高中物理第一章静电场第四节电势能和电势示范教案新人教版选修3_1

4 电势能和电势

整体设计

教学分析

电势能、电势是电磁学开篇章节静电场中的重点内容，它从能量的角度反映了电场的性质。对它的研究为以后学习电功、电动势、电磁能奠定了知识基础。本部分内容尤其与日常生活和生产、科学尖端技术的应用与研究有着密切的关系，因而学好这部分知识有着广泛的实用价值。

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认识新知识，同时为具体的物理知识迁移作好思维铺垫。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。

教学目标

1．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。

2．将静电力做功与重力做功进行类比，理解静电力做功与电势能变化的关系。认识电势能的相对性。

3．知道电势的定义方法及其定义公式、单位。

4．知道等势面的定义，知道电场线一定垂直于等势面。

教学重点难点

1．理解电势能、电势、等势面的概念及意义。

2．掌握电势能与做功的关系，并能用此解决相关问题。

教学方法与手段

本节课突出类比法的思维特征和思维过程，适当强调类比过程中的求证环节。

课前准备

教学媒体：多媒体课件、挂图。

知识准备：复习电场强度、电场线知识、重力做功及与重力势能的关系。

教学过程

导入新课

[事件1]

教学任务：创设情景，导入新课

师生活动：

[方法介绍]类比法是根据两个(两类)对象之间在某方面的相同或相似，而推出他们在其他方面也可能相同或相似的逻辑推理方法。具体说来，A事物具有属性a、b、c，又具有属性d。如果B事物具有属性a、b、c，那么，B事物也可能具有属性d。是否真是这样，需要得到实验的验证。

展示表格

[引入新课]

可见，静电场与重力场有某些特征是相似的。根据两者的相似性，我们是否可以大胆的推测静电场的其他性质？下面我们进一步讨论这一问题。

推进新课

[事件2]

教学任务：归纳电场力做功特点

师生活动：属性c：在重力场中，重力做功与路径无关，静电力做功也与路径无关吗？

[求证]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。

W＝F|AB|＝qE|AB| W＝F|AB|cosθ＝qE|AM| W＝W1＋W2＋W3＋…＝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。

拓展：该特点对于非匀强电场中也是成立的。

[事件3]

教学任务：电势能

师生活动：

属性d：移动物体时重力做的功与路径无关，同一物体在地面附近的同一位置才具有确定的重力势能。静电力做功也与路径无关，是否隶属势能？我们可以给它一个物理名称吗？

[求证]在重力场中由静止释放质点，质点一定加速运动，动能增加，势能减少；如图所示，在静电场中，静电力做功使试探电荷获得动能，是什么转化为试探电荷的动能？(这种能量为电势能。)

属性e：重力做的正功等于减少的重力势能，克服重力做的功等于增加的重力势能，用公式表示为W AB＝E pA－E pB＝－ΔE p。那么静电力做的正功也等于减少的电势能吗？克服静电力做的功也等于增加的电势能吗？用公式表示也是W AB＝E pA－E pB＝－ΔE p吗？

根据动能定理，W AB＝E kB－E kA＝ΔEk。因为，根据能量守恒增加的动能等于减少的电势能，E kB－E kA＝E pA－E pB，所以W AB＝E pA－E pB＝－ΔEp。

属性f：重力势能具有相对性，电势能也具有相对性吗？

[求证]通过计算静电力做的功只能确定电势能的变化量，只有把电场中的某点的电势能规定为零，才能确定电荷在电场中其他点的电势能的数值。可见电势能的确有相对性。

属性g：质点在某点的重力势能等于把它从该点移动到零势能处的过程中重力做的功，电荷在某点的电势能也等于把它从该点移动到零势能处的过程中静电力做的功吗？

[求证]如果规定B点的电势能为零，根据W AB＝E pA－E pB，可知W AB＝E pA，所以电荷在某点的电势能也等于静电力把它从该点移动到零势能处所做的功。

属性h：重力势能属于物体与重力场组成的系统，电势能也属于电荷与静电场组成的系统吗？

[求证]如果只有试探电荷而不存在电场，就不存在静电力的作用，试探电荷也不可能有电势能；如果只有电场而没有试探电荷，也不存在静电力作用，也就不存在电势能。只有在试探电荷处于电场中时，讨论与静电力做功紧密联系的电势能才有意义。所以，电势能属于电荷与电场组成的系统。

总结类比列表如下：

思考与讨论：

1．如果电荷沿不同路径移动时静电力做功不一样，还能建立电势能的概念吗？为什么？

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有确定的值。我们不妨假设，电荷从电势能为0处沿不同路径移动到电场中的另一点P。如果静电力做的功不同，那么同一电荷在同一点P的“电势能”就不同，这样P点的“电势能”就没有确定值，就不能建立电势能的概念。

2．物体在重力场中重力做功，与电荷在电场中移动时静电力做功虽然相似，但还存在差异。能具体说一说这种差异吗？

在重力场中移动的质点的质量都是正值，在重力场中确定的两点间移动等质量的质点，重力做功一定相等，重力势能的变化量一定相等；在电场中移动的电荷可正、可负，在电场中确定的两点间移动电荷量大小相等的电荷，静电力做的功绝对值相等(有正、负两个可能值)，电势能的变化量也有正、负两个可能值。

3．若取无穷远为零势能面，在场源电荷为正点电荷的电场中，正电荷的电势能一定大于负电荷的电势能吗？在场源电荷为负点电荷的电场中呢？

巩固训练：

1．关于在电场中移动电荷与电势能的关系，下列说法中正确的是( )

A．电荷沿电场线方向移动，电势能一定增加

B．电荷沿电场力方向移动，电势能一定增加

C．电荷逆电场力方向移动，电势能一定增加

D．电荷沿垂直于电场线方向移动，电势能一定不变

答案：CD

2．有一电荷量q＝－3×10－6C的电荷，从电场中的A点移到B点时，克服静电力做功6×10－4 J。求：

①电荷的电势能怎样变化？变化了多少？

②以B为零势能点，电荷在A点的电势能E pA是多少？

③如果把这一电荷从B点移到C点时静电力做功9×10－4 J，电荷的电势能怎样变化？变化了多少？

④如果选取C点为零势能点，则电荷在A点的电势能E pA′又是多少？

⑤通过这一例题你有什么收获？

解析：①静电力做功W AB＝－6×10－4 J，电势能增加了6×10－4 J。

②以B为零势能点，电荷在A点的电势能是－6×10－4 J。

③W BC＝9×10－4 J，电荷的电势能减少了9×10－4 J。

④以C点为零势能点，则电荷在A点的电势能E pA′＝W AC＝W AB＋W BC＝3×10－4 J。

⑤取不同的零势能点，同一电荷在电场中同一点的电势能数值是不同的。

[事件4]

教学任务：电势的定义

师生活动：

1．类比下图两种情况：

通过类比可见，若用左图中的Ep/m，或右图中的Ep/q，对某一固定位置，它们的值都是固定的。

如何来表征这个相同的量呢？(让学生很快能想到用比值定义法来定义物理量，对知识活学活用)

2．上面讨论的是特殊情况，下面讨论一般情况：(如图)