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

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 S I N H 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 N G U Y Ễ N

TRUNG TÂM HỌC LIỆU ĩ •

N H À X U Ấ T B Ả N G I Á O D Ụ C

Bản quyền thuộc HEVOBCO - Nhà xuất bản Giáo dục

04 - 2008/CXB/389 - 1999/GD Mã số : 7K618y8 - DAI

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 lạ i của Vật lý (Quang, Nguyên

tử...)- Đ ố i với các ngành kỹ thuật, các phần Điện, Điện từ... có tác dụng

trực t iếp 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 k iện đi sâu các ngành kỹ

thuật đó hem là đi vào các lĩnh vực không có ứng dụng trực t iếp.

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 giả i) ;

b) Bài tập tự giả i (có lời giả i trong sách bài tập);

c) Bài tập m ở 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 giả i . . . trong thực tế.

TÁC GIẢ

3

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 c ó khả n ă n g hút được các vật nhẹ . Ta nói các vật ấy đã t ích đ i ệ n .

Thực n g h i ệ m chứng tỏ rằng trong tự nh iên ch ỉ có hai l o ạ i đ iện t ích:

đ iện t ích d ư ơ n g và đ i ệ n t ích â m .

Thực n g h i ệ m cũng chứng tỏ rằng các vật t ích đ i ệ n có tương tác vớ i

nhau: các đ i ệ n t ích c ù n g dấu đẩy nhau, các đ i ệ n t ích trái dấu hú t nhau. Lực

tương tác giữa các vật t ích đ iện 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 n g u y ê n tử c ó hạt n h â n và các electron... trong hạt n h â n có proton

và neutron... Các hạt đ ó nếu t ích đ iện thì đ iện t ích ấy là mộ t số n g u y ê n của

đ iện t ích n g u y ê n t ố :

- e = - l , 6 . 1 0 " l 9 C

Ta nói rằng đ i ệ n t ích 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 . . . ) n g ư ờ i ta nhận thấy rằng: Tổng đại số các điện tích của hệ

trước và sau quá trình biến đổi là không thay đổi.

5

V í d ụ m ộ t h ệ g ồ m hai vật A và B ban đ ầ u k h ô n g mang đ i ệ n : nếu A

t ích đ i ệ n d ư ơ n g nghĩa là đã mấ t đi m ộ t số X electron th ì số electron n à y l ạ i

nhập vào vậ t B và vậ t B t rở t h à n h t ích đ i ệ n â m . Đ i ệ n t í ch của A và B sau

kh i b i ến đ ổ i l ầ n lượt là +xe và x ( - e ) = - x e . T ổ n g đ ạ i số c á c đ i ệ n t í ch của

A và B là:

(+xe) + ( -xe ) = 0 (1.1)

N ó i c á c k h á c : điện tích không tự sinh ra và không tự mất đi, nó chỉ

truyền từ vật này sang vật khác.

Phá t b i ể u t r ên đ â y là n ộ i dung của định luật bảo toàn điện tích, mộ t

trong những đ ịnh luậ t c ơ bản của c á c q u á t r ình b i ế n đ ổ i v ề đ i ệ n .

§2. ĐỊNH LUẬT CULÔNG

Năm 1785, nhà Vật lý học Culông đã làm thí nghiệm thiết lập được

đ ịnh luậ t mang tên ô n g v ề lực tương tác giữa hai đ i ệ n t í ch đ i ể m .

Theo đ ịnh nghĩa, điện tích điểm (hay hạt đ i ệ n t í ch ) là m ộ t vậ t t í ch đ i ệ n

c ó k ích thước n h ư m ộ t chấ t đ i ể m (mộ t hạ t ) .

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 phá t b i ểu t rên đ â y , có t hể v i ế t ra đ ộ l ớ n của hai lực t ư ơ n g t ác Fị

(lực tác dụng lên q , ) và F 2 ( lực tác dụng lên q 2 ) :

F F khl^l (L2) Sĩ

6

b)

- Ọ - ọ -

- 0

H/nh f . í

a) Trong c ô n g thức t rên , k là mộ t h ệ số tùy thuộc v à o c á c đơn v ị đ o .

Trong h ệ SI, đ i ệ n t í ch đ o bằng c u l ô n g (C), đ ộ dà i đ o bằng m é t (m) , đ ộ l ớ n

của c á c lực đ o bằng n iu tơn (N) k h i đ ó :

k = 9 . 1 0 9 N . m 2\

N g ư ờ i ta cũng k ý h i ệ u

k = Ì

47te(>

trong đ ó , hằng số 6 0 được g ọ i là hằng số điện:

Ì Ì

(1.3)

(1.4)

e„ = 47ĩk 471.9. lo 9

( c 2 >

N . m 2

(1.5)

Ta c ó t h ể v i ế t :

Fi = Ì \<\m

47te„ er (1.6)

b) H ằ n g số e t rong c ô n g thức t rên là m ộ t đ ạ i lượng tùy thuộc v à o m ô i

t rường xung quanh ( m ô i t rường c á c h đ iện) ; 6 c ó g iá trị > Ì được g ọ i là

hằng số điện môi của m ô i t rường.

Môi trường E

Chân không 1

Không khí 1,0006

Thủy tinh 5 -ỉ-10

Nước 81

7

Theo c ô n g thức (1.6) ta c ó thể k ế t 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

G ọ i : r 1 2 là vec tơ b á n k í n h n ố i từ q j đ ế n q 2 ;

r 2 1 là vec tơ b á n k í n h n ố i từ q 2 đ ế n 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

F 2 = _ ! _ S i â L ĩ k ( 1 8 )

47ie 0 8 r r

trong đ ó r 2 1 = ĩ\2 = r và

— = ũ 2 l : vec tơ đơn vị n ằ m theo r 2 I (1.9) r

— = n 1 2 : vec tơ đơn v ị n ằ m theo r 1 2 (1-10) r

Bài tập ví dụ 1.1

N g u y ê n tử hydro được tạo t hành bở i m ộ t hạt proton k h ố i lượng

l , 67 .10~ 2 7 kg , đ i ệ n t ích bằng +e = +1,6.10" 1 9 c và m ộ t hạt electron k h ố i

lượng 9,1.10 3 1 k g , đ i ệ n t ích bằng -e = -1 ,6 .10 1 9 c . H ạ t electron c ó t h ể coi

là chuyển động xung quanh hạt proton (g iả t h iế t là đứng y ê n ) theo m ộ t quỹ

đạo t ròn , c ó t â m t rùng v ớ i vị t r í hạt protọn, có b á n k í n h r = 5,3-10 1 ' m . '

1. X á c đ ịnh cường đ ộ lực tương tác t ĩnh đ i ệ n giữa hai hạt đ ó .

2. X á c đ ịnh cường đ ộ lực tương tác hấp d ẫ n giữa hai hạt đ ó .

3. T í n h v ận tốc của electron chuyển động t rên quỹ đạo t ròn ấy.

Giải

ỉ. Cường đ ộ lực hú t t ĩnh đ i ệ n 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 . 1 0 ~ " m ) 2

8