được $U=Ed$ trong điện trường đều; xác định được chiều của $\vec{E}$ từ chiều giảm của điện thế; phân biệt điện thế với cường độ điện trường.

Quan sát lại mô phỏng hai bản phẳng cách nhau 6 cm, nguồn 12 V. Trả lời: (1) Cường độ điện trường giữa hai bản là bao nhiêu? (2) Khoảng cách giữa hai mặt đẳng thế liền kề 1 cm chênh nhau bao nhiêu vôn? (3) $\vec{E}$ hướng về phía nào?

• $E=\dfrac{U}{d}=\dfrac{12}{0{,}06}=200\,\mathrm{V/m}$; kiểm tra: $U=Ed$.
• Mặt đẳng thế cách nhau 1 cm: $\Delta V=E\cdot 0{,}01=2\,\mathrm{V}$, khớp với số liệu $V_M$ tăng 2 V mỗi cm.
• $\vec{E}$ hướng từ điện thế cao đến thấp, tức từ bản (+) về bản (−).
• Phân biệt: điện thế là đại lượng vô hướng đặc trưng cho điểm, cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho lực tại điểm; không nhầm lẫn hai đại lượng này.

Vận dụng thành thạo $V=\dfrac{W}{q}$, $U_{MN}=V_M-V_N$, $A=qU$, đổi dấu hiệu điện thế và độ biến thiên thế năng.

Lớp chia 3 nhóm, mỗi nhóm luân phiên qua 3 trạm (mỗi trạm 6 phút), ghi kết quả vào phiếu chung.
Trạm 1 (bài 1, 2, 5): Tính $U_{MN}$ khi $V_M=120\,\mathrm{V}$, $V_N=40\,\mathrm{V}$; tính $U_{NM}$ khi $U_{MN}=80\,\mathrm{V}$; chọn đơn vị tương đương của vôn.
Trạm 2 (bài 3, 4, 8): Tính công khi $q=3\,\mu\mathrm{C}$, $U=80\,\mathrm{V}$; tính $V$ khi $W=0{,}006\,\mathrm{J}$, $q=2\times10^{-6}\,\mathrm{C}$; tính công và độ biến thiên thế năng khi $q=-4\,\mu\mathrm{C}$, $U_{MN}=50\,\mathrm{V}$.
Trạm 3 (bài 6, 7): Xét tính đúng–sai của các phát biểu với $V_M=10\,\mathrm{V}$, $V_N=-5\,\mathrm{V}$; chọn chiều của $\vec{E}$ trong điện trường đều.

Đáp án:

• Bài 1: $U_{MN}=120-40=80\,\mathrm{V}$.
• Bài 2: $U_{NM}=-80\,\mathrm{V}$ (đảo thứ tự đổi dấu).
• Bài 3: $A=qU=3\times10^{-6}\times80=240\times10^{-6}\,\mathrm{J}=240\,\mu\mathrm{J}$.
• Bài 4: $V=\dfrac{W}{q}=\dfrac{0{,}006}{2\times10^{-6}}=3000\,\mathrm{V}$.
• Bài 5: Đáp án D ($\mathrm{V}=\mathrm{J/C}$).
• Bài 6: a) Đúng ($U_{MN}=10-(-5)=15\,\mathrm{V}$); b) Sai ($U_{NM}=-15\,\mathrm{V}$); c) Đúng (q dương, $U_{MN}>0$ nên $A>0$); d) Đúng (q âm, $A=qU_{MN}<0$).
• Bài 7: Đáp án B (E hướng về phía điện thế giảm).
• Bài 8: $A=qU=-4\times10^{-6}\times50=-2\times10^{-4}\,\mathrm{J}$; $\Delta W=-A=+2\times10^{-4}\,\mathrm{J}$ (thế năng tăng, công âm).

Vận dụng $A=qU$ và mối liên hệ giữa $U$, $E$ để giải thích hiện tượng thực tế; nhận biết ứng dụng của hiệu điện thế (đo bằng vôn kế, đường dây cao thế).

Tình huống 1: Một electron (điện tích $-e$, $e=1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{C}$) đi qua hiệu điện thế 12 V. Tính công của lực điện và năng lượng electron nhận được theo đơn vị eV.
Tình huống 2: Hai bản phẳng cách nhau 3 cm được nối nguồn 12 V (như mô phỏng nhưng khoảng cách giảm một nửa). Tính $E$. Nêu vai trò của vôn kế khi đo hiệu điện thế giữa hai điểm.
Tình huống 3 (về nhà): Giải thích vì sao đường dây cao thế cần cách điện tốt và có điện thế lớn so với đất.

• Tình huống 1: $A=-eU=-1{,}6\times10^{-19}\times12=-1{,}92\times10^{-18}\,\mathrm{J}$; electron mất 12 eV năng lượng khi đi từ điện thế thấp lên cao? (Lực điện sinh công âm, tức electron đi từ điện thế thấp đến cao; độ lớn năng lượng là 12 eV.)
• Tình huống 2: $E=\dfrac{12}{0{,}03}=400\,\mathrm{V/m}$; vôn kế mắc song song giữa hai điểm để đo $U$.
• Tình huống 3: Điện thế của dây cao thế rất lớn so với đất (mốc), dễ gây phóng điện; cách điện giữ dây không chạm đất, bảo đảm an toàn.