intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng môn học Vật lý đại cương A2 (dùng cho sinh viên hệ đại học các ngành kỹ thuật) - ThS. Nguyễn Phước Thế (ĐH Duy Tân)

Chia sẻ: Huỳnh Quang Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:164

Thêm vào BST
Báo xấu
302
lượt xem 68
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung bài giảng đi tìm hiểu sâu hơn về dao động, trường tĩnh điện, từ trường, quang sóng, quang lượng tử và cơ học lượng tử. Tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng môn học Vật lý đại cương A2 (dùng cho sinh viên hệ đại học các ngành kỹ thuật) - ThS. Nguyễn Phước Thế (ĐH Duy Tân)

  1. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA – KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN - VẬT LÝ BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 Dùng cho sinh viên hệ đại học các nghành kỹ thuật Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 0 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  2. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 GIỚI THIỆU Vật lý học là môn học nghiên cứu về tất cả các dạng vận động của vật chất từ vĩ mô đến vi mô. Những thành tựu vật lý học ngày hôm nay chúng ta sử dụng và đang hiểu đƣợc đƣợc là sản phẩm tƣ duy của loài ngƣời và cả các nhà bác học lớn. Chƣơng trình vật lý đại cƣơng có mục tiêu truyền đạt đến cho các bạn sinh viên chúng ta một cách nhìn tổng quát nhất về các dạng vận động của vật chất, các hiện tƣợng, các lý thuyết vật lý mà đó là cơ sở trong việc nắm bắt đƣợc sự vận động của vật chất. Song song với đó thì chƣơng trình này cũng là cơ sở cho hoạt động nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và đời sống. Ta biết rằng, trong phần vật lý đại cƣơng A1, đối tƣợng nghiên cứu là những vấn đề cơ bản về cơ học và nhiệt học. Trong phần vật lý đại cƣơng A2 chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về dao động, trƣờng tĩnh điện, từ trƣờng, quang sóng, quang lƣợng tử và cơ học lƣợng tử. Tuy nhiên, việc biên soạn nội dung bài giảng này nằm trong đề cƣơng và thời gian đƣợc phân bố cho môn học nên không thể chuyển tải hết tất cả các vấn đề của vật lý học mà là những vấn đề tổng quan nhất cho từng đối tƣợng đƣợc nghiên cứu. Trên cơ sở tập bài giảng này các bạn sinh viên tìm đọc thêm các tài liệu tham khảo, các giáo trình vật lý của các tác giả khác trong và ngoài nƣớc để có thêm nhiều thông tin mới phục vụ cho công tác học tập và nghiên cứu của mình. Tập bài giảng này do 2 tác giả biên soạn vào niên khóa 2007 - 2008:(1) Ths. Nguyễn Phƣớc Thể; (2) Ths. Lê Văn Khoa Bảo. Đây là tập bài giảng lần đầu tiên đƣợc cung cấp cho sinh viên tại trƣờng Đại Học Duy Tân sử dụng. Lần này chúng tôi chỉnh sửa lại một số lỗi và bổ sung thêm một số bài tập mới để sinh viên rèn luyện. Tuy nhiên tập tài liệu không thể tránh khỏi những thiếu sót mong quý đồng nghiệp, các đọc giả và các bạn sinh viên góp ý để đƣợc hoàn thiện hơn. Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 1 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  3. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN ....................................................................7 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU ....................................................................... 7 II. NỘI DUNG ............................................................................................ 7 §1. TƢƠNG TÁC ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT COULOMB ........................................... 7 1. Tƣơng tác điện ................................................................................................... 7 2. Thuyết điện tử - Định luật bảo toàn điện tích ..................................................... 7 3. Định luật Coulomb ............................................................................................. 8 4. Nguyên lý chồng chất các lực điện ..................................................................... 9 §2. ĐIỆN TRƢỜNG .............................................................................................11 1. Khái niệm điện trƣờng ......................................................................................11 2. Vectơ cƣờng độ điện trƣờng ..............................................................................11 3. Vectơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi một điện tích điểm ...............................12 4. Véctơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi một hệ vật mang điện - Nguyên lý chồng chất điện trƣờng ....................................................................................................13 §3. ĐIỆN THÔNG ................................................................................................16 1. Đƣờng sức điện trƣờng .....................................................................................16 2. Véctơ cảm ứng điện ..........................................................................................17 3. Điện thông ........................................................................................................18 §5. ĐỊNH LÝ ÔXTRÔGRATXKI - GAUSS (O - G)............................................20 1. Thiết lập định lý ................................................................................................20 2. Phát biểu định lý ...............................................................................................21 3. Ứng dụng định lý O-G ......................................................................................21 4. Dạng vi phân của định lý O – G ........................................................................23 §6. CÔNG CỦA LỰC TĨNH ĐIỆN - ĐIỆN THẾ .................................................24 1. Công của lực tĩnh điện ......................................................................................24 2. Thế năng của điện tích trong điện trƣờng ..........................................................25 3. Điện thế – Hiệu điện thế....................................................................................26 CÂU HỎI LÝ THUYẾT .......................................................................................28 BÀI TẬP...............................................................................................................29 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  4. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 2: .....................................TỪ TRƢỜNG ............................................35 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU...................................................................................35 II. NỘI DUNG ......................................................................................................36 §1. TƢƠNG TÁC TỪ CỦA DÕNG ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT AMPÈRE ..................36 1. Thí nghiệm về tƣơng tác từ ...............................................................................36 2. Định luật Ampe (Ampère) về tƣơng tác giữa hai dòng điện ..............................37 §2. VECTƠ CẢM ỨNG TỪ, VECTƠ CƢỜNG ĐỘ TỪ TRƢỜNG .....................39 1. Khái niệm từ trƣờng ..........................................................................................39 2. Các đại lƣợng đặc trƣng cho từ trƣờng ..............................................................39 3. Xác định vectơ cảm ứng từ và vectơ cƣờng độ từ trƣờng ..................................41 §3. TỪ THÔNG - ĐỊNH LÝ ÔXTRÔGRATSKI- GAUSS ĐỐI VỚI TỪ TRƢỜNG .............................................................................................................44 1. Đƣờng cảm ứng từ ............................................................................................44 2. Từ thông ...........................................................................................................46 3. Định lý Oxtrogratxki - Gauss đối với từ trƣờng.................................................47 §4. ĐỊNH LÝ AMPÈRE VỀ DÕNG ĐIỆN TOÀN PHẦN ...................................48 1. Lƣu số của vectơ cƣờng độ từ trƣờng ................................................................48 2. Định lý Ampère về dòng điện toàn phần ...........................................................49 3. Ứng dụng định lý Ampère .................................................................................52 §5. TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN DÕNG ĐIỆN ....................................54 1. Lực Ampère ......................................................................................................54 2. Tƣơng tác giữa hai dòng điện thẳng song song dài vô hạn ................................54 3. Tác dụng của từ trƣờng đều lên mạch điện kín ..................................................55 4. Công của lực từ .................................................................................................56 §6 TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN HẠT ĐIỆN CHUYỂN ĐỘNG ...........57 1. Lực Lorentz ......................................................................................................57 2. Chuyển động của hạt điện trong từ trƣờng đều ..................................................58 CÂU HỎI LÝ THUYẾT .......................................................................................60 BÀI TẬP...............................................................................................................61 CHƢƠNG 3:.......................................DAO ĐỘNG ..............................................67 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU...................................................................................68 II. NỘI DUNG ......................................................................................................68 §1. DAO ĐỘNG CƠ ĐIỀU HÕA ........................................................................68 1. Hiện tƣợng .......................................................................................................68 2. Phƣơng trình dao động điều hòa .......................................................................69 3. Khảo sát dao động điều hòa .............................................................................70 4. Năng lƣợng dao động điều hòa.........................................................................71 § 2. DAO ĐỘNG CƠ TẮT DẦN .........................................................................72 1. Hiện tƣợng .......................................................................................................72 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 3 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  5. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 2. Phƣơng trình dao động tắt dần .........................................................................72 3. Khảo sát dao động tắt dần ................................................................................73 §3. DAO ĐỘNG CƠ CƢỠNG BỨC....................................................................74 1. Hiện tƣợng .......................................................................................................74 2. Phƣơng trình dao động cƣỡng bức.................................................................. 74 §4. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ ĐIỀU HÕA ..............................................................76 1. Mạch dao động điện từ LC ................................................................................76 2. Thiết lập phƣơng trình dao động điện từ điều hòa .............................................77 §5. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TẮT DẦN.................................................................78 1. Mạch dao động điện từ RLC .............................................................................78 2. Phƣơng trình dao động điện từ tắt dần...............................................................78 §6 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CƢỠNG BỨC ......................................................80 1. Hiện tƣợng ........................................................................................................80 2. Phƣơng trình dao động điện từ cƣỡng bức ........................................................80 §7 . TỔNG HỢP DAO ĐỘNG .............................................................................81 1. Biểu diễn dao động điều hòa bằng vectơ quay..................................................82 2. Tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phƣơng cùng tần số ...............................82 CÂU HỎI LÝ THUYẾT .......................................................................................83 BÀI TẬP...............................................................................................................83 CHƢƠNG 4:......................THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN ..................89 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU...................................................................................89 II. NỘI DUNG ......................................................................................................89 §1. CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN .............................................................................89 1. Nguyên lí tƣơng đối ..........................................................................................89 2. Nguyên lí về sự bất biến của vận tốc ánh sáng ..................................................90 §2. ĐỘNG HỌC TƢƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ ................90 1. Sự mâu thuẫn của phép biến đổi Galileo với thuyết tƣơng đối Einstein .............90 2. Phép biến đổi Lorentz .......................................................................................91 §3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ ........................................92 1. Khái niệm về tính đồng thời và quan hệ nhân quả .............................................93 2. Sự co lại của độ dài (sự co ngắn Lorentz)..........................................................93 3. Sự giãn của thời gian.........................................................................................94 4. Phép biến đổi vận tốc ........................................................................................95 § 4. ĐỘNG LỰC HỌC TƢƠNG ĐỐI ...................................................................96 1. Phƣơng trình cơ bản của chuyển động chất điểm ..............................................96 2. Động lƣợng và năng lƣợng ................................................................................97 3. Các hệ quả ........................................................................................................98 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ........................................................................................99 BÀI TẬP...............................................................................................................99 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 4 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  6. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 5:.......... GIAO THOA ÁNH SÁNG - NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG .......102 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU.................................................................................102 II. NỘI DUNG ....................................................................................................103 §1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG .............................................................103 1. Một số khái niệm cơ bản về sóng ....................................................................103 2. Thuyết điện từ về ánh sáng của Maxwell ........................................................104 3. Quang lộ .........................................................................................................104 4. Định lí Malus về quang lộ ...............................................................................104 5. Hàm sóng ánh sáng .........................................................................................105 6. Cƣờng độ sáng ................................................................................................................ 105 7. Nguyên lí chồng chất các sóng ........................................................................105 8. Nguyên lí Huygens .........................................................................................106 §2. GIAO THOA ÁNH SÁNG ...........................................................................106 1. Định nghĩa ......................................................................................................106 2. Khảo sát hiện tƣợng giao thoa .........................................................................107 §3. GIAO THOA DO PHẢN XẠ - THÍ NGHIỆM Loyd ....................................109 §4. ỨNG DỤNG HIỆN TƢỢNG GIAO THOA .................................................110 1. Khử phản xạ các mặt kính ...............................................................................110 2. Giao thoa kế Rayleigh (Rêlây) ........................................................................111 3. Giao thoa kế Michelson (Maikenxơn) .............................................................111 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ......................................................................................112 BÀI TẬP.............................................................................................................113 §5. HIỆN TƢỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG .....................................................114 1. Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng .........................................................................114 2. Nguyên lí Huygens - Fresnel ...........................................................................114 §6. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG CỦA SÓNG PHẲNG ...........................................115 1. Nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp ......................................................115 2. Nhiễu xạ của sóng phẳng truyền qua cách tử phẳng ........................................117 3. Nhiễu xạ trên tinh thể ......................................................................................118 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ......................................................................................119 BÀI TẬP.............................................................................................................119 CHƢƠNG 6: QUANG HỌC LƢỢNG TỬ ........................................................124 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU.................................................................................124 II. NỘI DUNG ....................................................................................................124 §1. BỨC XẠ NHIỆT ..........................................................................................124 1. Bức xạ nhiệt là gì ? .........................................................................................124 2. Các đại lƣợng đặc trƣng của bức xạ nhiệt cân bằng .........................................125 3. Định luật Kirchhoff .........................................................................................126 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 5 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  7. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 §2. CÁC ĐỊNH LUẬT PHÁT XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI .....................127 1. Định luật Stephan-Boltzmann .........................................................................128 2. Định luật Wien ................................................................................................128 3. Sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại .....................................................................128 §3. THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK & THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN ..........................................................................................................129 1. Thuyết lƣợng tử của Planck ............................................................................129 2. Thành công của thuyết lƣợng tử năng lƣợng ...................................................130 3. Thuyết photon của Einstein .............................................................................130 4. Động lực học photon .......................................................................................131 §4. HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN ....................................................................132 1. Định nghĩa ......................................................................................................132 2. Các định luật quang điện và giải thích .............................................................133 §5. HIỆU ỨNG COMPTON ...............................................................................135 1. Hiệu ứng Compton ..........................................................................................135 2. Giải thích bằng thuyết lƣợng tử ánh sáng ........................................................136 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ......................................................................................137 BÀI TẬP.............................................................................................................138 CHƢƠNG 7: CƠ HỌC LƢỢNG TỬ 143 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU.................................................................................143 II. NỘI DUNG ....................................................................................................143 §1. LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA VI HẠT ..................................................143 1. Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng ...................................................................143 2. Giả thuyết de Broglie (Đơbrơi) .......................................................................145 3. Thực nghiệm xác nhận tính chất sóng của các hạt vi mô...............................145 §2. NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG...................................................146 §3. HÀM SÓNG .................................................................................................148 1. Hàm sóng ........................................................................................................149 2. Ý nghĩa thống kê của hàm sóng ......................................................................149 3. Điều kiện của hàm sóng ..................................................................................150 §4. PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER ............................................................150 §5. ỨNG DỤNG CỦA PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER .............................152 1. Hạt trong giếng thế năng .................................................................................152 2. Hiệu ứng đƣờng ngầm.....................................................................................155 3. Dao động tử điều hòa lƣợng tử ........................................................................158 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ......................................................................................159 BÀI TẬP.............................................................................................................160 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 6 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  8. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 1Equation Chapter 1 Section 1 TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU 1. Nắm vững định nghĩa và hiểu đƣợc ý nghĩa vật lý cùng đơn vị đo của các đại lƣợng: véctơ cƣờng độ điện trƣờng, điện thế, hiệu điện thế, điện thông. 2. Hiểu và vận dụng đƣợc định luật Coulomb, định lý Ôxtrôgratxki – Gauss, nguyên lý chồng chất điện trƣờng để giải các bài toán tĩnh điện. 3. Nhớ và vận dụng đƣợc biểu thức mô tả mối quan hệ giữa véctơ cƣờng độ điện trƣờng và điện thế. II. NỘI DUNG §1. TƢƠNG TÁC ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT COULOMB 1. Tƣơng tác điện Cho đến ngày nay, tất cả chúng ta đều công nhận rằng trong tự nhiên tồn tại hai loại điện tích, điện tích dƣơng và điện tích âm. Thực nghiệm xác nhận rằng giữa các điện tích có tồn tại tƣơng tác, đƣợc gọi là tương tác điện. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích trái dấu thì hút nhau. 2. Thuyết điện tử - Định luật bảo toàn điện tích Từ thế kỷ thứ 6 trƣớc công nguyên, ngƣời ta đã thấy rằng hổ phách cọ xát vào lông thú, có khả năng hút đƣợc các vật nhẹ. Cuối thế kỷ 16, Gilbert (ngƣời Anh) nghiên Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 7 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  9. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 cứu chi tiết hơn và nhận thấy rằng nhiều chất khác nhƣ thủy tinh, lƣu huỳnh, nhựa cây v v... cũng có tính chất giống nhƣ hổ phách và gọi những vật có khả năng hút đƣợc các vật khác sau khi cọ xát vào nhau, là những vật nhiễm điện hay vật tích điện. Các vật đó có điện tích. Ta cũng có thể làm cho một vật nhiễm điện bằng cách đặt nó tiếp xúc với một vật khác đã nhiễm điện. Ví dụ ta treo hai vật nhẹ lên hai sợi dây mảnh, rồi cho chúng tiếp xúc với thanh êbônít đã đƣợc cọ xát vào da, thì chúng sẽ đẩy nhau. Nếu một vật đƣợc nhiễm điện bởi thanh êbônít, một vật đƣợc nhiễm điện bởi thanh thủy tinh, chúng sẽ hút nhau. Điều đó chứng tỏ điện tích xuất hiện trên thanh êbônit và trên thanh thủy tinh là các loại điện tích khác nhau. Bằng cách thí nghiệm với nhiều vật khác nhau ta thấy chỉ có hai loại điện tích. Ngƣời ta qui ƣớc gọi loại điện tích xuất hiện trên thanh thủy tinh sau khi cọ xát vào lụa là điện tích dƣơng, còn loại kia là điện tích âm. Giữa các vật nhiễm điện có sự tƣơng tác điện: những vật nhiễm cùng loại điện thì đẩy nhau, những vật nhiễm điện khác loại thì hút nhau. Thuyết điện tử Điện tích trên một vật bất kỳ có cấu tạo gián đoạn, độ lớn của nó luôn bằng một số nguyên lần điện tích nguyên tố. Điện tích nguyên tố âm là điện tích của electron (điện tử) có giá trị bằng e  1,6.1019C , khối lƣợng của electron bằng me  9,1.1031kg . Nguyên tử của mọi nguyên tố đều gồm một hạt nhân và những êlectrôn chuyển động xung quanh hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử gồm những proton mang điện dƣơng và những notron không mang điện. Ở trạng thái bình thƣờng, số proton và số êlectrôn trong nguyên tử là bằng nhau. Do đó nguyên tử trung hòa về điện. Nếu nguyên tử mất một hay vài êlectrôn, nó sẽ mang điện dƣơng và trở thành ion dƣơng. Nếu nguyên tử thu thêm êlectrôn, nó sẽ tích điện âm và trở thành ion âm. Quá trình nhiễm điện của các vật thể chính là quá trình các vật thể ấy thu thêm hay mất đi một số êlectôn hoặc ion. Thuyết dựa vào sự chuyển dời của electron để giải thích các hiện tƣợng điện đƣợc gọi là thuyết điện tử. Theo thuyết này, quá trình nhiễm điện của thanh thủy tinh khi xát vào lụa chính là quá trình electron chuyển dời từ thủy tinh sang lụa: thủy tinh mất electron, do đó mang điện dƣơng; ngƣợc lại lụa nhận thêm electron từ thủy tinh chuyển sang nên lụa mang điện âm, độ lớn của điện tích trên hai vật luôn bằng nhau nếu trƣớc đó cả hai vật đều chƣa mang điện. Đơn vị đo điện tích là Coulomb, kí hiệu là C . Độ lớn của điện tích đƣợc gọi là điện lƣợng. Định luật bảo toàn điện tích. “Các điện tích không tự sinh ra mà cũng không tự mất đi, chúng chỉ có thể truyền từ vật này sang vật khác hoặc dịch chuyển bên trong một vật mà thôi”. Nói một cách khác: “Tổng đại số các điện tích trong một hệ cô lập là không đổi”. 3. Định luật Coulomb Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 8 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  10. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Khi khảo sát tƣơng tác giữa các điện tích, nếu chỉ quan tâm đến sự tƣơng tác mà không quan tâm đến kích thƣớc của điện tích đó, xem điện tích tƣơng tác nhƣ các điện tích điểm, thì lực tƣơng tác này tuân theo định luật Coulomb: “Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không có phương nằm trên đường thẳng nối hai điện tích, có chiều hướng xa nhau nếu hai điện tích cùng dấu và hướng vào nhau nếu hai điện tích trái dấu, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng”. q1 . q 2 q1 . q 2 Fo  k (1.1) 4or 2 r2 Trong đó: o  8, 86.1012 C2 /Nm2 (hay F/m): hằng số điện. 1 k  9.109 Nm2 /C2 : hệ số tỷ lệ. 4o Hai điện tích cùng dấu Hai điện tích trái dấu    q1 q2  q1F2 1 F1 2 q2 F21 r F12 r r r Hình 1.1 Lực tƣơng tác giữa các điện tích điểm.  Khi viết dƣới dạng véctơ, ta qui ƣớc gọi véctơ khoảng cách giữa hai điện tích là r có phƣơng nằm trên đƣờng thẳng nối hai điện tích đó, có chiều hƣớng về điện tích mà ta muốn xác định lực tác dụng lên điện tích ấy và có độ lớn bằng khoảng cách giữa hai điện tích điểm. Khi đó lực tƣơng tác giữa hai điện tích q1, q2 đƣợc biểu diễn trên Hình 1 và công thức véctơ sau đây:   q1.q2 r q .q  Fo  k 2  k 1 32 r (1.2) r r r Nếu hai điện tích điểm q1, q2 đƣợc đặt trong một môi trƣờng bất kỳ thì lực tƣơng tác giữa chúng giảm đi  lần so với lực tƣơng tác giữa chúng trong chân không:  q .q  Fo  k 1 32 r (1.3) r  là một đại lƣợng không thứ nguyên đặc trƣng cho tính chất điện của môi trƣờng và đƣợc gọi là độ thẩm điện môi tỉ đối (hay hằng số điện môi) của môi trƣờng. Trong chân không thì   1 , còn trong không khí   1. 4. Nguyên lý chồng chất các lực điện Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 9 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  11. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Xét một hệ điện tích điểm q1, q2, qn đƣợc phân bố rời rạc trong không gian và    một điện tích điểm qo đặt trong không gian đó. Gọi F1, F2, , Fn lần lƣợt là các lực tác dụng của q1, q2, qn lên điện tích qo thì tổng hợp các lực tác dụng lên qo là :     n  F  F1  F2    Fn   Fi (1.4) i 1  trong đó, các lực Fi đƣợc xác định theo (1.3). Đối với hai vật mang điện có dạng bất kỳ, để xác định lực tƣơng tác tĩnh điện giữa chúng, ngƣời ta xem mỗi vật mang điện nhƣ một hệ vô số các điện tích điểm đƣợc phân bố rời rạc. Nếu điện tích đƣợc phân bố liên tục trong vật thì việc lấy tổng trong (1.4) đƣợc thay bằng phép tích phân theo toàn bộ vật:   F  dF toaøn vaät (1.5) Ví dụ: Hai điện tích điểm dƣơng có điện lƣợng q2  9q1 đặt cố định cách nhau một khoảng a trong môi trƣờng bất kì. Hỏi phải đặt một điện tích điểm Q ở đâu, có dấu và độ lớn nhƣ thế nào để Q ở trạng thái cân bằng? Q phải mang dấu gì để trạng thái cân bằng là bền? Bài giải  q1.Q  Lực do q1 tác dụng lên Q là: F1  k r r13 1  q2 .Q  Lực do q 2 tác dụng lên Q là: F2  k r r23 2    q .Q  q .Q  Hợp lực tác dụng lên Q là: F  F1  F2  k 1 3 r1  k 2 3 r2 r1 r2    Điều kiện để Q đứng yên (cân bằng) là F  0 hay F1  F2  0 , tức là:   q .Q  q .Q  F1  F2 hay k 1 3 r1  k 2 3 r2 r1 r2   Vì q1 và q 2 cùng dấu nên r1 và r2 phải ngƣợc chiều nhau (với mọi Q ), nghĩa là điện tích điểm Q phải đặt tại điểm M nằm trên đoạn thẳng nối q1 và q 2 và nằm ở giữa hai điện tích ấy. Nếu Q  0 : nó cùng bị q1 , q 2 đẩy; nếu Q  0 nó cùng bị q1 , q 2 hút. Từ điều kiện cân bằng ta có: Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 10 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  12. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 q1.Q q2 .Q k k r12 r22 r22 q2 r q Suy ra:   2  2  93 r12 q1 r1 q1 r2 a 3a Từ r1  r2  a và  3 , ta tìm đƣợc r1  và r2  . r1 4 4 Kết luận: Điện tích Q có thể dƣơng, âm và có độ lớn tùy ý. - Nếu Q  0 : Khi lệch khỏi M, hợp lực kéo nó trở lại (trạng thái cân bằng bền). - Nếu Q  0 : Khi lệch khỏi M, hợp lực đẩy nó đi tiếp (trạng thái cân bằng không bền). Ngoài ra, nếu q1  0, q2  0 muốn có trạng thái cân bằng bền thì Q phải là điện tích dƣơng và nếu q1  q2 thì r1  r2 . §2. ĐIỆN TRƢỜNG 1. Khái niệm điện trƣờng Các điện tích tuy ở cách xa nhau, không tiếp xúc với nhau nhƣng vẫn tƣơng tác đƣợc với nhau là vì không gian xung quanh mỗi điện tích tồn tại một môi trƣờng vật chất đặc biệt gọi là điện trường. Điện trƣờng có vai trò truyền dẫn tƣơng tác giữa các hạt mang điện. Khi có điện tích thì xung quanh điện tích xuất hiện điện trƣờng. Điện trƣờng đƣợc nhận biết bằng cách khi đặt bất kì một điện tích nào vào điện trƣờng thì điện tích đó đều bị tác dụng của một lực điện. 2. Vectơ cƣờng độ điện trƣờng a. Định nghĩa Để đặc trƣng cho độ mạnh yếu của điện trƣờng cả về phƣơng, chiều và độ lớn tại một điểm trong điện trƣờng, Hình 1.2 Lực điện trƣờng ngƣời ta đƣa ra một đại lƣợng gọi là vectơ cƣờng độ điện tác dụng lên điện tích q.  trƣờng, ký hiệu là E :   F E (1.6) q   Từ biểu thức ta thấy nếu chọn q  1 thì E  F . Do đó ta có định nghĩa vectơ cƣờng độ điện trƣờng. Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 11 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  13. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Định nghĩa: Vectơ cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, có giá trị bằng lực tác dụng lên một đơn vị điện tích dương đặt tại điểm đó và có hướng là hướng của lực này. Trong hệ đơn vị SI, cƣờng độ điện trƣờng có đơn vị đo là Vôn/mét: (V/m). b. Lực điện trƣờng tác dụng lên điện tích điểm  Nếu biết cƣờng độ điện trƣờng E tại một điểm M trong điện trƣờng thì khi đặt một điện tích q vào điểm đó, nó bị điện trƣờng tác dụng một lực:   F  qE (1.7)   - Nếu q  0 thì F cùng chiều với E .   - Nếu q  0 thì F ngƣợc chiều với E 3. Vectơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi một điện tích điểm Xét một điện tích điểm có trị đại số Q . Trong không gian bao quanh nó sẽ xuất  hiện điện trƣờng. Ta hãy xác định véctơ cƣờng độ điện trƣờng E tại một điểm M cách điện tích Q một khoảng r . Muốn vậy tại điểm M ta đặt một điện tích điểm q có trị số đủ nhỏ. Khi đó theo định luật Coulomb, lực tác dụng của điện tích Q lên điện tích q bằng:  Qq  F k 3r r Hình 1.3 Cƣờng độ điện trƣờng gây bởi một điện tích điểm. Kết hợp với biểu thức (1.6), ta có vectơ cƣờng độ điện trƣờng do điện tích điểm Q gây ra tại điểm A là:  Q  E k 3r (1.8) r  với r là bán kính vectơ hƣớng từ điện tích Q đến điểm A. Nhận xét:    - Nếu Q  0 thì E  r : E hƣớng ra xa điện tích Q .    - Nếu Q  0 thì E  r : E hƣớng vào điện tích Q . Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 12 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  14. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Q - Về độ lớn: E  k : Cƣờng độ điện trƣờng tại điểm A tỉ lệ thuận với độ lớn r 2 của điện tích Q và tỉ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách từ điểm đang xét đến điện tích Q . 4. Véctơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi một hệ vật mang điện - Nguyên lý chồng chất điện trƣờng a. Cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi hệ điện tích điểm phân bố rời rạc Xét hệ điện tích điểm Q1, Q2, , Qn đƣợc phân bố rời rạc trong không gian. Để  xác định véctơ cƣờng độ điện trƣờng tổng hợp E tại một điểm M nào đó của không gian, ta đặt tại M một điện tích q . Khi đó theo (1.4) lực tổng hợp tác dụng lên điện tích q bằng:     n  F  F1  F2  Fn   Fi i 1  trong đó Fi là lực tác dụng của điện tích Qi lên điện tích q . Kết hợp biểu thức (1.6), vectơ cƣờng độ điện trƣờng tổng hợp tại M bằng:    F 1 n  n Fi E    Fi   q q i 1 q  i 1 F  Cũng theo (1.6) thì mỗi số hạng i  Ei chính là véctơ cƣờng độ điện trƣờng do q điện tích Qi gây ra tại M nên:  n  E   Ei (1.9) i 1 Biểu thức (1.9) là biểu thức toán học của nguyên lý chồng chất điện trường đƣợc phát biểu nhƣ sau: “Véctơ cường độ điện trường gây ra bởi một hệ điện tích điểm bằng tổng các véctơ cường độ điện trường gây ra bởi từng điện tích điểm của hệ”. b. Cƣờng độ điện trƣờng gây bởi hệ điện tích điểm phân bố liên tục Xét một vật mang điện có kích thƣớc bất kỳ và điện tích phân bố liên tục trên vật này. Rõ ràng ta có thể xem vật nhƣ một hệ điện tích điểm đƣợc phân bố liên tục trong không gian. Do đó để tính cƣờng độ điện trƣờng gây bởi vật này ta tƣởng tƣợng chia vật thành nhiều phần nhỏ sao cho điện tích dQ trên mỗi phần đó có thể xem là điện tích Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 13 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  15. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2  điểm. Nếu gọi dE là véctơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi điện tích dQ tại điểm M cách dQ một khoảng r thì véctơ cƣờng độ điện trƣờng do vật mang điện gây ra tại điểm M đƣợc xác định tƣơng tự theo công thức . (1.5)    r E  dE   k r 3 dQ (1.10) caû vaät caû vaät Ta xét một số trƣờng hợp cụ thể sau đây:  Nếu vật là sợi dây (L) với mật độ điện tích dài  (C/m) thì điện tích trên một vi phân độ dài dl là dQ  dl . Khi đó:   dl  E  dE   k r 3 r (1.11) L L  Nếu vật mang điện là một mặt S với mật độ điện tích mặt  (C/m2) thì điện tích trên một vi phân diện tích dS là dQ  dS . Khi đó:  dS  E  dE  r 3 r k (1.12) S S  Nếu vật mang điện là một khối có thể tích V với mật độ điện tích khối  (C/m ) thì điện tích trong một thể tích vi phân dV là dQ  dV . Khi đó: 3   dV  E   dE   k r (1.13) V V r 3 Ví dụ: Một vòng tròn làm bằng một dây dẫn mảnh bán kính R mang điện tích dƣơng Q phân bố đều trên dây. Hãy xác định cƣờng độ điện trƣờng tại điểm M nằm trên trục của vòng dây, cách tâm một đoạn h . Bài giải Cƣờng độ điện trƣờng do vòng dây gây ra tại một điểm nào đó bằng tổng các cƣờng độ điện  trƣờng dE do các phân tử điện tích dQ nằm trên vòng dây gây ra. Tại điểm M cƣờng độ Hình 1.4 Điện trƣờng gây bởi vòng dây điện trƣờng do phần tử điện tích dQ gây ra tròn tích điện đều. là: Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 14 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  16. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2  dQ  dE  k 3 r r Theo nguyên lý chồng chất, cƣờng độ điện trƣờng tại M bằng:  dQ  EM   dE  r 3 r  k voøng voøng    Phân tích vectơ dE thành hai thành phần dEt và dEn . Vì các điện tích dQ phân  bố đối xứng qua điểm O nên tổng các thành phần dEt bằng không. Do đó ta có:   EM   dEn voøng   Vì các vectơ dEn cùng phƣơng, chiều nên E M có điểm đặt tại M, có phƣơng trùng với trục vòng dây và chiều hƣớng ra xa vòng dây. Về độ lớn thì: EM   dEn . voøng   Theo hình 1.4 ta có dEn  dE cos  (  là góc giữa dE và OM ). Điện trƣờng gây bởi dQ tại M bằng: dQ dE  k 2 r h h h và cos    nên: dEn  k dQ . r 2 R h 2 (R  h 2 )3/2 2 Do đó: h EM   dEn  k (R2  h 2 )3/2  dQ voøng voøng hay hQ EM  k (R2  h 2 )3/2 Nhận xét:  Tại tâm vòng dây: h  0 , do đó EO  0 . Q  Ở nơi khá xa vòng dây: h  R : r  h , EM  k . h 2   Nếu vòng dây tích điện âm (Q  0 ) thì E M có chiều hƣớng vào tâm O của vòng dây hQ và có độ lớn: EM  k . (R2  h 2 )3/2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 15 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  17. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 §3. ĐIỆN THÔNG 1. Đƣờng sức điện trƣờng Để mô tả dạng hình học của điện trƣờng ngƣời ta dùng đƣờng sức điện trƣờng. Theo định nghĩa, đƣờng sức điện trƣờng là một đƣờng cong mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với  phƣơng của véctơ cƣờng độ điện trƣờng E tại điểm đó, còn chiều của nó là chiều của véctơ cƣờng độ điện trƣờng (hình 1.5). Hình 1.5 Đƣờng sức điện trƣờng. Ngƣời ta qui ƣớc vẽ số đƣờng sức điện trƣờng qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với đƣờng sức tỉ lệ với độ lớn của cƣờng độ điện trƣờng tại điểm đang xét. Tập hợp các đƣờng sức điện trƣờng đƣợc gọi là phổ đƣờng sức điện trƣờng hay điện phổ. Với qui ƣớc đó, qua điện phổ nếu chỗ nào mật độ đƣờng sức lớn (dày) thì nơi đó điện trƣờng mạnh, còn nơi nào mật độ đƣờng sức nhỏ (thƣa) thì nơi ấy điện trƣờng yếu.   E (a) (b) (c) (d) (e) Hình 1.6 Điện phổ. Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 16 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  18. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Hình biểu diễn điện phổ của một điện tích điểm dƣơng (hình a), điện phổ của một điện tích điểm âm (hình b), điện phổ của điện trƣờng đều (hình c), điện phổ của một hệ hai điện tích điểm âm bằng nhau nhƣng trái dấu (hình d) và điện phổ của một hệ hai điện tích điểm dƣơng bằng nhau (hình e). Nhận xét:  Đƣờng sức điện trƣờng xuất phát từ điện tính dƣơng, tận cùng trên điện tích âm.  Đƣờng sức của điện trƣờng tĩnh là những đƣờng cong hở.  Các đƣờng sức điện trƣờng không cắt nhau vì tại mỗi điểm trong điện trƣờng  véctơ E chỉ có một hƣớng xác định. 2. Véctơ cảm ứng điện Sự gián đoạn của đƣờng sức điện trƣờng  Ta biết rằng cƣờng độ điện trƣờng E phụ thuộc vào môi trƣờng (tỉ lệ nghịch với hằng số điện môi  ). Do đó khi đi qua mặt phân cách của hai môi trƣờng, cƣờng độ điện  trƣờng E biến thiên đột ngột nên điện phổ bị gián đoạn ở bề mặt phân cách hai môi trƣờng. Hình 1.7 Sự gián đoạn của điện phổ. Trên hình 1.7 là điện phổ của một điện tích điểm q đặt ở tâm một mặt cầu S, bên trong S là chân không (   1 ), còn bên ngoài S là môi trƣờng có hằng số điện môi   2 . Ta thấy qua mặt phân cách S, số đƣờng sức giảm đi 2 lần, tức là điện phổ bị gián đoạn trên mặt S. Sự gián đoạn này không thuận lợi cho các phép tính về điện trƣờng. Để khắc phục điều này, ngƣời ta khử sự gián đoạn đó bằng cách đƣa vào một đại lƣợng vật lý khác không phụ thuộc vào tính chất của môi trƣờng đƣợc gọi là véctơ cảm ứng điện  D. Trong môi trƣờng là đồng nhất, đại lƣợng:   D  oE (1.14) Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 17 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  19. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 đƣợc gọi là véctơ cảm ứng điện.  Ví dụ vectơ cảm ứng điện D do điện tích điểm q gây ra tại một điểm cách q một khoảng r đƣợc xác định bởi:  q  D r 4r 3 Tại mỗi điểm trong điện trƣờng, giá trị D chỉ phụ thuộc vào q , tức là nguồn sinh ra điện trƣờng mà không phụ thuộc vào tính chất của môi trƣờng. Tƣơng tự đƣờng sức điện trƣờng, ngƣời ta định nghĩa và mô tả điện trƣờng bằng đƣờng cảm ứng điện. Khi đó, phổ các đƣờng cảm ứng điện là liên tục trên mặt phân cách giữa các môi trƣờng (hình 1.8). Hình 1.8 Sự liên tục của phổ đƣờng cảm ứng điện. 3. Điện thông a. Định nghĩa Điện thông qua một điện tích S đặt trong điện trƣờng chính là thông lƣợng của véctơ cảm ứng điện gởi qua diện tích S đó. b. Biểu thức điện thông Hình 1.9 Điện thông của điện trƣờng đều. Xét diện tích phẳng S đặt trong điện trƣờng đều có các đƣờng cảm ứng điện thẳng   song song cách đều nhau (hình 1.9). Gọi n là vectơ pháp tuyến của mặt S, n hợp với Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 18 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
  20. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 véctơ cảm ứng điện một góc  . Theo định nghĩa, điện thông e gởi qua mặt S là đại lƣợng có trị số bằng số đƣờng cảm ứng điện gửi qua mặt S đó. Gọi Sn là hình chiếu của S lên phƣơng vuông góc với các đƣờng cảm ứng điện. Từ hình Hình9 ta thấy số đƣờng cảm ứng điện gửi qua hai mặt S và Sn là nhƣ nhau, nên điện thông gửi qua S cũng chính là điện thông gởi qua Sn. Do đó: e  DSn (1.15)   Gọi Dn là hình chiếu của D lên phƣơng n và Sn  S cos  nên:  e  DS cos   DnS  DS (1.16)   trong đó S là vectơ diện tích hƣớng theo pháp tuyến n của S và có độ lớn bằng diện tích S đó. Nếu điện trƣờng là bất kỳ và mặt S có hình dạng tùy ý (hình 10) thì ta chia diện  tích S thành những diện tích vô cùng nhỏ dS sao cho vectơ cảm ứng điện D tại mọi điểm trên diện tích dS có thể xem là bằng nhau. Khi đó điện thông vi phân gởi qua dS đƣợc tính theo (1.16) là:   de  DdS (1.17) Điện thông gửi qua toàn mặt S là:   e   de   DdS (1.18) S S Hình 1.10 Điện thông qua diện tích dS. Chú ý: Điện thông là một đại lƣợng đại số, dấu của nó phụ thuộc vào trị số của góc  (nhọn hay tù). Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 19 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
10=>1