Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chương 1: Điện tích. Điện trường - Chuyên đề 3: Điện thế. Hiệu điện thế - Dạng 1: Công của các lực tác dụng khi điện tích di chuyển (Có lời giải)

Nội dung text: Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chương 1: Điện tích. Điện trường - Chuyên đề 3: Điện thế. Hiệu điện thế - Dạng 1: Công của các lực tác dụng khi điện tích di chuyển (Có lời giải)

1. CHUYÊN ĐỀ 3: ĐIỆN THẾ - HIỆU ĐIỆN THẾ B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI DẠNG 1. Công của các lực tác dụng khi điện tích di chuyển 1. Phương pháp - Công mà ta đề cập ở đây là công của lực điện hay công của điện trường. Công này có thể có giá trị dương hay âm. - Có thể áp dụng định lý động năng cho chuyển động của điện tích. Nếu ngoài lực điện còn có các lực khác tác dụng lên điện tích thì công tổng cộng của tất cả các lực tác dụng lên điện tích bằng độ tăng động năng của vật mang điện tích. - Nếu vật mang điện chuyển động đều thì công tổng cộng bằng không. Công của lực điện và công của các lực khác sẽ có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. A A - Nếu chỉ có lực điện tác dụng lên điện tích thì công của lực điện bằng độ tăng động năng của vật mang điện tích. mv2 mv2 A qU N M MN MN 2 2 Với m là khối lượng của vật mang điện tích q . - Công của lực điện tác dụng lên một điện tích không phụ thuộc vào hình dạng đường đi của điện tích mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối của đường đi trong điện trường. Do đó, với một đường cong kín thì điểm đầu và điểm cuối trùng nhau, nên công của lực điện trong trường hợp này bằng không. Tóm lại, ta cần nhớ các công thức sau: - Công của lực điện: A qEd qU - Công của lực ngoài: A A 1 1 - Định lý động năng: A qU mv2 mv2 MN MN 2 N 2 M A - Biểu thức hiệu điện thế: U V V MN MN M N q - Hệ thức liên hệ giữa cường độ điện trường hiệu điện thế trong điện trường đều: U U Ed E MN MN d Trong đó: M, N là hai điểm trên 1 đường sức, d là khoảng cách giữa hai điểm MN và d mang     giá trị dương d 0 khi MN  E , d mang giá trị âm d 0 khi MN  E . Nếu M, N không nằm trên đường sức, khi đó công thức tính hiệu điện thế sẽ là: U MN Ed cos ,   trong đó MN, E . STUDY TIP Trang 1
2. Công thức A qEd chỉ áp dụng được cho trường hợp điện tích di chuyển trong điện trường đều. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một điện tích điểm q 4.10 8 C di chuyển dọc theo chu vi của một tam giác MNP, vuông tại   P, trong điện trường đều, có cường độ 200 V/m. Cạnh MN 10cm, MN  E, NP 8cm . Môi trường là không khí. Tính công của lực điện trong các dịch chuyển sau của q : a) Từ M N . A. 8.10 7 J . B. 4.10 7 J .C. 8.10 7 J .D. 4.10 7 J . b) Từ N P . A. 0,512 J .B. 5,12.10 7 J .C. 5,12.10 7 J. D. 5,12 mJ . c) Từ P M . A. 4,32.10 7 J .B. 1,44.10 7 J . C. 2,88 mJ .D. 2,88.10 7 J . d) Theo đường kín MNPM. A. 0 J .B. 4,32.10 7 J .C. 8.10 7 J .D. 5,12.10 7 J . Lời giải a) Khi điện tích dịch chuyển từ M đến N thì hình chiếu của M và N lên đường sức là chính nó, mà   MN  E nên d MN . Công của lực điện khi di chuyển điện tích q từ M đến N là: 8 7 AMN qEd qE.MN 4.10 .200.0,1 8.10 J . Đáp án A. b) Gọi H là hình chiếu P lên MN, ta được NH chính là hình chiếu của NP lên phương của đường sức trong từ trường đều, và khi đi từ M đến N thì hình chiếu của điện tích di chuyển ngược chiều điện trường. Do đó d NH . NP2 A qE.NH qE. 4.10 8.200.0,064 5,12.10 7 J NP MN Đáp án C. c) Ta được HM là hình chiếu của PM lên phương của điện trường và khi đi từ H đến M, hình chiếu của điện tích di chuyển ngược chiều điện trường. MP2 A qE.HM 4.10 8.200. 4.10 8.200.0,036 2,88.10 7 J PM MN Đáp án D. d) Khi điện tích dịch chuyển theo đường kính MNPM thì điện tích dịch chuyển trên 1 đường cong kín có điểm đầu và cuối trùng nhau nên AMNPM 0J . Đáp án A. Trang 2
3. Phân tích - Sử dụng công thức tính công của lực điện A qEd - Xác định d , với d là đoạn nối giữa hình chiếu của điểm đầu quỹ đạo và hình chiếu của điểm cuối quỹ  đạo lên một đường sức (với điện trường đều thì chiều của đường sức từ chính là chiều của điện trường E ).   Nếu hình chiếu cùng chiều với chiều E , ta lấy dấu , ngược chiều với chiều E , ta lấy dấu . STUDY TIP Với đoạn di chuyển của điện tích là một đoạn thẳng MN, chiều từ M đến N, thì ta có thể tính công của lực điện trường bằng công thức sau A qEMN cos   Trong đó MN, E Ví dụ 2: Một điện trường đều có cường độ E 2500V / m . Hai điểm A, B cách nhau 10 cm khi tính dọc theo đường sức. Tính công của lực điện trường thực hiện một điện tích q khi nó di chuyển từ A B ngược chiều đường sức. Giải bài toán khi: a) q 10 6 C . A. A 25.105 J .B. A 25.105 J .C. A 25.106 J .D. A 25.106 J . b) q 10 6 C A. A 25.105 J. B. A 25.105 J. C. A 25.106 J. D. A 25.106 J. Lời giải Khi điện tích di chuyển ngược chiều đường sức thì ta có A qE.AB Thay lần lượt q 10 6 C, q 10 6 C ta được 5 a) Công của lực điện trường: A1 25.10 J Đáp án A. 5 b) Công của lực điện trường: A2 25.10 J Đáp án B. Ví dụ 3: Điện tích q 10 8 C di chuyển dọc theo cạnh của một tam giác đều  ABC cạnh a 10cm trong điện trường đều có cường độ là 300 V/m. E P BC . Tính công của lực điện trường khi q dịch chuyển trên mỗi cạnh của tam giác Trang 3
4. 7 7 7 A. AAB 1,5.10 J, ABC 3.10 J, ACA 1,5.10 J . 7 7 7 B. AAB 1,5.10 J, ABC 3.10 J, ACA 1,5.10 J . 7 7 7 C. AAB 1,5.10 J, ABC 3.10 J, ACA 1,5.10 J . 7 7 7 D. AAB 1,5.10 J, ABC 3.10 J, ACA 1,5.10 J . Lời giải Gọi H là hình chiếu A lên BC, ta được HB chính là hình chiếu của AB lên phương của điện trường và khi đi từ H đến B thì hình chiếu của điện tích di chuyển ngược chiều điện trường. 0,1 A qE.HB 10 8.300. 1,5.10 7 J AB 2 Công của lực điện trường khi q dịch chuyển từ B đến C là: 8 7 ABC qEBC 10 .300.0,1 3.10 J Ta có CH là hình chiếu của CA lên phương của điện trường và khi từ C đến H thì hình chiếu của điện tích di chuyển ngược chiều điện trường 7 ACA AAB 1,5.10 J Đáp án D. STUDY TIP Dùng công thức sau cũng cho kết quả tương tự, bạn đọc tự làm. A qEMN cos   Trong đó MN, E Bài tập tương tự: Điện tích q 10 8 C di chuyển dọc theo cạnh của một tam  giác đều MBC, mỗi cạnh 20 cm đặt trong điện trường đều E có hướng song song với BC và có cường độ là 3000 V/m. Tính công thực hiện để dịch chuyển điện tích q theo các cạnh MB, BC và CM của tam giác. Đáp án: AMB 3mJ, ABC 6mJ, AMB 3mJ . Ví dụ 4: Một electron di chuyển được một đoạn 1 cm, dọc theo một đường sức điện, dưới tác dụng của một lực điện trong một điện trường đều có cường độ 1000 V/m. Hãy xác định công của lực điện? A. A 1,6.10 18 J .B. A 1,6.10 18 J. C. A 0J. D. A 1,6.10 19 J. Lời giải Vì electron di chuyển ngược chiều điện trường, nên công của lực điện là: A qEd e E s 1,6.10 19.1000.0,01 1,6.10 18 J Đáp án A. Trang 4
5. STUDY TIP Chú ý điện tích của electron là q e 1,6.10 19 J Trang 5