Giải Vật lí 11 Bài 3 (Cánh diều): Điện thế, hiệu điện thế, tụ điện

Giải Vật lí 11 Bài 3: Điện thế, hiệu điện thế, tụ điện

Giải Vật lí 11 trang 75

Mở đầu trang 75 Vật Lí 11: Để dịch chuyển một điện tích dương đến gần điện tích dương khác, cần phải đẩy nó để thắng lực đẩy giữa chúng, Hình 3.1. Trong trường hợp này, ta nói rằng cần phải thực hiện một công để di chuyển một điện tích lại gần một điện tích khác.

Năng lượng của một điện tích di chuyển trong điện trường được xác định như thế nào?

Lời giải:

Năng lượng của một điện tích di chuyển trong điện trường được xác định bằng công của lực điện trường tác dụng lên điện tích dương q và có độ lớn: A = qEd.

I. Thế năng của điện tích trong điện trường

Giải Vật Lí 11 trang 76

Câu hỏi 1 trang 76 Vật Lí 11: Vì sao đường biểu diễn sự thay đổi thế năng điện trong điện trường đều ở Hình 3.2 là một đường thẳng?

Lời giải:

Vì thế năng tỉ lệ thuận với khoảng cách theo công thức W_M = A = qEd.

Câu hỏi 2 trang 76 Vật Lí 11: Vì sao thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường?

Lời giải:

Thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường vì:

- Mốc tính thế năng ở bản âm.

- Khi đưa một điện tích dương đến gần bản dương, công mà ta thực hiện đã chuyển thành thế năng điện của điện tích và làm tăng thế năng của nó trong điện trường.

- Nhìn vào hình vẽ ta có thể thấy ngay khi điện tích di chuyển đến gần bản dương thì thế năng tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường.

Giải Vật Lí 11 trang 77

Câu hỏi 3 trang 77 Vật Lí 11: So sánh công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cùng và công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng về điểm đang xét.

Lời giải:

Công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cùng có độ lớn bằng với công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng về điểm đang xét nhưng trái dấu.

II. Điện thế và hiệu điện thế

Câu hỏi 4 trang 77 Vật Lí 11: Điện thế tại một điểm trong điện trường là gì?

Lời giải:

Điện thế tại một điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng của điện tích q trong điện trường đó.

Giải Vật lí 11 trang 78

Luyện tập 1 trang 78 Vật Lí 11: Cho hai bản cực song song, cách nhau 25 cm như hình 3.3. Hiệu điện thế giữa hai bản là 2 kV.

a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là bao nhiêu?

b) Cường độ điện trường tại C và tại D là bao nhiêu?

c) Tìm lực điện tác dụng lên một điện tích +5 µCđặt tại C.

Lời giải:

a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là 2kV.

b) Cường độ điện trường giữa hai bản tụ cũng chính là cường độ điện trường tại mọi điểm phía trong bản tụ (vì đây là điện trường đều).

$E=\frac{U}{d}=\frac{2000}{\mathrm{0,25}}=8000V/m$

c) Lực điện tác dụng lên điện tích đặt tại C

$F=qE={5.10}^{-6}.8000=\mathrm{0,04}N$

III. Tụ điện

Giải Vật lí 11 trang 81

Câu hỏi 5 trang 81 Vật Lí 11: Vì sao tụ điện có năng lượng?

Lời giải:

Khi tụ điện chưa được tích điện thì điện tích của tụ bằng không, hiệu điện thế của tụ điện cũng bằng không.

Khi tụ được tích điện, nguồn điện thực hiện công đưa các điện tích đến các bản tụ điện. Tức là phải thực hiện công để đẩy electron lên bản này và kéo chúng ra khỏi bản kia. Theo định luật bảo toàn năng lượng, công này bằng năng lượng của tụ điện.

Giải Vật Lí 11 trang 82

Luyện tập 2 trang 82 Vật Lí 11: Một tụ điện có điện dung 2 000 µFđược tích điện đến hiệu điện thế 10 V. Tính năng lượng của tụ điện.

Lời giải:

Năng lượng của tụ $W=\frac{C{U}^2}{2}=\frac{{2000.10}^{-6}{.10}^2}{2}=\mathrm{0,1}J$

Câu hỏi 6 trang 82 Vật Lí 11:

Lời giải:

Các em tham khảo ví dụ dưới đây:

Vận dụng trang 82 Vật Lí 11: Cho các dụng cụ sau: Một tụ điện có điện dung 100 µF và hiệu điện thế định mức khoảng 12 V; 4 pin 1,5 V; Một LED; Một điện trở 50Ω; công tắc, dây dẫn điện. Nêu phương án dùng các dụng cụ này chứng minh tụ điện có lưu trữ năng lượng.

Lời giải:

Phương án chứng minh tụ điện có lưu trữ năng lượng:

Bước 1: Mắc nối tiếp 4 pin lại với nhau để được bộ nguồn có hiệu điện thế lớn hơn.

Bước 2: Nối hai bản của tụ điện với 2 cực của bộ pin, khi đó pin sẽ tích điện cho tụ.

Bước 3: Tháo tụ ra khỏi mạch trên, lắp 2 bản của tụ vào 2 cực của đèn LED, công tắc, điện trở thì khi đóng công tắc ta thấy đèn LED sáng. Chứng tỏ tụ điện có lưu trữ năng lượng.

Lý thuyết Điện thế, hiệu điện thế, tụ điện

I. Thế năng của điện tích trong điện trường

1. Công của lực điện

Công thực hiện để di chuyển một điện tích dương q một đoạn d dọc theo đường sức trong điện trường đều có cường độ E, từ phía bản điện tích âm về phía bản điện tích dương là A = F.d = qEd

2. Thế năng

· Thế năng của điện tích q dương tại điểm M trong điện trường đều là:

W_M = A = qEd

Với W_M là thế năng của điện tích tại điểm M và d là khoảng cách giữa điểm M và bản âm.

· Nếu điện tích q ở trong điện trường bất kì thì ta lấy thế năng bằng công của lực điện khi di chuyển điện tích q từ M ra xa vô cùng

$W_M=A_{M\infty }$

II. Điện thế và hiệu điện thế

1. Điện thế

· Thế năng của một điện tích q trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi đặt điện tích q tại điểm đang xét.

W_M = V_Mq

· Điện thế tại một điểm trong điện trường đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng

$V_M=\frac{A_{M\infty }}{q}=\frac{W_M}{q}$

Đơn vị của điện thế là vôn, kí hiệu là V

2. Hiệu điện thế

Hiệu điện thế giữa hai điểm M, N trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi di chuyển điện tích từ M đến N

$U_{MN}=V_M-V_N=\frac{A_{MN}}{q}$

Đơn vị của hiệu điện thế là vôn, kí hiệu là V

3. Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế

Mối liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường đều: $E=\frac{U_{MN}}{d}=\frac{U}{d}$ với d = MN.

III. Tụ điện

1. Khái niệm tụ điện

· Một hệ hai vật dẫn ở gần nhau, ngăn cách với nhau bằng một lớp chất cách điện, được gọi là chất điện môi, tạo nên một tụ điện. Mỗi vật dẫn đó được gọi là một bản của tụ điện.

· Để tích điện cho tụ điện, nối hai bản tụ điện với hai cực của một nguồn điện. Khi tụ điện đã được tích điện, độ lớn của điện tích trên mỗi bản được gọi là điện tích của tụ điện.

2. Điện dung của tụ điện

· Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định và được xác định bằng thương số giữa điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản:

$C=\frac{Q}{U}$

Trong đó Q là độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện và U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện.

Đơn vị của điện dung là fara, kí hiệu là F.

· Một số ước của fara:

1 micrôfara ($\mu F$) = 10^-6 F

1 nanôfara (nF) = 10^-9 F

1 picôfara (pF) = 10^-12 F

3. Điện dung của bộ tụ điện ghép song song

$\begin{array}{l}U=U_1=U_2=\mathrm{...}\\ Q=Q_1+Q_2+\mathrm{...}\\ C=C_1+C_2+\mathrm{...}\end{array}$

4. Điện dung của bộ tụ điện ghép nối tiếp

$\begin{array}{l}U=U_1+U_2+\mathrm{...}\\ Q=Q_1=Q_2=\mathrm{...}\\ \frac{1}{C}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\mathrm{...}\end{array}$

5. Năng lượng của tụ điện

$W=\frac{C{U}^2}{2}=\frac{Q^2}{2C}=\frac{QU}{2}$

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 2: Điện trường

Bài 3: Điện thế, hiệu điện thế, tụ điện

Bài tập chủ đề 3 trang 83

Bài 1: Cường độ dòng điện

Bài 2: Điện trở