13.1 Coulomb’s law
Unit ini menyatakan hukum Coulomb (Coulomb's law) bagi daya antara dua cas titik dalam ruang bebas dan dalam medium, serta konsep ketelusan relatif (relative permittivity).
SP 13.1.1State Coulomb’s law;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas State (Menyatakan)
Calon perlu menyatakan hukum Coulomb: daya antara dua cas titik berkadar terus dengan hasil darab cas dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak.
- IsiPernyataanHuraian
Daya elektrik antara dua cas titik berkadar terus dengan hasil darab magnitud cas dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara pusatnya; daya bertindak sepanjang garis yang menyambung kedua-dua cas.
ContohDua cas sejenis menolak; dua cas berlainan jenis menarik.
- IsiBentuk persamaanHuraian
Dalam bentuk matematik, F = Qq/(4πε₀r²), dengan ε₀ ketelusan ruang bebas. Daya bertindak sepanjang garis yang menyambung kedua-dua cas dan mematuhi hukum ketiga Newton.
ContohJika jarak antara dua cas digandakan tiga, daya menjadi 1/9 daripada asal kerana F ∝ 1/r².
NotaHukum Coulomb
Hukum Coulomb: daya elektrik antara dua cas titik berkadar terus dengan hasil darab magnitud cas dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara keduanya. Daya bertindak di sepanjang garis yang menyambungkan kedua-dua cas; cas sejenis menolak, cas berlainan jenis menarik.
SP 13.1.2Apply Coulomb’s law for free space, F = Qq/(4πε_0 r^2);
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Apply (Mengaplikasikan)
Calon perlu mengira daya Coulomb dalam ruang bebas dengan F = Qq/(4πε₀r²) dan menentukan arah daya.
- IsiPengiraanHuraian
1/(4πε₀) = 8.99 × 10⁹ N m² C⁻²; tukar μC dan nC kepada C dan cm kepada m.
ContohDua cas 2.0 μC terpisah 0.30 m: F = 0.40 N (tolakan).
- IsiHubungan kuasa dua songsangHuraian
Menggandakan jarak mengurangkan daya kepada satu perempat.
ContohJika jarak 0.30 m menjadi 0.60 m, daya 0.40 N menjadi 0.10 N.
JadualHukum Coulomb dalam ruang bebas
| Simbol | Makna | Nilai / Unit |
|---|---|---|
| F = Qq/(4πε₀r²) | daya antara cas Q dan q | N |
| Q, q | magnitud cas titik | C |
| r | jarak antara cas | m |
| ε₀ | ketelusan ruang bebas (permittivity of free space) | 8.85 × 10⁻¹² F m⁻¹ |
| 1/(4πε₀) | pemalar Coulomb | 8.99 × 10⁹ N m² C⁻² |
Peta alirContoh: daya antara dua cas
- Data: Q = q = 2.0 μC = 2.0 × 10⁻⁶ C, r = 0.30 m.
- F = Qq/(4πε₀r²) = 8.99 × 10⁹ × (2.0 × 10⁻⁶)(2.0 × 10⁻⁶) / (0.30)²
- F = 8.99 × 10⁹ × 4.0 × 10⁻¹² / 0.090 N
- F = 0.03596 / 0.090 N = 0.40 N (menolak kerana cas sejenis).
- Semak: jika r digandakan, F menjadi 0.40/4 = 0.10 N.
SP 13.1.3Define relative permittivity;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Define (Mentakrifkan)
Calon perlu mentakrifkan ketelusan relatif sebagai nisbah ketelusan medium kepada ketelusan ruang bebas.
- IsiTakrifHuraian
Ketelusan relatif (relative permittivity) ε_r = ε/ε₀, tanpa unit; ia juga nisbah daya dalam vakum kepada daya dalam medium bagi cas dan jarak sama.
ContohAir ε_r ≈ 80, maka daya antara ion dalam air sekitar 1/80 daripada dalam vakum.
- IsiKesan ε_r ke atas dayaHuraian
Medium dengan ε_r lebih besar mengurangkan daya antara cas dengan faktor ε_r. Oleh itu ε_r juga ialah nisbah daya dalam vakum kepada daya dalam medium, dan nilainya sentiasa sekurang-kurangnya 1.
ContohDua cas yang mengalami daya 0.60 N dalam vakum hanya mengalami 0.30 N dalam minyak dengan ε_r = 2.0.
Peta buih bergandaRuang bebas berbanding medium
IstilahKetelusan relatif
- Ketelusan relatif (relative permittivity), ε_r
- Nisbah ketelusan sesuatu medium kepada ketelusan ruang bebas, ε_r = ε/ε₀; tiada unit. Juga nisbah daya antara dua cas dalam vakum kepada daya dalam medium itu.
- Ketelusan (permittivity), ε
- Sifat medium yang menentukan kekuatan daya elektrik di dalamnya; unit F m⁻¹.
- Pemalar dielektrik (dielectric constant)
- Nama lain bagi ε_r.
SP 13.1.4Use the equation ε_r = ε/ε_0 to solve related problems.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Use (Menggunakan)
Calon perlu menggunakan ε_r = ε/ε₀ untuk mencari ε, ε_r atau daya dalam medium.
- IsiMencari εHuraian
ε = ε_r ε₀ dengan ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² F m⁻¹.
Contohε_r = 2.5: ε = 2.21 × 10⁻¹¹ F m⁻¹.
- IsiDaya dalam mediumHuraian
F = Qq/(4πεr²) = F_vakum/ε_r.
ContohDaya 0.40 N dalam vakum menjadi 0.10 N dalam medium ε_r = 4.0.
Ingat: mnemonik & kad imbas
Mnemonik
- CJM
- Daya Coulomb bergantung pada: Cas (hasil darab Qq), Jarak (songsang kuasa dua r²), Medium (ketelusan ε).
Kad imbas
- Hukum Coulomb
- Daya antara dua cas titik ∝ hasil darab cas dan ∝ 1/r².
- F dalam ruang bebas
- F = Qq/(4πε₀r²)
- ε₀
- 8.85 × 10⁻¹² F m⁻¹; 1/(4πε₀) = 8.99 × 10⁹ N m² C⁻²
- Ketelusan relatif
- ε_r = ε/ε₀, nisbah ketelusan medium kepada ketelusan ruang bebas; tiada unit.
- Kesan medium ε_r = 80 pada daya
- Daya menjadi 1/80 daripada nilai dalam vakum.
Semak kefahaman
Nyatakan hukum Coulomb (Coulomb's law). (SP 13.1.1)
Lihat jawapan
Daya elektrik antara dua cas titik berkadar terus dengan hasil darab magnitud cas dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara keduanya.
Hitung daya antara dua cas 1.0 μC yang terpisah 0.10 m dalam ruang bebas. (1/(4πε₀) = 8.99 × 10⁹ N m² C⁻²) (SP 13.1.2)
Lihat jawapan
F = 8.99 × 10⁹ × (1.0 × 10⁻⁶)² ÷ (0.10)² = 0.899 N ≈ 0.90 N.
Takrifkan ketelusan relatif (relative permittivity). (SP 13.1.3)
Lihat jawapan
Ketelusan relatif ialah nisbah ketelusan sesuatu medium kepada ketelusan ruang bebas, ε_r = ε/ε₀.
Hitung ketelusan medium dengan ε_r = 3.0. (ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² F m⁻¹) (SP 13.1.4)
Lihat jawapan
ε = ε_r ε₀ = 3.0 × 8.85 × 10⁻¹² = 2.66 × 10⁻¹¹ F m⁻¹.
14 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.
Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (5)
- Mengingat
Aktiviti: Murid menyatakan hukum Coulomb dan takrif ketelusan relatif (relative permittivity) dalam kad semakan selama 8 minit.
Bukti hasil kerja: Kad semakan; semak pernyataan; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.
SP disasar: 13.1.1, 13.1.3 · Latihan sepadan: aras Mengingat - Memahami
Aktiviti: Dalam pasangan, murid menerangkan kesan menggandakan cas dan menggandakan jarak terhadap daya Coulomb, serta arah daya bagi cas sama dan berlainan.
Bukti hasil kerja: Jadual nisbah dan penerangan; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.
SP disasar: 13.1.2 · Latihan sepadan: aras Memahami - Mengaplikasi
Aktiviti: Murid mengira daya antara dua cas 2.0 µC dan 3.0 µC berjarak 0.10 m dalam vakum dan dalam medium dengan ε_r = 2.5.
Bukti hasil kerja: Lembaran pengiraan berunit; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.
SP disasar: 13.1.2, 13.1.4 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi - Menganalisis
Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menganalisis daya paduan pada satu cas akibat dua cas lain di bucu segi tiga menggunakan leraian vektor.
Bukti hasil kerja: Pengiraan magnitud dan arah daya paduan.
SP disasar: 13.1.2 · Latihan sepadan: aras Menganalisis - Menilai
Aktiviti: Murid menilai kesan memasukkan medium berketelusan tinggi di antara dua cas dan menjustifikasi sebab daya berkurang menggunakan ε_r.
Bukti hasil kerja: Ulasan bertulis dengan pengiraan; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.
SP disasar: 13.1.4 · Latihan sepadan: aras Menilai
Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan
Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 109 unit Fizik STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.