高中物理第一章静电场4电势能和电势课件新人教版选修3_1

4 电势能和电势,1.静电力做功的特点 在匀强电场中移动电荷时,静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关,但与电荷经过的路径无关。这个结论在非匀强电场中同样适用。 2.电势能 (1)电势能:电荷在电场中具有的势能叫作电势能。 (2)静电力做的功与电势能变化的关系:静电力做的功等于电势能的减少量。若用WAB表示电荷从A点移动到B点的过程中静电力做的功,EpA和EpB分别表示电荷在A点和B点的电势能,公式表达为WAB=EpA-EpB。 (3)电势能等于什么:电荷在某点的电势能,等于把它从该点移动到零势能位置时静电力所做的功。 (4)电势能零点的规定:通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为零,或把电荷在大地表面上的电势能规定为零。,将某电荷在一电场中由A点移到B点,若选不同的点作零势能参考点,A点(或B点)电势能的大小相同吗?从A点到B点的移动过程中电势能的变化相同吗? 提示:由于电势能具有相对性,选择不同的点作零势能参考点,同一点A(或B)的电势能大小可能不相同,但在同一过程中如由A到B,静电力做功相同,电势能的变化相同。,4.等势面 (1)等势面:电场中电势相同的各点构成的面叫作等势面。在同一个等势面上移动电荷时静电力不做功。 (2)等势面的特点:电场线跟等势面垂直,并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。 (3)等势面实例:孤立的点电荷电场的等势面是一族以点电荷位置为球心的同心球面,匀强电场的等势面是一族平行平面。,特别提醒静电力做功和重力做功有很多相似特点,不过要注意,地球产生的重力场只会对物体产生引力,而电场对电场中的电荷既可产生引力,也可产生斥力,所以计算静电力做功时要注意电荷的电性、移动的方向、电场强度的方向等,以便确定功的正负和电势能的变化情况。,2.对电势的理解 (1)电势的特点 电势的相对性:某点电势的大小是相对于零电势而言的,零电势选择的位置不同,则该点的电势就不同,零电势的选择是任意的,但通常选择地面和无穷远处为电势零点。 电势的固有性:电场中某点的电势大小是由电场本身的条件决定的,与在该点是否放有试探电荷及所放电荷的电性无关。 电势的标量性:规定了电势零点后,电场中各点的电势可以是正值,也可以是负值,正值表示该点的电势高于零电势,负值表示该点的电势低于零电势,在同一电场中,正电势一定高于负电势。如果规定无穷远处为零电势,则正电荷产生的电场中各点的电势为正值,负电荷产生的电场中各点的电势为负值。正负只表示大小,不表示方向。,特别提醒当涉及、Ep、q三者关系的问题时,一定要考虑三者的正负号问题。,3.电势、电势能大小的判断方法 (1)电势能大小的判断方法 电荷在电场中才会具有电势能。电荷在A点具有的电势能为EpA,在B点具有的电势能为EpB,EpA和EpB的大小怎样来比较呢?在这两点间移动电荷,用静电力做功的方法来判断。 把电荷从A点移到B点,若静电力做正功,则该电荷的电势能减少,即EpAEpB,静电力做多少正功,电势能就减少多少;若静电力做负功(也可以说是克服静电力做功),则该电荷的电势能增加,即EpAEpB,静电力做多少负功,电势能就增加多少。,特别提醒电荷的电势能是否变化,与静电力对电荷是否做功有关,跟其他力是否做功无关,即电势能的变化是通过静电力做功实现的。,(2)电势高低的判断方法 电势高低的判断有两种方法,一是依据电场线,二是根据移动电荷时静电力做功。 利用电场线判断电势高低:沿电场线方向电势越来越低。 根据只在静电力作用下电荷的移动情况来判断:只在静电力作用下,电荷由静止开始移动,正电荷总是由电势高的点移到电势低的点;负电荷总是由电势低的点移向电势高的点。但它们都是由电势能高的点移向电势能低的点。 移动正电荷静电力做正功时,电势能减少,则是从电势高处移到电势低处,做负功时相反; 移动负电荷静电力做正功时,电势能减少,则是从电势低处移到电势高处,做负功时相反。,(3)电势正负的判断 若以无穷远处电势为零,则正电荷周围各点电势为正,负电荷周围各点电势为负。,4.等势面的特点及应用 (1)特点: 在同一等势面上移动电荷时静电力不做功。 电场线总是跟等势面垂直,且由电势较高的等势面指向电势较低的等势面;等势面可以是封闭的,也可以是不封闭的。 在电场线密集的地方,等差等势面密集;在电场线稀疏的地方,等差等势面也稀疏,但等势面不相交。 (2)应用: 由等差等势面的疏密程度判断电场的强弱。 由等势面判断电场中各点电势的高低。 由等势面判断在电场中移动电荷时静电力做功的情况。 根据等势面的分布确定电场线的分布。,类型一,类型二,类型三,类型四,电势、电势能的计算 【例1】 如果把q=1.010-8 C的点电荷Q从无穷远处移到电场中的A点,需要克服静电力做功W=1.210-4 J,那么: (1)Q在A点的电势能和A点的电势各是多少? (2)Q在未移入电场前A点的电势是多少? 点拨:由W=Ep-EpA,可计算出EpA,根据A点的电势能可求出A点的电势。,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,如图所示,图中实线表示一匀强电场的电场线,一带负电荷的粒子射入电场,虚线是它的运动轨迹,A、B是轨迹上的两点,若粒子所受重力不计,则下列判断中正确的是( ) A.电场线方向向下 B.粒子一定从A点运动到B点 C.A点电势比B点电势高 D.粒子在A点的电势能大于在B点的电势能,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,点拨:根据粒子的运动轨迹可确定粒子所受静电力方向,则可知电场线的方向,判断出电势高低,即可得电势能的大小。 解析:无论粒子从A点还是从B点射入电场,由于运动轨迹向下弯曲,说明粒子受静电力方向向下,可判明电场线的方向向上而不是向下,A错误;粒子既可能从A点运动到B点,也可能从B点运动到A点,B错误;由于顺着电场线方向电势降低,故有AB,C错误;负电荷逆着电场线方向运动时电势能减小,顺着电场线方向运动时电势能增加,因而粒子在A点的电势能大于在B点的电势能,D正确。 答案:D,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,题后反思沿电场线方向电势越来越低,但电荷的电势能不一定减小,正电荷在电势低处电势能小,负电荷在电势低处电势能大。,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,如图所示,P、Q是带等量正电的点电荷,O是它们连线的中点,A、B是中垂线上的两点,OAOB,用EA、EB和A、B分别表示A、B两点的电场强度和电势,则( ) A.EA一定大于EB,A一定大于B B.EA不一定大于EB,A一定大于B C.EA一定大于EB,A不一定大于B D.EA不一定大于EB,A不一定大于B,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,点拨:根据两个带等量正电荷的点电荷的电场线的分布图可解决此问题。 解析:P、Q所在空间中各点的电场强度和电势由这两个点电荷共同决定,电场强度是矢量,P、Q两点电荷在O点的电场强度矢量和为零,在无限远处的电场强度矢量和也为零,从O点沿PQ的垂直平分线向远处移动,电场强度先增大,后减小,所以EA不一定大于EB。电势是标量,由等量同种电荷的电场线分布图可知,从O点向远处,电势是一直降低的,故A一定大于B。 答案:B,类型五,类型一,类型二,类型三,类型四,题后反思电场强度与电势的大小没有直接的关系,它们是从两个不同的角度描述电场性质的物理量。电荷在电场中某点受力大,则该点电场强度大,但电势不一定高,所以电场强度大的地方电势不一定高,电场强度等于零的地方电势不一定等于零。,类型五,类型一,类型二,类型四,类型三,类型五,类型一,类型二,类型四,类型三,点拨:根据运动轨迹可以判断场源电荷的性质,从而确定各等势面的电势高低,根据移动方向跟静电力方向的关系确定静电力做功的正负及电荷电势能的增减问题。 解析:由等势面的分布规律可知,该电场为点电荷的电场。由运动轨迹可知,运动的正电荷跟场源电荷的相互作用规律是排斥,所以场源电荷是正电荷。根据电场线与等势面垂直,电场的分布是发散状辐射向外的。正电荷从K到L受静电力的方向背离圆心,与移动方向相反,做负功,电荷的电势能增加,选项A正确;从L到M,可看作从跟轨迹有交点的同一等势面的点到M,受到的静电力与移动方向相同,静电力做正功,电荷的电势能减少,选项B错误;根据电场线的方向就是电势降低的方向可知选项D正确。 答案:AD,类型五,类型一,类型二,类型四,类型三,题后反思粒子在同一等势面上的电势能是相等的,从同一等势面上的不同点移动电荷到某一点,静电力做功是相同的。,类型五,类型一,类型二,类型三,类型五,类型四,如图所示,半径为r的绝缘细圆环的环面固定在水平面上,电场强度为E的匀强电场与环面平行。一电荷量为+q、质量为m的小球穿在环上,可沿环做无摩擦的圆周运动,若小球经A点时,速度v