高中物理选修3-1教案3：1.4 电势能和电势教学设计

4电势能、电势

一[教材分析]

本节内容为物理选修3－1中第一章静电场中第四节的教学内容，它处在电场强度之后，位于电势差之前，起到承上启下的作用。它是课程教学中利用物理思维方法较多的一堂课，尤其是用类比的方法达到对新知识的探究，同时让学生就具体的物理知识迁移埋下思维铺垫。教材从电场对电荷做功的角度出发，推知在匀强电场中电场力做功与移动电荷的路径无关。进而指出这个结论对非匀强电场也是适用的，并与重力势能类比，说明电荷在电场中也是具有电势能。电场力做功的过程就是电势能的变化量，而不能决定电荷在电场中某点的电势能的数值，因此有必要规定电势能零点。对学生能力的提高和对知识的迁移、灵活运用给予了思维上的指导作用。

二[教学目标]

1．知识与技能

·理解静电力做功的特点、电势能的概念、电势能与电场力做功的关系。

·理解电势的概念，知道电势是描述电场的能的性质的物理量。

·明确电势能、电势、静电力的功、电势能的关系。

·了解电势与电场线的关系，了解等势面的意义及与电场线的关系。

2．过程与方法

·通过与前面知识的结合，理解电势能与静电力做的功的关系，从而更好的了解电势能和电势的概念。

·培养对知识的类比能力，以及对问题的分析、推理能力。

·通过学生的理论探究，培养学生分析问题、解决问题的能力。培养学生利用物理语言分析、思考、描述概念和规律的能力。

3．情感、态度与价值观

·尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产、生活相关的实际问题，增强科学探究的价值观。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。

·利用等势面图象的对称美，形态美以获得美的享受、美的愉悦，自己画图，在学习知识的同时提高对美的感受力和鉴别力。

·在研究问题时，要培养突出主要矛盾，忽略次要因素的思维方法。

三[教学重点和难点]

1．重点

·理解掌握电势能、电势、等势面的概念及意义。

2．难点

·掌握电势能与做功的关系，并能用此解决相关问题。

四[学情分析]

通过对必修内容的学习，学生对功的计算，重力做功的特点，重力做功与重力势能变化的关系，能量守恒定律等内容已相当熟悉，具备了学习本节内容的知识前提，但建立起电势能的概念对学生来说相对比较困难的，因为电场的概念特别抽象，特别是从力与能量两条线上同时研究电场，让学生感到有点“力不从心” ，知识迁移及灵活运用是学生学习过程中要跨越的一个台阶

五[教学方法] 理论、类比探究、分析归纳、讨论分析、应用举例、体验探究

六[课前准备] 视频，感应器电机，金属板，小球，电源，导电纸，描绘等势面

七[课时安排] 1课时

八[教学过程]

（一）情景引入、展示目标。

两个视频（泥石流，闪电），展示的都是灾难，在震惊的同时我们不得不感叹大自然的威力，那么从物理学的角度讲，泥石流和闪电都是大自然蕴藏能量的释放，请问泥石流释放的什么能量？闪电呢？带着这个疑问我们来学习第四节，《电势能和电势》。

演示：小球在静电力的作用下运动起来。

提问：请一位同学用物理知识解释小球运动的原因。

力的角度，小球在静电力的作用，做加速运动，速度越来越大。

功能角度，小球所受静电力做功，使小球动能增加，那么必然有其它形式的能转化成了小球的动能，为了研究这种能量，我们首先要研究静电力做功的特点。

（二）新课教学

一、静电力做功的特点

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，我们来计算这几种情况下静电力对电荷所做的功。

第一组，我们计算沿直线AB 移动电荷，AB 与电场方向的夹角为θ，W 1＝F|AB|cosθ＝qE|AM|

第二组，我们计算沿折线AMB 移动电荷，W 2=W AM +W MB =qE|AM|+0=qE|AM|

第三组，我们计算沿曲线ACB 移动电荷，W ＝W 1+W 2+W 3+……

W ＝qE|AB 1|+ qE|AB 2|+ qE|AB 3|+……= qE|AM|

分析三种情况下的做功的数据结果，结合具体的问题情景，从中找到共同点和不同点，联系前面所学的知识，归纳得出相关的物理知识。从中发现问题和知识结论。

结论：静电力做的功与电荷经过的路径无关,只与电荷的起始位置和终点位置有关. 这个结论虽然是从匀强电场中推导出来的，但是可以证明，对于非

匀强电场也是适用的。

拓展：该特点对于非匀强电场中也是成立的。

二、电势能

“做功与路径无关，只与起始位置有关”这句话并不陌生，上一章《机械能》也有一个力做功时同样有这样的特点，是什么力？——重力。

由于重力做功与路径无关，使得同一物体在地面附近同一位置具有确定的重力势能。那么电荷在电场中，静电力做功与路径无关，使得电荷在电场中某点也具有势能，这种势能叫做电势能，可以用E p 表示。

重力势能的变化与重力做功密切的关系，下面我们先回顾一下。（找同学回答）

如图所示，从A 到B 重力做正功，重力势能减少；从B 到A 重力做负功，重力势能增加；重力的功等于重力势能的减少量。

类似的静电力做功与电势能的变化也有类似的关系，请同学们看下图，试分析静电力做功及电势能的变化情况。（找同学回答）

当正电荷从A 移动到B 时，静电力做正功，电荷电势能减小；正电荷从B 移C

A B C W 1 W 2 12 A B

动到A时，静电力做负功，电荷电势能增加。

由于功是能量变化的量度。所以：静电力做的功等于电势能的减少量。

设试探电荷在A点电势能为E PA，B点电势能为E PB，从A到B静电力做功为W AB则

有，W AB=E PA-E PB

通过以上分析可以看出，静电力做功只能决定电势能的变化量，而不能决定电荷在电场

中某点的电势能数值。就像重力做功只能决定重力势能的变化量一样，那么我们是怎么确定

的物体在某一高度处的重力势能数值呢？（找同学回答）

对了，就是找参考面（零势能面），类似的，我们也可以规定电荷在电场中某点的电势

能为0，才能确定电荷在其它点的电势能数值。例如图中，规定B点的电势能E PB=0,电荷在

A点的电势能等于W AB。

思考：若规定A点的电势能为0，B点的电势能为多少？

E PB=-W AB=W BA

也就是说，电荷在某点的电势能，等于把它从这点移动到零势能位置时静电力

做的功。

通常，规定电荷离场原电荷无限远处的电势能为零，或者规定电荷在大地表面上的电势

能为零。

虽然重力在重力场中做功，与电荷在电场中静电力做功相似，但还是有很大差异的。这

时由于存在两种电荷的缘故。同一电场中，同样从A点到B点移动正电荷与移动负电荷，

电荷的电势能变化是相反的。(如图所示)

例1：如图匀强电场的电场强度为E=1.5N/C,A、B两点的距离为l=10cm，把q1=2×10-9C

的正试探电荷从电场中的A点移动到B点，

（1）求电场力做的功。

A B E

（2）若规定B点为电势能零点，求电荷q1在A点的电势能。

（3）若把q2=4×10-9C的试探电荷放在电场中的A点，电荷所具有的电势能是多少？

W AB= 3×10-10J E P1= 3×10-10J E P2= 6×10-10J

同样在A点，由于所放的电荷不同，电势能是不同，但毕竟是在同一电场中的同一点，

应该具有相同的性质，这种性质不应该受到电荷的影响，怎样研究电场的这种性质呢，回想

前面电场强度的定义，利用电场力和电荷量的比值来表征电场的性质，同样的，我们也可以

用电荷的电势能和电荷量的比值来描述电场另一个性质，这个物理量叫做电势。

三、电势

1、电势：电荷在电场中某一点的电势能语它的电荷量的比值叫做这一点的电势。

2、公式：q E p =?

同样的道理，研究重力势能是也可以把，重力势能和质量的比值叫做重力势，

m E gh p

=

3、在国际单位制中，电势的单位是伏特，符号V

在电场中的某一点，如果电荷量为1C 的电荷在这点的电势能是1J ，这一点的电势就是1V 。

假如有一个正的试探电荷沿着电场线移动，它的电势能是减少的，因此可以说，

4、沿着电场线电势降低。

5、电势具有相对性，要首先规定某点的电势为零，才能确定其它点的电势数

值，电势零点的规定与电势能零点的规定相同。

6、电势是标量，只有大小，没有方向但是有正负。

四、等势面

电场中有好多电势相等的点，就像地图中有好多高度相同的地点，我们常用等高线来表示地势的高低，类似的我们也可以用等势面来表示电势的高低，

1、等势面：电场中电势相同的各点构成的面。

同一等势面上的点电势都相等。

等势面与电场线有什么关系呢？

在同一等势面上取A 、B 两点，取一试探电荷在A 、B 两点的电势能分别为

E PA 和E PB ，则有E PA =E PB ，把电荷从A 点移动到B 点，静电力的功W AB =E PA -E PB =0，

所以说同一等势面上移动电荷，静电力不做功。那么电荷的移动方向一定和电场线垂直，前面说过，沿着电场线电势降低，所以总的来说：

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。

3、等势面的应用，

实际测量电势比测量电场强度容易，所以常用等势面研究电场。现测绘出等势面的形状和分布，再根据电场线与等势面的关系，绘出电场线的分布，于是就知道电场的情况了。设计电子仪器中的电极形状，大小及相对位置时，都要利用试验模型测绘等势面的形状和分布，推知电极产生电场的情况，以便确定符合实际要求的设计方案。

分组实验，测绘等量异种电荷产生电场的等势面。

引导；两个电极分别和电源的正负极相连，就可以模拟等量异种电荷的电

场，用灵敏电流计和两个探针可以探测导电纸上电势相等的点，若两点电势相等则电流计不偏转，我已经在导电纸上划上了三个点a 、b 、c ，下面分组探测与基准点电势相等的点，然后用探针压一下导电纸，该点的位置就会通过复写纸印在下面的白纸上，用平滑的曲线连起来就可得到一条等势线。

用同样的方法还可以得到其它常见带电体周围的等势面分布情况。

练习题：

1、如图所示，电场中有A 、B 两点，则下列说法中正确的是（ BC ）

A 、电势φA >φ

B 场强E A >E B

B 、电势φA > φB 场强E A

C 、将+q 由A 点移到B 点，电场力做正功

D 、将-q 分别放在A 、B 两点时具有电势能

E pA >E pB

2、如果把q=1.0×10-8C 的电荷从无穷远处移至电场中的A 点，需克服电场力做功W=1.2×10-4J.那么

⑴ q 在A 点的电势能和A 点的电势各是多少？

⑵ q 未移入电场前A 点的电势是多少 ？

A B V C

J q E J E J E W PA A PA PA A 48444102.1100.1102.1102.1102.10?=??==∴?=∴?-=-=----∞?Θ