高中物理第十章 静电场中的能量2 电势差教课内容ppt课件

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一、电势差1．定义：在电场中，两点之间电势的____叫作电势差，电势差也叫作_____．2．公式：设电场中A点的电势为φA，B点的电势为φB，则它们之间的电势差可以表示为UAB＝φA－φB注意下标顺序，也可以表示为UBA＝________．所以UAB＝－UBA．初位置减去末位置　 3．电势差的正负：电势差可以是_____值，也可以是_____值．
二、等势面1．等势面：在电场中________的各点构成的面．2．电场线与等势面的关系：电场线跟等势面________，并且由电势________的等势面指向电势________的等势面．
【情境思考】如图所示为雷雨天一避雷针周围电场的等势面分布情况，在等势面中有A、B、C三点，其中A、B两点位置关于避雷针对称．判断以下问题．(1)C点的电场强度大于B点的电场强度．(　　)(2)正电荷在C点的电势能小于在B点的电势能．(　　)(3)负电荷从C点移动到A点，电场力做正功．(　　)
拓展 1　类比“高度差”学习 “电势差”把位置中两点间的高度差与电场中两点间的电势差进行比较，得到高度和电势都具有相对性，与参考点的选取有关，但高度差和电势差却保持不变(与参考点的选取无关)的结论． 
拓展3　等势面的应用实际中测量电势比测定场强容易，所以常用等势面研究电场，先测绘出等势面的形状和分布，再依据电场线与等势面处处垂直，绘出电场线分布，从而得到所研究电场的基本情况．
目标一　电势差的理解【导思】　对吊脚楼进行测量，如图所示．(1)如果测量起点改变，则吊脚楼上A点和B点的高度是否也相应改变？A、B两点的高度差h变化吗？(2)同理，在电场中，选择不同的位置作为零电势点，电场中同一点的电势怎样变化？电场中两点间电势的差值怎样变化？
选择不同的测量起点时，同一地方的高度往往不同，但两个地方的高度差不会因测量起点的不同而变化．
与此类似，在电场中零电势点的选取不同，某点的电势会不同，但两点间的电势差不会改变．电势差没有相对性，与零电势点位置无关．
【归纳】1．电势差的理解(1)电势差反映了电场的能的性质，决定于电场本身，与试探电荷无关．(2)电势差可以是正值也可以是负值，电势差的正负表示两点电势的高低；UAB＝－UBA，与零电势点的选取无关．(3)电场中某点的电势在数值上等于该点与零电势点之间的电势差．
2．电势和电势差的比较
【典例】例1. (多选)关于电势差UAB和电势φA、φB的理解，正确的是(　　)A．电势与电势差均是相对量，均与零电势点的选取有关B．UAB和UBA是不同的，它们存在关系：UAB＝－UBAC．φA、φB都有正、负，所以电势是矢量D．若φB＝0，则φA＝UAB
解析：电势差与零电势点的选取无关，A错误；UAB＝－UBA，B正确；电势虽有正、负之分，但电势是标量，C错误；由UAB＝φA－φB知，若φB＝0，则φA＝UAB，D正确．
[训练1]　如图所示，如果B板接地(取大地的电势为零)，则A板电势为8 V，M点电势为6 V，N点电势为2 V.(1)求M、N两点间的电势差；(2)若改为A板接地，则B、M、N三点的电势和M、N两点间的电势差分别是多大？
－8 V　－2 V　－6 V　4 V
析：(1)M、N两点间的电势差UMN＝φM－φN＝4 V.(2)若B板接地UAB＝8 V若A板接地，则根据UAB＝φA－φB得φB＝－UAB＝UBA＝－8 VM、N两点的电势φM＝UMA＝－2 V，φN＝UNA＝－6 V，UMN＝φM－φN＝4 V.
目标二　电场力做功和电势差的关系【归纳】1．静电力做功的四种求法
【典例】例2. 一个电荷量为10－6 C的负电荷从电场中A点移到B点，电场力要做功2×10－6 J，从C点移到D点，要克服电场力做功7×10－6 J．若已知C点比B点电势高3 V，且A、B、C、D四点在同一条电场线上，则下列图中可能正确的是(　　)
思维提升 静电场中功能关系问题的三种情况(1)合力做功等于物体动能的变化量，即W合＝ΔEk.这里的W合指合外力做的功．(2)电场力做功决定物体电势能的变化量，即WAB＝EpA－EpB＝－ΔEp.这与重力做功和重力势能变化之间的关系类似．(3)只有电场力做功时，带电体电势能与动能的总量不变，即Ep1＋Ek1＝Ep2＋Ek2.这与只有重力做功时，物体的机械能守恒类似． 
[训练2]　 如图所示，真空中xOy坐标系平面内有以O为圆心的两个同心圆，分别与坐标轴交于a、b、c、d和e、f、g、h；在a、c两点固定两个正点电荷，b、d两点固定两个负点电荷，且四个点电荷所带电荷量相等．下列说法正确的是(　　)A．g、f两点的电场强度相同B．e、h两点的电场强度相同C．将质子从O移到f电场力做负功D．将电子从O移到e电场力做正功
解析：根据电场叠加原理可知，两个等量正电荷在f点的合场强方向沿y轴负方向，两个等量负电荷在f点合场强沿y轴负方向，所以合场强方向沿y轴负方向，同理可得在g点合场强方向沿y轴正方向，因此场强方向相反，A错误；根据电场叠加原理可知，e、h两点的电场强度大小相同，方向相反，B错误；因为φO>φf，UOf＝φO－φf>0，将质子从O移到f电场力做功WOf＝eUOf>0，将质子从O移到f电场力做正功，C错误；因为φO<φe，UOe＝φO－φe<0，将电子从O移到e电场力做功WOe＝－eUOe>0，将电子从O移到e电场力做正功，D正确．
目标三　等势面的特点及应用【导思】　当电荷从同一等势面上的A点移到B点．电荷的电势能是否变化？静电力做功情况如何？
提示：电势能不变；静电力做功为零．
【归纳】1．等势面的特点及应用(1)在同一个等势面上移动电荷时，静电力不做功，电荷的电势能不变．(2)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，由此可以绘制电场线，从而可以确定电场的大致分布．(3)等差等势面密的地方，电场较强；等差等势面疏的地方，电场较弱，由等差等势面的疏密可以定性分析电场强度的大小．(4)任意两个等势面都不相交．
2．几种常见电场的等势面
【典例】 例4. 如图所示，实线为一正点电荷的电场线，虚线为其等势面．A、B是同一等势面上的两点，C为另一等势面上的一点．下列判断正确的是(　　)A．A点场强与B点场强相同B．C点电势高于B点电势C．将电子从A点沿虚线移到B点，静电力不做功D．将质子从A点移到C点，其电势能增加
解析：A、B两点场强大小相等、方向不同，A项错误；A、B两点电势相等，均高于C点电势，B项错误；A、B在同一等势面上，将电子从A点沿虚线移到B点，电势能不变，静电力不做功，C项正确；由于φA>φC，质子带正电，故质子由A点移到C点，其电势能减少，D项错误．
例5. 点电荷Q1、Q2产生的静电场的等势面与纸面的交线如图中实线所示，图中标在等势面上的数值分别表示该等势面的电势．a、b、c、d、e、f等表示等势面上的点，下列说法正确的有(　　)A．位于d点的点电荷不受静电力作用B．a点的电场强度与b点的电场强度大小一定相等C．把电荷量为q的正电荷先从b点移到d点，再从d点移到f点，静电力做的总功为零D．把单位正电荷从e点移到c点过程中，静电力做的功等于2 kJ
解析：位于d点的位置电场线的方向垂直于等势面向左，电场强度不为零，所以点电荷受静电力作用，故A错误；a点处的等差等势面比b点处的等差等势面密，所以a点处的电场强度大，故B错误；从题图中可以看到b点的电势低于d点，d点的电势又低于f点的电势，所以把电荷量为q的正电荷先从b点移到d点，再从d点移到f点，静电力做负功，故C错误；从题图中可以看到Uec＝φe－φc＝[1－(－1)] kV＝2 kV，所以把单位正电荷从e点移到c点过程中，静电力做的功等于2 kJ，故D正确．
思维提升(1)已知等势面的情况时，可作等势面的垂线来确定电场线，并由“电势降低”的方向确定电场线方向．(2)已知电场线时，可作电场线的垂线来确定等势面，并由“沿电场线方向电势降低”确定等势面的电势高低．
[训练4]　小强在学习了《静电场及其应用》一章后，来到实验室研究如图所示的电场，实线和虚线分别表示该电场的电场线和等势线．若a、b两点所处的等势线电势为0，相邻等势线间的电势差为2 V，则下列说法正确的是(　　)A．a点电场强度等于b点电场强度B．c、b两点间的电势差大于c、a两点间的电势差C．电子在c点具有的电势能为20 eVD．若将一电子在d点由静止释放，则只在电场力作用下运动至c点对应等势线时，具有的动能为2 eV
解析：a点电场线较b点密集，a点电场强度大于b点电场强度，故A错误；a、b两点在同一等势面上，c、b两点间的电势差等于c、a两点间的电势差，故B错误；电子在c点具有的电势能为－20 eV，故C错误；电子在d点由静止释放，运动至c点对应等势线时，电场力做功2 eV，电子的电势能减少2 eV，动能增加2 eV，故D正确．
[训练5]　一对等量正点电荷产生的电场的电场线(实线)和等势面(虚线)如图所示，图中A、B两点电场强度分别是EA、EB，电势分别是φA、φB，负电荷q在A、B两点时的电势能分别是EpA、EpB.下列判断正确的是(　　) A．EA>EB，φA>φB，EpAEB，φA<φB，EpAφB，EpA>EpBD．EAEpB
解析：A处电场线比B处密集，故EA>EB；离正电荷越近电势越高，故φA>φB；负电荷在A、B处的电势能EpA1．(多选)下列关于电势差和静电力做功的说法，正确的是(　　)A．电势差的大小由静电力在两点间移动电荷做的功和电荷的电荷量决定B．静电力在两点间移动某电荷做功的多少由两点间的电势差和该电荷的电荷量决定C．电势差是矢量，静电力做的功是标量D．在匀强电场中与电场线垂直的平面上任意两点的电势差均为零
解析：电势差表征电场的能的性质，与试探电荷无关，A错误；由W＝qU可知，B正确；电势差和静电力做的功都是标量，C错误；匀强电场中与电场线垂直的平面为等势面，等势面上任意两点的电势差为0，D正确．
2．如图所示，虚线a、b、c代表电场中的三个等势面，相邻等势面之间的电势差相等，即Uab＝Ubc，实线为一带正电的质点仅在静电力作用下通过该区域时的运动轨迹，P、Q是这条轨迹上的两点，据此可知(　　)A．三个等势面中，c的电势最高B．带电质点通过P点时的电势能较小C．带电质点通过P点时的动能较大D．带电质点通过P点时的加速度较大
解析：电荷所受静电力指向轨迹内侧，由于电荷带正电，因此电场线垂直等势面指向右下方，沿电场线电势降低，故c等势线的电势最低，a等势线的电势最高，故A错误；根据质点受力情况可知，从P到Q过程中静电力做正功，动能增大，电势能减小，故P点的电势能大于Q点的电势能，P点的动能小于Q点的动能，故B、C错误；由于相邻等势面之间的电势差相等，等势线密的地方电场线密、场强大，故P点位置的电场强，静电力大，加速度也大，故D正确．
3．电场中A、B两点间的电势差UAB＝75 V，B、C两点间的电势差UBC＝－200 V，则A、B、C三点的电势高低关系为(　　)A．φA>φB>φC B．φA<φC<φBC．φC>φA>φB D．φC>φB>φA
解析：UAB＝75 V，φA－φB＝75 V，φA＝φB＋75 V；UBC＝－200 V，φB－φC＝－200 V，φC＝φB＋200 V，故φC>φA>φB，故选C.
4．2022年2月，中国科学家通过冷冻电镜捕捉到新冠病毒表面S蛋白与人体细胞表面ACE2蛋白的结合过程，首次揭开了新冠病毒入侵人体的神秘面纱．如图所示为双透镜电子显微镜内电场中等势面的分布图．虚线为等势面，实线为电子枪射出的电子仅在静电力作用下的轨迹，a、b、c、d为轨迹上四点，下列说法正确的是(　　)A．电子从a到d一直做加速运动B．电子从a到b和从c到d电场力做功相同C．电子在a点和在d点速度相同D．电子从b到c电势能先减小后增大
解析：根据题意电子从a到b时，电势能减小，电场力做正功，从c到d时，电势能增大，电场力做负功，所以电子从a到d电势能先减小后增大．由动能与电势能总和守恒，可得动能先增大后减小，即速度先增大后减小，A、B错误．运动轨迹某点的切线方向表示速度方向，根据图像可得电子在a点和在d点速度方向不同，C错误．电场力方向与等势线垂直，同时根据图中电子的运动轨迹可知在b点时，电场力做正功，在c点时电场力做负功，可得电子从b到c电势能先减小后增大，D正确．
5．如图为两点电荷Q、Q′位于x轴上，相邻等势面的电势差为3 V．若x轴上的M点和N点位于0 V等势面上，P为等势面上一点，则以下说法不正确的是(　　)A．N点的电场强度比M点的大B．Q与Q′均为正电荷C．M点与N点的电场方向相反D．将一电子从P点移至M点，电子克服静电力做功12 eV