Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chủ đề 1: Điện tích. Điện trường - Chuyên đề 1: Lực tương tác tĩnh điện

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chủ đề 1: Điện tích. Điện trường - Chuyên đề 1: Lực tương tác tĩnh điện

1. CHỦ ĐỀ 1: ĐIỆN TÍCH - ĐIỆN TRƯỜNG CHUYÊN ĐỀ 1: LỰC TƯƠNG TÁC TĨNH ĐIỆN PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM Trang 1
2. PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên Ví dụ: Hai điện tích q = 2.10-8C và điện tích q = -10-8C đặt cách nhau 20 cm trong không khí. Xác định độ lớn lực tương tác giữa chúng Hướng dẫn: q q 2.10-8.(-10-8 ) F=k 1 2 =9.109 =4,5.10-5N q q q q εr2 1.0,22 Biểu thức: F=k 1 2 =9.109 1 2 (N) er2 er2 1. Phương pháp giải 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Hai quả cầu nhỏ mang điện tích có độ lớn bằng nhau, đặt cách nhau 5 cm trong chân không thì hút nhau bằng một lực 0,9 N. Xác định điện tích của hai quả cầu đó? -7 -7 -7 -7 A. q1 = 5.10 C; q2 = -5.10 C.B. q 1 = -5.10 C; q2 = 5.10 C. -6 -6 C. q1 = -5.10 C; q2 = 5.10 C. D. Cả A và B. Hướng dẫn q q F.r2 0,9.0,052 Theo định luật Cu - lông: F=k. 1 2 q q = q q = =25.10-14 r2 1 2 k 1 2 9.109 2 -14 -7 Mà: q1 = q2 nên: q1 =25.10 q2 = q1 =5.10 C -7 -7 -7 -7 Do hai điện tích hút nhau nên: q1 = 5.10 C; q2 = -5.10 C hoặc: q1 = -5.10 C; q2 = 5.10 C. Chọn D. Ví dụ 2: Hai vật nhỏ tích điện đặt cách nhau 50 cm, hút nhau bằng một lực 0,18 N. Điện tích tổng cộng của hai vật là 4.10-6 C. Tính điện tích của mỗi vật? -6 -6 -6 -6 A. q1 = -10 C; q2 = 5.10 C.B. q 1 = 10 C; q2 = -5.10 C. -5 -6 -5 -6 C. q1 = 10 C; q2 = -5.10 C. D. q1 = -10 C; q2 = 5.10 C. Hướng dẫn q .q F.r2 0,18.0,52 Theo định luật Cu-lông: F=k. 1 2 q .q = q .q = =5.10-12 r2 1 2 k 1 2 9.109 -12 -6 Do lực tương tác là lực hút nên: q1.q2 = -5.10 Lại có: q1 + q2 = 4.10 -12 -12 -6 -6 q1.q2 = 5.10 q1.q2 = -5.10 q1 = -10 q2 = -10 Khi đó: hoặc -6 -6 -6 -6 q1 +q2 = 4.10 q1 +q2 = 4.10 q2 = 5.10 q1 = 5.10 Chọn A Một số chú ý để áp dụng vào các bài tập tương tự: Hai điện tích có độ lớn bằng nhau thì: |q1| = |q2|. Hai điện tích có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu thì: q1 = -q2 Trang 2
3. Hai điện tích bằng nhau thì: q1 = q2 Hai điện tích cùng dấu: q1.q2 > 0 q1.q2 = q1.q2 Hai điện tích trái dấu: q1.q2 < 0 q1.q2 = -q1.q2 Áp dụng hệ thức của định luật Cu-lông để tìm ra |q 1.q2|, sau đó tùy điều kiện bài toán chúng ra sẽ tìm được q1 và q2. Nếu đề bài chỉ yêu cầu tìm độ lớn thì chỉ cần tìm |q1| ; |q2| Dạng 2: Tương tác của nhiều điện tích 1. Phương pháp giải  Ví dụ: Cho 3 điện tích đặt trong không khí có Các bước tìm hợp lực F0 do các điện tích q1; q2; -9 -9 -9 điện tích q1 = 9.10 C; q2 = 4.10 C; q3 = -2.10 C tác dụng lên điện tích q0: lần lượt đặt tại A, B, C. Biết AB = 10 cm, AC = 4 cm, BC = 6 cm. Xác định độ lớn hợp lực do q 1 và q2 tác dụng lên q3? Bước 1: Xác định vị trí điểm đặt các điện tích (vẽ Hướng dẫn hình). Bước 2: Vẽ hình các vectơ lực bên trên    F10 ; F20 ; ; Fn0    Bước 3: Tính độ lớn các lực F ; F ; ; F lần lượt 9.10-9.(-2.10-9 ) 10 20 n0 q1q3 9 -4 F13 =k 2 =9.10 . 2 =1,0125.10 N do q1, q2, qn tác dụng lên q0. ε.AC 1.0,04 q q 4.10-9.(-2.10-9 ) F =k 2 3 =9.109. =2.10-5N 23 ε.BC2 1.0,062 Bước 4: Từ hình vẽ xác định phương, chiều, độ lớn    Do F13 và F23 cùng phương, ngược chiều nên: của hợp lực F0 theo quy tắc hình bình hành. -5 F = |F13 – F23|= 8,125.10 N 2. Ví dụ minh họa -7 Ví dụ 1: Trong chân không, cho hai điện tích q 1 = -q2 = 10 C đặt tại hai điểm A và B cách nhau 8 cm. -7 Tại điểm C nằm trên đường trung trực của AB và cách AB đoạn 3 cm người ta đặt điện tích q 0 = 10 C. Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên q0? A. Phương song song với AB, chiều từ A đến B và độ lớn bằng 57,6.10-3N B. Phương song song với AB, chiều từ B đến A và độ lớn bằng 57,6.10-3N C. Phương song song với AB, chiều từ A đến B và độ lớn bằng 67,5.10-3N D. Phương song song với AB, chiều từ B đến A và độ lớn bằng 67,5.10-3N Hướng dẫn Lực do q1 tác dụng lên q0: Vị trí điện tích như hình vẽ. -7 -7 q q 10 .10 F =k 1 0 =9.109 =0,036N 10 AC2 0,052 Lực do q2 tác dụng lên q0: F20 = F10 = 0,036N (do |q1| = |q2|) Trang 3
4. Do F20 = F10 nên hợp lực F 0 tác dụng lên q0 có độ lớn: AH F =2F .cosCµ =2.F .cosAµ =2.F . 0 10 1 10 10 AC 4 F =2.0,036. =57,6.10-3N 0 5   Vậy F0 có phương //AB, cùng chiều với véctơ AB -3 (hình vẽ) có độ lớn: F0 = 57,6.10 N Chọn A. Dạng 3: Cân bằng của điện tích 1. Phương pháp giải Trường hợp có 2 điện tích Trường hợp có 3 điện tích     Hai điện tích q1 và q2 đặt tại hai điểm A; B. F0 = F10 + F20 + F30 = 0 Hãy xác định điểm C đặt điện tích q0 để q0 nằm cân     F + F + F = 0  F  F bằng, giải hệ cho 2 trường hợp: 10 20 30 30    F + F30 =0 F = F F = F10 + F20  30 2. Ví dụ minh họa -8 -8 Ví dụ 1: Hai điện tích q1 =2.10 C, q2 = -8.10 C đặt tại A và B trong không khí, AB=8 cm. Một điện tích q3 đặt tại C. Xác định vị trí và điện tích q3 để hệ điện tích nằm cân bằng? A. C nằm giữa A và B, cách A một đoạn 8 cm và có điện tích 80 nC B. C nằm trên đường thẳng AB, ngoài AB về phía A, cách A 8 cm và có điện tích 80 nC C. C nằm giữa A và B, cách A một đoạn 8 cm và có điện tích –80 nC D. C nằm trên đường thẳng AB, ngoài AB về phía A, cách A 8 cm và có điện tích –80 nC Hướng dẫn a, Xác định vị trí của C Do q1 và q2, trái dấu nên áp dụng trường hợp 2. Lại có |q1| < |q2| nên C nằm ngoài đoạn AB và gần điện tích q 1 tức là gần A Từ hình vẽ và điều kiện bài toán ta có hệ phương trình: Trang 4
5. q q 2 8 1 2 - =0 2 = 2 2 2 r1 =8cm AC=8cm r r r1 r2 1 2 r =16cm BC=16cm r -r =8 2 r2 -r1 =AB 2 1 b, Xác định q3:   Điều kiện cân bằng của điện tích q1: F21 + F31 = 0   Khi đó F21 và F31 là hai lực trực đối: cùng giá, ngược chiều, cùng độ lớn   Vì q1; q2 trái dấu, F21 là lực hút hướng từ A đến B nên F31 sẽ hướng ngược lại từ A đến C.  Nên F31 đóng vai trò là lực hút mà do q1 là điện tích dương nên q3 phải là điện tích âm. q q q q AC2 82 F =F k. 1 3 =k. 2 1 q = . q = .8.10-8 =8.10-8C 31 21 AC2 AB2 3 AB2 2 82 -8 Do q3 < 0 nên chọn q3 = -8.10 C Sau khi tìm được q dùng cách kiểm chứng lại điều kiện cân bằng cho điện tích q thỏa mãn biểu thức   3 2 -8 F32 + F12 = 0 . Vậy q3 = -8.10 C thì cả q1 và q2 cũng nằm cân bằng. Chọn D. Ví dụ 2: Tại 3 đỉnh của tam giác đều cạnh a, người ta đặt 3 điện tích giống nhau có giá trị như sau -7 q1 = q2 = q3 = q = 6.10 C. Hỏi phải đặt điện tích q0 ở đâu, có giá trị bằng bao nhiêu để hệ 4 điện tích trên đứng yên cân bằng? A. Đặt tại tâm của tam giác một điện tích 0,35 μC B. Đặt tại tâm của tam giác một điện tích -0,35 μC C. Đặt tại tâm của tam giác một điện tích 0,5 μC D. Đặt tại tâm của tam giác một điện tích -0,5 μC Hướng dẫn Điều điện cân bằng của điện tích q3 ở C:    F13 + F23 + F03 = 0      Đặt: F3 F13 + F23 F3 F03 = 0 q2 Vì F = F = k F = F 3 và F3 có phương trên phân giác góc 13 23 a 2 3 13 A· CB Tương tự xét điều điện cân bằng của q và q ta cũng suy ra được q phải nằm trên phân giác của góc A và 1 3  0   góc B. Suy ra, phải nằm tại tâm O của tam giác đều ABC. Vì F03 ngược chiều F3 , nên suy ra F03 là lực hút và q0 mang điện tích âm (q0 < 0). 2 q0q q 3 3 -7 F03 =F3 k. 2 =k. 2 . 3 q0 = q q0 = - q -3,5.10 C 2 a 3 a 3 3 . 3 2 Chọn B. Trang 5