新教材2023年高中物理第10章静电场中的能量1电势能和电势课件新人教版必修第三册

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第十章　静电场中的能量1．电势能和电势目标体系构建【课程标准】1．知道静电力做功的特点。2．知道电势能的概念，认识电势能的相对性。3．理解静电力做功与电势能变化的关系。4．知道电势的定义和定义式、单位。【素养目标】课前预习反馈 　　　静电力做功的特点1．特点：在匀强电场中移动电荷时，静电力所做的功与电荷的____________和____________有关，与电荷经过的路径________。2．匀强电场中静电力做功的大小：W＝__________，其中l为电荷______________移动的位移。起始位置　知识点 1终止位置　无关　qE·l　沿电场方向　　　　电势能1．概念电荷在________中具有的势能，用Ep表示。2．静电力做功与电势能变化的关系静电力做的功等于电势能的__________，WAB＝__________。电场　知识点 2减少量　EpA－EpB　减少　增加　3．大小电荷在某点的电势能，等于把它从这点移动到______________时静电力做的功。4．零势能位置电场中规定的电势能为_____的位置，通常把离场源电荷________ ____或________的电势能规定为0。5．系统性电势能是相互作用的________所共有的，或者说是电荷及对它作用的________所共有的。零势能位置　0　无限远　处　大地　电荷　电场　　　　电势1．定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的__________的比值。2．公式：φ＝______。3．单位：国际单位制中，电势的单位是________，符号是V，1 V＝1 J/C。电荷量　知识点 3伏特　4．特点①相对性：电场中各点电势的高低，与所选取的零电势点的位置有关，一般情况下取____________或大地的电势为0。②标矢性：电势是标量，只有大小，没有方向，但有________。5．与电场线关系：沿着电场线方向电势____________。无限远处　正负　逐渐降低　『判一判』(1)只要电荷在电场中移动，电场力一定做功。 (　　)(2)在匀强电场中将同一电荷移动同样的距离，静电力做功相同。 (　　)(3)电势能既有正值，也有负值，是矢量。 (　　)×　×　×　(4)计算电势能时，不一定选取大地表面为零势能面。 (　　)(5)电场力做功是电势能变化的原因，电场力做正功，电势能增加。 (　　)(6)沿着电场线方向电势降低。 (　　)(7)电势降低的方向就是电场方向。 (　　)√　×　√　×　『选一选』如图所示，两个等量异种电荷在真空中相隔一定距离，OO′代表两点电荷连线的中垂线，在两点电荷所在的某一平面上取图示1、2、3三点，则这三点的电势大小关系是 (　　)A．φ1＞φ2＞φ3 B．φ2＞φ1＞φ3C．φ2＞φ3＞φ1 D．φ3＞φ2＞φ1A　解析：本题关键点是等量异种电荷周围的电场线和等势面的分布。先画出两等量异种电荷周围的电场线和等势面如图所示，根据沿着电场线方向电势越来越低，知φ1＞φ2＞φ3。『想一想』(1)为什么在实际应用中常取大地的电势为0?(2)孤立的正点电荷(或负点电荷)的电场中，各点电势的高低情况是怎样的？解析：(1)与实验室相比，地球体积巨大。实验器材中的电荷流入大地或从大地流出，对地球的电学状态几乎没有影响，地球电势十分稳定，因此常取大地的电势为0。(2)当规定无限远处为电势零点后，正电荷产生的电场中各点的电势均为正值，负电荷产生的电场中各点的电势均为负值，且越靠近正电荷的地方电势越高，越靠近负电荷的地方电势越低。课内互动探究探究我们知道重力做正功，物体的重力势能减小，其高度降低(如图甲)；当重力做负功，物体的重力势能增大，其高度升高(如图乙)。那么当电场力做正功(或负功)时(如图丙)，其电势能又是怎样变化的呢？对静电力做功、电势能的理解情景导入提示：电场力做正功(或负功)时，其电势能减小(或增大)。1．对静电力做功特点的理解(1)静电力对电荷所做的功，与电荷的初、末位置有关，与电荷经过的路径无关。该结论适用于任何静电场。(2)无论带电体在电场中做直线运动还是做曲线运动，无论带电体只受静电力作用还是受多个力作用，无论静电力做正功还是做负功，静电力做功的特点不变。要点提炼2．电势能的特点(1)电势能是由电场和电荷共同决定的，属于电荷和电场所共有的，我们习惯上说成电荷的电势能。(2)电势能是标量，有正负但没有方向，其正负表示大小。(3)电势能是相对的，其大小与选定的参考点有关。确定电荷的电势能，首先应确定参考点，也就是零势能点的位置。3．电势能增减的判断方法(1)做功判断法无论正、负电荷，只要电场力做正功，电荷的电势能一定减小；只要电场力做负功，电荷的电势能一定增大。(2)电场线判断法正电荷顺着电场线的方向移动时，电势能逐渐减小；逆着电场线的方向移动时，电势能逐渐增大。负电荷顺着电场线的方向移动时，电势能逐渐增大；逆着电场线的方向移动时，电势能逐渐减小。4．电势能与重力势能的比较典例剖析　　　　　如图所示，空间中的M、N处存在两个被固定的、等量同种正点电荷，在它们的连线上有A、B、C三点，已知MA＝CN＝NB，MA＜NA。现有一正点电荷q，关于在电场中移动电荷q，下列说法中正确的是 (　　)A．沿半圆弧l将q从B点移到C点，电场力不做功B．沿曲线r将q从B点移到C点，电势能减少C．沿曲线s将q从A点移到C点，电场力做负功D．沿直线将q从A点移到B点，电势能增加B　典题1思路引导：(1)明确两个点电荷周围电场的分布情况。(2)电场力做功与路径无关。(3)电场力做正功电势能减少；电场力做负功电势能增加。解析：电场是由M和N处两个点电荷的电场叠加而成的。电场力做功与路径无关，与初末位置有关。正电荷从B点到C点，N处的点电荷对其不做功，M处点电荷对其做正功，所以合电场力做正功，电势能减少，选项A错，B对；A点和B点关于两个等量正点电荷对称分布，所以正电荷从A点移动到B点，电场力不做功，电势能不变，选项D错；由于正电荷从A移动到B电场力不做功，从B到C电场力做正功，所以从A到C电场力做正功，选项C错。对点训练1．(2022·云南罗平县第五中学高二期中)在如图所示的匀强电场中，沿电场线方向有A、B两点，A、B两点间的距离s＝0.10 m。一个电荷量q＝＋2.0×10－8 C的点电荷所受电场力的大小F＝4.0×10－4 N。求：(1)电场强度E的大小；(2)将该点电荷从A点移至B点的过程中，电场力所做的功W；(3)将该点电荷从A点移至B点的过程中，电荷的电势能增加还是减少；电势能改变多少。答案：(1)2×104 N/C　(2)4×10－5 J　(3)减少了4×10－5 J(2)点电荷所受电场力沿电场线方向，将该点电荷从A点移至B点的过程中，电场力所做的功为W＝Fs＝4×10－5 J。(3)将该点电荷从A点移至B点的过程中，电场力做正功，电荷的电势能减少了4×10－5 J。探究如图所示为某示波管内的聚焦电场，实线和虚线分别表示电场线和等势线。观察图片请思考：顺着电场线的方向由c点到b点，电势如何变化？电场强度大的地方电势一定高吗？提示：电势逐渐降低；不一定。对电势的理解情景导入1．电势的特点(1)电势具有相对性；电势是相对的，电场中某点的电势高低与零电势点的选取有关。通常将离场源电荷无限远处，或是地球表面选为零电势点。(2)电势是标量：电势是只有大小、没有方向的物理量，在规定了电势零点后，电场中各点的电势可能是正值，也可能是负值。正值表示该点的电势高于零电势；负值表示该点的电势低于零电势。显然，电势的正负只表示大小，不表示方向。要点提炼2．电势高低的判断方法(1)电场线法：沿电场线方向，电势越来越低。(2)场源电荷判断法：离场源正电荷越近的点，电势越高；离场源负电荷越近的点，电势越低。(3)电势能判断法：对于正电荷，电势能越大，所在位置的电势越高；对于负电荷，电势能越小，所在位置的电势越高。3．电势能与电势的区别与联系典例剖析　　　　　如果把q＝1.0×10－8 C的电荷从无限远处移到电场中的A点，静电力做功W＝－1.2×10－4 J，那么：(1)q在A点的电势能和A点的电势各是多少？(2)q在移入电场前，A点的电势是多少？思路引导：研究对象：可移动的电荷。条件分析：移动电荷过程中，静电力做负功。隐含条件：无限远处电势为0。注意：某点的电势的高低与移入的电荷无关。典题2解析：(1)静电力做负功，电势能增加，无限远处的电势为0，电荷在无限远处的电势能也为0，电势能的变化量等于静电力所做的功的负值，即W＝Ep∞－EpA＝0－EpA，所以EpA＝－W＝1.2×10－4 J，(2)A点的电势是由电场本身决定的，跟A点是不是有电荷存在无关，所以q在移入电场前，A点的电势仍为1.2×104　V。答案：(1)1.2×10－4 J　1.2×104　V　(2)1.2×104　V对点训练2．将一正电荷从无穷远处移入电场中的M点，电势能减少8.0×10－9 J，若将另一等量的负电荷从无穷远处移入电场中的N点，电势能增加9.0×10－9 J，则下列判断中正确的是 (　　)A．φM＜φN＜0 B．φN＞φM＞0C．φN＜φM＜0 D．φM＞φN＞0C　典例剖析　　　　　(多选)(2022·河南重点高中高二上月考改编)如图所示，两个点电荷分别固定在x轴上A、B两点，其中A点坐标为(－x0，0)，B点坐标为(x0，0)，点电荷所带电荷量都是＋Q，下列说法正确的是 (　 　)A．y轴上各点的电势都相等B．原点O是电场中电势最低的点C．原点O是电场中场强最小的点CD　典题3思路引导：通过电场线的特点判断电场强度和电势，再从电场强度的角度，通过电场力做功来判断电势能的变化，或者从电势的角度，通过电势的定义判断电势能的变化。对点训练3．(多选)(2022·全国高三阶段检测)如图所示，电荷量为＋q的点电荷固定在O点，P、Q、O三点共面，其中OP＜OQ。则下列说法正确的是 (　 　)A．P点的场强小于Q点的场强B．P点的电势高于Q点的电势C．电子在P点的电势能比其在Q点的电势能小D．将一正试探电荷由P点移到Q点，电场力做负功BC　核心素养提升求解电场力做功与电势能综合问题的思路求解该类综合性问题的一般思路为，首先搞清研究对象的受力和运动情况，再根据各力做功情况确定能量转化方向。　　　　如图所示，一质量为m的塑料球形容器放在桌面上，它的内部有一劲度系数为k的轻弹簧，弹簧直立地固定于容器内壁的底部，弹簧上端经绝缘体系住一只带正电q、质量也为m的小球。从加一个竖直向上的场强为E的匀强电场起，到容器对桌面压力减为零时为止，求：案例(1)小球的电势能改变量；(2)容器对桌面压力减为零时小球的速度大小。思路引导：涉及能量转化问题时，要找准功能对应关系，如电势能的变化看电场力做的功；弹性势能的变化，看弹力做的功；机械能的变化，看重力以外的力做的功；动能的变化，看合外力做的功。(2)对小球用动能定理，该过程弹簧弹力做功是零，只有重力和电场力做功课堂达标检测1．(2022·上海交通大学附属中学高二物理上学期期中)判断以下说法是否正确 (　　)A．电场强度为零的地方，电势也一定为零B．电势为零的地方一定没有电场C．场强越大的地方电势也一定越高D．场强为零的地方电势可能不为零解析：电势高低和电场强度无关，A、B、C错误，D正确。D　2．(2022·广西柳州市柳江实验高中高二学业考试)如图，匀强电场中a、b、c三点的电势 (　　)A．a点最高 B．b点最高C．c点最高 D．都相等解析：沿电场线方向电势降低，等势线垂直于电场线，故匀强电场中a、b、c三点的电势中a点最高。故选A。A　3．(2022·广东高一期末)如图所示，电场强度为E的匀强电场中，带电荷量为＋q的电荷沿直线AB、折线ACB、曲线ANB运动，已知AB长为d，关于静电力做的功和大小关系，下列说法正确的是 (　　)A．沿折线ACB运动时，静电力做功最多B．沿直线AB运动时，静电力做功最少C．沿直线ANB运动时，静电力做功最多D．这三种运动路径，静电力所做的功一样多解析：静电力做功与路径无关，则这三种运动路径，静电力所做的功一样多。故选D。D　4．(2022·广东江门一模)如图所示是电子枪部分的原理图，阴极发射的电子在强电场的作用下从阴极飞向阳极，虚线是其中一个电子的运动路线，实线是电场线，A、B、C是电场中的三个点，下列说法正确的是 (　　)A．C点的电势比A点低B．A点的电场强度比B点的电场强度大C．电子从A运动到B的过程电势能增大D．从A到B电子的加速度不断增大B　解析：沿电场线电势逐渐降低，可知C点的电势比A点高，选项A错误；电场线越密集则场强越大，可知A点的电场强度比B点的电场强度大，选项B正确；电子从A运动到B的过程，电场力做正功，则电势能减小，选项C错误；从A到B电子所受的电场力逐渐减小，则电子的加速度不断减小，选项D错误。