HAT Physics Learning · VẬT LÍ 11 · KẾT NỐI TRI THỨC

BÀI 19 · THẾ NĂNG ĐIỆN

Công của lực điện · Mốc thế năng · Độ giảm thế năng

Công lực điện · A=qEd · A=Wₘ−Wₙ📚 Trang 76–78 · SGK KNTT⚡ 3 mô phỏng · 36 bài tự luyện · 22 câu kiểm tra

Hiểu bản chất công của lực điện và thế năng điện

Kiến thức

Phát biểu được công của lực điện trong điện trường đều, giải thích vì sao công không phụ thuộc hình dạng đường đi; nêu được thế năng điện và mối liên hệ giữa công của lực điện với độ giảm thế năng.

Kĩ năng – vận dụng

Tính công có dấu, đọc hình chiếu độ dịch chuyển theo đường sức, chọn mốc tính thế năng; suy luận dấu thế năng và xử lí số liệu có đơn vị chuẩn.

Quy ước thống nhất: Trong các ví dụ và mô phỏng, điện trường đều hướng theo +Ox sang phải; gốc O đặt ở mép trái miền xét, thời điểm khảo sát không ảnh hưởng đến công. \(d=x_N-x_M\) là độ dài đại số, có thể âm hoặc bằng 0. Nếu chọn mốc \(W=0\) tại \(x_0\) thì \(W(x)=qE(x_0-x)\). Bỏ qua hiệu ứng rìa.

Công lực điện · Thế năng và mốc · Công bằng độ giảm thế năng

I. Công của lực điện trong điện trường đều

Trong điện trường đều, lực điện không đổi \(\vec F=q\vec E\). Công của lực điện khi dịch chuyển từ M đến N chỉ phụ thuộc hai vị trí đầu–cuối, không phụ thuộc quãng đường thực đi. Công có thể dương, âm hoặc bằng 0. Mọi điểm xét đều nằm trong vùng điện trường tĩnh đang khảo sát.

+−MNE →Hai đường đi khác nhau, cùng điểm M và N
Công thức (1)

Công lực điện trong điện trường đều

\[\boxed{A_{MN}=qEd=qE(x_N-x_M)}\]
(1)

Chọn +Ox cùng chiều \(\vec E\). \(d\) là hình chiếu đại số của độ dịch chuyển từ M đến N lên chiều đường sức. Không được thay \(d\) bằng chiều dài đường đi.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(A_{MN}\)Công của lực điện từ M tới N, J
\(q\)Điện tích có dấu, C
\(E\)Độ lớn cường độ điện trường, V/m hoặc N/C
\(d=x_N-x_M\)Độ dịch chuyển đại số dọc đường sức, m

Điều kiện: Điện trường đều; trục Ox cùng chiều điện trường; toàn bộ quỹ đạo nằm trong vùng điện trường đều.

Công thức (2)

Công và góc với hướng lực

\[\boxed{A_{MN}=Fs\cos\alpha=qE s\cos\theta}\]
(2)

Nếu \(s\) là độ lớn độ dời MN thì \(\theta\) là góc giữa vectơ MN với \(\vec E\); còn \(\alpha\) là góc giữa vectơ MN với \(\vec F\). Với điện tích âm, hai góc này khác nhau 180°.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(F=|q|E\)Độ lớn lực điện, N
\(s\)Độ lớn độ dời MN, m
\(\alpha\)Góc giữa lực và độ dời
\(\theta\)Góc giữa điện trường và độ dời

Điều kiện: Độ dời thẳng MN được dùng để tính công của lực không đổi; không áp dụng s = tổng quãng đường gấp khúc.

Công thức (3)

Cộng công trên đường gấp khúc

\[\boxed{A_{MP}+A_{PN}=A_{MN}}\]
(3)

Tổng các công trên các đoạn đi liên tiếp bằng công của lực điện từ đầu đến cuối trong điện trường tĩnh.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(M,P,N\)Các điểm trong điện trường tĩnh
\(A_{MP},A_{PN}\)Công trên từng đoạn, J

Điều kiện: Cùng một điện trường tĩnh; cùng điện tích q.

II. Thế năng của một điện tích trong điện trường

Thế năng điện của điện tích tại một điểm đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường. Khi chọn mốc tại bản cực âm, thế năng tại M có thể được xác định bằng công lực điện khi đưa điện tích từ M đến mốc. Giá trị thế năng phụ thuộc mốc chọn và dấu điện tích.

Công thức (4)

Thế năng với mốc đã chọn trong trường đều

\[\boxed{W_M=qE(x_0-x_M)}\]
(4)

Chọn W=0 tại điểm có hoành độ \(x_0\); trục Ox hướng cùng E. Công do lực điện sinh ra khi đưa điện tích từ M về mốc chính là W ở M.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(W_M\)Thế năng điện tại M, J
\(x_0\)Hoành độ của mốc thế năng, m
\(x_M\)Hoành độ M, m

Điều kiện: Mốc thế năng được chọn rõ; điện trường đều hướng +Ox; có thể được số âm nếu q âm hoặc vị trí phù hợp.

Công thức (5)

Công bằng độ giảm thế năng

\[\boxed{A_{MN}=W_M-W_N=-\Delta W}\]
(5)

Công của lực điện dương thì thế năng giảm; công âm thì thế năng tăng. Hệ thức áp dụng với mọi điện trường tĩnh.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(W_M,W_N\)Thế năng tại hai vị trí, J
\(\Delta W=W_N-W_M\)Độ biến thiên thế năng, J

Điều kiện: Đối với lực điện tĩnh; lựa chọn mốc thế năng giống nhau ở M và N.

Công thức (6)

Đổi mốc thế năng

\[\boxed{W_M\!\to W_M+C,\quad W_N\!\to W_N+C}\]
(6)

Khi đổi mốc, mỗi giá trị W tăng hoặc giảm cùng một hằng số C; hiệu \(W_M-W_N\) và công lực điện không thay đổi.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(C\)Hằng số dịch mốc thế năng, J
\(A_{MN}\)Bất biến khi đổi mốc

Điều kiện: Không thay đổi trường, điện tích, hai vị trí M và N.

Công thức (7)

Mốc thế năng ở vô cực

\[\boxed{W_M=A_{M\infty}}\]
(7)

Có thể chọn mốc W=0 khi điện tích ở rất xa nguồn điện tích gây điện trường. Thế năng W có thể âm; ví dụ hai điện tích trái dấu tương tác hút.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(\infty\)Vị trí đủ xa (mốc ở vô cực)
\(A_{M\infty}\)Công lực điện từ M đến vô cực, J

Điều kiện: Nguồn trường hữu hạn, chọn mốc vô cực phù hợp; không dùng W=qE(x₀−x) cho trường đều kéo dài vô hạn tới vô cực.

Công thức (8)

Liên hệ công và động năng (mở rộng vận dụng)

\[\boxed{K_N-K_M=A_{MN}}\]
(8)

Nếu trong quá trình chuyển động chỉ có lực điện sinh công, động năng tăng bằng độ giảm thế năng điện.

Kí hiệuÝ nghĩa – đơn vị
\(K=\tfrac12mv^2\)Động năng, J
\(m,v\)Khối lượng (kg), tốc độ (m/s)

Điều kiện: Chỉ có lực điện sinh công; nếu có lực khác sinh công phải cộng tất cả công theo định lí động năng.

III. Ví dụ mẫu có phân tích dấu và đơn vị

Ví dụ 1 · Công dương

q=+20 nC, E=2 kV/m hướng +Ox; từ M đến N, x tăng 5 cm.

\[A=qEd=20\cdot2\cdot5\cdot0{,}01=2\,\mu J.\]

Ví dụ 2 · Công âm

q=−30 nC, E=1 kV/m; x tăng 4 cm.

\[A=-30\cdot1\cdot4\cdot0{,}01=-1{,}2\,\mu J.\]

Ví dụ 3 · Đi ngược điện trường

q=+40 nC, E=3 kV/m; x giảm 2 cm.

\[A=40\cdot3\cdot(-2)\cdot0{,}01=-2{,}4\,\mu J.\]

Ví dụ 4 · Dời vuông góc đường sức

q=+10 nC; M và N có cùng hoành độ.

\[d=0\Rightarrow A=0;\ \text{không phụ thuộc độ dài quỹ đạo}.\]

Ví dụ 5 · Độ giảm thế năng

W_M=8 μJ, W_N=3 μJ; tìm công của lực điện.

\[A=W_M-W_N=8-3=5\,\mu J.\]

Ví dụ 6 · Mốc tại bản âm

q=+20 nC, E=2 kV/m, x_M=3 cm, mốc x₀=10 cm.

\[W_M=20\cdot2\cdot(10-3)\cdot0{,}01=2{,}8\,\mu J.\]

Ví dụ 7 · Đường gấp khúc

q=+20 nC, E=2 kV/m; x_M=1, x_P=8, x_N=5 (cm).

\[A_{MP}=2{,}8;\ A_{PN}=-1{,}2;\ A_{MN}=1{,}6\,\mu J.\]

Ví dụ 8 · Đổi mốc

W_M=7 μJ, W_N=2 μJ. Đổi mốc khiến các W cùng giảm 6 μJ.

\[W_M\!\!\prime=1,\ W_N\!\!\prime=-4;\ A=1-(-4)=5\,\mu J.\]

Lỗi thường gặp: Nhầm công của lực điện với công của lực ngoài; quên dấu âm của q; cho rằng công tỉ lệ với quãng đường; dùng điểm mốc khác nhau khi so sánh W; áp dụng công thức trường đều cho trường không đều; dùng hệ thức năng lượng mà bỏ qua các lực khác.

Ba phòng thí nghiệm – quan sát công, thế năng và sự bảo toàn năng lượng

Mô hình điện trường đều tĩnh trong miền giữa hai bản; các sơ đồ mang tính minh họa, không biểu diễn kích thước bản theo tỉ lệ thực. Tất cả các giá trị công được tính theo μJ, vị trí theo cm.

Phiếu quan sát – trước khi thao tác

Thử nghiệm 1: Giữ M, N và E không đổi, đổi dấu q; dự đoán dấu công. Thử nghiệm 2: Giữ q, E, M, N, thay đổi mốc x₀; so sánh W tại hai điểm và A. Thử nghiệm 3: Chọn công âm có độ lớn lớn hơn động năng ban đầu; giải thích cảnh báo không đến được N.

01

Hai quỹ đạo – cùng công lực điện

Chọn +Ox theo chiều điện trường (sang phải). Đường vàng là đoạn thẳng MN; đường tím là đường gấp khúc MPN. Hai đường cùng điểm đầu và cuối.

Độ dịch chuyển d
Công đường thẳng
Công đường gấp khúc

02

Mốc thế năng – biến thiên theo vị trí

Trong một điện trường đều E hướng +Ox, đặt mốc W=0 tại x₀. Kéo M và N để quan sát W thay đổi, trong khi A=W(M)−W(N).

W tại M
W tại N
A = WM − WN

03

Chuyển hóa năng lượng khi chỉ có lực điện sinh công

Giả sử hạt dịch chuyển từ M đến N; không có lực khác sinh công. Chỉ cho phép đi đến N khi động năng cuối không âm. Các thanh biểu diễn năng lượng với đơn vị μJ.

Công lực điện
K tại N (giả định)
Trạng thái

36 bài tự luyện phân hóa + 22 câu kiểm tra V4

36Bài tự luyện
6Nhóm bài
22Câu kiểm tra
10Điểm tối đa

Phần A · Bài tự luyện có đáp số và lời giải

Nhập giá trị số, không kèm đơn vị; hỗ trợ dấu phẩy thập phân và số âm. Các đại lượng công/thế năng được hỏi theo μJ để đáp số rõ ràng, thuận tiện. Mở lời giải sau khi tự làm.

0/36 bài đúng
Trang 1/5

Phần B · Kiểm tra 22 câu – thang 10 điểm

8 câu ABCD (2 điểm), 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm), 2 câu tự luận (2 điểm theo rubric). Không hiện đáp án trước khi nộp.

Bản đồ tư duy – Thế năng điện

Mối liên hệ giữa tính chất lực điện tĩnh, công theo độ dịch chuyển đại số và độ biến thiên thế năng.

Ghi nhớ: công không phụ thuộc đường đi; thế năng phụ thuộc mốc, nhưng độ biến thiên thế năng thì không.
Xem nội dung sơ đồ dạng văn bản
  • Công: A=qEd, d đại số theo hướng điện trường
  • Thế năng: W(x)=qE(x₀−x) khi chọn W(x₀)=0
  • Liên hệ: A=WM−WN=−ΔW
  • Mốc vô cực: W_M=A_M∞ nếu trường cho phép chọn mốc xa vô cực

Vì sao thế năng có thể âm?

🧲 Lực thế

Công không phụ thuộc quỹ đạo

Trong điện trường tĩnh, tổng công của lực điện trên một đường khép kín bằng 0. Đây là điểm tương tự trọng trường: công giữa hai vị trí chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối.

⚡ Năng lượng

Mốc 0 là sự lựa chọn

Việc chọn mốc thế năng chỉ thay đổi giá trị số của W; năng lượng chuyển hóa và công đo được giữa hai vị trí không thay đổi. W âm không có nghĩa là “năng lượng không tồn tại”.

🔬 Mở rộng

Tương tác hút và thế năng âm

Với hai điện tích điểm trái dấu, có thể chọn W=0 ở vô cực. Thế năng tương tác tại khoảng cách hữu hạn có thể âm, phản ánh trạng thái liên kết so với mốc các điện tích ở rất xa nhau.

Thử tự giải thích: Điện tích âm dịch chuyển theo chiều điện trường đều thì công lực điện âm hay dương? Thế năng tăng hay giảm? Thay đổi mốc có làm kết luận ấy thay đổi không?