Câu hỏi mở đầu trang 79

Đề bài: Trong thực tế, chúng ta gặp những đường dây dẫn điện cao thế, trung thế, hạ thế. Từ “thế” ở đây được hiểu như thế nào? Có liên quan tới thế năng điện đã học ở Bài 19 hay không?

Lời giải:

Từ “thế” ở đây chính là điện thế – đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện thế năng tại một điểm.

Có liên quan tới thế năng điện đã học ở Bài 19, qua công thức:

$$W_M = V_M \cdot q$$

→ Thế năng của điện tích q tại một điểm bằng tích của điện thế V tại điểm đó với điện tích q.

Trong thực tế: dây cao thế có điện thế cao (hiệu điện thế lớn), trung thế có giá trị trung bình, hạ thế có giá trị thấp.

I. Điện thế tại một điểm trong điện trường

Hoạt động trang 79

Đề bài:

1. Để đặt một điện tích q vào điểm M trong điện trường chúng ta cần cung cấp thế năng $W_M$ cho điện tích q. Điều này tương ứng với việc thực hiện một công A dịch chuyển điện tích q từ vô cực về điểm M. Hãy vận dụng công thức (19.3) và (19.4) để thu được công thức $V = \dfrac{A}{q}$.
2. Tỉ số $V = \dfrac{A}{q}$ như trên được gọi là điện thế của điện trường tại điểm M.

   a) Hãy dự đoán điện thế V đặc trưng cho đại lượng nào của điện trường.

   b) Xác định độ lớn điện tích q khi điện thế V có giá trị bằng công A thực hiện để dịch chuyển điện tích q từ vô cực về điểm M.

Lời giải:

Câu 1. Chứng minh $V = \dfrac{A}{q}$:

Theo công thức (19.3): $W_M = A_{M\infty}$ (thế năng tại M bằng công lực điện dịch chuyển q từ M ra vô cực).

Vì công dịch chuyển q từ vô cực về M (do ngoại lực thực hiện) có giá trị bằng đúng $W_M$, ta có:

$$A = W_M$$

Kết hợp với công thức (19.4): $W_M = V_M \cdot q$:

$$A = V_M \cdot q \Rightarrow V_M = \dfrac{A}{q}$$

Hay viết tổng quát: $V = \dfrac{A}{q}$ (điều phải chứng minh).

Câu 2.

a) Điện thế V đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường tại một điểm (về phương diện thế năng). Điện thế V không phụ thuộc vào điện tích q mà chỉ phụ thuộc vào điện trường và vị trí điểm xét.

b) Khi $V = A$ (giá trị điện thế bằng giá trị công), từ công thức $V = \dfrac{A}{q}$ suy ra:

$$\dfrac{A}{q} = A \Rightarrow q = 1 ; (\text{C})$$

→ Khi $q = 1$ C, điện thế V tại điểm M có giá trị bằng công A.

II. Mối liên hệ giữa điện thế và cường độ điện trường

Hoạt động trang 80

Đề bài: Hãy vận dụng công thức $V = \dfrac{A}{q}$ để chứng tỏ rằng công thực hiện để dịch chuyển điện tích q từ điểm N đến điểm M bằng:

$$A_{NM} = (V_M – V_N)q = U_{MN} q$$

Lời giải:

Theo công thức $V = \dfrac{A}{q}$, ta có:

• Công dịch chuyển q từ vô cực về M: $A_{\infty M} = V_M \cdot q$.
• Công dịch chuyển q từ vô cực về N: $A_{\infty N} = V_N \cdot q$.

Vì lực điện là lực thế (công không phụ thuộc đường đi), ta có thể chia đường đi từ ∞ về M thành 2 đoạn: từ ∞ về N, rồi từ N về M:

$$A_{\infty M} = A_{\infty N} + A_{NM}$$

Suy ra công dịch chuyển q từ N đến M:

$$A_{NM} = A_{\infty M} – A_{\infty N} = V_M \cdot q – V_N \cdot q = (V_M – V_N)q$$

Mặt khác, theo định nghĩa hiệu điện thế $U_{MN} = V_M – V_N$, ta được:

$$A_{NM} = (V_M – V_N)q = U_{MN} \cdot q \quad (\text{điều phải chứng minh})$$

Câu hỏi 1 trang 80

Đề bài: Tế bào quang điện chân không (Hình 20.1) gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt, được hút chân không. Trong ống đặt một catôt (cực âm) có khả năng phát xạ electron khi được chiếu sáng và một anôt (cực dương). Cho hiệu điện thế $U_{AK} = 45$ V được đặt vào giữa hai cực của tế bào quang điện. Khi chiếu ánh sáng phù hợp, catôt phát xạ electron vào vùng điện trường giữa hai cực. Hãy tính công của điện trường trong dịch chuyển của electron từ catôt tới anôt.

Lời giải:

Tóm tắt: $U_{AK} = V_A – V_K = 45$ V; điện tích electron $q_e = -1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C.

Bước 1: Xác định hiệu điện thế $U_{KA}$.

Electron dịch chuyển từ K (catôt) đến A (anôt), do đó ta cần $U_{KA}$:

$$U_{KA} = V_K – V_A = -U_{AK} = -45 ; (\text{V})$$

Bước 2: Tính công của điện trường.

Áp dụng công thức $A_{KA} = q_e \cdot U_{KA}$:

$$A_{KA} = (-1{,}6 \cdot 10^{-19}) \cdot (-45) = 7{,}2 \cdot 10^{-18} ; (\text{J})$$

→ Công của điện trường khi dịch chuyển electron từ K đến A là $A_{KA} = 7{,}2 \cdot 10^{-18}$ J. Công dương cho thấy điện trường sinh công, tức là đẩy electron đi từ K sang A.

Câu hỏi 2 trang 80

Đề bài: Tính thế năng điện của một electron đặt tại điểm M có điện thế bằng 1 000 V.

Lời giải:

Tóm tắt: $V_M = 1000$ V; điện tích electron $q_e = -1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C.

Áp dụng công thức $W_M = V_M \cdot q$:

$$W_M = 1000 \cdot (-1{,}6 \cdot 10^{-19}) = -1{,}6 \cdot 10^{-16} ; (\text{J})$$

→ Thế năng điện của electron tại M là $W_M = -1{,}6 \cdot 10^{-16}$ J (mang giá trị âm vì điện tích của electron âm).

Câu hỏi trang 82

Đề bài: Vận dụng mối liên hệ giữa điện thế và cường độ điện trường để xác định điện thế tại một điểm cách mặt đất 5 m ở nơi có điện trường của Trái Đất là 114 V/m.

Lời giải:

Tóm tắt: $E = 114$ V/m; $h = 5$ m; chọn mặt đất làm mốc điện thế ($V_{đất} = 0$).

Phân tích: Điện trường của Trái Đất có phương thẳng đứng, hướng từ trên xuống dưới. Theo công thức (20.5), điện thế giảm dọc theo chiều đường sức điện, tức là càng xuống thấp điện thế càng giảm. Vậy điểm M ở trên cao sẽ có điện thế lớn hơn mặt đất.

Áp dụng công thức $E = \dfrac{V_M – V_{đất}}{h}$:

$$V_M – V_{đất} = E \cdot h$$

$$V_M = 0 + 114 \cdot 5 = 570 ; (\text{V})$$

→ Điện thế tại điểm cách mặt đất 5 m là $V_M = 570$ V.

Em có thể

Giải thích ý nghĩa của hiệu điện thế giữa hai điểm

Lời giải:

Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N là $U_{MN} = V_M – V_N$.

Ý nghĩa: Hiệu điện thế $U_{MN}$ đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi dịch chuyển một điện tích từ N đến M, được xác định bằng công thức:

$$A_{NM} = U_{MN} \cdot q$$

• Khi $U_{MN}$ càng lớn → điện trường có khả năng sinh công càng lớn khi dịch chuyển cùng một điện tích giữa hai điểm.
• Trong thực tế, hiệu điện thế chính là điện áp giữa hai điểm, đo bằng đơn vị vôn (V).

Tính thế năng điện của điện tích nằm trong điện trường

Lời giải:

Áp dụng mối liên hệ giữa thế năng điện và điện thế:

$$\boxed{W_M = V_M \cdot q}$$

Cách tính cụ thể:

• Bước 1: Xác định điện thế $V_M$ tại điểm đặt điện tích.
• Bước 2: Xác định điện tích $q$ (kèm dấu).
• Bước 3: Tính $W_M = V_M \cdot q$.

Ví dụ: Tại điểm M có $V_M = 500$ V, đặt điện tích $q = 2 \cdot 10^{-6}$ C, ta có:

$$W_M = 500 \cdot 2 \cdot 10^{-6} = 10^{-3} ; (\text{J}) = 1 ; \text{mJ}$$

Lưu ý: Nếu q và V cùng dấu thì $W_M > 0$; nếu q và V trái dấu thì $W_M < 0$.

Tính công dịch chuyển điện tích q từ điểm N đến điểm M

Lời giải:

Áp dụng công thức:

$$\boxed{A_{NM} = (V_M – V_N) \cdot q = U_{MN} \cdot q}$$

Cách tính cụ thể:

• Bước 1: Xác định điện thế $V_M$ và $V_N$ tại hai điểm (hoặc xác định trực tiếp $U_{MN}$).
• Bước 2: Xác định điện tích $q$ (kèm dấu).
• Bước 3: Tính $A_{NM} = U_{MN} \cdot q$.

Ví dụ: Dịch chuyển một điện tích $q = 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C giữa hai điểm có hiệu điện thế $U_{MN} = 100$ V:

$$A_{NM} = 100 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19} = 1{,}6 \cdot 10^{-17} ; (\text{J})$$

Lưu ý: Dấu của công cho biết chiều sinh công của điện trường:

• $A_{NM} > 0$ → điện trường sinh công dương (giúp dịch chuyển q theo chiều mong muốn).
• $A_{NM} < 0$ → điện trường cản trở chuyển động (cần ngoại lực thực hiện công).

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