Đáp án vật lí 11 chân trời sáng tạo Bài 13. Điện thế và thế điện năng

BÀI 13. ĐIỆN THẾ VÀ THẾ ĐIỆN NĂNG

I. THẾ NĂNG ĐIỆN. ĐIỆN THẾ

Thảo luận 1 trang 80 sgk vật lý 11 ctst

Liệt kê một số lực thế đã được học. Trình bày đặc điểm về công của lực thế.

Đáp án:

Lực bảo toàn hay còn gọi là lực thế là các loại lực khi tác động lên một vật sinh ra một công cơ học có độ lớn không phụ thuộc vào dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điềm đầu và điểm cuối.

Lực thế được sinh ra trong trường thế.

Trọng lực hay lực hấp dẫn của trái đất lên các vật là lực thế.

Các ví dụ của lực bảo toàn là lực tĩnh điện và lực hấp dẫn.

Thảo luận 2 trang 80 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 13.2, xác định công của lực điện tác dụng lên điện tích q >0 khi q di chuyển từ A' đến B'.

Đáp án:

Công của lực điện tác dụng lên điện tích q khi q di chuyển từ A' đến B' là:

A_A’B’ = F.A’B’ = qE

Thảo luận 3 trang 82 sgk vật lý 11 ctst

Kết hợp công thức (13.5) và (13.7), em hãy rút ra công thức (13.8).

Đáp án:

Kết hợp công thức (13.5), (13.7) ta có:

U_AB = V_A − V_B =  

Vì lực điện là lực thế nên: A_A∞ + A_∞B = A_AB.

Vậy U_AB =

Thảo luận 4 trang 82 sgk vật lý 11 ctst

Xét hai điểm M và N trong điện trường đều. Biết vectơ cường độ điện trường hướng từ M đến N. Hãy so sánh giá trị điện thế tại M và N.

Đáp án:

Giá trị điện thế tại M là: V_M =  

Giá trị điện thế tại N là: V_N =        

Vì vectơ cường độ điện trường hướng từ M đến N nên ta có

A_M∞ > A_N∞ ⇒ V_M > V_N

Đường sức điện hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.

Thảo luận 5 trang 83 sgk vật lý 11 ctst

Giải thích vì sao cường độ điện trường có thể được đo bằng đơn vị vôn trên mét (V/m).

Đáp án:

Ta có: E=U/d trong đó U có đơn vị là V (Vôn), d có đơn vị là m (mét) nên E có đơn vị là V/m.

II. VẬN DỤNG CÔNG THỨC LIÊN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ

Luyện tập trang 84 sgk vật lý 11 ctst

Xét hai bản kim loại song song, cách nhau 2,0 cm và có hiệu điện thế 5,0 kV. Tính độ lớn lực điện tác dụng lên một hạt bụi nằm trong khoảng giữa hai bản, biết hạt bụi có điện tích 8,0.10⁻¹⁹ C

Đáp án:

F = qE = q. = 8.10^-19 .N

Vận dụng: Đo điện tim trang 84 sgk vật lý 11 ctst

Trong máy đo điện tim, các điện cực được sử dụng để đo hiệu điện thế giữa các điểm khác nhau trên da của bệnh nhân, thường không vượt quá 1 mV đối với người bình thường (Hình 13.4). Đây là một phương pháp có độ nhạy cao để phát hiện sự bất thường của chức năng tim. Dựa vào sách, báo, intemet, các em hãy tìm hiểu và trình bày ngắn gọn nguyên lí hoạt động của máy đo điện tim.

Đáp án:

Nguyên lý kỹ thuật đo điện tim

Tín hiệu điện tim được lấy từ người bệnh nhân qua các nút thu tín hiệu (điện cực dán, điện cực hút) qua đường dây cáp khám đến mạch tiền khuếch đại. Tín hiệu điện được khuếch đại lần thứ nhất sau đó tín hiệu đến tầng công suất để khuếch đại tín hiệu thành dòng điện. Dòng điện biến thiên này sẽ được đưa vào một cuộn dây, dưới tác động của dòng điện cuộn dây sinh ra một từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên này tác động lên thanh nam châm đồng thời là bút vẽ. Bút này di chuyển tịnh tiến khi cuộn rubăng giấy di chuyển sẽ vẽ lại trên giấy đồ thị của sự biến thiên, và đó cũng là tín hiệu điện tâm đồ.

Phân loại máy điện tim

Phân loại máy đo điện tim theo số kênh: Đây là cách phân loại theo số kênh ghi đồng thời. Đơn giản nhất là máy điện tim 1 kênh có kích thước và khối lượng nhỏ dùng để xách tay. Hiện nay với nhu cầu đánh giá nhanh chóng tính trạng bệnh lý nên phổ biến nhất là các loại máy đo điện tim 3 kênh, máy đo điện tim 6 kênh, máy đo điện tim 12 kênh được sử dụng trong các phòng khám, bệnh viện. Ngoài chức năng đo điện tâm đồ còn có thêm các thông số khác liên quan được tích hợp kèm theo như âm tim, nhịp đập của mạch, áp suất mạch máu….

Phân loại máy đo điện tim theo nguồn điện cung cấp: Các máy điện tim có thể sử dụng nguồn điện 1 chiều (sử dụng các loại pin sạc) hoặc nguồn điện xoay chiều thông dụng. Thông thường các máy điện tim xách tay sử dụng nguồn điện 1 chiều.

Phân loại máy điện tim theo phương pháp in tín hiệu ra giấy

Máy ghi điện tim đầu ghi quang: Được thực hiện bằng những tia sáng phản xạ từ gương của điện kế ghi (bộ rung) trên giấy hoặc trên phim ảnh chuyển động.

Máy điện tim với đầu ghi mực trên băng giấy: Nhờ ngòi bút đặc biệt loại bỏ được nhược điểm của máy ghi điện tim đầu ghi quang.

Máy điện tim đầu ghi nhiệt: Được thực hiện bằng bút ghi đặc biệt với đầu bút có bộ phận nung nóng nhẹ được cấp nhiệt, giấy in giấy đen được phủ một lớp nén trắng (Giấy in nhiệt)

III.  CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆNTRƯỜNG ĐỀU

Thảo luận 6 trang 85 sgk vật lý 11 ctst

Áp dụng định lí động năng, em hãy rút ra công thức (13.11).

Đáp án:

Độ biến thiên động năng bằng công của lực điện trường:

W_đ − W_đo = A⇒ mv² – 0 = q_eEd ⇒ v =

Thảo luận 7 trang 85 sgk vật lý 11 ctst

Xác định các lực tác dụng lên electron trong Hình 13.7. Từ đó, dự đoán chuyển động của electron.

Đáp án:

Trong vùng điện trường, electron chịu tác dụng của lực điện và trọng lực. Trong trường hợp trọng lực của electron có độ lớn rất nhỏ so với lực điện tác dụng lên electron, một cách gần đúng, electron chỉ chịu tác dụng của lực điện, ngược chiều với chiều của vectơ cường độ điện trường và cùng chiều với chiều dương quy ước. Khi đó, chuyển động của electron tương tự chuyển động của một vật ném ngang  đã học trong chương trình Vật lí 10.

Thảo luận 8 trang 85 sgk vật lý 11 ctst

Mô tả chuyển động của proton chuyển động với vận tốc  vào vùng điện trường đều như Hình 13.7.

Đáp án:

Chuyển động của proton tương tự chuyển động của electron. Tuy nhiên, do lực điện tác dụng lên proton cùng chiều điện trường (ngược chiều dương quy ước) nên quỹ đạo của proton là một nhánh parabol hướng về tấm kim loại tích điện âm.

Luyện tập trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Một electron chuyển động với vận tốc đầu 4.10⁷ m / s vào vùng điện trường đều theo phương vuông góc với các đường sức điện. Biết cường độ điện trường là E = 10³ V/m Hãy xác định:

1. a) Gia tốc của electron.
2. b) Vận tốc của electron khi nó chuyển động được 2.10⁻⁷ s trong điện trường.

Đáp án:

1. a) Gia tốc của electron là:

a = m/s²

2. b) Tại thời điểm 2.10⁻⁷ m/s

+ Theo phương Ox: v_x = v_o = 4.10⁷ m/s

+ Theo phương Oy: vy = at = 1,8.10¹⁴.2.10^-7 = 3,6.10⁷ m/s

Vận tốc của electron khi nó chuyển động sau khoảng thời gian là:

v =  5,4.10⁷m/s

Vận dụng trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Neutron là một hạt không mang điện, có khối lượng xấp xỉ proton. Một hạt neutron tự do có thể tồn tại khoảng 10 đến 15 phút, sau đó phân rã thành electron, proton và phản neutrino (là một hạt không mang điện, có khối lượng rất bé, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không). Em hãy đề xuất phương án để tách hai hạt electron và proton ngay sau khi neutron bị phân rã

Đáp án:

Đặt hạt neutron vào vùng điện trường đều (có thể dùng hai bản kim loại tích điện trái dấu). Ngay khi neutron phân rã thành electron, proton và phản neutrino, dưới tác dụng của điện trường, proton sẽ chuyển động hướng về phía bản kim loại tích điện âm, electron sẽ chuyển động hướng về phía bản kim loại tích điện dương.

Bài tập 1 trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Độ chênh lệch điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào trong cơ thể người là 90 mV. Biết mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào lần lượt mang điện âm và mang điện dương. Xác định công mà tế bào cần thực hiện để đưa một ion Na+ chuyển động từ bên trong ra bên ngoài màng tế bào theo cơ chế chủ động qua kênh protein.

Đáp án:

Ta có hiệu điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào là U = - 90mV (do mặt trong của tế bào tích điện âm, mặt ngoài của tế bảo tích điện dương).

Công của lực điện để đưa một ion Na+ (điện tích của ion Na+ là q = 1,6.10^-19 C ) từ mặt trong ra mặt ngoài tế bào.

U = A/q ⇒ A = qU = 1,6.10⁻¹⁹.(−90.10⁻³) = −1,44.10⁻²⁰J

Vậy, công mà tế bào cần thực hiện để đưa một ion Na+ từ mặt trong ra mặt ngoài của màng tế bào: A' = - A  = 1, 44.10^-20J

Bài tập 2 trang 86 sgk vật lý 11 ctst

Một electron chuyển động với tốc độ ban đầu v0 = 1,6.10⁶m / s chuyển động vào vùng điện trường đều theo phương song song với hai bản và ở chính giữa khoảng cách hai bản như Hình 13P.1. Biết chiều dài mỗi bản là 3 cm và khoảng cách giữa hai bản là 1 cm. Giữa hai bản có điện trường hướng từ trên xuống, điện trường bên ngoài hai bản bằng 0. Biết electron di chuyển đến vị trí mép ngoài của tấm bản phía trên, tính độ lớn cường độ điện trường giữa hai bản.

 Đáp án:

Chọn hệ trục Oxy như hình vẽ với gốc toạ độ được đặt tại vị trí ban đầu của electron ngay khi bay vào vùng điện trường của hai bản kim loại

+ Theo phương Ox: Electron chuyển động thẳng đều với vận tốc vo

+ Theo phương Oy: Electron chuyển động thẳng nhanh dần đều không vận tốc ban đầu với gia tốc                    

Ta có: {     x = v_ot     y =1/2.at²=12|qe|Emet2

Theo yêu cầu bài toán, ta có: x = 0,03m , y = 0,5.10^-2 m. Lấy khối lượng electron me = 9,1.10^-31 kg. Thay vào hai phương trình trên ta rút ra được: t = 1.875.10^-8  s, E≈161,78V/m