vật lý đại cương

1. L U Ô N G D U Y Ê N B Ì N H
• % ẩ ằ ỉ ĩ - ^ " ' • ' • ' • ^ • ' • . • • ' ;
t : ^ ỹ ' ~ ' ' : V y " :
:
G I Á O T R Ì N H

3. L Ư Ơ N G D U Y Ê N B Ì N H
G I Á O T R Ì N H
VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG
Tập hai
D Ù N G C H O SINH V I Ê N C Á C T R Ư Ờ N G C A O Đ A N G
(Tái bản lần thứ nhất)
DẠI HỌC THÁI NGUYỄN
TRUNG TÂM HỌC LIỆU
ĩ •
N H À X U Ấ T B Ả N G I Á O D Ụ C

4. Bản quyền thuộc HEVOBCO - Nhà xuất bản Giáo dục
04 - 2008/CXB/389 - 1999/GD Mã số : 7K618y8 - DAI

5. X ơ i nối đau
Bộ giáo trình Vật lý đại cương gồm hai tập được biên soạn cho sinh
viên các trường Cao đẳng.
Tập hai của cuốn giáo trình này trình bày sâu hem các phần Điện, Điện
từ... và trình bày khái quát các phần còn lại của Vật lý (Quang, Nguyên
tử...)- Đối với các ngành kỹ thuật, các phần Điện, Điện từ... có tác dụng
trực tiếp quan trọng làm cơ sở cho nhiều lĩnh vực kỹ thuật như kỹ thuật
Điện, kỹ thuật Điện từ, Điều khiển và Điều khiển tự động,... Sinh viên
ngành kỹ thuật cần nắm thật vững để có điều kiện đi sâu các ngành kỹ
thuật đó hem là đi vào các lĩnh vực không có ứng dụng trực tiếp.
Giống như ở tập một, các phần lý thuyết, bài tập có dấu * dành cho
các yêu cầu cao hem sau này - chẳng hạn dành cho các sinh viên học
chuyển tiếp từ Cao đẳng lên Đại học và có thể bỏ qua khi thấy chưa cần thiết.
Các bài tập ở đây chia làm 3 loại:
a) Bài tập ví dụ (có lời giải);
b) Bài tập tự giải (có lời giải trong sách bài tập);
c) Bài tập mở rộng: Trình bày những hiện tượng, hiệu ứng... những
định luật, quy tắc không trình bày trong phần lý thuyết, nhưng có ứng
dụng, lý giải... trong thực tế.
TÁC GIẢ
3

7. Chương Ì
ĐIỆN TRƯỜNG TỈNH
•
§ 1 . Đ I Ệ N T Í C H
1.1. Hai loại điện tích
Từ lâu người ta đã biết một số vật khi đem cọ xát vào len, dạ, lụa, lông
thú... sẽ có khả năng hút được các vật nhẹ. Ta nói các vật ấy đã tích điện.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong tự nhiên chỉ có hai loại điện tích:
điện tích dương và điện tích âm.
Thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng các vật tích điện có tương tác với
nhau: các điện tích cùng dấu đẩy nhau, các điện tích trái dấu hút nhau. Lực
tương tác giữa các vật tích điện đứng yên gọi là lực tĩnh điện hay lực Culông.
Ì .2. Lượng tử hoa điện tích
Các vật xung quanh ta đều cấu tạo bởi các phán tử, nguyên tử,... ;
trong m ỗ i nguyên tử có hạt nhân và các electron... trong hạt nhân có proton
và neutron... Các hạt đó nếu tích điện thì điện tích ấy là một số nguyên của
điện tích nguyên tố:
-e = - l , 6 . 1 0 " l 9
C
Ta nói rằng điện tích bị lượng tử hóa.
1.3. Bảo toàn điện tích
Trong các quá trình biến đổi của một hệ (biến đổi phân tử, nguyên tử,
hạt nhân...) người ta nhận thấy rằng: Tổng đại số các điện tích của hệ
trước và sau quá trình biến đổi là không thay đổi.
5

8. V í dụ một hệ g ồ m hai vật A và B ban đầu k h ô n g mang điện: nếu A
tích điện dương nghĩa là đã mất đi một số X electron thì số electron này lại
nhập vào vật B và vật B trở thành tích điện âm. Đ i ệ n tích của A và B sau
khi biến đ ổ i lần lượt là +xe và x(-e) = -xe. Tổng đ ạ i số các điện tích của
A và B là:
(+xe) + (-xe) = 0 (1.1)
Nói các khác: điện tích không tự sinh ra và không tự mất đi, nó chỉ
truyền từ vật này sang vật khác.
Phát biểu trên đây là n ộ i dung của định luật bảo toàn điện tích, một
trong những định luật cơ bản của các quá trình biến đ ổ i về điện.
§2. ĐỊNH LUẬT CULÔNG
Năm 1785, nhà Vật lý học Culông đã làm thí nghiệm thiết lập được
định luật mang tên ông về lực tương tác giữa hai điện tích đ i ể m .
Theo định nghĩa, điện tích điểm (hay hạt điện tích) là một vật tích điện
có kích thước như một chất điểm (một hạt).
2. Ì. Phát biểu định luật Culông
Lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích điểm Ọj và q2 đặt cách nhau
một khoảng r:
- Có phương nằm trên đường thẳng nối qj và q2;
-Có chiều như hình Lia khi qị,qi cùng dấu, hoặc có chiều như hình
ỉ Ab khi qỊt q2 trái dấu;
- Có độ lớn tỷ lệ thuận với tích các độ lớn của hai điện tích và tỷ lệ
nghịch với bình phương khoảng cách r;
- Phụ thuộc vào môi trường xung quanh.
T ừ phát biểu trên đây, có thể viết ra độ lớn của hai lực tương tác Fị
(lực tác dụng lên q,) và F2 (lực tác dụng lên q2 ):
F F khl^l(L2)
Sĩ
6

9. b)
- Ọ -
ọ -
- 0
H/nh f.í
a) Trong công thức trên, k là một hệ số tùy thuộc vào các đơn vị đo.
Trong hệ SI, điện tích đ o bằng culông (C), độ dài đ o bằng mét (m), độ lớn
của các lực đo bằng niutơn (N) khi đó:
k =9.109
N . m
2
Người ta cũng ký hiệu
k =
Ì
47te(>
trong đó, hằng số 60 được g ọ i là hằng số điện:
Ì Ì
(1.3)
(1.4)
e„ =
47ĩk 471.9.lo9
( c 2
>
N . m 2
(1.5)
Ta có thể viết:
Fi =
Ì <m
47te„ er
(1.6)
b) Hằng số e trong công thức trên là một đ ạ i lượng tùy thuộc vào môi
trường xung quanh (môi trường cách điện); 6 có giá trị > Ì được gọi là
hằng số điện môi của môi trường.
Môi trường E
Chân không 1
Không khí 1,0006
Thủy tinh 5 -ỉ-10
Nước 81
7

10. Theo công thức (1.6) ta có thể kết luận:
Lực tương tác tĩnh điện giữa các điện tích đặt trong môi trường cách
điện giảm đi s lần so với lực tương tác đó khi đặt trong chân không.
2.2. Biểu thức vectơ của định luật Culông
Gọi: r1 2 là vectơ bán kính nối từ qj đến q 2 ;
r2 1 là vectơ bán kính nối từ q 2 đến q i .
dễ dàng thấy rằng biểu thức vectơ của lực Culông tác dụng lên qi và q 2 có dạng:
F 1 S i i & Ị ỉ L (1.7)
47T80 er r
F2 = _ ! _ S i â L ĩ k ( 1 8 )
47ie0 8 r r
trong đó r 2 1 = ĩ2 = r và
— = ũ 2 l : vectơ đơn vị nằm theo r2 I (1.9)
r
— = n 1 2 : vectơ đơn vị nằm theo r1 2 (1-10)
r
Bài tập ví dụ 1.1
Nguyên tử hydro được tạo thành bởi một hạt proton k h ố i lượng
l,67.10~2 7
kg, điện tích bằng +e = +1,6.10"1 9
c và một hạt electron khối
lượng 9,1.10 3 1
k g , điện tích bằng -e = -1,6.10 1 9
c . Hạt electron có thể coi
là chuyển động xung quanh hạt proton (giả thiết là đứng yên) theo một quỹ
đạo tròn, có tâm trùng với vị trí hạt protọn, có bán kính r = 5,3-10 1
' m . '
1. Xác định cường độ lực tương tác tĩnh điện giữa hai hạt đó.
2. Xác định cường độ lực tương tác hấp dẫn giữa hai hạt đ ó .
3. Tính vận tốc của electron chuyển động trên quỹ đạo tròn ấy.
Giải
ỉ. Cường độ lực hút tĩnh điện tác động lên hạt electron:
F =
Ị |(+e)(-e)|
4718., r 2
F = 8,2.10~8
N.
.2
9.10
c 2
,
9 N m ' ì ( l , 6 . 1 0 " , 9
c ỵ
(5,3.10~"m)2
8