人教版 (新课标)选修34 电势能和电势教案及反思

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概述
本节在本章中的作用：本节主要讲了电场的能的性质 ，是本章的两大重点之一。
主要学习内容：电场力做功，电势能、电势、等势面。
三维学习目标：
1．理解静电力做功的特点、电势能的概念、电势能与电场力做功的关系。
2．理解电势的概念，知道电势是描述电场的能的性质的物理量。
3．明确电势能、电势、静电力的功、电势能的关系。
4.理解等势面的概念，知道等势面与电场线之间的关系。
5. 培养学生概括、归纳、类比的能力和抽象思维能力。
学习本节学生的优势和不足：学生对重力场中的重力做功，重力势能，高度，高度差，等高线等比较熟悉。电势、电势能、等势面等概念比较抽象，理解起来比较困难。可以采用类比的方法进行学习。
主要学习活动为：
活动1：探究电场力做功的特点。
活动2：探究电场力做功与电势能变化的关系。
活动3：探究电势
活动4：探究等高线与等势面的关系。
活动5：探究各个量的正负问题
活动6：带电粒子在电场中运动的轨迹类问题
活动7：习题解答。
预期的学习成果：
1.会计算电场力做功。
2.解决电场力做功与电势能变化的问题。
3.解决电势能和电势的关系问题
本节问题设计
1.电场力做功的特点是什么？
2.电场力做功与电势能变化有什么关系？
3.电势能与电势有什么关系？
4.等势面与电场线有什么关系？
所需教学材料和资源(在此列出学习过程中所需的各种支持资源)
信息化资源：
网络搜索引擎
教学支撑环境 具备上网及投影功能的多媒体教室或网络教室、探究实验室，优盘等移动存储设备。
评价设计
活动1：学生能写出各种情况做的功，并填入表格。
活动2：找出重力做功重力势能、电场力做功电势能中一个或几个相同和不同点并填入表格。
活动3：能对电场和重力场的几个量进行类比，理解电势的概念。
活动4：观察图，说出等势面和等高线的相似之处。
活动5：正确理解正负，并能举例说明大小关系。
活动6：归纳总结轨迹类问题的特点和一般解决方法。
活动7：习题解答
学习活动设计
【创设情境、导入新课】
一、引入
复习：功是能量转化的量度
1、功的计算：W=FLcsα
2、重力做功的特点：
(1)与路径无关,由初末位置的高度差来决定.
(2)重力做功WG与重力势能变化的关系
重力做正功，重力势能减少
重力做负功，重力势能增加
WG=Ep1—Ep2=—ΔEp
(3)重力势能是相对的,须选定零势能参考面
一个试探电荷在电场中某点由静止释放,将如何运动?（如图4-1）
图4-1
在电场力作用下电荷做加速运动,一段时间后获得一定的速度,试探电荷的动能增加.
什么能转换为动能的呢?
【自主探究、展示交流】
一、静电力做功的特点
活动1. 探究电场力做功的特点。
把正电荷沿不同路径从A点移到B电场力做功？
让试探电荷q在电场强度为E的匀强电场中沿几条不同路径从A点运动到B点，我们来计算这几种情况下静电力对电荷所做的功。如图4-2所示
图4-2
分析三种情况下的做功的数据结果，从中找到共同点和不同点，归纳得出相关的物理知识。
结论：静电力做的功只与电荷的起始位置和终点位置有关，与电荷经过的路径无关。
拓展：该特点对于非匀强电场中也是成立的。
做功的过程是一个能量转化的过程，那么电场力做功的过程是什么能转化为什么能呢？
二、电势能
1．电势能：由于移动电荷时静电力做功与移动的路径无关，电荷在电场中也具有势能，这种势能我们叫做电势能。电势能用Ep表示 （是电荷与所在的电场所共有的）单位 焦耳J
活动2：探究静电力做功与电势能变化的关系（如图4-3所示）
图4-3
两者进行类比，查找相同和不同之处。填入下表：
参考：相同点：做正功，势能减少，做负功，势能增加，不同点：重力只有引力，电场力既有引力也有斥力。
通过知识的类比，静电力做的功等于电势能的变化。
功是能量变化的量度。
电场力做多少功，电势能就变化多少，在只受电场力作用下，电势能与动能相互转化，而他们总量保持不变。
WAB＝－（EpB－EpA）＝EpA－EPB
【思考讨论】对不同的电荷从A运动到B的过程中，电势能的变化情况：（如图4-4）
图4-4
正电荷从A运动到B做正功，即有WAB>0，则EpA>EpB，电势能减少。
●正电荷顺着电场线的方向其电势能逐渐减小。
负电荷从A运动到B做正功，即有WABEpB，电势能增加。，电势能增加。
●负电荷顺着电场线的方向其电势能逐渐增大。
问题，请分析求出A点的电势能为多少？
如何求出A点的重力势能呢？进而联系到电势能的求法。如图4-5
图4-5
则 EpA＝WAB （以B为电势能零点）
电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移动到零势能位置时所做的功。
零势能面的选择
通常把电荷离场源电荷无限远处的电势能规定为零，或把电荷在大地表面上的电势能规定为零。如图4-6
图4-6
根据静电力做功的正负，判断电势能的变化，进而判定电势的高低。
拓展：求电荷在电场中A、B两点具有的电势能高低。
将电荷由A点移动到B点，根据静电力做功情况判断。
若静电力做功为正功，电势能减少，电荷在A点电势能大于在B点的电势能。反之静电力做负功，电势能增加，电荷在A点电势能小于在B点的电势能
l
0
弄清正、负电荷在电场中电势能的不同特点，判断其做功特点再进行判断。
三、电势
设EP0 =0(如图4-7)
图4-7
该比值是一个与q无关，仅与电场及A点的位置有关的量。
活动3：探究电势（如图4-8）
图4-8
通过类比可见，若用左图中的Ep/m，或右图中的Ep/q，它们的值各自是一个不变的量。
EpA＝qE场Lcsθ，EpA与q成正比，即电势能跟电荷量的比值EpA/q都是相同的。对电场中不同位置，由于L与θ可以不同，所以这个比值一般是不同的。
电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值，是由电场中这点的位置决定的，跟试探电荷本身无关。
1．定义：电荷在电场中某一点的电势能与他的电荷量的比值，叫做这一点的电势。用φ表示。
表达式：φ＝Ep/q （与试探电荷无关）
2．电势是标量，它只有大小没有方向，但有正负。
3．单位：伏特（V） 1V＝1J/C
物理意义：电荷量为1C的电荷在该点的电势能是1J，则该点的电势就是1V。
根据静电力做功的正负，判断电势能的变化，进而判定电势的高低。例如图4-9所示
图4-9
4．电场线指向电势降低的方向。
电势顺线降低；顺着电场线方向，电势越来越低。Ep有零势能面，因此电势也具有相对性。
应该先规定电场中某处的电势为零，然后才能确定电场中其他各点的电势。
5．零电势位置的规定：电场中某一点的电势的数值与零电势的选择有关，即电势的数值决定于零电势的选择。因此电势有正负之分，是由于其零电势的选择决定。通常以大地或无穷远默认为零。如图4-10
图4-10
四、等势面
活动4：探究等高线与等势面的关系。如图4-11
图4-11
说出等高线与等势面的相似之处。
1．等势面：电场中电势相同的各点构成的面。
2．等势面与电场线的关系
⑴在同一等势面上各点电势相等，所以在同一等势面上移动电荷，静电力不做功。
⑵电场线跟等势面一定垂直，即跟电场强度的方向垂直。
电场线跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。
⑶等势面越密，电场强度越大。
⑷等势面不相交、不相切。
3．应用等势面：由等势面描绘电场线
方法：先测绘出等势面的形状和分布，再根据电场线与等势面的关系，绘出电场线的分布
【归纳总结、提升拓展】
电场力做功、电势能、电势的正负
活动5：探究各个量的正负问题
请同学填写表格：
活动6：带电粒子在电场中运动的轨迹类问题
例：某静电场中的电场线如图4-12所示，带电粒子在电场中仅受电场力作用，其运动轨迹如图中虚线所示，由M运动到N，以下说法正确的是( )
A．粒子必定带正电荷
B．粒子在M点的加速度大于它在N点的加速度
C．粒子在M点的加速度小于它在N点的加速度
D．粒子在M点的动能小于它在N点的动能
图4-12
解析： 本题是由电场线和粒子运动轨迹判断粒子运动情况的题目．其关键是抓住粒子受电场力的方向指向粒子轨迹弯曲的一侧(即凹侧)并沿电场线的切线方向，根据电荷运动轨迹弯曲的情况，可以确定点电荷受电场力的方向沿电场线方向，故此点电荷带正电，A选项正确．由于电场线越密，场强越大，点电荷受电场力就越大，根据牛顿第二定律可知其加速度也越大，故此点电荷在N点加速度大，C选项正确，粒子从M点到N点，电场力做正功，根据动能定理得此点电荷在N点动能大，故D选项正确．
答案： ACD
请同学们总结规律。
【以下为参考答案：】
一．所考查的问题：
1.判断带电粒子的电性。
2.判断加速的变化。
3.判断速度或动能的变化
4.判断电势能的变化。
5.判断粒子运动方向。
6.判断电场线的方向。
二．基本解题思路：
根据曲线弯曲的方向及电场线判断受力方向。因为受到的力总是指向曲线凹的一侧，又电场力沿电场线的切线方向，两方面综合可判断受力方向，如果已知电场线的方向，可判断出粒子的电性，反过来，如果已知电性，可判断电场线的方向，如果电场线的方向及电性都未知，则无法判断电性或电场线的方向。
知道了受力方向可以设粒子的运动方向，进而判断电场力做的是正功还是负功，可以得出两点的动能、速度、电势能的大小关系。他们之间的关系与运动方向无关。
根据电场线的疏密，可以知道加速度的变化。但一条电场线不能确定场强的大小。
【反馈练习、巩固落实】
五．当堂练习
A组（巩固基础）
1．关于电势的高低，下列说法正确的是 （ ）
A．沿电场线方向电势逐渐降低 B．电势降低的方向一定是电场线的方向
C．正电荷在只受电场力作用下，一定向电势低的地方运动
D．负电荷在只受电场力的作用下，由静止释放，一定向电势高的地方运动
2．在静电场中，下列说法正确的是 （ ）
A．电场强度处处为零的区域内，电势也一定处处为零
B．电场强度处处相同的区域内，电势也一定处处相同
C．电场强度的方向总是跟等势面垂直的
D．沿着电场强度的方向，电势总是不断降低的
3．下列关于电场性质的说法，正确的是 ( )
A．电场强度大的地方，电场线一定密，电势也一定高
B．电场强度大的地方，电场线一定密，但电势不一定高
C．电场强度为零的地方，电势一定为零
D．电势为零的地方，电场强度一定为零
4．关于电势与电势能的说法，正确的是 ( )
A．电荷在电势越高的地方，电势能也越大
B．电荷在电势越高的地方，它的电荷量越大，所具有的电势能也越大
C．在正点电荷的电场中任一点，正电荷所具有的电势能一定大于负电荷所具有的电势能
D．在负点电荷的电场中任一点，正电荷所具有的电势能一定小于负电荷所具有的电势能
B组（中等难度）
5．外力克服电场力对电荷做功时 ( )
A．电荷的运动动能一定增大 B．电荷的运动动能一定减小
C．电荷一定从电势能大处移到电势能小处 D．电荷一定从电势能小处移到电势能大处
6.电场线分布如图4-练1所示，电场中a，b两点的电场强度大小分别为已知和，电势分别为和，则
(A) ， (B) ，
图4-练1
(C) ， (D) ，
图4-练2
7. 如图4-练2，带正电的点电荷固定于Q点，电子在库仑力作用下，做以Q为焦点的椭圆运动。M、P、N为椭圆上的三点，P点是轨道上离Q最近的点。电子在从M点经过P到达N点的过程中（ ）
A．速率先增大后减小 B．速率先减小后增大
C.电势能先减小后增大 D．电势能先增大后减小
C组（较高难度）
8．（10天津卷）在静电场中，将一正电荷从a点移到b点，电场力做了负功，则（ ）
A．b点的电场强度一定比a点大 B．电场线方向一定从b指向a
C．b点的电势一定比a点高 D．该电荷的动能一定减小
A
0
l
图4-练3
9. A、B是一条电场线上的两点，若在A点释放一初速为零的电子，电子仅受电场力作用，并沿电场线从A运动到B，其速度随时间变化的规律如图4-练3所示．设A、B两点的电场强度分别为EA、EB，电势分别为UA、UB，则（ ）
（A）EA = EB ． （B）EA＜EB．
（C）UA = UB （D）UA＜UB ．
图4-练4
10.某静电场的电场线分布如图4-练4所示，图中P、Q两点的电场强度的大小分别为EP和EQ，电势分别为φP和φQ，则
A．EP＞EQ，φP＞φQ
B．EP＞EQ，φP＜φQ
C．EP＜EQ，φP＞φQ
D．EP＜EQ，φP＜φQ
11.位于A、B处的两个带有不等量负电的点电荷在平面内电势分布如图4-练5所示，图中实线表示等势线，则（ ）
图4-练5
（A）a点和b点的电场强度相同
（B）正电荷从c点移到d点，电场力做正功
（C）负电荷从a点移到c点，电场力做正功
（D）正电荷从e点沿图中虚线移到f点，电势能先减小后增大
六．课后作业
阅读《高中新课程学生自主学习丛书·物理选修3-1》第11—13页内容和例题，完成1—9题
教学评价
可评价的学习要素
活动1：学生能写出各种情况做的功，并填入表格。
评价方法：学生互评
评价指标：正确写出做功的表达式，总结做功的特点
活动2：找出一个或几个相同和不同点并填入表格。
评价方法：教师现场评价，学生互评。
评价指标：能找出一个相同或不同点即可。
活动3：能对电场和重力场的几个量进行类比。
评价方法：教师现场评价，学生互评。
评价指标：能说出一组量即可。
活动4：观察图，说出等势面和等高线的相似之处。
评价方法：教师现场评价，学生互评。
评价指标：说出相似之处。有意思即可。
活动5：正确理解正负，并能举例说明大小关系。
评价方法：教师现场评价，学生互评。
评价指标：能举出实例说明大小关系。
活动6：归纳总结轨迹类问题的特点和一般解决方法。
评价方法：教师现场评价，学生互评。
评价指标：能说出一个特点及以上并给出一般解决方法。
活动7：习题解答
评价方法：教师现场评价，学生互评。
评价指标：（1）各选项正误的判断。（2）判断的依据。
实施方案
教学材料
电场力做功特点和做功正负的判断
1．对电场力做功特点的理解
(1)电场力对电荷所做的功，与电荷的初末位置有关，与电荷经过的路径无关．该结论既适用于匀强电场又适用于非匀强电场，即适用于任何静电场．
(2)无论带电体在电场中做直线运动还是做曲线运动，无论带电体只受电场力作用还是受多个力作用，无论电场力做正功还是做负功,电场力做功的特点不变．
2．电场力做功正负的判断
(1)根据电场力和位移的方向夹角判断．夹角为锐角电场力做正功，夹角为钝角电场力做负功，夹角等于90°，电场力不做功．
(2)根据电场力和瞬时速度方向的夹角判断．夹角是锐角电场力做正功，夹角是钝角电场力做负功，电场力和瞬时速度方向垂直电场力不做功．
(3)根据电势能的变化情况判断．若电势能增加，则电场力做负功；若电势能减小，则电场力做正功，若电势能不变，则电场力不做功．
(4)若物体只受静电力作用，可根据动能的变化情况判断．若物体的动能增加，则电场力做正功，若物体的动能减少，则电场力做负功，若动能不变，则电场力不做功．
特别提醒：静电力做功和重力做功尽管有很多相似特点，但因为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以产生引力，也可以产生斥力，所以计算电场力的功时要注意电荷的电性，移动的方向,场强的方向等,以便正确确定功的正负．
使用说明：
一、成功之处：
（1）采用类比的方法，使学生易于理解。充分利用了多媒体。
（2）学生活动较多，学会归纳总结的方法。
二、遗憾之处：
（1）本节的内容倾向于理论探究，有些内容对学生来说过于抽象。
（2）本节内容较多，分为两课时进行。需要到网上查询的内容，部分只能在课下进行。
（3）课后作业量较大。
三、设计意图说明：
(1)本节课概念比较多，且较为抽象，因此多采用与重力场的类比法。
（2）各概念之间都有联系，功与电势能，电势能与电势，电势与等势面，电场线与等势线，因此本节课也有意识地引导学生进行归纳比较分析，培养学生的归纳综合能力。
路径
做功
直线
W＝F|AB|＝qE|AB|
倾斜直线
W＝F|AB|csθ＝qE|AB|
曲线
W＝W1+W2+W3+…… 其中F＝qE|AM|
相同点
不同点
矢量、标量
正负
比较大小(例)
电场力做功
标量
不代表大小
W1=－5J Ｗ2=3J W1>W2
电势能
标量
代表大小
Ep1=－3J Ep2=－1J Ep1< Ep2
电势
标量
代表大小
φ1=－1v φ2=－3v φ1>φ2
课时5、6：电势能和电势 （共2课时）
学生年级 、班级
高二（1、7）班
学生人数
52×2
规划项目
具体内容
实施前
教学环境
计算机网络教室，探究实验室。可上网，安装有Office软件。
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学生知识技能要求
对重力场有很好的理解，电场强度，库仑定律。
教学条件准备
1.调节好多媒体设备
2.通知学生上课时间、地点及课前的准备。
3.学生分组及座次安排表
评价要求
出示活动的评价要素
实施中
情境导入
多媒体课件展示几种运动路径。
分组讨论
电场力做功有什么特点？
理论探究
活动1：探究电场力做功的特点。
组织交流与共享
电场力做功有什么特点？与重力做功有什么相似之处？
指导学习
做功的过程是一个能量转化的过程，那么电场力做功的过程是什么能转化为什么能呢？
理论探究
活动2：探究电场力做功与电势能变化的关系。
指导深入学习
多媒体课件辅助讲解并得出重力做功、重力势能变化与电场力做功、电势能的变化的相同点和不同点
理论探究
活动3：探究电势
多媒体课件辅助讲解，类比电势与高度。
理论探究
活动4：探究等高线与等势面的关系。
指导深入学习
1．多媒体课件辅助讲解，等高线与等势面，用类比的方法理解等势面。
2．归纳总结等势面与电场线的关系。
理论探究
活动5：探究各个量的正负问题
指导学习
总结归纳并完成表格。
理论探究
活动6：带电粒子在电场中运动的轨迹类问题
指导学习
总结归纳特点及方法。
知识内化
1.类比的方法研究问题。
2.指导学生学会自主学习。
练习与巩固
完成当堂练习题
A组 1.AD 2.CD 3.B 4.CD
B组 5.D 6.C 7.AC
C组 8.C 9.AD 10.A 11.CD
布置课后巩固题
见《高中新课程学生自主学习丛书·物理选修3-1》第11—13页内容、例题和习题。
A组：1-4题
B组：5-8题
C组：9题
答案见120页
实施后
各小组学习成果评价
教师总评价各小组成员的学习成果。
小组成员评价
请各小组长根据评价要素对小组成员打分。收交各小组的各项评价打分。
思考下一课时的开展
根据本课时实施效果，计划下阶段教学安排，确定是否布置任务：
预习教材第20页第5节、《高中新课程学生自主学习丛书·物理选修3-1》第14—16页。下节课仍在多媒体教室。