电势能和电势教学设计

第一课时（一）创设问题情景1．复习静电力、电场强度概念，指出前面我们从力的性质研究电场，从本节起将从能量的角度研究电场。

起到一个承上启下的过渡作用。

2．创设问题情景：在匀强电场中某电由静止释放一试探电荷，静电力将对试探电荷做功使试探电荷获得动能，是什么能转化为试探电荷的动能呢？这种能又该如何量度呢？从而引入新课。

（二）新课教学1、认识电场力做功的特点依据“功是能量转化的量度”的思想，要研究问题情境中的能量转化，不妨先从研究电场力做功的问题，自然过渡到分析电场力做功的特点。

呈现问题1：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(A、B沿场强方向的距离为L)，计算这几种情况下电场力对电荷所做的功。

沿电场线方向运动时，根据恒力做功的计算方法：W＝F|AB|＝qEL| ；沿与电场线有一定夹角的直线运动时，根据恒力做功的计算方法：W＝F|AB|cosθ＝qEL；沿任一曲线路径运动时，根据选取微元“化曲为直”的思想，求功的累加可得：W＝W1＋W2＋W3＋……＝qEL |分析三种情况下的做功的数据结果，结合具体的问题情景，得出初步结论：匀强电场中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。

呈现问题2：让试探电荷q在非匀强电场中沿几条不同路径从A点运动到B点，请你尝试计算几种情况下电场力对电荷所做的功，你又有什么新的发现？根据选取微元“化变为恒、化曲为直”的思想，通过分析计算，进一步得出：上述结论在非匀强电场中也是成立的。

呈现问题3：过去学过的哪种力做功也具有与电场力做功相似的特点？请你列举出它们的相似点。

接着引导学生认识到根据这种相似性，我们可以采用类比研究的方法来认识电场力做功问题，这就为我们研究开始提出的问题提供了有效的路径。

教师讲授：重力场中，被举高的物体因为受到重力作用总有下落的趋势，而在下落过程中重力做功的多少跟路径无关，只跟初末位置有关，因此，我们说重力场中物体具有重力势能，那么，试探电荷在电场中受到电场力总有沿电场力方向运动的趋势，而且电场力做功也跟路径无关，只跟初末位置有关，那么电场中电荷应该也具有一种势能，我们给它取个名字就叫静电势能，简称电势能。

电势能用Ep表示。

就像重力势能是由物体和地球共有一样，电势能也是电荷和电场所共有。

呈现问题4：重力场中，重力做功的过程中伴随着重力势能与其他形式能量的转化，那么，电场力做功过程中是否也有电势能与其他形式能量的转化呢？请分析开始提出的问题，谈谈你的认识。

学生发言后总结出，开始提出的问题中，就是电势能转化为试探电荷的动能。

接着引导学生结合重力场类比定性分析静电力做功与电势能变化的关系通过知识的类比，让学生能从中感受到新知识的得出也可以通过已有获取。

呈现问题5：静电力做功与电势能变化之间有何定量关系呢？引导学生认识到：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。

故有W AB＝E KB-E KA＝E pA－E pB＝－（E pB－E pA）＝－△Ep呈现问题6：如下图，如何确定物体在A点的重力势能呢？通过类比，你认为如何确定试探电荷在A点的电势能比较恰当？学生发表观点，教师引导学生认识只有先确定零电势能位置，电势能才有确定的值。

根据功能关系可知，电荷在电场中某点所具有的电势能的大小就等于将该电荷从该点移动到零电势能位置电场力所做的功。

即E pA＝W A0也就是说，电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移动到零电势能位置所做的功。

最后，注意提醒学生两点，一是通过类比推理得到的认识还需要经过实验的检验，当然前面的类比得到的认识已经经受住了实验的检验，证明是正确的。

二是进行类比的两个对象之间也可能存在本质的差异，因此，要注意他们的不同。

然后组织学生讨论教材P19上面的讨论交流，认识到静电力做功与重力做功的不同：任何物体所受到的重力方向都是一样的，因此无论哪个物体，沿某一确定的路径移动时，重力做功的正负是一样的，电势能与其他形式能量的转化方向也是一样的，但由于不同种电荷在同一电场中所受到的电场力方向不一样，因此在电场中沿着一条确定的路径移动正负电荷时，电场力做功的正负是不一样的，电势能与其他形式能量的转化方向也是不一样的。

但W AB＝E KB-E KA＝E pA－E pB＝－（E pB－E pA）＝－△Ep这一关系是一样的。

因此，比较电荷在电场中两点所具有的电势能高低时，首先要弄清正、负电荷在电场中受力情况和运动情况，然后根据电场力做功情况和对应的电势能变化情况再进行判断。

以上设计通过对容的适度拓展，引导学生能通过自己对不同事例的分析，意识到对问题考虑的全面性，同时能正确认识到在分析问题时还应该思考问题的不同侧面，达到对问题的全面解决。

提高思维的深度和发散能力，达到“以训练学生的物理思维为核心，以提升学生的科学探究能力为重点”的目的。

（三）小结课堂容重点是运用类比的方法研究问题，以及所得到的电势能的知识。

（四）作业设计主要设计两方面的作业，一是体现类比研究重力场和静电场的问题，二是体现电场力做功与电势能变化之间关系的定性和定量分析，以及比较电荷在电场中两点所具有的电势能大小的问题。

第二课时（一）创设问题情境在静电场中移动电荷，电场力要对电荷做功，电荷与电场共有的电势能也会发生变化，这充分说明静电场具有能量。

那么，我们怎样来描述静电场的能的性质呢？（二）新课教学呈现问题1：因为电荷在电场中具有电势能，那么，能不能就用某个电荷在电场中某点所具有的电势能大小来反映电场中该点的能的性质呢？学生讨论后，认识到要反映该点的能的性质，意味着所选择的物理量应该只与场源电荷以及被研究点在电场中的位置有关，然而即使选择同一零电势能位置，在电场中同一点，放置不同的电荷，电荷所具有的电势能也不同，跟电荷的电荷量和电性均有关系，也就是说，某一电荷在该点的电势能并不能准确表征电场中该点的性质。

呈现问题2：那么在研究的问题情境中，既然电势能的值跟电荷本身电性和电荷量均有关，说明用试探电荷在电场中某点所具有的电势能来表征电场中该点具有的能的性质是不恰当的，那么，类比表征电场力的性质的物理量电场强度的建立，能不能构建一个新的物理量来表征呢，为消除试探电荷本身对问题的干扰你想到了什么？以在匀强电场中沿电场线方向移动电荷为研究背景，分析电荷在A、B两点间移动时电场力做功情况和电势能的变化情况：通过分析讨论，学生发现，电荷在电场中某两点之间移动时，电荷的电势能的变化量与该电荷的电荷量的比值是一个不变量，这个不变量是不是只与场源电荷以及被研究点在电场中的位置有关呢？它能够表征电场的能的性质吗？教师引导学生进行理论推导：W AB/q=(E pA-E pB)/q= E pA/q-E pB/q在匀强电场中思考，E pA/q=W A0/q=qEl A0/q=El A0,可见E pA/q是一个只与电场本身因素有关的一个量，这个量只由电场本身性质和在电场中的位置决定，而这个量又直接与电荷在电场中所具有的电势能相关联，可见，这个量应该可以反映电场中不同位置的能的性质，这就是我们寻找的表征电场的能的性质的物理量。

于是定义电势φA=E pA/q，介绍电势的单位等。

随即说明：电场中在选定零电势能位置后，如果电荷位于该位置时，电势能为零，因此，该点的电势也为零，也就是说，电势能为零的位置也就是电势为零的位置。

而对于电场中一个确定的位置，如果选择不同的位置作为零电势能位置，则电荷在这一确定位置的电势能就具有不同的值，由电势的定义可知，这一确定位置的电势也具有不同的值。

画图分析：对确定的点A，当分别选取B和C为电势为零的位置，则A点的电势有不同的值。

这说明，确定电场中某点的电势首先要确定电势为零的位置，也就是参考位置（或者电势能为零的位置）。

而选择好参考位置后，某点的电势值就是该点相对电势为零的位置的电势高低。

随即引导：在选定零电势能位置后，根据电势的定义式，可以变形得到φA=E pA/q=W A0/q，这就是说，电场中某点的电势，在数值上等于单位正电荷由该点移动到参考点（零电势点）时电场力所做的功。

呈现问题3：请你分析在选择无穷远处为电势为零的位置，那么，正负点电荷电场中各点的电势的数值有何不同？学生讨论后得出：由电势的定义知，若选择无穷远处为电势为零的位置，在正电荷电场中，各点电势均为正值，在负电荷电场中，各点电势均为负值。

呈现问题4：与重力场中移动物体类比，电势相当于一个什么量？（试图通过类比实现概念的同化）学生讨论得出，重力场中Ep/m=gh，其中h也是被研究位置相对选取的零高度位置间的相对高度，这个比值gh也是只与重力场本身强弱以及被研究点在重力场中的位置有关的量，反映的也是重力场中某点的能的性质。

接着讲解：由上推理可知，W AB/q=( E pA-E pB)/q= E pA/q-E pB/q=φA-φB，这就是表示电场中两个位置之间的电势之差，我们称之为电势差，记为U AB，于是有U AB=φA-φB=W AB/q呈现问题5：电势差U AB所能表征的物理含义是什么呢？学生发表见解后，教师引导学生分析电势差的物理意义：回到课前探究的问题看，在电场中A、B两点间移动电荷所做的功与被移动电荷的电荷量的比值同样与被移动电荷无关，是一个只跟电场本身以及两点间位置有关的量，而电场力做功的过程中必然伴随着电势能的转化，因此，电势差就应该是反映电场中两个位置间的能的性质的物理量。

呈现问题6：根据以上分析知道，我们定义电场中A、B两点之间的电势差U AB= W AB/q，若将同一电荷从B处移动到A处，计算得到的电势差与从A处移动到B处得到的电势差相同吗？为什么？学生发表见解，教师引导得出：同一电荷受力方向确定，移动方向不同时，所做功的正负不同，因此由U AB= W AB/q计算得到的电势差也不同，而且有U AB=－U BA，又U AB=φA-φB，U BA=φB-φA，可见，电势差应该有正负，选择的初末位置不同，这两点之间的电势差可能为正，也可能为负，而这个正负正好说明初末位置间电势的相对高低。

即U AB＞0，表示φA＞φB，反之，则说明φA＜φB。

接着讲授：定义电势差一方面能够反映电场中两个位置之间能的性质，也就是说，不管在确定的两点之间移动什么电荷，这两点间储存或释放电势能的性质是一定的，另一方面，对于一个确定的电荷在这两点之间移动时，电场力做功的多少可以直接由W AB=q U AB得到，考虑正负电荷在电场中沿同一路径移动时，所受电场力方向不同，也就决定了电场力做功的正负不同，而U AB自身有正负，为了方便，在计算在确定的初末位置两点之间移动电荷时，只需带上电荷的正负，就能区分做功的正负。