Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 11 Bài 3: Điện trường và cường độ điện trường - Đường sức điện chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Điện trường và cường độ điện trường - Đường sức điện lớp 11.
Giải bài tập Vật Lí lớp 11 Bài 3: Điện trường và cường độ điện trường - Đường sức điện
Trả lời câu hỏi giữa bài
Trả lời câu C1 trang 17 SGK Vật lí 11: Hãy chứng minh vectơ cường độ điện trường tại điểm M của một điện tích điểm Q có phương và chiều như trên hình 3.3.
Lời giải:
Giả sử tại M điện tích thử q>0
- Ở trường hợp a) : Q và q có điện cùng dấu nên chúng đẩy nhau. Lực Cu–lông tác dụng nên điện tích q có chiều hướng ra xa Q.
Do q > 0 nên tại M cùng chiều với nên cũng hướng ra xa Q (>0)
- Ở trường hợp b) : Q và q tích điện trái dấu nên chúng hút nhau. Lực Cu–lông tác dụng nên điện tích q (tại M) hướng về phía Q.
Do q > 0 nên tại M cùng chiều với nên cũng hướng về phía Q (<0)
Trả lời câu C2 trang 17 SGK Vật lí 11: Dựa vào hệ thống đường sức trên hình 3.6 SGK và 3.7 SGK, hãy chứng minh rằng cường độ điện trường của một điện tích điểm càng gần điện tích điểm càng lớn.
Lời giải:
Câu hỏi và bài tập (trang 14 sgk Vật lí 11)
Bài 1 trang 20 SGK Vật lí 11: Điện trường là gì ?
Lời giải:
Điện trường là một dạng vật chất (môi trường) đặc biệt bao xung quanh hạt mang điện tích và gắn liền với điện tích đó.
Điện trường tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó.
Bài 2 trang 20 SGK Vật lí 11: Cường độ điện trường là gì? Nó được xác định như thế nào ? Đơn vị cường độ điện trường là gì?
Lời giải:
Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Nó được xác định bằng thương số của độ lớn lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) đặt tại điểm đó và độ lớn của q.
Đơn vị đo cường độ điện trường là V/m.
Bài 3 trang 20 SGK Vật lí 11:Vectơ cường độ điện trường là gì ? Nêu những đặc điểm của vectơ cường độ điện trường tại một điểm ?
Lời giải:
Vectơ cường độ điện trường
Vì lực F là đại lượng vectơ, còn điện tích q là đại lượng vô hướng, nên cường độ điện trường E cũng là một đại lượng vectơ.
Cường độ điện trường được biểu diễn bằng một vectơ gọi là vectơ cường độ điện trường.
Ta co công thức:
Vectơ cường độ điện trường có:
+ Phương và chiều trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử q dương.
+ Chiều dài (môđun) biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ lệ xích nào đó.
Những đặc điểm của vectơ cường độ điện trường tại một điểm :
Điểm đặt: Tại M.
- Phương: đường nối M và Q
- Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0
Hướng vào Q nếu Q <0
- Độ lớn: với k = 9.109
Bài 4 trang 20 SGK Vật lí 11: Viết công thức tính và nêu những đặc điểm của cường độ điện trường của một điện tích điểm.
Lời giải:
- Cường độ điện trường của một điện tích điểm trong chân không:
- Độ lớn của cường độ điện trường không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích thử
- Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0
Hướng vào Q nếu Q <0
Bài 5 trang 20 SGK Vật lí 11: Cường độ điện trường của một hệ điện tích điểm được xác định thế nào?
Lời giải:
Véc tơ cường độ điện trường một hệ điện tích điểm bằng tổng véc tơ cường độ điện trường của mỗi điện tích điểm thành phần:
Các véctơ cường độ điện trường tại một điểm được tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.
Bài 6 trang 20 SGK Vật lí 11: Phát biểu nguyên lí chồng chất điện trường.
Lời giải:
Nguyên lí chồng chất điện trường
Giả sử có hai điện tích điểm và gây ra tại điểm M hai vec tơ cường độ điện trường và .
Nguyên lí chồng chất điện trường: Các điện trường và đồng thời tác dụng lực điện lên điện tích q một cách độc lập với nhau. Cường độ điện trường tại một điểm bằng tổng hợp của và
Các vectơ cường độ điện trường tại một điểm được tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.
Bài 7 trang 20 SGK Vật lí 11: Nêu định nghĩa và đặc điểm của đường sức điện.
Lời giải:
Định nghĩa
Đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó là giá của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác, đường sức điện là đường mà lực điện tác dụng dọc theo nó.
Các đặc điểm của đường sức điện
+ Qua mỗi điểm trong điện trường có một và chỉ một đường sức điện mà thôi.
+ Đường sức điện là những đường có hướng. Hướng của đường sức điện tại một điểm là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
+ Đường sức điện của điện trường tĩnh điện là đường không khép kín. Nó đi ra điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm.
+ Tuy các đường sức từ là dày đặc nhưng người ta chỉ vẽ một số ít đường theo quy tắc sau : Số đường sức đi qua một điện tích nhất định đặt vuông góc với đường sức điện tại điểm mà ta xét thì tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó.
Bài 8 trang 20 SGK Vật lí 11: Điện trường đều là gì ?
Lời giải:
- Điện trường đều có cường độ tại mọi điểm như nhau.
- Vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm có cùng phương, chiều và độ lớn,
- Các đường sức điện là những đường thẳng song song cách đều.
Bài 9 trang 20 SGK Vật lí 11: Đại lượng nào sau đây không liên quan đến cường độ điện trường của điện tích điểm Q tại một điểm
A. Điện tích Q.
B. Điện tích thử q.
C. Khoảng cách r từ Q đến q.
D. Hằng số điện môi của môi trường.
Phương pháp giải:
Lời giải:
Đáp án B.
Điện tích thử q chỉ có tác dụng nhận biết sự tồn tại của điện trường chứ không liên quan đến cường độ điện trường của một điện tích điểm Q.
Bài 10 trang 21 SGK Vật lí 11: Đơn vị nào sau đây là đơn vị đo cường độ điện trường?
A. Niu-tơn.
B. Cu-lông.
C. Vôn nhân mét.
D. Vôn trên mét.
Lời giải:
Đáp án D.
Đơn vị đo cường độ điện trường là vôn trên mét.
Bài 11 trang 21 SGK Vật lí 11: Tính cường độ điện trường và vẽ vectơ cường độ điện trường do một điện tích điểm +4.10-8 C gây ra tại một điểm cách nó 5cm trong chân không.
Phương pháp giải:
Lời giải:
+ Ta có, cường độ điện trường:
+ Hình vẽ:
Bài 12 trang 21 SGK Vật lí 11:Hai điện tích điểm q1 = 3.10-8 C và q2 = - 4.10-8 C đặt cách nhau 10 cm trong chân không. Hãy tìm các điểm mà tại đó cường độ điện trường bằng không. Tại các điểm đó có điện trường không?
Phương pháp giải:
+ Cường độ điện trường của một điện tích điểm trong chân không:
+ Vecto cường độ điện trường của điện trường tổng hợp:
Lời giải:
- Điện tích điểm q1 = 3.10-8 C đặt tại điểm A, q2 = - 4.10-8 C đặt tại điểm B, AB = 10cm.
- Gọi C là điểm mà tại đó cường độ điện trường bằng không.
- Gọi và là cường độ điện trường của q1 và q2 tại C.
- Cường độ điện trường tổng hợp tại C:
=> Hai vecto này cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn.
+ Hai vecto cùng phương, tức là điểm C phải nằm trên đường thẳng AB.
+ Hai vectơ này phải ngược chiều, tức là C phải nằm ngoài đoạn AB.
+ Hai vectơ này có cùng độ lớn, tức là điểm C gần A hơn B vì |q1| < |q2|.
Ta có hình vẽ:
Đặt AC = x, ta có :
- Ngoài ra còn phải kể đến các điểm nằm rất xa q1 và q2. Tại điểm C và các điểm này thì cường độ điện trường cũng bằng không, tức là không có điện trường.
Bài 13 trang 21 SGK Vật lí 11: Tại hai điện tích điểm A và B cách nhau 5cm trong chân không có hai điện tích q1 = +16.10-8 C và q2 = - 9.10-8 C. Tính cường độ điện trường tổng hợp và vẽ vectơ cường độ điện trường tại điểm C nằm cách A một khoảng 4cm và cách B một khoảng 3cm.
Phương pháp giải:
+ Cường độ điện trường của một điện tích điểm trong chân không:
+ Vecto cường độ điện trường của điện trường tổng hợp:
Lời giải:
Gọi và lần lượt là cường độ điện trường do q1 và q2 gây ra ở C.
Do ; ; => tam giác ABC vuông tại C.
Cường độ điện trường tổng hợp tại C:
Ta có hình vẽ:
Ta có:
Vì tam giác ABC vuông tại C nên hai vectơ và vuông góc với nhau.
=> Cường độ điện trường tổng hợp tại C là:
Lý thuyết Bài 3: Điện trường và cường độ điện trường - Đường sức điện
I. Điện trường
1. Môi trường truyền tương tác điện
Giả sử ta đặt hai quả cầu điện tích trái dấu trong một bình kín rồi hút hết không khí ra. Ta đã biết, lực hút của hai quả cầu không những yếu đi mà lại mạnh lên. Như vậy phải có một môi trường nào đó truyền tương tác điện giữa hai quả cầu. Môi trường đó là điện trường.
2. Điện trường
Điện trường là môi trường (dạng vật chất) bao quanh điện tích và gắn liền với điện tích. Điện trường tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó.
Nơi nào có điện tích thì xung quanh điện tích đó có điện trường.
Một điện tích Q nằm tại một điểm trong không gian sẽ gây ra xung quanh nó một điện trường. Một điện tích q nằm trong điện trường đó sẽ bị Q tác dụng một lực điện và ngược lại, q cũng tác dụng lên Q một lực đối (hình 3.1)
II. Cường độ điện trường
1. Khái niệm cường độ điện trường
Giả sử có một điện tích điểm Q nằm tại điểm O. Điện tích này tạo ra một điện trường xung quanh nó. Để nghiên cứu điện trường của Q tại điểm M, ta đặt tại đó một điện tích điểm q, gọi là điện tích thử và xét lực điện tác dụng lên q (Hình 3.2). Theo định luật Cu-lông, q càng nằm xa Q thì lực điện càng nhỏ. Ta nói điện trường tại các điểm càng xa Q càng yếu. Vì thế cần phải xây dựng một khái niệm đặc trưng cho sự mạnh, yếu của điện trường tại một điểm. Khái niệm đó là cường độ điện trường.
2. Định nghĩa.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng lần lượt các điện tích thử q1, q2,… khác nhau tại một điểm thì:
Ta có thể thấy độ lớn của lực điện tác dụng lên điện tích thử q = +1C để đặc trưng cho cường độ điện trường tại điểm mà ta xét. Tuy nhiên theo công thức (1.1), độ lớn F của lực điện tỉ lệ thuận với q, nên thương số chính là độ lớn của lực điện tác dụng lên điện tích 1C. Do đó, ta sẽ lấy thương số này làm số đo của cường độ điện trường. Vậy ta có định nghĩa sau:
Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Nó được xác định bằng thương số của độ lớn lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) đặt tại điểm đó và độ lớn của q.
(3.1)
3. Vectơ cường độ điện trường
Vì lực F là đại lượng vectơ, còn điện tích q là đại lượng vô hướng, nên cường độ điện trường E cũng là một đại lượng vectơ.
Cường độ điện trường được biểu diễn bằng một vectơ gọi là vectơ cường độ điện trường. Từ công thức (3.1), ta có:
Vectơ cường độ điện trường có:
+ Phương và chiều trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử q dương.
+ Chiều dài (môđun) biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ lệ xích nào đó.
4. Đơn vị đo cường độ điện trường.
Đơn vị đo cường độ điện trường là Vôn trên mét (kí hiệu là V/m).
5. Công thức tính cường độ điện trường tại một điện tích điểm
Công thức tính cường độ điện trường tại một điện tích điểm Q:
(3.2)
6. Nguyên lí chồng chất điện trường
Giả sử có hai điện tích điểm Q1 và Q2 gây ra tại điểm M hai vec tơ cường độ điện trường và .
Nguyên lí chồng chất điện trường: Các điện trường E1 và E2 đồng thời tác dụng lực điện lên điện tích q một cách độc lập với nhau. Cường độ điện trường tại một điểm bằng tổng hợp của và .
(3.3)
Các vectơ cường độ điện trường tại một điểm được tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.
III. Đường sức điện
1. Hình ảnh các đường sức điện
Người ta chứng minh được rằng, các hạt nhỏ đã bị nhiễm điện và nằm dọc theo phương của lực điện. Tập hợp các hạt nhỏ sẽ nằm dọc theo những đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm nằm theo phương của vectơ cường độ điện trường tại đó. Mỗi đường đó gọi là một đường sức điện.
2. Định nghĩa
Đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó là giá của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác, đường sức điện là đường mà lực điện tác dụng dọc theo nó.
3. Các đặc điểm của đường sức điện
+ Qua mỗi điểm trong điện trường có một và chỉ một đường sức điện mà thôi.
+ Đường sức điện là những đường có hướng. Hướng của đường sức điện tại một điểm là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
+ Đường sức điện của điện trường tĩnh điện là đường không khép kín. Nó đi ra điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm.
+ Tuy các đường sức từ là dày đặc nhưng người ta chỉ vẽ một số ít đường theo quy tắc sau : Số đường sức đi qua một điện tích nhất định đặt vuông góc với đường sức điện tại điểm mà ta xét thì tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó.
4. Điện trường đều
Điện trường đều là điện trường mà vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm đều có cùng phương, cùng chiều, và cùng độ lớn; đường sức điện là những đường thẳng song song cách đều.
Điện trường trong một điện môi đồng chất nằm ở giữa hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và điện tích bằng nhau, trái dấu là một điện trường đều.
Sơ đồ tư duy về điện trường và cường độ điện trường. Đường sức điện
Dạng 1: Xác định cường độ điện trường do điện tích gây ra tại một điểm
Cường độ điện trường do điện tích Q gây ra có:
- Điểm đặt: tại điểm ta xét
- Phương: Trùng với đường thẳng nối điện tích Q và điểm ta xét
- Chiều:
+ Hướng ra xa Q nếu Q > 0
+ Hướng về Q nếu Q < 0
Bài tập ví dụ: Xác định vecto cường độ điện trường tại điểm M trong không khí cách điện tích điểm Q = 10-16C một khoảng 30 cm.
Hướng dẫn giải
Ta có: Q > 0 nên vecto E có gốc đặt tại M, chiều hương ra xa điện tích Q.
- Áp dụng nguyên lý chồng chất điện trường:
- Biểu diễn , xác định phương, chiều, độ lớn của từng vecto cường độ điện trường do từng điện tích gây ra.
- Biểu diễn , xác định phương, chiều, độ lớn của từng vecto cường độ điện trường do từng điện tích gây ra.
- Vẽ vecto cường độ điện trường tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.
- Xác định độ lớn của cường độ điện trường tổng hợp dựa vào hình vẽ.
* Các trường hợp đặc biệt:
+
+
+
+
Bài tập ví dụ: Tại hai điểm A và B cách nhau 10 cm trong không khí có đặt hai điện tích . Xác định cường độ điện trường do hai điện tích điểm này gây ra tại:
a) M với MA = MB = 5 cm
b) N với NA = 5 cm, NB = 15 cm
Hướng dẫn giải
a)
MA = MB = 5 cm, AB = 10 cm => M là trung điểm của AB.
Ta biểu diễn các vecto cường độ điện trường do hai điện tích gây ra tại điểm M như hình vẽ.
Vecto cường độ điện trường tại M là tổng hợp hai vecto
Suy ra
Ta thấy
Ta có:
b)
NA = 5 cm, NB = 15 cm, AB = 10 cm nên N nằm ngoài AB và nằm trên đường thẳng AB.
Ta biểu diễn các vecto cường độ điện trường do hai điện tích gây ra tại điểm N như hình vẽ.
Vecto cường độ điện trường tại M là tổng hợp hai vecto
Suy ra
Ta thấy:
Ta có:
Dạng 3: Xác định vị trí cường độ điện trường bằng 0