Sách bài tập Vật lí 11 Bài 19 (Kết nối tri thức): Thế năng điện

Giải SBT Vật lí 11 Bài 19: Thế năng điện

Câu 19.1 trang 38 SBT Vật Lí 11: Công của lực điện trong dịch chuyển của một điện tích trong điện trường đều được tính bằng công thức: A = qEd, trong đó:

A. d là quãng đường đi được của điện tích q.

B. d là độ dịch chuyển của điện tích q.

C. d là hình chiếu của độ dịch chuyển trên phương vuông góc với đường sức điện trường.

D. d là hình chiếu của độ dịch chuyển trên phương song song với đường sức điện trường.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Công của lực điện trong dịch chuyển của một điện tích trong điện trường đều được tính bằng công thức: A = qEd, trong đó: d là hình chiếu của độ dịch chuyển trên phương song song với đường sức điện trường.

Câu 19.2 trang 39 SBT Vật Lí 11: Công của lực điện trong dịch chuyển của một điện tích q trong điện trường từ điểm M đến điểm N không phụ thuộc vào

A. cung đường dịch chuyển.

B. điện tích q.

C. điện trường $\overrightarrow{E}$.

D. vị trí điểm M.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Công của lực điện trong dịch chuyển của một điện tích q trong điện trường từ điểm M đến điểm N không phụ thuộc vào cung đường dịch chuyển mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm M và N.

Câu 19.3 trang 39 SBT Vật Lí 11: Trong điện trường đều của Trái Đất, chọn mặt đất là mốc thế năng điện. Một hạt bụi mịn có khối lượng m, điện tích q đang lơ lửng ở độ cao h so với mặt đất. Thế năng điện của hạt bụi mịn là:

A. W_t = mgh.

B. W_t = qEh.

C. W_t = mEh.

D. W_t = qgh.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Thế năng W_t = qEh

Câu 19.4 trang 39 SBT Vật Lí 11: Hạt bụi mịn ở Bài Câu 3 dịch chuyển thẳng đứng xuống dưới 10 cm so với vị trí ban đầu sau đó lại bị các luồng không khí nâng lên trở lại vị trí cũ. Lúc này công của điện trường đều của Trái Đất trong dịch chuyển trên của hạt bụi mịn sẽ bằng:

A. A = 0,1.qE.

B. A = 0,2.qE.

C. A = 0,1.mg.

D. A = 0.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Vị trí đầu và cuối trùng nhau nên A = 0.

Câu 19.5 trang 39 SBT Vật Lí 11: Thế năng điện của một điện tích q đặt tại điểm M trong một điện trường bất kì không phụ thuộc vào

A. điện tích q.

B. vị trí điểm M.

C. điện trường.

D. khối lượng của điện tích q.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Thế năng điện của một điện tích q đặt tại điểm M trong một điện trường bất kì không phụ thuộc vào khối lượng của điện tích q.

Câu 19.6 trang 39 SBT Vật Lí 11: Đặt vào hai bản kim loại phẳng song song một hiệu điện thế U = 100 V. Một hạt bụi mịn có điện tích q = +3,2.10^-19C lọt vào chính giữa khoảng điện trường đều giữa hai bản phẳng. Coi tốc độ hạt bụi khi bắt đầu vào điện trường đều bằng 0, bỏ qua lực cản của môi trường. Động năng của hạt bụi khi va chạm với bản nhiễm điện âm bằng:

A. $W_0=6,4\cdot {10}^{-17}\text{J}$.

B. $W_d=3,2\cdot {10}^{-17}\text{J}$.

C. $W_d=1,6\cdot {10}^{-17}\text{J}$.

D. W_d = 0J.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Động năng hạt bụi khi va chạm với bản âm bằng công của lực điện tác dụng lên điện tích khi nó di chuyển từ vị trí ban đầu đến bản âm

$$\begin{gathered} W_d=A=qEd\text{'}=qE\frac{d}{2}=q\frac{U}{2} \\ =3,{2.10}^{-19}.\frac{100}{2}=1,6\cdot {10}^{-17}\text{J} \end{gathered}$$

Câu 19.7 trang 39 SBT Vật Lí 11: Đối với điện trường của một điện tích điểm Q, người ta tính toán được công để dịch chuyển một điện tích q từ vô cùng về điểm M cách Q một khoảng r có giá trị bằng $A_{\infty M}=q\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_{0}r}$. Hãy tính công của lực điện trong dịch chuyển của điện tích q từ vị trí M cách Q một khoảng 1 m tới vị trí N cách Q một khoảng 2 m.

Lời giải:

$A_{MN}=q\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_0{r}_2}-q\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_0{r}_1}$$=q\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_0.2}-q\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_0.1}=-q\frac{Q}{8\pi {\epsilon }_0}\left(J\right)$.

Câu 19.8 trang 40 SBT Vật Lí 11: Trong điện trường của điện tích Q cố định.

a) Xác định thế năng điện của một electron tại điểm M cách Q một khoảng 2 m.

b) Dưới tác dụng của lực điện kéo electron từ điểm M và với vận tốc ban đầu bằng 0, dịch chuyển theo đường thẳng về phía điện tích Q>0. Tính tốc độ của electron khi còn cách điện tích Q một khoảng 1 m.

Lời giải:

a) $W_M=q{V}_M=q\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_{0}r}$$=-1,{6.10}^{-19}.\frac{Q}{4\pi {\epsilon }_0.2}=-0,2\cdot {10}^{-19}\cdot \frac{Q}{\pi {\epsilon }_0}\left(J\right)$.

b) Dựa vào công thức ở bài 19.8 tính được: $v_M=\sqrt{\frac{0,4}{9,1}\cdot \frac{Q}{\pi {\epsilon }_0}}\cdot {10}^6\left(\text{m}/\text{s}\right)$.

Câu 19.9 trang 40 SBT Vật Lí 11: Một ion âm OH^- có khối lượng 2,833.10^-26 kg được thổi ra từ máy lọc không khí với vận tốc 10 m/s, cách mặt đất 80 cm ở nơi có điện trường của Trái Đất bằng 120 V/m. Dưới tác dụng của lực điện, sau một thời gian, người ta quan sát thấy ion đang chuyển động với vận tốc 0,5 m/s ở vị trí cách mặt đất 1,5 m. Hãy xác định công cản mà môi trường đã thực hiện trong quá trình dịch chuyển của ion nói trên.

Lời giải:

Cơ năng lúc ban đầu của ion âm OH^- bằng:

$$\begin{gathered} W_1=qE{h}_1+\frac{m{v}_1^2}{2} \\ =\left(-1,6\cdot {10}^{-19}\right)\cdot 120\cdot 0,8+\frac{2,833\cdot {10}^{-26}\cdot {10}^2}{2} \\ =-1,536\cdot {10}^{-17}\text{J} \end{gathered}$$

Cơ năng lúc sau của ion âm OH^- bằng:

$$\begin{gathered} W_2=qE{h}_2+\frac{m{v}_2^2}{2} \\ =\left(-1,6\cdot {10}^{-19}\right)120\cdot 1,5+\frac{2,833\cdot {10}^{-26}\cdot 0,5^2}{2} \\ =-2,880\cdot {10}^{-17}\text{J} \end{gathered}$$

Độ biến thiên cơ năng sẽ bằng với công cản của môi trường trong chuyển động của ion âm từ vị trí thứ nhất đến vị trí thứ hai: $A_{\text{can}}=W_2-W_1=-1,344\cdot {10}^{-17}\text{J.}$

Câu 19.10 trang 40 SBT Vật Lí 11: Hình 19.1 là đồ thị tốc độ thay đổi theo độ cao của một electron chuyển động từ điểm A đến điểm B theo phương thẳng đứng trong điện trường của Trái Đất bỏ qua lực cản của không khí.

a) Hãy cho biết khoảng thay đổi của tốc độ khi electron chuyển động từ A đến B.

b) Tính cường độ điện trường của Trái Đất tại điểm A.

Hình 19.1. Đồ thị tốc độ thay đổi theo độ cao của một electron chuyển động trong điện trường của Trái Đất

Lời giải:

a) Khi chuyển động từ A với độ cao 3 m đến B với độ cao 2,9 m, tốc độ của electron giảm từ 2.10⁶ (m/s) về 0 (m/s).

b) Áp dụng công thức bảo toàn cơ năng, ta tính được cường độ điện trường trái đất E tại điểm quan sát.

$W_1=qE{h}_1+\frac{m{v}_1^2}{2}=qE{h}_2+\frac{m{v}_2^2}{2}=W_2$

Do đó $E=\frac{m{v}_1^2}{2}\cdot \frac{1}{q\left(h_2-h_1\right)}=113,75\text{V}/\text{m}$.

Lý thuyết Thế năng điện

I. Công của lực điện

- Điện tích dương q di chuyển trong điện trường đều từ điểm M đến điểm N sẽ chịu tác dụng của lực điện không đổi (theo Hình 19.1).

- Để tính công của lực điện trong dịch chuyển này, có thể xét chuyển động theo các quỹ đạo khác nhau.

- Công của lực điện làm di chuyển của điện tích q từ M đến N trong điện trường đều bằng qEh, không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu M và điểm cuối N của độ dịch chuyển trong trường.

- AMN=qEd trong đó: d là độ dài đại số của đoạn MM’, là hình chiếu của đoạn MN trên một đường sức điện.

- Công của lực điện trường làm di chuyển điện tích q từ M đến N không phụ thuộc vào hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí M và N của độ dịch chuyển trong trường (với mọi loại trường điện).

- Công của lực điện làm di chuyển điện tích q từ M đến N tỉ lệ thuận với điện tích q vì lực điện cũng tỉ lệ thuận với điện tích.

II. Thế năng của một điện tích trong điện trường

1. Thế năng của một điện tích trong điện trường đều

- Thế năng của điện tích q trong điện trường đều đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường đều tại điểm ta xét.

- Thế năng của một điện tích trong điện trường đều (còn gọi là thế năng điện) được tính bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích di chuyển từ điểm ta xét tới điểm mốc, thường là bản cực âm của tụ điện.

- Bản cực âm của tụ điện thường được chọn làm mốc để tính thế năng, và khi tính thế năng của một điện tích hoặc hệ điện tích bất kì, người ta thường chọn điểm mốc ở vô cực vì ở đó điện trường và lực điện trường đều bằng không.

- Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường đều bằng công của lực điện sinh ra khi điện tích q di chuyển từ M tới điểm mốc:

- Wм = qEd trong đó d là khoảng cách từ M đến bản cực âm, W là thế năng điện của điện tích q tại M điểm M.

2. Thế năng của một điện tích trong điện trường bất kì

- 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 (tương tự như trường hợp điện trường đều).

- Số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích q di chuyển từ điểm M tới điểm mốc để tính thế năng (mốc thường chọn là vô cực).

- Khi chọn mốc thế năng tại vô cực, số đo thế năng của điện tích q tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện trong dịch chuyển của điện tích q từ điểm M tới vô cực: Wм = AM∞

- Thế năng tại điểm M tỉ lệ với điện tích q, và có thể tính bằng Wм = Vмq, trong đó hệ số tỉ lệ V phụ thuộc vào điện trường và vị trí của điểm M.

Sơ đồ tư duy về “Thế năng điện”

Xem thêm các lời giải SBT Vật lí 11 bộ sách Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 20: Điện thế

Bài 21: Tụ điện

Bài tập cuối chương 3 trang 47

Bài 22: Cường độ dòng điện

Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm