9.4 电势能 电势（教学课件）物理沪科版必修第三册

第九章 静电场 第四节 电势能 电势 作者：徐圣钦 微信：894665727 高中物理必修第三册•沪科版 情境引入 夏天雷雨天气，乌云密布、电闪雷鸣。带电的云层之间、云层与地面之间会发生剧烈放电，闪电中蕴藏着巨大的能量。这种能量与电荷在电场中所处的位置有关——它就是本节要研究的电势能。 作者：徐圣钦 微信:894665727 视频演示 作者：徐圣钦 微信:894665727 引言 现代，人们需要用高速的微观粒子轰击另一微观粒子来进行科学研究，其速度的数量级达到107m/s，那是怎样加速的呢？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 知道静电力做功与路径无关的特点； 建立电势能的概念，明确电势能变化与静电力做功的关系； 理解电势、等势面的概念及物理意义。 02 科学思维 通过类比重力势能建立电势能的概念，体会类比法的科学价值； 通过比值定义法建立电势的概念，体会“用比值定义场的性质”的方法； 运用W＝E_{pA}−E_{pB} 分析做功与电势能变化的关系，提升科学推理能力。 03 科学探究 经历推导匀强电场中静电力做功的过程，探究电场力做功的规律； 通过“大家谈”等活动，构建描述电场能的性质的物理量。 04 科学态度与责任 体会重力场与静电场的和谐统一，感悟“从现象到本质”的研究思路； 了解生产生活中零电势位置的规定，体会物理知识的实用价值。 作者：徐圣钦 微信:894665727 教学重难点 教学难点 教学重点 静电力做功与路径无关的特点； 电势能的概念及其与静电力做功的关系； 电势的概念、定义式及物理意义。 电势能、电势概念的抽象建构； 电势能与电势的区别与联系。 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂引入 一个正电荷在电场中只受到静电力F的作用，它在电场中由A点运动到B点时，静电力做了正功WAB。由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。 从能量转化的角度思考，物体动能增加了，意味着有另外一种形式的能量减少了。这是一种什么形式的能量呢？ A B + 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点1 静电力做功的特点 类比重力做功 重力对物体做的功与路径无关，只由初、末位置决定，由此我们建立了重力势能。同样可以证明：电场力把电荷从 A 点移到 B 点所做的功，也与路径无关，只由 A、B 两点的位置决定。 【拓展视野】做功与路径无关的力称为保守力。万有引力、静电力都是保守力；摩擦力做功与路径有关，不是保守力。 作者：徐圣钦 微信:894665727 静电力做功的特点 【情境】如图，在电场强度为E的匀强电场中任取A、B两点，把试探电荷q沿两条不同路径从A点移动到B点，计算这两种情况下静电力对电荷所做的功，并根据结果猜想静电力做功有何特点？ A B M + + 路径AB： 路径AMB： 结论：以上两种不同路径中静电力对q所做的功是一样的 【大家谈】以前还学过什么力做功也跟路径无关？如果路径改成曲线，这个结论还成立吗？ WAB ＝ qEd WAMB ＝ WAM ＋ WMB ＝ qEd 作者：徐圣钦 微信:894665727 静电力做功的特点 【情境】如图，在电场强度为E的匀强电场中任取A、B两点，把试探电荷q沿两条不同路径从A点移动到B点，计算这两种情况下静电力对电荷所做的功，并根据结果猜想静电力做功有何特点？ A B M 路径AB： 路径AMB： 微元法 曲线AB： 结论：在匀强电场中移动电荷时，静电力所做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，与电荷经过的路径无关。 可以证明对非匀强电场也是适用的 + WAB ＝ qEd WAMB ＝ WAM ＋ WMB ＝ qEd W曲线 ＝ W1 ＋ W2 ＋ … ＝ qEd 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点2 电势能 C 电势能 A B + + 【大家谈】电场中不同位置静止释放相同的电荷，到达同一点时获得的动能一样吗？ 电荷在电场中不同位置具有不同的能量，我们把这种能量叫作电势能。 它有什么特点？表达式又是如何？ 功是能量的量度 作者：徐圣钦 微信:894665727 电场力做功与电势能变化的关系 G ++++++++++++++++ -------------------------- + Eq - Eq 重力做正功 重力势能减小 WG=-ΔEP 电荷 类型 电场力 做功 电势能 动能 + - 正功 负功 增加 减小 减小 增加 能量守恒 结论：WAB ＝ EpA − EpB ＝ −ΔEp 某点电势能是多少？ 与电荷正负无关 作者：徐圣钦 微信:894665727 A B 电势能的相对性 ++++++++++++++++ -------------------------- + Eq - Eq 【情境】 从A→B，电场力对正电荷做正功、对负电荷做负功。 ΔEp=-5J ΔEp=5J 电荷 类型 电势能 变化 EPA=0 + - -5J 5J 2J -2J -5J 5J 先把电场中某点的电势能规定为 0，才能确定电荷在其他点的电势能； 电势能属于电荷与电场组成的系统。 EPB= C EPB= EPC=0 EPB= EPB= ΔEp=-2J ΔEp=2J 能得出什么结论？ 电势能 变化 -2J 2J 作者：徐圣钦 微信:894665727 小结 Ep=0 + Eq - Eq + Eq - Eq WE>0 EP↓ WE>0 EP↓ WE<0 EP↑ 【与+/-无关】电场力做功与电势能变化关系WG=-ΔEP EP>0 EP>0 EP<0 EP<0 【与+/-有关】电荷在电场中某点电势能跟电性、零势能面选取有关 有没有一个物理量描述电场本身，跟电荷无关？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 示例 1 【例 1】如图，在正点电荷 Q 的电场中有 A、B 两点。把正试探电荷 q 分别从 A、B 两点移到无穷远处，静电力做的功为 WA∞ ＝ 3.0×10−6 J 和 WB∞ ＝ 1.5×10−6 J。取无穷远处电势能为零。 （1）电荷在 A、B 两点的电势能各是多少？ （2）若在 A、B 两点改放等量的负电荷，它在哪一点的电势能较大？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 例 1 解答 解：（1）静电力做的功等于电势能的减少量。 从 A 点移到无穷远处：WA∞ ＝ EpA − Ep∞ ＝ EpA − 0 故 EpA ＝ 3.0×10−6 J；同理 EpB ＝ 1.5×10−6 J。 （2）电场中同一点的电势能与试探电荷的电荷量成正比。改放等量的负电荷时，各点电势能等值反号： E′pA ＝ −3.0×10−6 J，E′pB ＝ −1.5×10−6 J 因为 E′pB ＞ E′pA，所以负电荷在 B 点的电势能较大。 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点3 电势 电势 + Eq A EPB=0 - E(-q) + Enq 正电荷q在A点的电势能 正电荷nq在A点的电势能 负电荷-q在A点的电势能 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所做的功 结论：比值与试探电荷无关 Ep1 ＝ qEl Ep1/q ＝ El Ep2 ＝ nqEl Ep2/(nq) ＝ El Ep3 ＝ −qEl Ep3/(−q) ＝ El 作者：徐圣钦 微信:894665727 电势 电势：电荷在电场中某点的电势能与它的电荷量之比 单位：在国际单位制中，电势的单位是伏特（V），1 V ＝ 1 J/C 【大家谈】1、电势与什么有关？ 2、如何判断电势的变化？ 由 φ ＝ Ep/q 可得 Ep ＝ qφ 电势是标量，只有大小，没有方向。 作者：徐圣钦 微信:894665727 电势的变化 + A B A B 沿电场线方向，电势降低 Eq Eq 沿电场线方向，电势降低 零势能 与电荷正负无关 正电荷从A点移动到B点 负电荷从A点移动到B点 - WAB ＝ EpA − EpB ＞ 0 EpA ＞ EpB 故 φA ＞ φB WAB ＝ EpA − EpB ＜ 0 EpA ＜ EpB 仍有 φA ＞ φB 作者：徐圣钦 微信:894665727 大家谈：通常取无限远处的电势能为 0 电势 0 电势 0 > < 电势能 0 电势能 0 + - + - 电势能 0 电势能 0 > < < > 以无穷远处为零势能位置， 正、负电荷周围的电势 和电势能是正还是负？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 示例 2 【例 2】电场中 A、B 两点的电势分别为 φA ＝ 3.0×102 V，φB ＝ 1.5×102 V。 （1）把电荷量 q ＝ 2.0×10−8 C 的正电荷从 A 点移到 B 点，静电力做多少功？ （2）若把它从 B 点移到 A 点呢？ 解：由 Ep ＝ qφ 可知： EpA ＝ qφA ＝ 6.0×10−6 J，EpB ＝ qφB ＝ 3.0×10−6 J （1）WAB ＝ EpA − EpB ＝ 3.0×10−6 J，静电力做正功； （2）WBA ＝ EpB − EpA ＝ −3.0×10−6 J，静电力做负功。 作者：徐圣钦 微信:894665727 等势面 电场中电势相等的点构成的面叫作等势面。 · 在同一等势面上移动电荷，静电力不做功；电场线与等势面垂直，并从电势高的等势面指向电势低的等势面。 · 相邻等势面间的电势差相等时，等势面越密的地方电场越强。 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂小结 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】关于电场力做功的特点，下列说法正确的是（　　） A．在电场中移动电荷，路径不同，电场力做的功一定不同 B．电场力做的功只与电荷在电场中的始、末位置有关 C．电场力对电荷做正功，电荷的电势能增加 D．电荷在电场中的位置发生了变化，电场力对电荷一定做了功 【答案】B 【考点】静电力做功特点及与电势能变化关系 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】两带电小球，电荷量分别为和，固定在一长度为的绝缘细杆的两端，置于电场强度为的匀强电场中，杆与电场强度方向平行，其位置如图所示。若此杆绕过点垂直于杆的轴线转过，则在此转动过程中静电力做的功为（　　） A．0 B． C． D． 【答案】C 【考点】电场力做功的计算 作者：徐圣钦 微信:894665727 课后作业 课后练习 分层作业 1．复习本节内容，梳理“电势能、电势、等势面”三个概念的联系与区别。 2．完成教材本节课后练习。 3．查阅资料，了解避雷针防止雷击的原理。 作者：徐圣钦 微信:894665727 谢谢聆听 谢谢聆听 $