2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理必修3 第10章静电场中的能量10.1电势能和电势(1)课件

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电势能和电势　1.静电力做功的特点:在静电场中移动电荷时,静电力做的功与电荷的_____位置和_____位置有关,与电荷经过的_____无关,这跟重力做功的特点类似.起始终止路径2.电势能:任务驱动　重力做功与路径无关,电场力做功也与路径无关,重力与电场力存在着相似的性质.重力做功引起了重力势能的变化,电场力做功会引起什么能的变化?提示:电场力做功会引起电势能的变化.(1)定义:电荷在电场中所具有的_____,单位是焦耳(J).(2)标矢性:电势能是_____,但有正、负之分.当电荷的电势能为正值时,表示比电荷在零电势能位置的电势能___;为负值时,表示比电荷在零电势能位置的电势能___.势能标量大小(3)相对性:电势能是相对的,只有当_________位置确定以后,电荷在电场中某点的电势能才有确定的值.通常规定:电荷在大地表面或_________的电势能为零.零电势能无穷远处(4)静电力做功与电势能变化的关系:静电力做的功等于_______的减少量.电荷在某点的电势能等于把它从这点移到_______位置时静电力做的功.(5)电势能变化:同一电场中,在同样的两点间,移动正电荷与移动负电荷,电荷的电势能的增减是_____的.电势能零势能相反3.电势:(1)定义:电场中某一点的电势等于电荷在该点的_______与它的_______的比值.(2)公式:________.(3)单位:国际单位制中,电势的单位是_____,符号是V,1 V= ______. 电势能电荷量伏特1 J/C(4)特点.①相对性:电场中各点电势的高低,与所选取的_______的位置有关,一般情况下取_______或大地为零电势位置.②标矢性:电势是标量,只有大小,没有_____,但有_____.零电势无穷远方向正负③固有性:电势是表示电场_____属性的一个物理量,在电场中某点电势的高低由_________决定,与在该点是否有试探电荷、电荷的电性、电荷量_____.(5)与电场线关系:沿电场线方向电势_____得最快.能量电场本身无关降低4.等势面:(1)定义:电场中_____相同的各点构成的面.(2)等势面特点.①沿同一等势面移动电荷,静电力_______.②等势面一定和电场线(或电场强度方向)_____.电势不做功垂直(3)等势面的形状如图所示.主题一　静电力做功的特点　电势能【问题探究】如图所示: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点运到B点.试结合上述情景,讨论下列问题:(1)分别计算甲、乙、丙三图中静电力对电荷做功的多少.提示:可以根据功的公式W=FLcosθ计算出各种情况下电场力做的功.①图甲中,静电力对电荷所做的功W=F·|AB|=qE·|AB|=qE·|AM|.②图乙中,静电力对电荷所做的功W=F·cosθ|AB| =qE·|AM|.③图丙中,用无数组跟静电力垂直和平行的折线来逼近曲线ANB,与静电力平行的短折线的长度之和等于|AM|,因此静电力对电荷所做的功W=W1+W2+W3+…=qE·|AM|.(2)通过问题(1)中三种情况下的做功的数据,请总结静电力做功的特点.提示:静电力做的功只与电荷的起始位置和终止位置有关,与电荷经过的路径无关.(3)结合图甲,类比重力做功与重力势能的关系,思考静电力做功与电势能有什么关系.提示:在图甲中,正电荷从A移到B静电力做正功,电势能减少,正电荷从B移到A静电力做负功,电势能增加.重力做的功等于重力势能的减少量,即WG=EpA-EpB.类似地,静电力做功与电势能的关系为:静电力做功等于电势能的减少量,即WAB=EpA-EpB.【探究总结】1.静电力做功的特点:(1)静电力对电荷所做的功与电荷的起始位置和终止位置有关,而与电荷经过的路径无关.该结论不仅适用于匀强电场,而且适用于非匀强电场.(2)在匀强电场中,电场力做的功为W=qEd,其中d为沿电场线方向的位移.(3)电场力和瞬时速度方向的夹角为锐角时电场力做正功,夹角为钝角时做负功.2.电势能的性质:(1)系统性:电势能由电场和电荷共同决定,但我们习惯说成是电场中的电荷所具有的电势能.(2)相对性:电势能是一个相对量,其数值与零势能点的选取有关.(3)标量性:电势能是标量,有正负、无方向.电势能为正值表示电势能大于在参考点的电势能,电势能为负值表示电势能小于在参考点的电势能.【拓展延伸】1.重力势能与电势能类比:2.电场力做功与电势能变化的关系:WAB=EPA-EPB,电场做正功,电势能减小;电场力做负功,电势能增加.【典例示范】　在电场中,把电荷量为4×10-9 C的正点电荷从A点移到B点,克服静电力做功6×10-8 J,以下说法中正确的是 (　　)A.电荷在B点具有的电势能是6×10-8 JB.B点的电势是15 VC.电荷的电势能增加了6×10-8 JD.电荷的电势能减少了6×10-8 J【解析】选C.电荷在电场中某点的电势能具有相对性,只有确定零势能点,B点的电势、电势能才有确定的值,所以A、B错.克服静电力做功6×10-8 J,则电势能增加了6×10-8 J,所以C对,D错.【规律方法】电势能增减的判断方法(1)做功判断法:无论正、负电荷,电场力做正功,电势能就减小,电场力做负功,电势能就增大.(2)由公式Ep=qφ判断:设φA>φB,当q>0时,qφA>qφB,即EpA>EpB.当q<0时,qφA ;而 =Elcosθ, =Elcosθ,所以两者电势能与电荷量的比值的大小相等,我们将这一比值称为该点的电势.(2)在上图中,设AO在电场方向的投影为A′O,则A点的电势φA=Elcosθ=E·A′O,如图所示,结合(1)中结论分析AA′上任意一点P的电势是多少,由此得出什么结论?提示:由(1)中结论知:P点的电势φP=E·POcosθ′ =E·A′O=φA,由此可得AA′上各点的电势都相等,即在匀强电场中,垂直于电场方向上的同一平面(或直线)上各点电势都相等,称为等势面(或等势线).【探究总结】1.几种典型电场的等势面:2.等势面的特点和应用:(1)特点.①在同一等势面内任意两点间移动电荷时,静电力不做功.②空间两等势面不相交.③电场线总是和等势面垂直,且从电势较高的等势面指向电势较低的等势面.④在电场线密集的地方,等差等势面密集.在电场线稀疏的地方,等差等势面稀疏.⑤等势面是虚拟的,是为描述电场的性质而假想的面.(2)应用.①由等势面可以判断电场中各点电势的高低.②由等势面可以判断电荷在电场中移动时静电力做功的情况.③由于等势面和电场线垂直,已知等势面的形状分布,可以绘制电场线,从而确定电场大体分布.④由等差等势面的疏密,可以定性地比较其中两点场强的大小.【拓展延伸】电势和电场强度的比较: 【典例示范】　如图所示,实线表示某电场的电场线(方向未标出),虚线是一带负电的粒子只在电场力作用下的运动轨迹,设M点和N点的电势分别为φM、φN,粒子在M点和N点时加速度大小分别为aM、aN,速度大小分别为vM、vN,电势能分别为EpM、EpN.下列判断正确的是 (　　)A.vMvN,EpMφN.若粒子从N运动到M,则根据带电粒子所受电场力指向轨迹弯曲的内侧,可知在某点的电场力方向和速度方向如图乙所示,故电场力做正功,电势能减小,动能增大,即vM>vN,EpMφN.综上所述,D正确. 【探究训练】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面,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>φ1【解析】选A.本题所涉及的是带等量异种电荷周围的电场线和等势面,先画出等量异种点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.A正确.【补偿训练】1.(多选)如图所示,在x轴上相距为L的两点固定两个等量异种点电荷+Q、-Q,虚线是以+Q所在点为圆心、 为半径的圆,a、b、c、d是圆上的四个点,其中a、c两点在x轴上,b、d两点关于x轴对称.下列判断正确的是 (　　) A.b、d两点处的电势相同B.四个点中c点处的电势最低C.b、d两点处的电场强度相同D.将一试探电荷+q沿圆周由a点移至c点,+q的电势能减小【解析】选A、B、D.根据等量异种点电荷电场线及等势线的分布可知,b、d两点电势相同,电场强度大小相等、方向不同,选项A对,C错.c点电势为0,由a经b到c,电势越来越低,正电荷由a经b到c电势能越来越小,选项B、D对.2.下列四个图中,a、b两点电势相等、电场强度也相等的是(　　)【解析】选D.匀强电场的等差等势面是垂直于电场线的一簇等间距的平行平面,A中a、b两点不在同一等势面上,所以,这两点的电势是不相等的,但这两点的场强相等;B中a、b两点在同一个等势面上,电势相等,但这两点的场强大小相等、方向不同;C中a、b两点对称于两电荷的连线,所以电势相等,但在中垂线上场强的方向是平行于中垂线的,而且都指向外侧,故两点场强的方向不同;在D中,a、b两点的电势相等,场强的方向是平行于两电荷连线方向的,而且方向相同.故选D.3.(多选)如图所示,真空中M、N处分别放置两等量异种电荷,a、b、c表示电场中的3条等势线,d点和e点位于a等势线上,f点位于c等势线上,df平行于MN.以下说法正确的是 (　　)A.d点的电势高于f点的电势B.d点的电势与e点的电势相等C.若将一负试探电荷沿直线由d点移动到f点,则电场力先做正功、后做负功D.若将一正试探电荷沿直线由d点移动到e点,试探电荷的电势能增加【解析】选A、B.电场线从M指向N,而沿电场方向电势降低,所以d点的电势高于f点的电势,A正确;d点和e点在同一条等势线上,所以两点电势相等,B正确;若将一负试探电荷沿直线由d点移动到f点,过程中电场力方向与运动方向夹角为钝角,所以电场力一直做负功,C错误;若将一正试探电荷沿直线由d点移动到e点,过程始末试探电荷的电势相等,所以电场力做功为零,电势能不变,D错误.4.某静电场的电场线分布如图所示,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>φQB.EP>EQ,φP<φQC.EPφQD.EPEQ,沿电场线的方向电势降低,φP>φQ.