9.4 电势能 电势 课时教案 -2025-2026学年高二上学期物理沪科版必修第三册

该教案聚焦高中物理必修第三册中电势能与电势的核心概念，以“静电力做功是否与路径无关”为逻辑起点，通过类比重力场、理论推导和情境探究层层递进，构建从力到能的认知桥梁，形成清晰的知识脉络。 本教案突出科学思维与物理观念的深度融合，借助动画导入激发问题意识，用数学推导强化模型建构能力，通过小组合作探究突破“电势高则电势能大”的迷思概念，体现科学论证与质疑创新素养。板书设计结构化呈现知识网络，配合典型例题规范解题流程，帮助学生建立能量视角下的电场分析方法。对学生而言，实现抽象概念具象化理解，提升综合应用能力；对教师而言，提供可复制、可优化的教学范式，助力核心素养落地课堂。

9.4《电势能 电势》课时教案 学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时 教材 沪科版高中物理必修第三册 授课类型 新授课 第1课时 教材分析 教材分析 本节内容位于沪科版高中物理必修第三册第九章第四节，是静电场知识体系中的核心概念之一。教材从静电力做功与路径无关的特性出发，引出电势能的概念，并进一步定义电势，建立电场中能量描述的物理框架。该节内容承前启后，既是对前面库仑定律、电场强度等矢量性知识的深化，也为后续学习等势面、电容器、电路中的电压等知识奠定基础。其逻辑结构清晰，强调从“力”到“能”的思维跃迁，体现了物理学中能量观念的重要性。 学情分析 高二学生已具备一定的力学和电学基础知识，理解重力势能与重力做功的关系，掌握电场强度、电场线等基本概念。然而，电势能和电势属于抽象的标量场概念，学生易将电势误解为矢量或与电场强度混淆。同时，“零势能面”的设定、“正负电荷在电场中电势能变化”的判断等均存在认知障碍。学生正处于形象思维向抽象思维过渡的关键期，需借助类比重力场、情境模拟和可视化手段帮助理解。因此，教学中应强化物理模型构建，注重思维引导与错误纠正。 课时教学目标 物理观念 1. 理解静电力做功的特点，掌握电势能的概念及其与静电力做功的关系。 2. 掌握电势的定义式，理解电势是描述电场能量属性的物理量，认识电势的相对性和标量性。 科学思维 1. 通过类比重力势能建立电势能概念，发展类比推理能力；通过分析点电荷电场中的电势分布，提升模型建构与逻辑推理能力。 2. 能够运用“功能关系”分析带电粒子在电场中的运动与能量转化问题，形成能量视角下的电场分析方法。 科学探究 1. 经历“提出问题—理论推导—得出结论”的探究过程，理解电势能引入的必要性及电势的定义方式。 2. 在小组合作中设计简单情境验证电势高低判断方法，培养实验设计与协作交流能力。 科学态度与责任 1. 感受物理概念建立的严谨性与逻辑美，增强对自然规律探索的兴趣与尊重。 2. 认识电势在科技生活中的广泛应用（如示波器、电泳技术），体会物理知识的社会价值。 教学重点、难点 重点 1. 静电力做功与路径无关的特点及电势能的变化规律。 2. 电势的定义及其物理意义。 难点 1. 电势能的相对性与电势的相对性理解。 2. 正负电荷在电场中移动时电势能增减的判断。 教学方法与准备 教学方法 情境探究法、讲授法、合作探究法、类比迁移法 教具准备 多媒体课件、静电场模拟软件、实物投影、小组任务卡、导学案 教学环节 教师活动 学生活动 创设情境，导入新课 【5分钟】 一、回顾旧知，引发思考 （一）、播放动画：小球沿不同路径滑下斜面。 教师展示一段动画：一个光滑小球从同一高度分别沿直线、折线、曲线三种路径滑至水平面。提问：“在这三种情况下，重力做的功是否相同？为什么？”引导学生回忆：“因为重力是保守力，做功只与初末位置的高度差有关，与路径无关。”接着追问：“那么，在电场中，如果有一个带电小球从A点移动到B点，静电力做的功是否也与路径无关呢？” （二）、提出核心问题，激发探究欲望。 教师继续引导：“如果我们能证明静电力做功也与路径无关，那就意味着我们可以像定义重力势能一样，定义一个‘电势能’。这不仅能让我们的电场研究多一个维度——能量维度，还能简化很多复杂问题的分析。今天我们就来一起揭开这个谜底。”此时屏幕上缓缓浮现课题《电势能 电势》，并配以淡蓝色电场线条背景，营造神秘而理性的氛围。 （三）、讲述科学家故事，点燃科学热情。 教师轻声讲述：“19世纪中期，法拉第在研究电磁现象时，提出了‘力线’的思想，但他更关注的是空间中看不见的能量分布。后来，开尔文勋爵和麦克斯韦等人在此基础上发展出了系统的电势理论，使得人类第一次可以用精确的数学语言描述‘电的位置有多‘高’’。这种从‘力’到‘势’的转变，是一次伟大的思想飞跃。” 1. 观看动画，回忆重力做功特点。 2. 思考并回答教师提问。 3. 对静电力是否具有类似性质产生好奇。 4. 感受物理发展的历史脉络。 评价任务 功与路径：☆☆☆ 类比联想：☆☆☆ 问题意识：☆☆☆ 设计意图 通过熟悉的重力场情境引入，降低认知起点；利用动画直观呈现“功与路径无关”的物理事实，激活已有经验；以关键问题驱动学生思维，明确本节课的研究方向；穿插科学史实，增强课堂人文气息，激发学生探究兴趣。 探究新知，建构概念 【18分钟】 一、理论推导，验证静电力做功特性 （一）、设置典型情境，引导数学推导。 教师在PPT上展示如下情境：在真空中固定一个正点电荷Q，在其电场中有两点A和B，现有一试探电荷q从A点沿任意路径L移动到B点。教师提问：“我们如何计算静电力在整个路径上所做的总功？”引导学生想到微元法：“可以把路径分成无数小段，每一段近似看作直线，在这一小段上静电力F=kQq/r²，方向沿径向，位移为dl，夹角为θ，则dW=F·dl·cosθ。” 接着，教师带领学生进行关键推导： 由库仑定律得 F = kQq / r²，方向沿r方向。 取一小段位移dl，其在r方向上的投影为dr，则 dW = F dr = (kQq / r²) dr。 于是，整个路径上的功为 WAB = ∫A^B dW = ∫{rA}^{rB} (kQq / r²) dr = kQq [ -1/r ]{rA}^{rB} = kQq (1/rA - 1/rB)。 结果表明：静电力做功仅取决于起始和终止位置的距离rA和rB，与中间路径完全无关！ （二）、揭示物理本质，引出电势能。 教师总结道：“既然静电力做功与路径无关，它就像重力一样，是一种保守力。根据功能原理，保守力做功等于相应势能的减少量。因此，我们可以定义一个新的能量——电势能E_p，满足：W_AB = E_pA - E_pB。” 教师进一步解释：“这意味着电荷在电场中某一点具有的电势能，反映了它由于位置而具有的做功能力。但要注意，就像重力势能需要选参考平面一样，电势能也需要规定零势能点。通常我们选择无穷远处或大地作为零势能位置。” 二、层层递进，定义电势概念 （一）、提出问题：电势能属于谁？ 教师设问：“电势能E_p是属于试探电荷q的，还是属于场源电荷Q的？或者说是系统共有的？”引导学生讨论后明确：电势能是电荷q与电场（由Q产生）相互作用所具有的能量，属于两者组成的系统。 紧接着追问：“如果我们换一个不同的试探电荷q'放入同一点，它的电势能还一样吗？”学生容易回答：“不一样，因为W∝q。” 教师顺势引导：“这就带来一个问题：同一个位置，不同电荷有不同的电势能，那我们怎么描述这个位置本身的能量属性呢？” （二）、引入比值定义法，建立电势概念。 教师启发：“同学们还记得电场强度是如何定义的吗？我们用F/q来描述电场本身的力的性质，排除了试探电荷的影响。现在，我们是否也可以用一个类似的办法？比如，用E_p/q来描述电场的能量性质？” 于是，教师正式给出电势φ的定义： φ = Ep / q 单位：伏特（V），1 V = 1 J/C。 并强调：“电势φ是由电场本身决定的，与试探电荷q无关，是描述电场能量属性的物理量。就像海拔高度不依赖于登山者体重一样。” 举例说明：若某点电势为5V，表示单位正电荷在该点具有5J的电势能。 （三）、分析电势正负，辨析物理意义。 教师结合点电荷电场图示讲解：对于正点电荷Q产生的电场，越靠近Q，电势越高，通常规定无穷远为0，则各点电势均为正值；而对于负点电荷Q，越靠近Q电势越低，各点电势为负值。强调电势是标量，有正负，表示相对于零势点的高低。 1. 跟随教师思路参与推导。 2. 理解静电力做功与路径无关。 3. 掌握电势能与电场力做功关系。 4. 理解电势的定义及其物理意义。 评价任务 推导能力：☆☆☆ 概念理解：☆☆☆ 类比迁移：☆☆☆ 设计意图 通过严密的数学推导让学生信服静电力做功的路径无关性，体现物理学科的逻辑严谨性；从功能关系自然引出电势能，避免概念突兀；通过“电势能归属”和“为何要定义电势”的连续追问，激发深度思考；采用比值定义法类比电场强度，帮助学生理解电势的本质是电场自身的属性；结合图像与实例解析电势正负含义，破除常见误解。 合作探究，深化理解 【10分钟】 一、分组任务：判断电势高低与电势能变化 （一）、发放任务卡，明确探究要求。 教师将全班分为6个小组，每组发放一张任务卡，上面印有不同电场情境（如匀强电场、正点电荷电场、负点电荷电场、等量异种电荷电场的一部分），并提出两个问题： 1. 比较图中M、N两点的电势高低，并说明理由。 2. 若将+q或-q从M点移到N点，其电势能如何变化？静电力做正功还是负功？ 教师巡视指导，提醒学生可借助电场线方向（沿电场线方向电势降低）、公式W=Uq、ΔEp=-W等工具进行分析。 （二）、组织汇报交流，纠正思维偏差。 邀请两组代表上台使用实物投影展示解题过程。第一组分析匀强电场中沿电场线方向移动正电荷的情况，正确指出电势降低，电势能减少，静电力做正功。第二组分析负电荷在正点电荷电场中远离场源的情况，出现争议：有学生认为电势升高所以电势能增加，教师及时介入引导：“注意！电势能Ep=φq，q为负值，φ升高（变大）时，乘积反而可能减小！”最终共同得出：φ增大，q<0，则Ep减小，静电力做正功。 教师总结规律： - 沿电场线方向，电势φ降低。 - 电势能变化看W：静电力做正功，电势能减少；反之增加。 - 公式ΔEp = -W_电 或 ΔEp = qΔφ 更可靠。 1. 小组合作分析任务情境。 2. 运用所学知识解决问题。 3. 派代表汇报解题思路。 4. 倾听他人观点并反思修正。 评价任务 合作表现：☆☆☆ 逻辑推理：☆☆☆ 表达清晰：☆☆☆ 设计意图 通过典型情境的对比分析，强化电势与电势能的区别与联系；小组合作促进思维碰撞，暴露并纠正“电势高则电势能一定大”等常见误区；教师适时点拨，引导学生建立正确的判断流程；通过生生互评与师生互动，实现知识内化与能力提升。 典例精讲，应用提升 【7分钟】 一、精选例题，示范解题规范 （一）、出示例题，引导审题建模。 教师投影例题： 【例】在电场中把一个电荷量q = -2×10⁻⁹ C的点电荷从A点移到B点，克服静电力做功8×10⁻⁸ J。求： （1）A、B两点间的电势差UAB； （2）若将该电荷从A点移到C点，静电力做功为-4×10⁻⁸ J，比较B、C两点电势高低。 教师引导学生画出简图，标注已知量，强调“克服静电力做功”意味着外力做功为+8×10⁻⁸ J，故静电力做功WAB = -8×10⁻⁸ J。 （二）、板书示范，强调思维过程。 教师边讲边写： 解：（1）由电势差定义 UAB = WAB / q = (-8×10⁻⁸) / (-2×10⁻⁹) = 40 V。 注意：分子分母均为负，结果为正，说明A点电势比B点高40V。 （2）WAC = -4×10⁻⁸ J（题目直接给出静电力做功） UAC = WAC / q = (-4×10⁻⁸) / (-2×10⁻⁹) = 20 V，即φA - φC = 20 V ⇒ φC = φA - 20 V 而由（1）知 φB = φA - 40 V 因此 φC > φB，即C点电势高于B点。 教师总结：“解决此类问题，关键是抓住两个公式：U = W/q 和 ΔEp = -W，始终明确各物理量的正负号含义。” 1. 审读题目，提取关键信息。 2. 理解教师解题思路与步骤。 3. 记录关键公式与注意事项。 4. 反思自身可能存在的误区。 评价任务 审题能力：☆☆☆ 公式应用：☆☆☆ 符号意识：☆☆☆ 设计意图 通过典型例题训练学生综合运用知识的能力；强调物理量正负号的处理，这是电学计算中的易错点；教师规范板书起到示范作用，帮助学生建立清晰的解题逻辑链；通过对比分析多个点的电势，深化对电势差和电势高低的理解。 课堂总结，升华主题 【5分钟】 一、结构化梳理，构建知识网络 （一）、师生共构思维导图。 教师引导学生共同回顾本节课主线： “我们从‘静电力做功是否与路径无关’这一问题出发，通过理论推导确认了它是保守力，从而引入了电势能Ep；又因电势能依赖于试探电荷，为了描述电场本身的能量属性，我们用比值法定义了电势φ=Ep/q；最后通过实例和例题学会了如何判断电势高低与电势能变化。” 教师在黑板上逐步画出知识结构： 静电力做功 → 电势能变化 → 电势能Ep → 电势φ → 电势差U → 实际应用 并标注关键公式：WAB = EpA - EpB，φ = Ep/q，UAB = φA - φB = WAB/q。 （二）、升华物理思想，展望未来学习。 教师深情总结：“今天我们迈入了电场的能量世界。电势，这个看似抽象的概念，其实是大自然书写的一部无声史诗。它告诉我们，每一个电荷周围的空间都存在着一种‘高度’，这种高度不靠眼睛看见，而是用心去测量。正如爱因斯坦所说：‘想象力比知识更重要。’正是因为我们敢于用‘势’的眼光看待世界，才有了现代电子技术的辉煌——从手机芯片到核磁共振，无不闪耀着电势理论的光芒。下一节课我们将看到这些‘电的高度’是如何连成一片片‘等势的平原’，并最终驱动电流奔腾不息。愿你们带着这份对自然之美的敬畏，继续探索物理的深邃星空。” 1. 回顾本节主要内容。 2. 参与构建知识结构图。 3. 理解物理思想的深层价值。 4. 激发后续学习期待。 评价任务 知识整合：☆☆☆ 思想领悟：☆☆☆ 情感共鸣：☆☆☆ 设计意图 通过结构化总结帮助学生形成系统化的知识框架；利用思维导图强化记忆与理解；引用名人名言提升课堂格调；将所学知识与现代科技联系，体现STS教育理念；以诗意的语言收尾，激发学生的科学情怀与持续探究的动力。 作业设计 一、基础巩固 1. 下列说法正确的是（ ） A. 电场中某点的电势高低与该点是否有电荷有关 B. 电场中某点的电势为零，则该点电场强度一定为零 C. 电荷在电场中某点的电势能越大，该点电势越高 D. 沿电场线方向，电势逐渐降低 2. 在电场中，把电荷量为5×10⁻⁶ C的正电荷从A点移到B点，克服电场力做功6×10⁻⁴ J，则A、B两点间的电势差U_AB = ______ V；若将另一电荷量为-2×10⁻⁶ C的电荷从A点移到B点，电场力做功为 ______ J。 二、能力提升 3. 如图所示为某电场的电场线分布，A、B为其中两点。 （1）将正电荷从A点移到B点，电势能如何变化？ （2）将负电荷从B点移到A点，电场力做正功还是负功？ （3）比较A、B两点电势高低，并说明理由。 三、拓展探究 4. 查阅资料，了解“电势”在医学领域（如心电图、脑电图）或工程技术（如示波器、静电喷涂）中的一个实际应用，写一段100字左右的说明文字，阐述其工作原理中涉及的电势概念。 【答案解析】 一、基础巩固 1. D 【解析】电势是电场本身的属性，与试探电荷无关，A错；电势为零处电场强度不一定为零（如等量异种电荷连线中点），B错；电势能Ep=φq，还与q有关，C错；沿电场线方向电势降低，D正确。 2. 120；-2.4×10⁻⁴ 【解析】WAB = -6×10⁻⁴ J（克服电场力做功），UAB = WAB/q = (-6×10⁻⁴)/(5×10⁻⁶) = -120 V？不对！注意：UAB定义为φA - φB，而WAB是电场力做功。此处“克服电场力做功”说明电场力做负功，即WAB = -6×10⁻⁴ J。故UAB = WAB/q = (-6×10⁻⁴)/(5×10⁻⁶) = -120 V。但题目问“A、B两点间的电势差”，通常指大小或绝对值？不，应保留符号。标准答案应为 -120 V。但若按常规理解“电势差”为正值，则需说明方向。严格来说，UAB = -120 V。第二空：W' = q'UAB = (-2×10⁻⁶)×(-120) = 2.4×10⁻⁴ J？不对！UAB = φA - φB = -120 V ⇒ φB - φA = 120 V。但WAB = qUAB适用于同一对点。正确计算：W'AB = q' × UAB = (-2×10⁻⁶ C) × (-120 V) = +2.4×10⁻⁴ J。但题目说“从A到B”，且电荷为负，若A电势低于B，则负电荷从A到B电势能增加，电场力做负功？矛盾。重新审视：原电荷为正，从A到B克服电场力做功，说明电场力方向由B指向A，即φA > φB，故UAB = φA - φB > 0。而WAB = qUAB，q>0，WAB应为负？不，“克服”意味着外力对抗电场力，所以电场力做负功，即WAB = -6×10⁻⁴ J。代入公式：-6×10⁻⁴ = (5×10⁻⁶) × UAB ⇒ UAB = -120 V。这说明φA - φB = -120 V ⇒ φA < φB。即B点电势更高。这合理吗？正电荷从A到B，电势能增加（外力做功），说明B点电势更高，对。所以UAB = -120 V。第二空：W = qU_AB = (-2×10⁻⁶) × (-120) = +2.4×10⁻⁴ J。但“+”表示电场力做正功？负电荷从A到B，若φB > φA，则负电荷在B点电势能更小（Ep=φq，q<0），所以电势能减少，电场力做正功，合理。故答案：UAB = -120 V，做功为 +2.4×10⁻⁴ J。但虑到高中习惯，有时电势差取绝对值，此处应保留科学性。 二、能力提升 3. （1）电势能减少。（沿电场线方向移动正电荷，电场力做正功，电势能减少） （2）电场力做正功。（负电荷逆电场线方向移动，受力方向与位移方向夹角小于90°） （3）φA > φB。理由：电场线方向由A指向B，沿电场线方向电势降低。 板书设计 §9.4 电势能 电势 【主线】功 → 能 → 势 一、静电力做功特点： WAB = ∫ F·dl = kQq(1/rA - 1/rB) ⇒ 与路径无关！→ 保守力 二、电势能 E_p 定义：WAB = EpA - EpB 特点：系统共有，相对性（选零势点） 三、电势 φ 定义：φ = Ep / q （标量，单位：V） 物理意义：描述电场能量属性 正负：相对于零势点的高低 四、电势差 UAB U_AB = φA - φB = WAB / q 五、判断规律： • 沿电场线方向，φ ↓ • W电 > 0 ⇒ Ep ↓ • ΔEp = qΔφ 教学反思 成功之处 1. 以“功与路径”为核心问题贯穿始终，逻辑主线清晰，有效引导学生经历概念建构过程。 2. 类比重力场策略得当，降低了抽象概念的理解难度，学生反馈良好。 3. 合作探究环节设计典型情境，成功暴露并纠正了“电势高则电势能大”的迷思概念。 不足之处 1. 数学推导部分节奏稍快，个别基础薄弱学生跟进建模困难，应增加中间步骤提示。 2. 课堂生成中关于“零势点选择对电势差影响”的追问未充分展开，可增设微型讨论。 3. 板书布局可优化，右侧预留区域用于记录学生提出的精彩问题或错误案例。 学科网（北京）股份有限公司 $