Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Câu hỏi mở đầu trang 71
Đề bài: Chúng ta đã biết, cường độ điện trường tại các điểm khác nhau thường sẽ có giá trị khác nhau. Liệu có tồn tại những vùng điện trường mà cường độ điện trường tại các điểm khác nhau có giá trị như nhau không?
Lời giải:
Có, tồn tại những vùng điện trường mà cường độ điện trường tại các điểm khác nhau có giá trị như nhau (về cả độ lớn, phương và chiều). Vùng điện trường đó được gọi là điện trường đều.
Ví dụ: Điện trường giữa hai bản kim loại phẳng nhiễm điện trái dấu đặt song song và cách nhau một khoảng nhỏ là một điện trường đều.
II. Điện trường đều giữa hai bản phẳng nhiễm điện đặt song song
Câu hỏi trang 72
Đề bài: 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, chùm electron từ catôt đến anôt được coi là một chùm hẹp song song. 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.
Lời giải:
Tóm tắt: $d = 2$ cm $= 0{,}02$ m; $U = 120$ kV $= 1{,}2 \cdot 10^5$ V; $|q| = 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C.
Bước 1: Tính cường độ điện trường đều giữa hai cực.
Áp dụng công thức $E = \dfrac{U}{d}$:
$$E = \dfrac{1{,}2 \cdot 10^5}{0{,}02} = 6 \cdot 10^6 ; (\text{V/m})$$
Bước 2: Tính lực điện tác dụng lên electron.
Áp dụng công thức $F = |q| \cdot E$:
$$F = 1{,}6 \cdot 10^{-19} \cdot 6 \cdot 10^6 = 9{,}6 \cdot 10^{-13} ; (\text{N})$$
→ Lực điện tác dụng lên electron có độ lớn $F = 9{,}6 \cdot 10^{-13}$ N.
III. Tác dụng của điện trường đều lên chuyển động của điện tích
Hoạt động trang 72 (Câu 1)
Đề bài: Giữa hai bản phẳng song song nhiễm điện có cường độ điện trường đều là $\vec{E}$. Một điện tích $q > 0$ có khối lượng m bay vào trong điện trường đều trên với vận tốc $\vec{v_0}$ 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 khi 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.
Lời giải:
So sánh hai vectơ lực:
| Đặc điểm | $\vec{F}$ (lực điện trong Hình 18.3) | $\vec{P}$ (trọng lực trong Hình 18.4) |
|---|---|---|
| Phương | Vuông góc với $\vec{v_0}$ | Vuông góc với $\vec{v_0}$ |
| Chiều | Theo chiều $\vec{E}$ (do $q > 0$) | Hướng xuống (theo $\vec{g}$) |
| Độ lớn | $F = qE$ — không đổi | $P = mg$ — không đổi |
Sự tương tự giữa hai chuyển động:
- Cả hai vật đều có vận tốc ban đầu $\vec{v_0}$ theo phương ngang.
- Cả hai đều chịu một lực không đổi (về phương, chiều, độ lớn) và vuông góc với vận tốc ban đầu.
- Lực điện trong Hình 18.3 đóng vai trò tương tự trọng lực trong Hình 18.4.
→ Chuyển động của điện tích q trong điện trường đều giống với chuyển động ném ngang trong trường trọng lực.
Hoạt động trang 73 (Câu 2)
Đề bài: 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) Điện trường ảnh hưởng như thế nào đến vận tốc của chuyển động?
b) Từ đó dự đoán dạng quỹ đạo chuyển động.
Lời giải:
a) Ảnh hưởng của điện trường đến vận tốc:
Phân tích vận tốc của điện tích thành hai thành phần:
- Theo phương song song với $\vec{v_0}$ (vuông góc với đường sức): không có lực tác dụng → vận tốc thành phần này không đổi, bằng $v_0$.
- Theo phương vuông góc với $\vec{v_0}$ (song song với đường sức): có lực điện tác dụng → sinh ra gia tốc → vận tốc thành phần này tăng dần theo thời gian.
→ Vectơ vận tốc tổng hợp liên tục đổi phương và tăng dần về độ lớn.
b) Dự đoán dạng quỹ đạo:
Vì chuyển động của điện tích tương tự chuyển động ném ngang nên quỹ đạo có dạng đường parabol.
IV. Ứng dụng
Hoạt động trang 74 (Câu 1)
Đề bài: 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.
Lời giải:
Nguyên tắc hoạt động:
- Chùm electron sau khi được tăng tốc trong súng điện tử sẽ bay vào vùng giữa các bản lái tia với vận tốc theo phương ngang.
- Khi đặt hiệu điện thế vào cặp bản lái tia theo phương y, giữa hai bản này xuất hiện điện trường đều. Điện trường này tác dụng lực điện lên electron, làm electron lệch hướng theo phương y.
- Tương tự, khi đặt hiệu điện thế vào cặp bản lái tia theo phương x, electron sẽ bị lệch hướng theo phương x.
- Bằng cách điều chỉnh đồng thời hiệu điện thế ở hai cặp bản, ta có thể đưa chùm electron đến bất kì điểm nào trên màn huỳnh quang, tạo ra hình ảnh tín hiệu cần hiển thị.
Hoạt động trang 74 (Câu 2)
Đề bài: 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 trường 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.
Lời giải:
Tác dụng của điện trường đều Trái Đất lên ion âm:
- Điện trường Trái Đất có phương thẳng đứng, hướng từ trên xuống dưới.
- Ion âm mang điện tích âm → lực điện tác dụng lên ion âm có chiều ngược với chiều của điện trường, tức là hướng từ dưới lên trên.
Khả năng lọc bụi:
- Ion âm được phát theo phương ngang (vuông góc với đường sức) → dưới tác dụng của lực điện hướng lên, ion âm chuyển động theo quỹ đạo parabol cong lên trên.
- Khi đi vào không gian, ion âm gặp các hạt bụi mịn tích điện dương lơ lửng trong không khí → trung hoà điện tích của các hạt bụi này.
- Sau khi mất điện tích, các hạt bụi không còn bị giữ lơ lửng nữa, rơi xuống đất → không khí được làm sạch.
Câu hỏi trang 75
Đề bài: Máy lọc không khí tạo ra chùm các ion âm OH⁻ (mỗi ion OH⁻ có khối lượng $m = 2{,}833 \cdot 10^{-26}$ kg, điện tích $-1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C) 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.
Lời giải:
Bước 1: Phân tích lực tác dụng lên ion âm.
- Điện trường Trái Đất $\vec{E}$ hướng từ trên xuống.
- Ion âm có $q < 0$ → lực điện $\vec{F} = q\vec{E}$ ngược chiều với $\vec{E}$, tức là hướng từ dưới lên trên.
Bước 2: Chọn hệ trục tọa độ.
Đặt gốc O tại vị trí ban đầu của ion. Trục Ox theo phương ngang (cùng chiều $\vec{v_0}$), trục Oy hướng thẳng đứng lên trên.
Bước 3: Tính gia tốc của ion theo phương Oy.
Lực điện: $F = |q| \cdot E = 1{,}6 \cdot 10^{-19} \cdot 114 = 1{,}824 \cdot 10^{-17}$ (N).
Gia tốc theo Oy:
$$a = \dfrac{F}{m} = \dfrac{1{,}824 \cdot 10^{-17}}{2{,}833 \cdot 10^{-26}} \approx 6{,}44 \cdot 10^8 ; (\text{m/s}^2)$$
Bước 4: Viết phương trình chuyển động.
- Theo Ox (chuyển động đều): $x = v_0 \cdot t$
- Theo Oy (chuyển động biến đổi đều): $y = \dfrac{1}{2} a t^2$
Bước 5: Viết phương trình quỹ đạo.
Từ $x = v_0 t$ → $t = \dfrac{x}{v_0}$. Thay vào phương trình của y:
$$y = \dfrac{1}{2} a \cdot \dfrac{x^2}{v_0^2} = \dfrac{a}{2v_0^2} \cdot x^2$$
• Với $v_0 = 20$ m/s:
$$y = \dfrac{6{,}44 \cdot 10^8}{2 \cdot 20^2} \cdot x^2 = 8{,}05 \cdot 10^5 \cdot x^2 ; (\text{m})$$
• Với $v_0 = 40$ m/s:
$$y = \dfrac{6{,}44 \cdot 10^8}{2 \cdot 40^2} \cdot x^2 = 2{,}01 \cdot 10^5 \cdot x^2 ; (\text{m})$$
Kết luận: Quỹ đạo của chùm ion âm là đường parabol có bề lõm hướng lên trên (vì lực điện hướng lên trên), với phương trình tổng quát $y = \dfrac{a}{2v_0^2} \cdot x^2$.
Em có thể
Mô tả ảnh hưởng của điện trường đều lên chuyển động của điện tích và giải thích nguyên tắc lái tia điện tử
Lời giải:
Ảnh hưởng của điện trường đều lên chuyển động của điện tích bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với đường sức:
- Vận tốc theo phương song song với vận tốc ban đầu (vuông góc với đường sức): không thay đổi.
- Vận tốc theo phương song song với đường sức: tăng dần dưới tác dụng của lực điện.
- Kết quả: vectơ vận tốc liên tục đổi phương và tăng dần độ lớn → quỹ đạo chuyển động là đường parabol.
Nguyên tắc lái tia điện tử trong ống phóng tia điện tử:
- Chùm electron sau khi được tăng tốc sẽ bay vào vùng giữa các bản lái tia theo phương ngang.
- Khi đặt hiệu điện thế vào cặp bản lái tia theo phương y → giữa hai bản có điện trường đều → lực điện làm electron lệch theo phương y.
- Tương tự, khi đặt hiệu điện thế vào cặp bản lái tia theo phương x → electron lệch theo phương x.
- Bằng cách điều chỉnh đồng thời hiệu điện thế ở hai cặp bản, có thể đưa chùm electron đến bất kì điểm nào trên màn huỳnh quang, tạo ra hình ảnh tín hiệu cần hiển thị.
Giải thích cơ chế gia tốc cho electron trong ống tia X và điều khiển đặc tính chùm tia X
Lời giải:
Cơ chế gia tốc electron:
- Trong ống tia X, người ta đặt một hiệu điện thế rất lớn U giữa catôt và anôt → tạo ra điện trường đều mạnh giữa hai cực.
- Electron từ catôt chịu tác dụng của lực điện $F = |q| \cdot E = |q| \cdot \dfrac{U}{d}$, hướng từ catôt sang anôt.
- Dưới tác dụng của lực điện này, electron được gia tốc, vận tốc tăng dần. Khi đến anôt, electron có động năng rất lớn, va chạm với anôt và phát ra tia X.
Điều khiển đặc tính chùm tia X:
- Năng lượng của chùm tia X phụ thuộc vào vận tốc của electron khi đập vào anôt, mà vận tốc này lại phụ thuộc vào hiệu điện thế U giữa hai cực.
- Khi tăng U → electron được gia tốc mạnh hơn → năng lượng tia X tăng → khả năng đâm xuyên cao (dùng để chụp X quang xương dày, các vùng cơ thể dày).
- Khi giảm U → năng lượng tia X giảm → khả năng đâm xuyên thấp hơn (dùng để chụp các vùng mô mềm).
→ Bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế U giữa hai cực, người ta có thể điều khiển đặc tính (năng lượng, độ đâm xuyên) của chùm tia X theo mong muốn.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn