高中物理1 电势能和电势一等奖课件ppt

10.1 电势能和电势

教学目标与核心素养

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。

教学重难点

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

【新课引入】

如图，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 。

物体动能加了，必定由另一种形式的能量转化而来。这是一种什么形式的能量转化为动能？

这就是我们今天要学的电势能的知识。

上一章我们是从力的角度研究电场的性质，这一章我们要从能的角度来研究电场的性质。

【新知探究】

一、静电力做功的特点 

1. 重力和静电力的对比

(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

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？

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沿直线A-B运动：

WAB ＝Fcosθ|AB|＝qEcosθ|AB|

＝ qE|AM|

②沿折线A-M-B运动： 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 所做的功为：

WAMB = W1 + W2= q E·|AM|

③沿曲线A-N-B运动：

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，静电力不做功，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。

二、电势能

 1. 电势能

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。

电势能：电荷在电场中具有的势能。用Ep 表示，电势能是标量。电势能的大小由什么决定呢?

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.电势能的变化与电场力做功的关系

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变化量的负值，即：

WAB=EpA- EpB= -ΔEpBA

 3. 电势能的数值

(1) 电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该处移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。

也可以规定某点或面为零势能参考面。

【例1】将带电量为6×10-6C的负电荷从电场中的A点移到B点，克服电场力做了3×10-5J的功，再从B移到C，电场力做了1.2×10-5J的功，则

(1) 电荷从A移到B，再从B移到C的过程中电势能共改变了多少？

增加了?. ? × ??−?J

(2) 如果规定A点的电势能为零，则该电荷在B点和C点的电势能分别为多少？

???  = ? × ??−?J ??? = ?. ? × ??−?J

(3) 如果规定B点的电势能为零，则该电荷在A点和C点的电势能分别为多少？

??? = −? × ??−?J      ??? = −?. ? × ??−?J

归纳小结：

(3)电势能是电荷和电场所共有的，具有系统性。

(4)电势能是相对的，与零势能面的选择有关。

(5)电势能是标量

电势能为负表示电荷在该处的电势能比零还要小

4.重力势能和电势能类比

思考与分析：

(1) 正电荷顺电场线移动，电势能如何变化？减小

(2)负电荷顺电场线移动，电势能如何变化？增大

(3)正电荷逆电场线移动，电势能如何变化？增大

(4)负电荷逆电场线移动，电势能如何变化？减小

【例2】下列说法中，正确的是（BC ）

A.把两个同种点电荷间的距离增大一些，电荷的电势能一定增加

B.把两个同种点电荷间的距离减小一些，电荷的电势能一定增加

C.把两个异种点电荷间的距离增大一些，电荷的电势能一定增加

D.把两个异种点电荷间的距离减小一些，电荷的电势能一定增加

三、电势

【情景1】 如图，匀强电场场强大小100N/C，OA、AB距离L均为1m，完成并讨论以下问题：

(1) 分别求出将+1C、+2C、+3C点电荷从A点移到O点电场力做功；

由??? = −??? 知：???? = −????、????  = −????、???? = −???J

(2) 若规定O点为零势能面，分别求出三个点电荷在A点的电势能；

由??? = ??? − ???知：??? = −????、??? = −????、??? = −????

(3) 算出每个点电荷在A点的电势能与其电荷量的比值，并归纳有什么规律？

由??/? 知三个电荷在该处电势能与电荷的比值均是-100V

归纳小结：

电势能跟电荷量的比值??/?，是一个与q无关，仅与电场及A点的位置有关的量。

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。我们把这个比值定义为电势。

1.定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值叫电势。

2.公式： 单位：伏特(V)     1 V = 1 J/C

3.物理意义：描述电场的能的性质的物理量。

4.相对性：通常取离场源电荷无限远或大地为零电势，也可以取某点为零电势与电势能相对应，只有规定了零势点之后，才能确定电场中各点的电势。

5.标量

电势是标量，只有大小没有方向，但有正负值，

正值表示该点电势比零电势高，负值表示该点电势比零电势低。

6.固有属性：某点电势的大小由电场本身性质决定，与放不放电荷及放何种电荷无关

7.电势高低的判断:

【情景2】 如图，匀强电场场强大小100N/C，OA、AB距离L均为1m，完成下列练习，并讨论以下问题：

(1) 求出将+1C点电荷从B点移到O点电场力做功；

由??? = −???? 知：??? = −????

(2) 若规定O点为零电势，求点电荷在B点的电势能；

由??? = ??? − ???知：??? = −????

(3) 出B点的电势，并与A点的电势对比，分析沿电场线方向电势如何变化？

由? =??/? 知B点的电势为-200V，而A电势为-100V。沿电场线方向电势降低！

结论：沿电场线方向电势降低！

8.取无穷远处为零电势，则正电荷周围各点电势为正，负电荷周围各点电势为负.

【例3】下列叙述正确的是 ( C D )

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

【例4】关于静电场的描述正确的是（ D ）

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

【例5】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（ C              ）

A．Ea＞Eb＞Ec          B．Ea=Eb=Ec

C．φa＞φb＞φc          D．φa=φb=φc

【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：沿电场线方向电势降低！

5.两个十分重要的结论：

电场力做正功，电势能减小；电场力做负功，电势能增大。正电荷在电势高处电势能大，负电荷在电势低处电势能大。

【随堂演练】

1.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              ）

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

2. 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。

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。

 3.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

解析：

(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 。