高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电势能和电势教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电势能和电势教学设计，共13页。教案主要包含了教学目标，核心素养，电势等内容，欢迎下载使用。

课题
电势能和电势
单元
9
学科
物理
年级
高二
教材
分析
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第10章第一节的内容，在三节课我们研究电场强度时，我们是从力的角度出发研究电场性质的，本节我们再从能量的角度来研究电场的其它性质电势能和电势。从教科书整体设计角度分析，功和能的关系问题在《物理必修2)中有过充分的讨论，在此， 教科书分析了静电力做的功之后很自然地就会得到电势能的概念，随后，由于电势能的大小与检验电荷的电荷量成正比，又得到了电势的概念。
应该看到，对中学生来说，建立电势能和电势的概念是个比较困难的过程。对此，教师应有充分的思想准备，教科书以静电力对试探电荷做功为切人点，首先引导学生认识静电力做功与路径无关:接着将其同重力对物体做功与路径无关进行类比建立了电势能的概念，并且与重力对物体做功引起重力势能的变化再次类比，得出静电力做的功等于电势能的减少量，又一次与重力势能进行类比得知电势能具有相对性。
电势的概念既是重点，也是难点。由于学习重力势能时没有学习与电势相对应的物理量，如“重力势”，教科书通过类比电场强度的定义方法来定义电势。在引人电势概念之前要先让学生体会到电势能的大小与试探电荷的电荷量有关，不能用来描述电场的性质。要让学生带着寻找一个与试探电荷无关的、完全由电场的性质决定的、可以描述电场能的性质的物理量去学习。
教科书反复应用类比的方法是“过程与方法”“情感、态度与价值观”等教育目标的具体体现，教师应该从提高学生的思维品质的角度渗透类比法，运用类比法。
教学目标与核心素养
一、教学目标
1.通过讨论静电力对试探电荷做功，知道静电力做功与路径无关的特点。
2.将静电力做功与重力做功进行类比，理解静电力做功与电势能变化的关系。认识电势能的相对性。
3.知道电势的定义方法及其定义公式、单位。
二、核心素养
物理观念：通过类比的方法建立电势和电势能的概念。
科学思维：通过对知识的类比能力，培养学生对现象的归纳能力，对问题的分析、推理能力。
科学探究：通过讨论静电力对试探电荷做功，知道静电力做功与路径无关的特点
科学态度与责任：利用知识类比和迁移激发学生学习兴趣，培养学生灵活运用知识和对科学的求知欲。
重点
理解掌握电势能、电势及意义。
难点
电势的概念，掌握电势能与做功的关系，并能学以致用。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
思考讨论：一个正电荷在电场中只受到静电力 F的作用，它在电场中由 A 点运动到 B 点时，静电力做正功还是负功？动能增加还是减少？
因为静电力的方向与位移的方向相同所以静电力做正功 WAB 。
由动能定理可知，该电荷的动能增加了 WAB 。
思考2：物体动能加了，意味着有另外一种形式的能量减少了。这是一种什么形式的能量转化为动能？
这就是我们今天所要学的电势能转化为动能。
在三节课我们研究电场强度时，我们是从力的角度出发研究电场性质的，本节我们再从能量的角度来研究电场的其它性质电势能和电势。
学生思考讨论并回答

引出本节的课题电势能和电势
讲授新课
一、静电力做功的特点
1.重力和静电力的对比
甲 乙
（1）重力的大小和方向
如图甲所示，一个质量为m的物体不管它怎样运动，在地面某位置所受的重力大小都等于mg，方向竖直向下。
（2）静电力的大小和方向
如图乙所示，一个带正电的电荷量为q的试探电荷在匀强电场中某位置，不管它怎样运动，其所受静电力的大小都等于qE，方向跟电场强度E的方向相同。
2.静电力做功的特点
思考讨论：重力做功具有跟路径无关的特点，静电力做功是否也具有这一特点？
思路：在电场强度为 E 的匀强电场中任取 A、B两点，把试探电荷 q 沿不同路径从 A 点移动到 B 点，通过计算不同路径的静电力做功来判断其是否具有与路径无关的特点。
（1）将正的检验电荷q分别沿直线和折线从A移至B，求电场力所做的功的表达式。
①沿直线A-B：
WAB ＝Fcsθ|AB|＝qEcsθ|AB| ＝ qE|AM|
②沿折线A-M-B：
对AM：W1 = q E ·|AM|
对MB：W2 = 0
在整个移动过程A-M-B，静电力对 q 所做的功
WAMB = W1 + W2= q E·|AM|
3.将正的检验电荷q从A沿曲线移至B，求电场力所做的功的表达式。
把曲线分成无数小段，每一小段中，设想 q 都从起点先沿电场方向、再沿垂直电场方向到达终点。各小段沿垂直电场方向运动时，静电力是不做功的，各小段沿电场方向移动的位移之和等于| AM|
q 沿任意曲线从 A 点移动到 B 点静电力所做的功也是W＝qE|AM|
结论：在匀强电场中移动电荷时，静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，但与电荷经过的路径无关。
说明：这一结论对于非匀强电场也同样适用。
特别提醒！
静电力做功和重力做功有很多相似特点，不过要注意，地球产生的重力场只会对物体产生引力，而电场对电场中的电荷既可产生引力，也可产生斥力，所以计算静电力做功时要注意电荷的电性、移动的方向、电场强度的方向等，以便确定功的正负和电势能的变化情况。
二、电势能
我们知道，功和能量的变化密切相关。静电力做功具有跟重力做功一样的特点，重力做功等于重力势能的减少量。同理，静电力做功也应该等于电荷在电场中具有的势能的减少量。
1.电势能
我们称电荷在电场中具有的势能叫电势能，用Ep 表示。
思考讨论：电势能的大小由什么决定呢?
参考答案：电势能的大小是由电荷与电场的相对位置决定的，同一电荷在电场中同一点的电势能应该具有确定的值。电荷在静电力作用下加速运动时，增加的动能就是由电势能转化来的。
2.电势能与电场力做功的关系
关系WAB 表示电荷由A点运动到B点静电力所做的功，EpA 和EpB 分别表示电荷在A点和B点的电势能，它们之间的关系为:
WAB ＝ EpA － EpB
(1)当WAB 为正值时，EpA > EpB ，表明静电力做正功，电势能减少。
正电荷顺电场线移动，电场力做正功，电势能减少；负电荷逆电场线移动，电场力做正功，电势能减少。
(2)当WAB 为负值时，EpA< EpB ，表明静电力做负功，电势能增加。
正电荷逆电场线移动，电场力做负功，电势能增加。负电荷顺电场线移动，电场力做负功，电势能增加。
总结：静电力做的功等于电势能的减少量:WAB=EpA- EpB= -ΔEpAB
3.电势能的计算
（1）电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该处移动到零势能位置所做的功。
（2）电势能具有相对性，与零势能参考面的选择有关：
通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为0，或把电荷在大地表面的电势能规定为0。有时也可能是人为规定的点或面为零势能参考面。
思考讨论：若取无穷远为零势能面，在场源电荷为正点电荷的电场中，正电荷的电势能一定大于负电荷的电势能吗？若场源电荷为负点电荷呢？
参考答案：在场源电荷为正点电荷的电场中，正电荷由无限远移到电场中某点，电场力做负功，电势能增加，所以正电荷的电势能Ep始终为正；同理，负电荷的电势能Ep始终为负。所以正电荷的电势能一定大于负电荷的电势能
在场源电荷为负点电荷的电场中，正电荷由无限远移到电场中某点，电场力做正功，电势能减少，所以正电荷的电势能Ep始终为负；同理，负电荷的电势能Ep始终为正，所以正电荷的电势能一定小于负电荷的电势能。
4. 电势能与重力势能的比较
①重力势能属于地球和物体组成的系统；电势能属于电荷和电场组成的系统，我们说某个电荷的电势能，只是一种简略的说法。
②重力势能的大小具有相对性，物体在某点的重力势能等于把物体从该点移动到零势能位置时重力做的功；电势能的大小也具有相对性，电荷在某点的电势能等于把电荷从该点移动到零势能位置时静电力做的功。
③重力做的功等于重力势能的减少量；静电力做的功等于电势能的减少量。
例题：有一电荷量q=-3×10-6的点电荷， 从电场中的A点移到B点时，克服静电力做功6×10-4J，从B点移到C点时静电力做功9×10-4J。问:
①以B为零势能点，电荷在A点时的电势能EpA1是多少?
②如选取C点的电势能为0，则电荷在A点时的电势能EpA2又是多少?
解：①以B为零势能点，电荷由A移向B的过程中，静电力做功-6×10-4J，即WAB =-6×10-4J 。根据WAB = EpA1-EpB ，得
EpA1=-6×10-4J 。
②以C为零势能点，根据WAB = EpA2-EpC，因为电荷从A移动到C，静电力做功WAC = WAB +WBC =[(-6)+9] ×10-4J=3×10-4J， 所以EpA2= 3×10-4J 。
三、电势
在定义电场强度时，我们把放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度。
电场强度的定义式：
现在我们利用定义电场强度的方法进行类比通过电势能的研究来认识另一个物理量——电势。
如图：有一个电场强度为E的匀强电场，规定电荷在O点的电势能为0。A为电场中的任意一点。用图中已知量表示出正电荷q具有的电势能
解析：由题意知EP0 =0则静电力做的功：
根据WOA = EpO-EpA得
可见，在电场中同一位置，电荷q具有的电势能EpA与q成正比。
即电势能跟电荷量的比值：
即：该比值是一个与q无关，仅与电场及A点的位置有关的量。
结论：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值EpA/q的大小与试探电荷的正负及电量q均无关，只与电场中该点在电场中的位置有关，故其可衡量电场的性质。
1.电势
（1）定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量之比，叫作电场在这一点的电势。
（2）定义式：用φ表示电势，用Ep 表示电荷q的电势能，则
在国际单位制中，电势的单位是伏特，符号是V。
在电场中的某一点，如果电荷量为1C的电荷在这点的电势能是1J，这一点的电势就是1 V，即1V ＝ 1J/C
2.物理意义：描述电场的能的性质的物理量，由场源决定。
3.电势的相对性：与电势能一 样具有相对性，规定了零势点之后，才能确定电场中各点的电势。在物理学的理论研究中常取离场源电荷无限远或大地表面的电势为零。
4.电势的标量性
电势是标量，只有大小没有方向，但有正负值，比零点高为正值，比零点低为负值。
5.电势的固有性：电场中某点的电势的大小是由电场本身的性质决定的，与放不放电荷及放什么电荷无关。
6.判断电势高低的方法
（1）依据电场线判断
如图假如正的试探电荷沿着电场线从左向右移向O点，它的电势能是逐渐减少的。
沿着电场线方向电势逐渐降低。
（2）根据只在静电力作用下电荷的移动情况来判断
①只在静电力作用下，电荷由静止开始移动，正电荷总是由电势高的点移到电势低的点；负电荷总是由电势低的点移向电势高的点。
②移动正电荷静电力做正功时，电势能减少，则是从电势高处移到电势低处，做负功时相反;
③移动负电荷静电力做正功时，电势能减少，则是从电势低处移到电势高处，做负功时相反。
7.电势正负的判断
在规定了零电势点之后，电场中各点的电势可以是正值，也可以是负值。高于零电势的值是正值，低于零电势的值是负值。
若以无穷远处电势为零，则正电荷周围各点电势为正，负电荷周围各点电势为负。
课堂练习
1.下列叙述正确的是 ( )
A．在电场中移动电荷，电荷的电势能一定变化
B．电场力对电荷做正功，电荷的电势能增加
C．电场力对正电荷做正功，电荷的电势能减少
D．电场力对负电荷做负功，电荷的电势能增加。
答案：C D
2.关于静电场的描述正确的是（ ）
A．电势降低的方向就是电场线方向
B．沿着电场线方向电场强度一定减小
C．电场中电荷的受力方向就是电场强度的方向
D．电场中电场强度为零的地方电势不一定为零
答案： D
3．下列说法正确的是 ( )
A．在电场中顺着电场线移动电荷，电场力做功电荷电势能减少
B．在电场中逆着电场线移动电荷，电场力做功电荷电势能减少
C．在电场中顺着电场线移动正电荷，电场力做正功，电荷电势能减少
D．在电场中逆着电场线移动负电荷，电场力做负功，电荷电势能增加
答案：C
4．如图为描述某静电场的电场线，a、b、c是同一条电场线上的三个点，其电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec，电势分别为φa、φb、φc下列大小关系正确的是（ ）
A．Ea＞Eb＞Ec
B．Ea=Eb=Ec
C．φa＞φb＞φc
D．φa=φb=φc
答案：C
拓展提高
1.如图所示为点电荷+Q的电场及电场线，电场中有A、B两点，点电荷－q在A、B两点所受电场力为FA、FB，所具有电势能为EA、EB，则以下判断正确的是 ( )
A． FA > FB ， EA > EB
B． FA > FB ， EA < EB
C． FA < FB ， EA > EB
D． FA < FB ，EA < EB
答案：C
2..如图所示，虚线代表电场中三条电场线，实线为一带正电的粒子仅在电场力作用下通过该区域的运动轨迹。M、N是这条轨迹上的两点，下列判断中正确的是（ ）
A．M点的电势比N点的电势低
B．M点的场强比N点的场强小
C．带电粒子通过N点时动能比M点大
D．带电粒子通过N点时电势能比M点时小
答案：A
3.如图甲是等量异号点电荷的电场线分布图，乙是等量同号点电荷的电场线分布图。AOB是两点电荷的连线的垂直平分线，O是连线的中点。
甲 乙
①在甲图中，把单位正试探电荷从O点沿OA移动到无限远处，静电力是否做功?电势能是否变化?怎样变化?
②在乙图中，把单位正试探电荷从O点沿OA移动到无限远处，静电力是否做功?电势能是否变化?怎样变化?
提示:①在甲图中，因为静电力与位移方向始终垂直，静电力不做功，所以电荷的电势能不变；
②在乙图中，静电力做正功，因为静电力方向沿OA方向，与位移方向致，所以电势能变小。
观察图片说出重力的大小和方向和静电力的大小和方向
学生思考讨论并在教师的引导下推导，并
总结.静电力做功的特点
学生理解重力场和电场中的电荷的受力的不同之处
学生思考讨论
电势能的大小由什么决定
学生观察图片
理解电势能与电场力做功的关系
学生思考讨论并回答
让学生总结电势能与重力势能的相似处
学生计算电势能
引导学生推导
正电荷q具有的电势能
学生阅读课文然后听讲解思考
让学生思考回答判断电势高低的方法
学生练习
让学生体会重力和静电力的具有的某些特征是相似的
锻炼学生的逻辑思维能力和总结能力
知道电场对电场中的电荷既可产生引力，也可产生斥力
掌握电势能的大小是由电荷与电场的相对位置决定的
锻炼学生的观察和逻辑思维能力
理解静电力做的功等于电势能的减少量:
加深学生对电势能的理解，加强学生的合作交流能力
让学生更容易理解电势能
巩固加深对电势能的理解
让学生很快能想到用比值定义法来定义物理量，对知识活学活用
锻炼学生的自主学习能力
掌握判断电势高低的两种方法
巩固本节所学的知识
课堂小结
1.电势能与电场力做功的关系
静电力做的功等于电势能的减少量:WAB=EpA- EpB= -ΔEpAB
2.电势能的计算:电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该处移动到零势能位置所做的功。
3.电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量之比，叫作电场在这一点的电势。
定义式：
4.判断电势高低的方法：①依据电场线判断；②在静电力作用下电荷的移动情况来判断
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书
一、静电力做功的特点
在电场中移动电荷时，静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，但与电荷经过的路径无关。
二、电势能
1.电场中的电荷因受电场力作用而具有的能量叫电势能。
2.电势能与电场力做功的关系
静电力做的功等于电势能的减少量:WAB=EpA- EpB= -ΔEpAB
3.电势能的计算
（1）电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该处移动到零势能位置所做的功。
（2）电势能具有相对性，与零势能参考面的选择有关。
三、电势
1.定义式：
2.判断电势高低的方法