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高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电势能和电势教学设计
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电势能和电势教学设计，共8页。教案主要包含了新课引入，新课教学，电势等内容，欢迎下载使用。
〖教材分析〗
本节内容有助于学生理解电场中能量的性质。电势能、电势的概念非常抽象，理解难度大，是本章的重点，也是学生的难点。本节处在电场强度之后，并且学好本节内容为以后的电势差、电功、电动势、磁场中的能量转化奠定一定的基础；同时，本节内容也是对功能关系的补充和完善。因此本节内容具有承上启下，补充完善的地位。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：树立能量观念，理解电势能的概念，知道静电力做功与路径无关；理解静电力做功与电势能变化的关系，运用能量的观点去分析问题。
科学思维：在探究静电力做功的特点过程中再次领悟微元分割法的精妙之处，理解静电力做的的特点。
科学探究：通过与重力势能类比的方法对电势能进行研究，推导出电势能与静电力做功的关系。
科学态度与责任：渗透在探究过程中体验解决问题的成功喜悦，发挥学生空间想象能力，激发学生探索自然规律的兴趣。
〖教学重点与难点〗
重点：理解掌握电势能、电势的概念及意义。
难点：掌握电势能与做功的关系，并能用此解决相关问题。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入
古代，人们用弩来加速箭，箭的速度能达到10²m/s数量级；后来，人们又在枪膛中用火药加速子弹，子弹的速度能达到103m/s数量级；而现代，人们需要用高速的微观粒子轰击另一微观粒子来进行科学研究，其速度的数量级达到107m/s，那是怎样加速的呢?
（播放弓箭和子弹动图）那么粒子怎么加速呢？带着这疑问，本节课我们一起来学习《第十章 静电场中的能量》。（板书课题）
问题导入
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，静电力做了正功WAB。由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。
从动能定理上看W=Ek2-Ek1
从能量转化上看，是什么能通过静电力做功转化为了物体的动能，肯定有能量来源的。这节课学习电势能。（板书）
二、新课教学
（一）静电力做功的特点
思考讨论
一个质量为m的物体在地面某位置所受的重力是一定的，不管它怎样运动，其所受重力的大小都等于mg，方向竖直向下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所受的静电力也是一定的，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。
重力做功的表达式是W=mgh，h是高度差。
根据做功的定义式是，功等于力乘以在力方向上发生的位移，所以静电力做功W=qEd，d是位移。
我们还知道重力做功具有跟路径无关的特点，无论怎么运动，高度差是不变的。
问题1：静电力做功是否也具有这一特点?跟他相关的能量具有什么特点呢？
要研究能量，就得先看功。
如图在电场强度为E的匀强电场中任取A、B两点，把试探电荷q沿两条不同路径从A点移动到B点，计算带点粒子在匀强电场中运动时电场力做的功。
①将试探电荷＋q从A沿直线移至B:
WAB = F·|AB| csθ= qE·|AM|
②将试探电荷＋q从A沿折线移至B:
对AM: 力与位移方向相同WAM = qE·|AM|
对MB: 垂直无功WMB = 0
对全程:WAB = WAM+ WMB= qE·|AM|
③将试探电荷+q从A沿任意曲线移至B:→微元分割法
我们用无数组跟静电力垂直和平行的折线来逼近曲线AB。垂直方向的不做功，平行方向的折线加起来等于AM，所以
W =q E·|AM|
归纳总结：三种路径，静电力做功都是一样的。
在匀强电场中移动电荷时，静电力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。
不仅如此，如果换成非匀强电场，这个结论也依然成立。
（二）电势能
这一点和重力做功非常相似。重力做功对于重力势能。电荷在电场中也具有势能，这种势能就叫做电势能。同样可以用Ep表示。
我们用EPA表示电荷在初位置A点的电势能，EPB表示电荷在末位置B点的电势能。那么功能关系是
WAB=EPA -EPB
即：W=EP初-EP末
电荷由A点运动到B的过程中功能的变化情况如下表：
它和重力有类似的功能关系。电场力做了多少正功，就有多少电势能转化为其他形式的能。电势能就减少多少。反过来电场力做负功，电势能就会增加。值得注意的是，电荷有两种，所以同一电场中，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相反的。
除了功能关系非常相似，电势能还具有和重力势能相似的性质。
①具有相对性
电势能的大小与零势能点的选取有关。就像重力势能的大小与零势能点的选取有关一样。
如果规定B点的电势能为零，根据功能关系A点的电势能就和电场力做功相等，即
EPA=WAB=qEd。
d是AM的距离。也就是说
某点的电势能，就等于把它从这一点移动到零势能位置时电场力做的功。
问题1：通常选取哪里做零势能点呢？
一般规定距离源电荷和无限远处或者大地表面的电势能是零。
除了相对性，电势能还具有系统性。
②具有系统性
正如重力势能并不是物体本身所具有的能量。而是物体与地球所共有的能量。电势能也不是孤立电荷所具有的能量。而是电荷和场源电荷所共同具有的能量。或者说是电荷与电场所共有的能量。我们说某个电荷的电势能，只是一种简略的说法。
③电势能与重力势能也有不同点。
如果把电荷换成负电荷电场力就会改变方向。移动过程中电场力做负功。于是同样规定B为零势能点，A点的电势能变为负的。也就是说A点的电势能可能比B低，也可能比B高。并不确定。
课堂练习
例1∶右图中M、N为电场中某一条电场线方向向右，在线上取两点a、b今将一电荷+q从a移到b则（ ）
A.电场力做正功，+q的电势能增加;
B.电场力做负功，+q的电势能增加;
C.电场力做正功，+q的电势能减少;
D.电场力做负功，+q的电势能减少。
解题提示：正负功的判断，抓住位移与电场力的方向。再根据功能关系即可。选C。
前面我们通过对静电力的研究，认识了电场强度。现在我们要通过对电势能的研究来认识另一个物理量——电势，它同样是表征电场性质的重要物理量。
（三）电势
如图规定电荷在O点电势能为0。
A为电场中的任意一点，电荷q在A点的电势能E，等于电荷q由A点移至O点的过程中静电力做的功。
则：EPA = qElcsθ
可见，电荷q在任意一点A的电势能E与q成正比。
所以电势能当中把电量除掉。这个比值用字母表示。称为电势。
它是由电场中该点的性质决定的，与试探电荷本身无关。
电势的概念有些抽象。类比一下：
重力势其实就是gh。因此，他跟物体无关。只跟地球以及相互位置有关。或者说跟重力场有关，是重力场场本身的属性。也就是说重力势能可以看成质量和重力势的乘积。类似的电势能可以看成电荷量的和电势的乘积。
定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值，叫做电势。
①变换之后得到电势能的表达式，不过这里要注意，计算式时记得把符号也带进去。
②单位制中的单位是V。1V=1J/C。
问题1：电势在电场中是怎样变化的呢？
如图分别令正负电荷从A运动到B，列表分析：
结论：沿电场线线方向电势逐减降低。
问题2：电势降低的方向一定是电场线的方向吗？
思考∶如图所示，从匀强电场中一等势面上的A点沿三条不同路径 AM、AN、AP到达另一等势面，则沿哪条路径电势降落最快 ?
如果稍微偏一点到电势也会降低。其实电场线的方向，电势只是降低最快的方向。并不是唯一会让电势降低的方向。
沿着电场线方向电势降低最快
③电势是标量，具有相对性,有正负。
画图阐述：
与电势能类似电势也需要规定零点。电势能为零的地方，电势也为0。因此零点的规定和电势能一样。一般规定距离场源电荷无限远处，或地面为零点。在规定了电势零点之后电场中各点的电势可以正值也可以是负值。负电势表示该处的电势比零电势处电势低。
小结：如何判断E、Ep、φ的大小
①电场强度E，看电场线疏密程度。电场线越密集电场强度越大。
②电势能Ep，看试探正电荷靠近场源正电荷的Ep大，反之小。负电荷又恰好相反。
③电势φ沿着电场线方向电势逐渐降低。
如图，可以判断：EA>EB>EC，正电荷EPA>EPB>EPC
φA>φB>φC
课堂练习
例2：电荷量q1为4×10-9Ｃ的试探电荷放在电场中的A点，具有6×10-8J的化势能。A点的电势是多少？若把q2为-2×10-10Ｃ的的试探电荷放在电场中的A点，q2所具有的电势能是多少？
解题提示：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。设无限远处为零势能点。
由电场中该点的性质决定的，与试探电荷本身无关。所以q2具有的电势能。
例3：回答下列题目后小结：如何根据试探它荷的电势能来判断电场中两点电势的高低？
（1）q在A点的电势能比在B点的大，A、B两点哪点它势高？
（2）-q在C点的电势能比在D点的大，C、D两点哪点电势前？
（3）q在E点的电势能为负值，-q在F点的电势能是负值，E、F两点哪点电势高？
解题提示：根据我们的小结：电势能Ep，看试探正电荷靠近场源正电荷的Ep大，反之小。负电荷又恰好相反。电势φ沿着电场线方向电势逐渐降低。
，，
〖板书设计〗
10.1电势能和电势
一、静电力做功的特点
电场中移动电荷时，静电力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。
二、电势能
三、电势
①计算时要代入正负号 ②沿着电场线方向电势逐渐降低。
小结：如何判断E、Ep、φ的大小
〖教学反思〗
电势能、电势都是非常抽象的概念，我们要利用类比法，多讲重力势能，高度高度差帮助学生理解。但是时间上还是不够用，学生理解太困难了，打算花一节课来讲解课后的习题。
学生对于电荷的正负在电场中电势能的变化和电势的变化，很难理解。而且场源电荷也有正负，这就更加加剧了学习理解的难度。正电荷
静电力是（阻力、动力）
静电力做功（正、负）
电势能比较
重力势能变化（增加、减少）
A→B
动力
正
EPA>EpB
减少
B→A
阻力
负
EPA增加
电势能
EP
电势
电场本身属性
EP=q×电势
重力势能
EP=mgh
重力势
重力场本身属性
EP=m×重力势
静电力做功（正、负）
电势能变化（增加、减少）
电势
正A→B
正
减少
降低
负A→B
负
增加
降低
〖教材分析〗
本节内容有助于学生理解电场中能量的性质。电势能、电势的概念非常抽象，理解难度大，是本章的重点，也是学生的难点。本节处在电场强度之后，并且学好本节内容为以后的电势差、电功、电动势、磁场中的能量转化奠定一定的基础；同时，本节内容也是对功能关系的补充和完善。因此本节内容具有承上启下，补充完善的地位。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：树立能量观念，理解电势能的概念，知道静电力做功与路径无关；理解静电力做功与电势能变化的关系，运用能量的观点去分析问题。
科学思维：在探究静电力做功的特点过程中再次领悟微元分割法的精妙之处，理解静电力做的的特点。
科学探究：通过与重力势能类比的方法对电势能进行研究，推导出电势能与静电力做功的关系。
科学态度与责任：渗透在探究过程中体验解决问题的成功喜悦，发挥学生空间想象能力，激发学生探索自然规律的兴趣。
〖教学重点与难点〗
重点：理解掌握电势能、电势的概念及意义。
难点：掌握电势能与做功的关系，并能用此解决相关问题。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入
古代，人们用弩来加速箭，箭的速度能达到10²m/s数量级；后来，人们又在枪膛中用火药加速子弹，子弹的速度能达到103m/s数量级；而现代，人们需要用高速的微观粒子轰击另一微观粒子来进行科学研究，其速度的数量级达到107m/s，那是怎样加速的呢?
（播放弓箭和子弹动图）那么粒子怎么加速呢？带着这疑问，本节课我们一起来学习《第十章 静电场中的能量》。（板书课题）
问题导入
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，静电力做了正功WAB。由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。
从动能定理上看W=Ek2-Ek1
从能量转化上看，是什么能通过静电力做功转化为了物体的动能，肯定有能量来源的。这节课学习电势能。（板书）
二、新课教学
（一）静电力做功的特点
思考讨论
一个质量为m的物体在地面某位置所受的重力是一定的，不管它怎样运动，其所受重力的大小都等于mg，方向竖直向下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所受的静电力也是一定的，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。
重力做功的表达式是W=mgh，h是高度差。
根据做功的定义式是，功等于力乘以在力方向上发生的位移，所以静电力做功W=qEd，d是位移。
我们还知道重力做功具有跟路径无关的特点，无论怎么运动，高度差是不变的。
问题1：静电力做功是否也具有这一特点?跟他相关的能量具有什么特点呢？
要研究能量，就得先看功。
如图在电场强度为E的匀强电场中任取A、B两点，把试探电荷q沿两条不同路径从A点移动到B点，计算带点粒子在匀强电场中运动时电场力做的功。
①将试探电荷＋q从A沿直线移至B:
WAB = F·|AB| csθ= qE·|AM|
②将试探电荷＋q从A沿折线移至B:
对AM: 力与位移方向相同WAM = qE·|AM|
对MB: 垂直无功WMB = 0
对全程:WAB = WAM+ WMB= qE·|AM|
③将试探电荷+q从A沿任意曲线移至B:→微元分割法
我们用无数组跟静电力垂直和平行的折线来逼近曲线AB。垂直方向的不做功，平行方向的折线加起来等于AM，所以
W =q E·|AM|
归纳总结：三种路径，静电力做功都是一样的。
在匀强电场中移动电荷时，静电力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。
不仅如此，如果换成非匀强电场，这个结论也依然成立。
（二）电势能
这一点和重力做功非常相似。重力做功对于重力势能。电荷在电场中也具有势能，这种势能就叫做电势能。同样可以用Ep表示。
我们用EPA表示电荷在初位置A点的电势能，EPB表示电荷在末位置B点的电势能。那么功能关系是
WAB=EPA -EPB
即：W=EP初-EP末
电荷由A点运动到B的过程中功能的变化情况如下表：
它和重力有类似的功能关系。电场力做了多少正功，就有多少电势能转化为其他形式的能。电势能就减少多少。反过来电场力做负功，电势能就会增加。值得注意的是，电荷有两种，所以同一电场中，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相反的。
除了功能关系非常相似，电势能还具有和重力势能相似的性质。
①具有相对性
电势能的大小与零势能点的选取有关。就像重力势能的大小与零势能点的选取有关一样。
如果规定B点的电势能为零，根据功能关系A点的电势能就和电场力做功相等，即
EPA=WAB=qEd。
d是AM的距离。也就是说
某点的电势能，就等于把它从这一点移动到零势能位置时电场力做的功。
问题1：通常选取哪里做零势能点呢？
一般规定距离源电荷和无限远处或者大地表面的电势能是零。
除了相对性，电势能还具有系统性。
②具有系统性
正如重力势能并不是物体本身所具有的能量。而是物体与地球所共有的能量。电势能也不是孤立电荷所具有的能量。而是电荷和场源电荷所共同具有的能量。或者说是电荷与电场所共有的能量。我们说某个电荷的电势能，只是一种简略的说法。
③电势能与重力势能也有不同点。
如果把电荷换成负电荷电场力就会改变方向。移动过程中电场力做负功。于是同样规定B为零势能点，A点的电势能变为负的。也就是说A点的电势能可能比B低，也可能比B高。并不确定。
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例1∶右图中M、N为电场中某一条电场线方向向右，在线上取两点a、b今将一电荷+q从a移到b则（ ）
A.电场力做正功，+q的电势能增加;
B.电场力做负功，+q的电势能增加;
C.电场力做正功，+q的电势能减少;
D.电场力做负功，+q的电势能减少。
解题提示：正负功的判断，抓住位移与电场力的方向。再根据功能关系即可。选C。
前面我们通过对静电力的研究，认识了电场强度。现在我们要通过对电势能的研究来认识另一个物理量——电势，它同样是表征电场性质的重要物理量。
（三）电势
如图规定电荷在O点电势能为0。
A为电场中的任意一点，电荷q在A点的电势能E，等于电荷q由A点移至O点的过程中静电力做的功。
则：EPA = qElcsθ
可见，电荷q在任意一点A的电势能E与q成正比。
所以电势能当中把电量除掉。这个比值用字母表示。称为电势。
它是由电场中该点的性质决定的，与试探电荷本身无关。
电势的概念有些抽象。类比一下：
重力势其实就是gh。因此，他跟物体无关。只跟地球以及相互位置有关。或者说跟重力场有关，是重力场场本身的属性。也就是说重力势能可以看成质量和重力势的乘积。类似的电势能可以看成电荷量的和电势的乘积。
定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值，叫做电势。
①变换之后得到电势能的表达式，不过这里要注意，计算式时记得把符号也带进去。
②单位制中的单位是V。1V=1J/C。
问题1：电势在电场中是怎样变化的呢？
如图分别令正负电荷从A运动到B，列表分析：
结论：沿电场线线方向电势逐减降低。
问题2：电势降低的方向一定是电场线的方向吗？
思考∶如图所示，从匀强电场中一等势面上的A点沿三条不同路径 AM、AN、AP到达另一等势面，则沿哪条路径电势降落最快 ?
如果稍微偏一点到电势也会降低。其实电场线的方向，电势只是降低最快的方向。并不是唯一会让电势降低的方向。
沿着电场线方向电势降低最快
③电势是标量，具有相对性,有正负。
画图阐述：
与电势能类似电势也需要规定零点。电势能为零的地方，电势也为0。因此零点的规定和电势能一样。一般规定距离场源电荷无限远处，或地面为零点。在规定了电势零点之后电场中各点的电势可以正值也可以是负值。负电势表示该处的电势比零电势处电势低。
小结：如何判断E、Ep、φ的大小
①电场强度E，看电场线疏密程度。电场线越密集电场强度越大。
②电势能Ep，看试探正电荷靠近场源正电荷的Ep大，反之小。负电荷又恰好相反。
③电势φ沿着电场线方向电势逐渐降低。
如图，可以判断：EA>EB>EC，正电荷EPA>EPB>EPC
φA>φB>φC
课堂练习
例2：电荷量q1为4×10-9Ｃ的试探电荷放在电场中的A点，具有6×10-8J的化势能。A点的电势是多少？若把q2为-2×10-10Ｃ的的试探电荷放在电场中的A点，q2所具有的电势能是多少？
解题提示：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。设无限远处为零势能点。
由电场中该点的性质决定的，与试探电荷本身无关。所以q2具有的电势能。
例3：回答下列题目后小结：如何根据试探它荷的电势能来判断电场中两点电势的高低？
（1）q在A点的电势能比在B点的大，A、B两点哪点它势高？
（2）-q在C点的电势能比在D点的大，C、D两点哪点电势前？
（3）q在E点的电势能为负值，-q在F点的电势能是负值，E、F两点哪点电势高？
解题提示：根据我们的小结：电势能Ep，看试探正电荷靠近场源正电荷的Ep大，反之小。负电荷又恰好相反。电势φ沿着电场线方向电势逐渐降低。
，，
〖板书设计〗
10.1电势能和电势
一、静电力做功的特点
电场中移动电荷时，静电力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。
二、电势能
三、电势
①计算时要代入正负号 ②沿着电场线方向电势逐渐降低。
小结：如何判断E、Ep、φ的大小
〖教学反思〗
电势能、电势都是非常抽象的概念，我们要利用类比法，多讲重力势能，高度高度差帮助学生理解。但是时间上还是不够用，学生理解太困难了，打算花一节课来讲解课后的习题。
学生对于电荷的正负在电场中电势能的变化和电势的变化，很难理解。而且场源电荷也有正负，这就更加加剧了学习理解的难度。正电荷
静电力是（阻力、动力）
静电力做功（正、负）
电势能比较
重力势能变化（增加、减少）
A→B
动力
正
EPA>EpB
减少
B→A
阻力
负
EPA
电势能
EP
电势
电场本身属性
EP=q×电势
重力势能
EP=mgh
重力势
重力场本身属性
EP=m×重力势
静电力做功（正、负）
电势能变化（增加、减少）
电势
正A→B
正
减少
降低
负A→B
负
增加
降低
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