《物理必修第三冊》第十章靜電場中的能量1.電勢能和電勢

課程基本信息課題電勢能和電勢教科書書名：普通高中教科書《物理》必修第三冊出版社：人民教育出版社出版日期：2022年7月教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)：1.通過計(jì)算在勻強(qiáng)電場中移動電荷靜電力所做的功，認(rèn)識靜電力做功跟路徑無關(guān)的特點(diǎn)。2.通過類比重力勢能引入電勢能，體會能量觀點(diǎn)是分析物理問題的重要方法。3.理解電勢能的變化與靜電力做功的關(guān)系。4.知道電勢能的定義。知道常見的電勢能零點(diǎn)的規(guī)定方法。教學(xué)重點(diǎn)：1.電勢能概念的建立。2.電勢能的變化與靜電力做功的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：根據(jù)靜電力做功的特點(diǎn)引入電勢能的概念。教學(xué)過程時間教學(xué)環(huán)節(jié)主要師生活動1分鐘環(huán)節(jié)一：設(shè)制問題情境，引出研究的問題。想一想：一個正電荷在電場中只受到靜電力F的作用，它在電場中由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)時，靜電力做了正功WAB。從能量轉(zhuǎn)化的角度，同學(xué)們可以展開哪些思考呢？由動能定理可知，該電荷的動能增加了WAB。根據(jù)能量守恒定律可知，物體動能增加了WAB，意味著有另外一種形式的能量減少了WAB。這是一種什么形式的能量呢？這就為我們提出了一個可以研究的新問題。7分鐘環(huán)節(jié)二：研究靜電力做功的特點(diǎn)。1.獲取研究思路這種能量肯定是因?yàn)殡妶龅拇嬖诙哂械?，能量的變化與靜電力做功密切相關(guān)。所以下面我們可以通過研究靜電力做功來研究電場中的能量。從功入手研究能量是我們一貫的思路。我們曾經(jīng)學(xué)過兩類力，它們做功的特點(diǎn)不同。一類以重力為代表，重力做功與路徑無關(guān)。一類以滑動摩擦力為代表，滑動摩擦力做功與路徑有關(guān)。這兩類力做功的特點(diǎn)是不同的，所對應(yīng)的研究方法也不同。所以下面我們來計(jì)算靜電力所做的功，看看與電荷運(yùn)動的路徑有沒有關(guān)系？2.證明勻強(qiáng)電場中靜電力做功跟路徑無關(guān)做一做：在電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場中任取A、B兩點(diǎn)，AB的連線長度為l，與電場強(qiáng)度的方向夾角為θ。把帶正電的試探電荷從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)，若試探電荷的電荷量為q，計(jì)算下面三種情況下靜電力對電荷所做的功：（1）把q沿直線AB從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)；（2）把q沿折線AMB從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)；（3）使q沿任意曲線ANB從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)。分析：通過前兩個問題的計(jì)算，初步得出結(jié)論——沿不同的路徑把q從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)，靜電力做功相同。利用“微元法”的思想，計(jì)算第三個問題，得出與前兩問相同的結(jié)果。結(jié)論：在勻強(qiáng)電場中，不論q經(jīng)由什么路徑從A點(diǎn)移動B點(diǎn)，靜電力所做的功都是一樣的。因此，在勻強(qiáng)電場中移動電荷時，靜電力所做的功只與電荷的起始位置和終止位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過的路徑無關(guān)。3.推廣到一般的電場“靜電力所做的功與電荷經(jīng)過的路徑無關(guān)。”這個結(jié)論雖然是從勻強(qiáng)電場得出的，但可以證明對于其他靜電場同樣適用。因?yàn)樽C明超出了高中物理的要求，不做詳細(xì)推導(dǎo)。16分鐘環(huán)節(jié)三：建立電勢能的概念。1.因?yàn)殪o電力做功與重力做功的特點(diǎn)相同，回顧由重力做功的特點(diǎn)建立重力勢能概念的過程，得到類比的基礎(chǔ)。2.類比重力勢能，提出電勢能的概念，得出“靜電力做功等于電勢能的減少量”。（1）類比重力勢能，回答課程一開始提出的問題：由于靜電力做的功與路徑無關(guān)，是由始、末位置決定的，與重力做功的特點(diǎn)相同，說明電場中也存在這種由位置決定的能量，我們把這種能量叫做“電勢能”。類比重力做功，我們可以推測靜電力所做的功等于電勢能的減少量。這一結(jié)論我們還可以通過能量守恒加以驗(yàn)證：根據(jù)動能定理，靜電力所做的功等于動能的增加量；根據(jù)能量守恒定律，動能增加量等于電勢能的減少量，所以靜電力所做的功等于電勢能的減少量。（2）靜電力做功與電勢能的關(guān)系式如果用WAB表示電荷由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)靜電力所做的功，EpA和EpB分別表示電荷在A點(diǎn)和B點(diǎn)的電勢能，它們之間的關(guān)系式為：WAB＝EpA－EpB當(dāng)WAB為正值時，EpA>EpB，表明靜電力做正功，電勢能減少。當(dāng)WAB為負(fù)值時，EpA<EpB，表明靜電力做負(fù)功，電勢能增加。3.電勢能的大?。?）定義若規(guī)定電荷在B點(diǎn)的電勢能為0，則電荷在A點(diǎn)的電勢能數(shù)值上等于將電荷由A點(diǎn)移動到B點(diǎn)靜電力所做的功WAB。（2）相對性類比重力勢能，我們可以知道零勢能位置的選取是任意的。若規(guī)定電荷在A點(diǎn)的電勢能為0，那么電荷在B點(diǎn)的電勢能等于靜電力所做的功WBA：EPB＝WBA＝－3×10-7J。相對不同的零勢能位置，電荷在同一點(diǎn)電勢能的數(shù)值可能是不同的，電勢能的數(shù)值是相對于零勢能位置而言的，因此電勢能具有相對性。對于選定的零勢能位置，電勢能可能有正值和負(fù)值。電勢能的正負(fù)表示大小。通常把電荷在離場源電荷無限遠(yuǎn)處的電勢能規(guī)定為0，或把電荷在大地表面的電勢能規(guī)定為0。（3）電勢能是相互作用的電荷所共有的，或者說是電荷及對它作用的電場所共有的。我們說某個電荷的電勢能，只是一種簡略的說法。4.思考與練習(xí)想一想:在正點(diǎn)電荷形成的電場中，將試探電荷+q和-q分別從A點(diǎn)移動到無窮遠(yuǎn)處，靜電力做什么功？電勢能怎樣變化？解析：將試探電荷+q從A點(diǎn)移動到無窮遠(yuǎn)處，靜電力做正功，電勢能減少，試題電荷+q在場中任一點(diǎn)具有的電勢能都是正值。將試探電荷-q從A點(diǎn)移動到無窮遠(yuǎn)處，靜電力做負(fù)功，電勢能增加，試探電荷-q在場中任一點(diǎn)具有的電勢能都是負(fù)值。1分鐘環(huán)節(jié)四：課堂小結(jié)本節(jié)課我們圍繞電勢能這一概念展開了研究。電勢能是電學(xué)眾多概念中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，對我們建立能量的觀念起到了舉足輕重的作