Giải SGK Vật lí 11 Bài 16 (Kết nối tri thức): Lực tương tác giữa hai điện tích

Giải bài tập Vật lí lớp 11 Bài 16: Lực tương tác giữa hai điện tích

Khởi động trang 61 Vật Lí 11: Em đã biết các điện tích cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau. Theo em, độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích phụ thuộc như thế nào vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa chúng?

Lời giải:

Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

I. Lực hút và lực đẩy giữa các điện tích

Hoạt động trang 61 Vật Lí 11: – Treo thanh nhựa A bằng một dây chỉ để nó có thể quay tự do rồi dùng len cọ xát một đầu của nó.

– Quan sát, mô tả và giải thích hiện tượng xảy ra khi:

a) Dùng len cọ xát một đầu thanh nhựa B rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1a).

b) Dùng lụa cọ xát một đầu thanh thuỷ tinh C rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1b).

– Dựa vào Hình 16.2a, vẽ các vectơ lực biểu diễn tương tác giữa các điện tích trong các hình còn lại.

– Biểu diễn lực điện tác dụng lên mỗi điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều. Biết các điện tích trên đều cùng dấu và cùng độ lớn.

Lời giải:

a) Trường hợp cả thanh nhựa A và B đều được cọ xát bằng len thì thanh A và B đều nhiễm điện cùng dấu, khi đó đưa thanh B lại gần thanh A sẽ có hiện tượng thanh A bị đẩy ra xa.

b) Thanh thuỷ tinh C và thanh nhựa A nhiễm điện trái dấu, khi đó thanh C sẽ hút thanh A lại gần.

Vẽ hình cho hai trường hợp

– Hình 16.2 b và 16.2c

– Vectơ lực của ba điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều. Biết các điện tích trên đều cùng dấu và cùng độ lớn. Trong trường hợp này chọn 3 điện tích dương.

Hoạt động trang 62 Vật Lí 11: Độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích có phụ thuộc như thế nào vào khoảng cách giữa các điện tích? Đề xuất phương án thí nghiệm để kiểm tra dự đoán.

Lời giải:

Độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các điện tích.

Đề xuất phương án thí nghiệm.

Thí nghiệm cân xoắn Coulomb

A: Quả cầu kim loại được giữ cố định.

B: Quả cầu kim loại giống hệt A, được gắn vào một đầu của thanh ngang làm bằng chất cách điện.

C: Quả cầu đối trọng của B để giữ thanh ngang cân bằng

D: Dây treo có tính đàn hồi chống lại sự xoắn.

E: Chốt quay để thay đổi vị trí của thanh ngang.

G: Bảng chia độ.

Tích điện cho quả cầu A. Cho quả cầu A chưa tích điện tiếp xúc với quả cầu B. Khi đó quả cầu A sẽ truyền cho quả cầu B một nửa điện tích của mình và đẩy quả cầu này ra xa nhờ lực tĩnh điện. Lực đẩy tĩnh điện của hai quả cầu làm xoắn dây treo D. Góc xoắn giữa hai quả cầu được xác định nhờ bảng chia độ G trên hình trụ. Từ đó, xác định được độ lớn của lực tương tác giữa hai quả cầu và quan hệ của lực này với độ lớn của điện tích và khoảng cách giữa hai quả cầu.

II. Định luật Coulomb (Cu – lông)

Câu hỏi 1 trang 63 Vật Lí 11: Hãy nêu tên các đại lượng và tên các đơn vị trong biểu thức (16.2) và (16.3).

Lời giải:

Biểu thức 16.2: $F=\frac{\left|q_1{q}_2\right|}{4\pi {\epsilon }_0{r}^2}$

Biểu thức 16.3: $F=\frac{k\left|q_1{q}_2\right|}{r^2}$

Các đại lượng trong hai biểu thức:

+ F: độ lớn lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích – đơn vị niuton (N)

+ q₁; q₂: điện tích – đơn vị Cu-long (C)

+ r: khoảng cách giữa hai điện tích – đơn vị mét (m)

+${\epsilon }_0$ : hằng số điện môi – đơn vị C²/N.m².

Câu hỏi 2 trang 63 Vật Lí 11: Nếu khoảng cách giữa hai điện tích điểm tăng lên 2 lần và giá trị của mỗi điện tích điểm tăng lên 3 lần thì lực điện tương tác giữa chúng tăng hay giảm bao nhiêu lần?

Lời giải:

Độ lớn lực tương tác tĩnh điện ban đầu: $F=\frac{k\left|q_1{q}_2\right|}{r^2}$

Khi khoảng cách giữa hai điện tích điểm tăng lên 2 lần, giá trị của mỗi điện tích điểm tăng 3 lần thì có $F‘=\frac{k\left|3.q_1\mathrm{.3.}{q}_2\right|}{{\left(2r\right)}^2}=\mathrm{2,25.}\frac{k\left|q_1{q}_2\right|}{r^2}=\mathrm{2,25}F$.

Chứng tỏ lực điện tăng lên 2,25 lần.

Câu hỏi 3 trang 63 Vật Lí 11: Hãy vẽ các vectơ lực điện tương tác giữa hai điện tích điểm q₁ = 10^-5 C và q₂ = 10^-7 C đặt cách nhau 10 cm trong chân không theo tỉ lệ 1 cm ứng với khoảng cách 2 cm và lực 0,4 N. Lấy k = 9.10⁹ Nm²/C²

Lời giải:

Lực điện giữa hai điện tích trên: $F_{12}=F_{21}=F=k\frac{\left|q_1{q}_2\right|}{r^2}={9.10}^9\frac{\left|{10}^{-5}{.10}^{-7}\right|}{{\mathrm{0,1}}^2}=\mathrm{0,9}N$

Tỉ lệ 1 cm ứng với khoảng cách 2 cm và lực 0,4 N nên có hình vẽ như sau:

III. Bài tập về định luật Coulomb

Bài 1 trang 63 Vật Lí 11: Người ta có thể dùng lực tĩnh điện để tách các trang sách bị dính chặt vào nhau mà không làm chúng hỏng. Hãy mô tả cách làm này.

Lời giải:

Cách làm đơn giản như sau:

– Dùng mảnh len chà nhẹ nhiều lần lên trang giấy. Trang giấy được tích điện dương.

– Sau đó dùng mảnh vải cọ xát vào 2 thanh nhựa giống nhau. Khi đó 2 thanh nhựa được tích điện âm. Sau đó đưa 2 thanh nhựa lại gần 2 mặt của các trang sách bị dính chặt, mỗi thanh nhựa sẽ hút mỗi tờ giấy về hai phía khác nhau.

Bài 2 trang 63 Vật Lí 11: Có thể dùng định luật Coulomb để xác định độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích trong các thí nghiệm ở Hình 16.1 không? Tại sao?

Lời giải:

Có thể dùng định luật Coulomb để xác định độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích trong các thí nghiệm ở Hình 16.1 vì các điện tích trong thanh có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa hai thanh.

Bài 3 trang 63 Vật Lí 11: Xác định lực điện tương tác giữa electron và proton của nguyên tử hydrogen. Biết khoảng cách từ electron trong nguyên tử hydrogen đến hạt nhân của nguyên tử này là 5.10^-11 m; điện tích của electron và proton có độ lớn bằng nhau 1,6.10^-19 C. Lấy ${\epsilon }_0={\mathrm{8,85.10}}^{-12}\frac{C^2}{N.m^2}$.

Lời giải:

Lực điện: $F=\frac{k\left|q_1{q}_2\right|}{r^2}=\frac{{9.10}^9.\left|{\mathrm{1,6.10}}^{-19}.\left(-{\mathrm{1,6.10}}^{-19}\right)\right|}{{\left({5.10}^{-11}\right)}^2}={\mathrm{9,216.10}}^{-8}N$

Bài 4 trang 64 Vật Lí 11: Hai điện tích điểm q₁ = 15 µC; q₂ = -6 µC đặt cách nhau 0,2 m trong không khí. Phải đặt một điện tích q₃ ở vị trí nào để lực điện tác dụng lên điện tích này bằng 0?

Lời giải:

Điện tích q₁ tác dụng lên điện tích q₃ là: $\overrightarrow{F_{13}}$

Điện tích q₂ tác dụng lên điện tích q₃ là: $\overrightarrow{F_{23}}$

Tổng hợp lực điện tác dụng lên điện tích q₃ là: $\overrightarrow{F}=\overrightarrow{F_{13}}+\overrightarrow{F_{23}}$

Để lực điện tác dụng lên điện tích q₃ bằng 0 thì $\overrightarrow{0}=\overrightarrow{F_{13}}+\overrightarrow{F_{23}}\Rightarrow \overrightarrow{F_{13}}=-\overrightarrow{F_{23}}$

Do đó hai lực $\overrightarrow{F_{13}};\overrightarrow{F_{23}}$ cùng phương, ngược chiều. Suy ra điện tích q₃ nằm trên đường nối của hai điện tích q₁ và q₂ và nằm ngoài khoảng nối q₁ và q₂ (do hai điện tích q₁, q₂ trái dấu nhau).

Trường hợp 1: Điện tích q₃ nằm gần q₂, cách q₂ đoạn a

$F_{13}=k\frac{\left|q_1{q}_3\right|}{r_{13}^2}=k\frac{\left|15.q_3\right|}{{\left(\mathrm{0,2}+a\right)}^2}$

$F_{23}=k\frac{\left|q_2{q}_3\right|}{r_{23}^2}=k\frac{\left|-6.q_3\right|}{a^2}$

$F_{13}=F_{23}\iff k\frac{\left|15.q_3\right|}{{\left(\mathrm{0,2}+a\right)}^2}=k\frac{\left|-6.q_3\right|}{a^2}\iff \frac{15}{{\left(\mathrm{0,2}+a\right)}^2}=\frac{6}{a^2}\iff \left[\begin{array}{l}a\approx \mathrm{0,34}m\\ a\approx -\mathrm{0,07}m\left(loai\right)\end{array}\right.$

Trường hợp 2: Điện tích q₃ nằm gần q₁, cách q₁ đoạn a

$F_{13}=k\frac{\left|q_1{q}_3\right|}{r_{13}^2}=k\frac{\left|15.q_3\right|}{a^2}$

$F_{23}=k\frac{\left|q_2{q}_3\right|}{r_{23}^2}=k\frac{\left|-6.q_3\right|}{{\left(a+\mathrm{0,2}\right)}^2}$

$F_{13}=F_{23}\iff k\frac{\left|15.q_3\right|}{a^2}=k\frac{\left|-6.q_3\right|}{{\left(a+\mathrm{0,2}\right)}^2}\iff \frac{15}{a^2}=\frac{6}{{\left(a+\mathrm{0,2}\right)}^2}\iff \left[\begin{array}{l}a\approx -\mathrm{0,12}m\\ a\approx -\mathrm{0,54}m\end{array}\right.$

Trường hợp này vô nghiệm

Kết luận: Để lực điện tác dụng lên điện tích q₃ bằng 0 thì điện tích q₃ phải đặt ở ngoài khoảng nối điện tích q₁ và q₂ và nằm gần q₂.

Em có thể trang 64 Vật Lí 11: Trình bày được nguyên tắc hoạt động của máy lọc không khí trong gia đình dựa trên sơ đồ Hình 16.7.

(1): Lớp lọc bụi có kích thước lớn.

(2), (3): Lưới lọc tĩnh điện.

(4): Lớp lọc vi khuẩn, mùi.

(5): Quạt.

(6): Nguồn điện.

Lời giải:

Nguyên lý hoạt động của máy lọc không khí như sau:

– Đầu tiên quạt hút của máy sẽ tiến hành hút không khí và đẩy chúng qua màng lọc.

– Tại khu vực bộ lọc, màng lọc (1), (2), (3) sẽ giữ lại bụi bẩn, to, nhỏ, mịn, … và các thành phần có hại cho sức khỏe sẽ bám vào các ion âm sau đó sẽ bị bản kim loại tích điện dương giữ lại. Màng lọc (4) sẽ lọc nấm mốc, vi khuẩn, virus…

– Cuối cùng sẽ thổi không khí đã được làm sạch ra phòng.

Xem thêm các bài giải SGK Vật lí lớp 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 15: Thực hành: Đo tốc độ truyền âm

Bài 16: Lực tương tác giữa hai điện tích

Bài 17: Khái niệm điện trường

Bài 18: Điện trường đều

Bài 19: Thế năng điện