SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI : "KINH NGHIỆM LUYỆN THI HỌC SINH GIỎI PHẦN ĐIỆN TRƯỜNG CỦA CÁC VẬT NHIỄM ĐIỆN" Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài Thưa các đồng chí và các em, từ lâu việc tìm kiếm, phát hiện, và bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý đã trở thành quan trọng với tất cả chúng ta. “Hiền tài là nguyên khí quốc gia” vậy ta phải làm thế nào để tìm ra được những tài năng nhỏ bé khi các em đang ngồi trên ghế nhà trường. Hàng năm công việc tổ chức các cuộc thi học sinh giỏi các cấp cũng lại là việc quan trọng không thể thiếu trong hoạt động của các cơ quan giáo dục từ cấp trường, Sở, cho tới cấp Bộ Theo sự phát triển của khoa học công nghệ nước nhà, đặc biệt là ngành khoa học vật lý, nước ta cần rất nhiều những nhà vật lý có đủ trình độ năng lực có thể góp sức vào công cuộc chuyển biến của đất nước. Việc đổi mới chương trình đào tạo cũng làm thay đổi yêu cầu của việc tuyển chọn học sinh giỏi, nên một yêu cầu cấp thiết là quá trình phát hiện, và bồi dưỡng học sinh giỏi cũng cần phải thay đổi cho phù hợp. Nhiều đồng nghiệp cho rằng cứ cho các em học tốt chương trình nâng cao là có thể đáp ứng được yêu cầu của đề thi học sinh giỏi, nhưng quả thực không phải như vậy. Đề thi học sinh giỏi yêu cầu thí sinh phải nắm chắc kiến thức căn bản, và phải triển khai tốt những kiến thức ấy trong những bài toán cụ thể, nên thí sinh cần phải có đủ kĩ năng cũng như khả năng ứng biến, phát hiện hiện tượng vật lý trong bài… như vậy các em cần có thời gian được ôn luyện kĩ lưỡng và cần phải được chuẩn bị tốt cả về mặt kiến thức lẫn kĩ năng. Phần bài tập điện trường của các vật nhiễm điện là phần bài tập khó thường chiếm một phần điểm trong các đề thi học sinh giỏi, cũng là phần có số dạng bài và phương pháp giải phong phú. Mặt khác các bài tập về điện trường của các vật nhiễm điện luôn gây nhiều hứng thú, và đôi khi là những vấn đề khó giải quyết của các em. Sáng kiến kinh nghiệm tập trung cung cấp kiến thức trọng tâm và đưa một số bài tập cụ thể có thể giúp đồng nghiệp và các em trong mức độ nào đó với hy vọng việc ôn thi học sinh giỏi không còn là quá khó với các đồng nghiệp nữa. Sáng kiến lấy tên “Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các vật nhiễm điện”. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng phương pháp ôn thi học sinh giỏi. Cung cấp kiến thức và phương pháp giải các bài tập liên quan tới phần điện trường của các vật nhiễm điện có phân bố điện đều. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Với mục đích trên sáng kiến tập trung nhiệm vụ cung cấp một số kiến thức nâng cao không được nhắc tới trong chương trình học, tìm ra giải pháp luyện thi học sinhh giỏi ở một phần kiến thức khó có trong các đề thi. 4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu a) Khách thể nghiên cứu - Quá trình học của học sinh giỏi vật lý - Quá trình dạy ở các đội tuyển vật lý b) Đối tượng nghiên cứu - Kiến thức phần điện học lớp 11 cơ bản và nâng cao - Phương pháp giải các bài toán về các vật tích điện, phân bố điện đều 5. Giả thuyết khoa học - Việc ôn thi học sinh giỏi vật lý là cần thiết, phần bài tập về điện trường của các vật nhiễm điện biết sự phân bố điện tích hay và khó. 6. Cấu trúc sáng kiến Cấu trúc sáng kiến gồm 2 mục và 4 chương tập trung chủ yếu vào chương trình vật lý lớp 11 theo chương trình đào tạo trung học phổ thông: - Mở đầu - Chương I: Lý thuyết chung - Chương II: Kiến thức về các vật nhiễm điện - Chương III: Dạng bài và phương pháp giải - Chương IV: Bài tập - Kết luận, kiến nghị CHƯƠNG I- LÝ THUYẾT CHUNG 1.1. Vai trò của làm bài tập trong quá trình học của học sinh “Trăm hay không bằng tay quen”, người lao động xưa đã từng quan niệm rằng lí thuyết hay không bằng thức hành giỏi, điều đó cho thấy người xưa đã đề cao vai trò của thức hành. Ngày nay với đà phát triển của xã hội, quan niệm lí thuyết và thức hành được hiểu khác hơn. Học và hành lúc nào cũng đi đôi, không thể tách rời nhau. Điều đó cũng đã được chủ tịch Hồ Chí Minh khẳng định: “Học với hành phải đi đôi, học mà không hành thì vô ích, hành mà không học thì hành không trôi chảy.” Học là tiếp thu kiến thức đã được tích lũy trong sách vở, là nắm vững lí luận đã được đúc kết trong các bộ môn khoa học, đồng thời tiếp nhận những kinh nghiệm của người đi trước. Còn hành nghĩa là ứng dụng kiến thức, lí thuyết để giải bài tập hoặc giải quyết một vấn đề thực tiễn đời sống. Cho nên học lý thuyết và làm bài tập có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau. Chúng là hai mặt của một quá trình thống nhất, chúng không thể tách rời. Ta cần hiểu rõ “làm bài tập” là mục đích học tập. Một khi đã nắm vững kiến thức, đã tiếp thu lí thuyết mà ta không vận dụng vào bài tập và thực tiễn, thì học chẳng để làm gì cả. Việc đưa thêm bài tập cho các em sau mỗi một lĩnh vực lý thuyết là cần thiết. Rất nhiều bài kiểm tra tập trung vào việc đánh giá kĩ năng làm bài của học sinh, nên phần bài tập luôn được cho với số điểm rất cao, chiếm tới hơn 70% điểm của đề thi. “Làm bài tập” là phương pháp học tập. Khi làm bài tập các em luôn phải nêu được các định lý, định luật, các thuyết phù hợp để vận dụng, do vậy mỗi khi làm bài tập là một lần học sinh được rà soát kiến thức liên quan. “Làm bài tập” là hình thức đánh giá kết quả của quá trình học. Học mà không làm được bài tập là do học không thấu đáo hoặc thiếu môi trường hoạt động. Nếu chữa bài tập mà không có lý thuyết gắn liền, soi sáng và kinh nghiệm đã được đúc kết dẫn dắt thì việc giải các bài tập sẽ lúng túng khi gặp khó khăn trở ngại, thậm chí có khi sai lầm nữa. Vì vậy trước khi bắt tay làm bài, hoặc giải bất kì bài tập nào việc cần thiết trước hết là phải nêu ra được những kiến thức cần thiết để giải. 1.2. Các bước giải quyết một bài tập vật lý 1.2.1. Xác định dạng bài và lý thuyết tương ứng để giải Việc đọc kỹ đề bài, xác định được dạng bài luôn là điều quan trọng trước khi các đồng nghiệp và các em giải bài tập. Nhiều đồng nghiệp, học sinh khi giải những bài toán nâng cao các em thường mắc một số lỗi sau: lời giải cồng kềnh, khó hiểu mặc dù vẫn đúng kết quả; biết hướng giải nhưng lại không biết bắt đầu từ đâu để giải; giải sai yêu cầu của đề bài Để khắc phục những khuyết điểm ấy cách tốt nhất các đồng nghiệp và các em nên xác định đúng dạng và đúng lý thuyết được vận dụng để giải bài. Trong chương sau tác giả sẽ cung cấp các dạng toán cùng lý thuyết kèm theo sau đó mới đưa bài tập để đồng nghiệp và các em tham khảo. 1.2.2. Nêu các đại lượng vật lý, và áp dụng đúng lĩnh vực lý thuyết Sau khi xác định được dạng bài tập và lý thuyết tương ứng, chúng ta phải bắt đầu bài tập từ những đại lượng vật lý được nêu ra. Các đại lượng vật lý được nêu ra sẽ là đối tượng để ta sử dụng các định luật, định nghĩa “tương tác” vào, từ đó hình thành lên phép toán của bài tập. Ví dụ: khi nêu các đại lượng điện trở R, r, dòng điện I và suất điện động ξ thì định luật tương ứng là định luật Ôm cho toàn mạch: ξ I= R+r 1.2.3. Sử dụng các phép biến đổi toán để tìm ra được kết quả cuối cùng Và bước cuối cùng là biến đổi toán học sau khi đã xây dựng được hết các phương trình toán cần thiết để tìm tới kết quả cuối cùng của bài toán. Ứng với lý thuyết chung được nêu trên, các chương II và III sẽ đi vào giải quyết các vấn đề liên quan đến bài tập và lý thuyết về điện trường của các vật nhiễm điện. Bổ sung kiến thức, dạng bài và phương pháp giải, bài toán mẫu, bài tập tự giải. Rất mong các đồng chí theo dõi và tìm ra được những điều bổ ích từ sáng kiến kinh nghiệm này. CHƯƠNG II – KIẾN THỨC VỀ CÁC VẬT NHIỄM ĐIỆN 2.1. Định luật Cu-lông Lực hút hoặc đẩy tĩnh điện giữa hai hạt tích điện (hai điện tích điểm) q 1 và q 2 cách nhau khoảng r trong chân không có độ lớn: 1 2 2 q q F=k r , với k=9.10 9 Nm 2 /C 2 gọi là hằng số tĩnh điện (2.1) Một dạng khác là 1 2 2 0 q q 1 F= 4.πε r × với ε 0 =8,85.10 -12 C 2 /Nm 2 gọi là hằng số điện Trong trường hợp các điện tích đặt trong điện môi có hằng số điện môi ε thì lực tương tác điện giảm đi ε lần: 1 2 1 2 2 2 0 q q q q k 1 F= = ε r 4π.ε ε r × × (2.2) 2.2. Thuyết Electrôn (thuyết điện tử) Giá trị điện tích được chọn làm điện tích nguyên tố là e=1,6.10 -19 C, các vật mang điện sẽ mang số nguyên lần e tức là sẽ nhiễm điện với các giá trị n.e (n∈Z). Người ta còn nói là điện tích bị lượng tử hóa. Prôtôn có điện tích bằng e. Electrôn có điện tích –e= -1,6.10 -19 C. Nơtrôn không tích điện. Trong thực tế tồn tại hạt có điện tích nhỏ hơn điện tích của e là quark, quark có điện tích 2 ± ; ± 3 3 e e nhưng quark không có khả năng tồn tại độc lập, mà chỉ có thể tồn tại trong liên kết với nhau tạo nên prôtôn và nơtrôn. Thuyết điện tử dựa vào sự tồn tại và di chuyển của electrôn để giải thích các hiện tượng điện, các tính chất điện: - Electrôn(e) có thể rời khỏi các nguyên tử, phân tử để di chuyển. Các nguyên tử trung hòa bị mất e trở thành hạt mang điện dương gọi là các ion dương. - Các nguyên tử trung hòa cũng có thể nhận thêm e để trở thành hạt mang điện âm gọi là các ion âm. - Các vật trung hòa về điện là những vật có số prôtôn(p) bằng với số e. Vật có số e lớn hơn số p thì nhiễm điện âm, và ngược lại nếu vật có số e nhỏ hơn số p thì nhiễm điện dương. 2.3. Định luật bảo toàn điện tích Trong hệ cô lập về điện thì điện tích được bảo toàn. Các vật trong hệ cô lập về điện có thể trao đổi điện tích với nhau nhưng tổng đại số của các điện tích luôn bằng hằng số. 2.4. Điện trường Môi trường tồn tại xung quanh vật nhiễm điện, gắn liền với vật nhiễm điện, tương tác lực điện lên các vật tích điện đặt trong nó gọi là điện trường. Cường độ điện trường là đại lượng vec-tơ đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực. Kí hiệu E ur , có đơn vị là V/m. Trước khi tính toán các điện trường của các vật tích điện ta xét một số dạng phân bố điện sau. 2.5. Phân bố điện dài Trong thực tế không phải vật nhiễm điện nào cũng có dạng hình cầu để chúng ta có thể coi là điện tích điểm. Tồn tại những vật nhiễm điện có dạng đoạn thẳng, đường thẳng, đường tròn hoặc bất kì hình dạng nào. Ta xét những vật nhiễm điện có dạng đường thẳng, đoạn thẳng, điện tích phân bố đều theo phương hoặc theo đường. Gọi điện tích của vật nhiễm điện là Q, chiều dài của vật nhiễm điện là l. Ta định nghĩa Q λ= l gọi là mật độ điện dài và có đơn vị là C/m. Như vậy điện tích của phần tử có chiều dài Δl i đủ nhỏ để được coi là một điện tích điểm, được tính bằng Δq i =λΔl i . Và lực điện do vật tác dụng lên một điện tích điểm q đặt ở M gần nó là tổng véc-tơ của các véc-tơ lực do mỗi điện tích điểm Δq i tác dụng lên điện tích q. Ta có: i i i 2 2 Δq .q Δ ΔF =k =k λq r r l × × n i i=1 F= F⇒ ∆ ∑ ur r (2.3) Mỗi điện tích điểm Δq i gây lên ở điểm M bất kì gần vật một điện trường có cường độ bằng: i i i 2 2 Δq Δ ΔE =k =k λ r r l × (2.4) Theo nguyên lý chồng chất điện trường, điện trường tổng hợp ở M là tổng véc-tơ của những điện trường thành phần: n i M i=1 E =ΔE ∑ ur r (2.5) Ta có: M F E = q ur ur (2.6) Chúng ta phải lưu ý với nhau một điều, các véc-tơ thành phần thường là không cùng phương, do vậy khi chưa xác định được phương chiều của véc-tơ tổng, hoặc các phép toán không thuận lợi thì chúng ta không thể sử dụng phép tích phân để tính các tổng (2.3) và (2.5) nêu trên. 2.6. Phân bố điện mặt Ta xét vật dẫn có dạng là một tấm dẹt tiết diện S, tích điện Q phân bố đều, định nghĩa Q α= S là mật độ điện mặt, có đơn vị là C/m 2 . Như vậy, một phần tử của vật có diện tích Δs i đủ nhỏ để có thể coi là điện tích điểm sẽ có điện tích Δq i =α.Δs i . Nếu gần vật một điện tích q thì lực tác dụng vào điện tích q là tổng hợp của lực do các điện tích Δq i tác dụng lên q. Ta có: i i i 2 2 Δq q Δs ΔF =k =k αq r r × × n i i=1 F= F⇒ ∆ ∑ ur ur (2.7) Mỗi điện tích điểm Δq i gây lên ở điểm M bất kì gần vật một điện trường có cường độ bằng: i i i 2 2 Δq Δs ΔE =k =k α r r × × × (2.8) Theo nguyên lý chồng chất điện trường, điện trường tổng hợp ở M là tổng véc-tơ của những điện trường thành phần: n M i i=1 =EΔE ∑ ur ur (2.9) Và: M F E = q ur ur (2.10) Đối với vật dẫn tích điện thì điện tích luôn tập trung ở mặt ngoài của vật nên tác giả chỉ xét tới hai trường hợp phân bố điện dài và phân bố điện mặt, không xét tới phân bố điện khối. Chương sau là các bài tập cụ thể của các trường hợp vật nhiễm điện. 2.7 Định lý Ôxtrôgratxki-Gauxơ Một định lý khả đúng khi nghiên cứu về điện trường của các vật nhiễm điện là định lý Ôxtrôgratxki-Gauxơ (O-G) phát biểu như sau: Trong môi trường là chân không, điện thông qua mặt kín có giá trị bằng tổng điện tích có trong mặt chia cho hằng số điện. i S i 0 = 1 Φ= E.ΔS.cosα q ε ∑ ∑ (2.11) Về mặt toán học công thức (2.9) còn được viết dưới dạng: i i 0 S 1 Φ E.ds.cosα E.dS q ε = == ∑ ∫ ∫ ur r Ñ Ñ (2.11’) Trong trường hợp môi trường bên trong mặt kín S bị lấp kín bởi điện môi có hằng số điện môi ε thì công thức định luật được viết dưới dạng. i S i 0 = 1 Φ= E.ΔS.cosα q εε ∑ ∑ hoặc i i 0 S 1 Φ E.ds.cosα E.dS q εε = = = ∑ ∫ ∫ ur r Ñ Ñ (2.12) Trong các bài toán sau có những bài có thể giải một cách ngắn gọn nhờ định luật O-G nhưng tác giả trực tiếp sử dụng nguyên lý chồng chất điện trường và các khái niệm phân bố điện để tính nhằm tập trung vào việc tìm điện trường của các vật tích điện một cách cơ bản nhất. CHƯƠNG III - DẠNG BÀI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI 3.1. Điện trường của lưỡng cực điện 3.1.1. Lưỡng cực điện Hệ gồm hai điện tích cùng độ lớn q nhưng trái dấu cách nhau khoảng d trong không gian được gọi là một lưỡng cực điện. Đường thẳng nối hai điện tích được gọi là trục của lưỡng cực điện. Véc-tơ hướng từ -q đến +q và có độ lớn bằng q.d được gọi là mô men lưỡng cực điện. Ta tính điện trường ở điểm P trên trục của lưỡng cực điện cách trung điểm M của lưỡng cực điện một khoảng z. 3.1.2. Bài toán điện trường trên trục của lưỡng cực điện Theo nguyên lý chồng chất điện trường có: (+) (-) E=E +E ur ur ur (3.1) Hai véc-tơ cùng phương và ngược chiều nên: . M - + . +q -q P (+) E ur (-) E ur z z [...]... 3.2 Điện trường của một đường tích điện, phân bố điện đều Ta xét vật có dạng là đường tròn hoặc đường thẳng mảnh tích điện phân bố đều có mật độ điện dài λ, gây lên điện trường trong không gian 3.2.1 Bài toán điện trường của một đường thẳng dài vô hạn tích điện Ta sử dụng mật độ điện dài trong bài toán này, giả sử có một dây d dài vô hạn tích điện dương, phân bố đều, có mật độ điện dài λ Nhận thấy điện. .. Bài toán điện trường của đĩa tròn tích điện Trong bài toán này vật tích điện là một đĩa tròn, có mật độ điện mặt là σ, ta tính điện trường tại điểm nằm trên trục qua tâm của đĩa và cách đĩa khoảng z u r dE z Vì đĩa tròn, phân bố điện tích đều, bằng cách lý luận tương tự u r ΔE i ta cũng suy ra phương của cường độ điện trường tổng hợp nằm ở M trên trục Oz qua tâm O của đĩa Lúc này một yếu tố điện tích... thấy E1P = E 2P nên điện trường ở vùng trong hai bản bằng nhau và bằng: E= σ ε0 Trên đây là những bài tập có lược trong lĩnh vực kiến thức điện trường của các vật nhiễm điện, chủ yếu xét tới các vật có phân bố điện đều Tiếp theo sáng kiến sẽ trình bày một số đề bài mong các đồng nghiệp và các em xem xét và tự giải 4.2 Các bài tập bổ sung Bài 1: Tính độ lớn của lực điện do một lưỡng cực điện có mô-men lưỡng... của đĩa tròn Đ/S: z=R TỔNG KẾT VÀ KIẾN NGHỊ 1 Tổng kết Qua quá trình nghiên cứu thực hiện nội dung của đề tài, chúng tôi đã giải quyết được các vấn đề sau: 1) Tìm hiểu các yêu cầu đổi mới trong phương pháp luyện thi học sinh giỏi 2) Nêu và phân tích được vai trò của bài tập, và làm bài tập trong dạy và học 3) Nêu lý thuyết chung liên quan tới các vật nhiễm điện, các loại phân bố điện dài, phân bố điện. .. phương của trường tổng hợp Nên nhất thi t phải chỉ được phương của trường tổng hợp trước Bước 4: Thành lập công thức tính tổng bằng phép tính tích phân: E = ∑ dE = ∫ dE n Lưu ý khi lấy tích phân ta phải lấy cận cho phù hợp 3.3 Điện trường của một mặt tích điện, phân bố điện đều Ta xét một đĩa tròn tích điện, tính điện trường của đĩa gây lên tại một điểm trên trục của đĩa Ta sử dụng phân bố điện mặt... điện mặt 4) Nêu được bài và dạng bài về điện trường của các vật nhiễm điện 5) Giải quyết thành công các khâu của quá trình giải một bài toán vật lý 6) Đưa được các bài tập điển hình có lược giải, và một số bái tập bổ sung nhằm giúp các đồng nghiệp và các em có điều kiện áp dụng những gì mà sáng kiến đề ra 7) Sử dụng thành công phép tính tích phân trong việc tìm điện trường tổng hợp 2 Kiến nghị Sau khi... đĩa tròn là một điện tích điểm Lược giải: Điện trường do đĩa gây lên ở một điểm trên trục của đĩa được tính bằng: E= σ z × (1) 2ε 0 z 2 +R 2 Khi z ? R ta có thể coi z2+R2=z2 Nên biểu thức trong ngoặc bằng 0, E=0 bằng với điện trường của một điện tích điểm gây lên ở một khoảng cách rất xa Hay nói cách khác bài toán được qui về trường hợp điện trường của một điện tích điểm Bài toán 2: Hai mặt phẳng rộng... điện tích điểm Chiến thuật chung là lấy yếu tố điện tích dq sinh ra một cường độ điện trường, có thành phần dE trên phương của điện trường tổng hợp Từ đó tính E = ∫ dE , tích phân này tùy theo từng dạng đường mà có dạng khác nhau, và đôi khi cũng được lấy trong các hệ tọa độ khác nhau Bài toán sẽ được diễn theo các bước sau: Bước 1: Nếu đường tích điện là tròn, ta lấy ds là độ dài của cung yếu tố của. .. qua tâm của một vòng tích điện +Q, phân bố điện đều có bán kính R Chứng minh rằng lực tĩnh điện tác dụng lên electrôn làm nó dao động qua tâm của vòng tròn với tần số góc: ω= Đ/S: F = - eQ 4πε 0 mR 3 Qe z = ma suy ra điều phải chứng minh 4πε 0 R 3 Bài 6: Ở khoảng cách nào dọc theo trục qua tâm của một đĩa tích điện phân bố đều, bán kính R thì cường độ điện trường bằng 1/2 giá trị của điện trường ở... cho các em học sinh Các em học sinh thực sự thấy hứng thú vẫn có thể tính tích phân theo định nghĩa của tích phân bội Nhưng trong bài toán mặt rộng vô hạn của cả hai trường hợp vật có dạng tròn hay dạng vuông luôn xác định 1 kết quả như đã nêu CHƯƠNG IV - BÀI TẬP 4.1 Bài tập có lược giải 4.1.1 Bài tập về lưỡng cực điện Bài toán 1: Trong bài toán về lưỡng cực điện, bây giờ ta giả thi t cả hai điện tích . SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI : " ;KINH NGHIỆM LUYỆN THI HỌC SINH GIỎI PHẦN ĐIỆN TRƯỜNG CỦA CÁC VẬT NHIỄM ĐIỆN" Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài Thưa các đồng chí và các em, từ lâu việc. và các em trong mức độ nào đó với hy vọng việc ôn thi học sinh giỏi không còn là quá khó với các đồng nghiệp nữa. Sáng kiến lấy tên Kinh nghiệm luyện thi học sinh giỏi – phần điện trường của các. mặt kiến thức lẫn kĩ năng. Phần bài tập điện trường của các vật nhiễm điện là phần bài tập khó thường chiếm một phần điểm trong các đề thi học sinh giỏi, cũng là phần có số dạng bài và phương