Bài toán về chuyển động của electron trong điện trường là một ví dụ điển hình trong chương trình Vật lý lớp 11. Trong đó, việc Một Nhóm Học Sinh nghiên cứu cơ chế lái tia điện tử mang lại cái nhìn sâu sắc về ứng dụng thực tế của lý thuyết.
Bài toán:
Một nhóm học sinh nghiên cứu cơ chế lái tia điện tử của bản lái tia trong máy dao động kí. Họ phát hiện rằng khi electron đi qua bản lái tia không chỉ thay đổi phương của chuyển động mà còn được tăng tốc. Tụ điện phẳng được dùng để khảo sát có khoảng cách giữa hai bản tụ d = 1 cm được mắc vào nguồn không đổi hiệu điện thế U = 12 V. Trong một thí nghiệm, khi cho một electron với vận tốc có độ lớn v₀ = 200000 m/s đi vào điện trường giữa hai bản tụ tại điểm M nằm chính giữa hai bản tụ và đi ra khỏi điện trường tại điểm N cách bản cực âm 4,9 mm. Hãy xác định độ lớn vận tốc của electron khi đi ra khỏi điện trường.
Phân Tích Bài Toán:
Bài toán này kết hợp kiến thức về điện trường đều, lực điện tác dụng lên điện tích, và định luật bảo toàn năng lượng. Một nhóm học sinh cần xác định các yếu tố sau:
- Điện trường giữa hai bản tụ: Tính độ lớn điện trường đều dựa vào hiệu điện thế và khoảng cách giữa hai bản tụ.
- Lực điện tác dụng lên electron: Xác định lực điện do điện trường tác dụng lên electron.
- Công của lực điện: Tính công của lực điện khi electron di chuyển từ điểm M đến điểm N.
- Định luật bảo toàn năng lượng: Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng để tìm vận tốc của electron tại điểm N.
Lời Giải Chi Tiết:
-
Tính độ lớn điện trường:
- E = U/d = 12V / 0.01m = 1200 V/m
-
Tính công của lực điện:
- Gọi d’ là khoảng cách từ điểm M đến điểm N theo phương vuông góc với bản tụ. Trong bài này, d’ = (d/2) – 4.9mm = 0.005m – 0.0049m = 0.0001m
- A = qEd’ = (-1.602 10⁻¹⁹ C) (1200 V/m) (0.0001 m) = -1.9224 10⁻¹¹ J
-
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng:
- Động năng tại N = Động năng tại M + Công của lực điện
- (1/2) mₑ vₙ² = (1/2) mₑ v₀² + A
- vₙ² = v₀² + (2A / mₑ)
- vₙ = √(v₀² + (2A / mₑ)) = √(200000² + (2 -1.9224 10⁻¹¹ / 9.109 * 10⁻³¹)) ≈ 286702 m/s
Kết luận:
Độ lớn vận tốc của electron khi đi ra khỏi điện trường (tại điểm N) là khoảng 286702 m/s. Một nhóm học sinh có thể sử dụng kết quả này để tiếp tục nghiên cứu và điều chỉnh các thông số trong máy dao động kí.
Ứng Dụng Thực Tế và Mở Rộng Nghiên Cứu:
Việc một nhóm học sinh nghiên cứu về cơ chế lái tia điện tử không chỉ giúp nắm vững kiến thức Vật lý mà còn mở ra cánh cửa khám phá các ứng dụng thực tế, ví dụ:
- Máy Dao Động Kí: Hiểu rõ cách điều khiển tia điện tử là nền tảng để cải tiến máy dao động kí, một thiết bị quan trọng trong việc phân tích tín hiệu điện.
- Công Nghệ Hiển Thị: Cơ chế lái tia điện tử được ứng dụng trong các màn hình CRT (ống phóng tia âm cực) truyền thống.
- Kính Hiển Vi Điện Tử: Nắm vững nguyên tắc điều khiển electron giúp cải thiện độ phân giải và khả năng quan sát của kính hiển vi điện tử.
- Nghiên cứu gia tốc hạt: Các nguyên tắc tương tự được sử dụng trong các máy gia tốc hạt để nghiên cứu cấu trúc của vật chất.
Alt: Minh họa cấu tạo và điện trường trong tụ điện phẳng sử dụng trong bài toán của nhóm học sinh.
Việc một nhóm học sinh chủ động tham gia vào các dự án nghiên cứu như thế này sẽ giúp các em phát triển tư duy phản biện, kỹ năng giải quyết vấn đề, và khơi dậy niềm đam mê khoa học. Đồng thời, các em cũng sẽ có cơ hội đóng góp vào sự phát triển của khoa học công nghệ trong tương lai.
