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

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 /

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。

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。

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。