高中物理 第一章 静电场 4 电势能和电势课件课件 新人教版选修31.ppt

4电势能和电势 1 理解静电力做功的特点 电势能的概念 电势能与静电力做功的关系 2 理解电势的概念 知道电势是描述电场的能的性质的物理量 明确电势能 电势 静电力的功 电势能的关系 了解电势与电场线的关系 了解等势面的意义及与电场线的关系 教学目标 重点 理解掌握电势能 电势 等势面的概念及意义 难点 掌握电势能与做功的关系 并能用此解决相关问题 重点难点 电势 电势能的概念比较抽象 在讲解时可以通过引入重力场的有关概念进行类比 以增强知识的可感知性 这样有助于学生的理解 但还需要注意的是 在讲解中不仅要掌握好教学的深度 同时要加强学生从不同的知识角度 能的角度 功能关系的角度学习本节知识 从一个更高的全面的基准点对已学知识进行综合 加强学生自身知识的再更新能力 这也是教师急需要注意的问题 在讲解中 知识点上需要明确的是 1 除了需要说明电势的单位以及标量性 还需要强调电势公式是定义式 教学建议 电场中某一点的电势与电荷在电场中的电势能无关 与电荷的多寡无关 而电场中某点的电势与电荷在电场中的电势能无关 与电荷的多寡无关 而电场中某点的电势与产生电场的源电荷有关 与该点在电场中的位置有关 2 使用电势公式时 注意公式中物理量的正负 理解正负只是表示电势的高低而不是方向 3 关于电势的讲解 一是需要注意的是零电势的选取 理论上以距离电场无限远处为零电势 实际上以大地的电势为零电势 二是电势沿着电场线的方向逐渐降低 教学建议 导入一 复习前面相关知识1 静电力 电场强度的概念 指出前面我们从力的性质的角度研究电场 从本节起将从能量的角度研究电场 2 复习功和能量的关系 从静电力做功使试探电荷获得动能入手 提出问题 是什么能转化为试探电荷的动能 引入新课 新课导入 导入二 高山耸立 峭壁嶙峋 攀岩者若要登上陡峭的山峰 不仅需要熟练的攀岩技巧 而且需要过人的体力 攀岩者攀岩时 攀岩者克服重力做功 也一步步地增大了自己的重力势能 而做自由落体运动的物体 由于重力做功 使得势能转化成了动能 电子在静电力的作用下沿着与电场强度相反的方向运动时 电场力做功吗 电子在电场中有势能吗 如果有 这个势能与静电力所做的功有什么关系 这个势能与重力势能有无相似之处 新课导入 1 静电力做功的特点 移动电荷的静电力所做的功只与有关 而与电荷无关 2 匀强电场中静电力做功 在匀强电场中 静电力做功w qe d 其中d为沿方向的位移 不一定是被移动电荷的实际位移 静电力做功 知识必备 知识点一 起始位置和终止位置 经过的路径 场强 1 概念 电荷在所具有的能叫作电势能 用ep表示 单位是焦 j 2 大小 电荷在电场中某点的电势能 等于把它从该点移动到位置时静电力做的功 3 静电力做功与电势能变化的关系 wab 电势能 知识必备 知识点二 电场中 零势能 epa epb 1 定义 电荷在电场中某点的与它的的比值 叫作这一点的电势 用字母 表示 2 表达式 3 单位 伏特 v 1v j c 4 意义 描述电场的的物理量 电场中某一点的电势在数值上等于在该点所具有的电势能 5 电势和电势能的关系 epa q a 电势 知识必备 知识点三 电势能 电荷量 1 能的性质 单位正电荷 1 等势面 电场中电势构成的面叫作等势面 2 常见的等势面 1 点电荷的电场中的等势面是以点电荷为的一簇球面 如图1 4 1甲所示 2 等量同种点电荷的电场中的等势面如图乙所示 3 等量异种点电荷的电场中的等势面如图丙所示 特别要注意两点电荷连线的中垂面为一个等势面 等势面 知识必备 知识点四 相同的各点 球心 4 匀强电场中的等势面是垂直于电场线的一簇平面 如图丁所示 5 形状不规则的带电导体附近的电场线及等势面如图戊所示 处于静电平衡状态的导体是等势体 导体表面是等势面 导体表面外侧的电场线跟导体表面垂直 知识必备 图1 4 1 学习互动 电势能 考点一 想一想 重力做功与静电力做功有何共同之处 什么是电势能 静电力做功与电势能的变化量之间有什么关系 要点总结 1 对电势能的理解 1 系统性 电势能由电场和电荷共同决定 属于电场和电荷系统所共有的 我们习惯说成电场中的电荷所具有的 2 相对性 电势能是一个相对量 其数值与零势能点的选取有关 因此确定电荷的电势能首先应确定零势能点的位置 但电荷在某两点之间的电势能之差与零势能点的选取无关 3 标量性 电势能是标量 有正负 无方向 电势能为正值表示电势能大于参考点的电势能 电势能为负值表示电势能小于参考点的电势能 知识必备 2 电势能大小的三种判断方法 1 由场源电荷判断 离正场源电荷越近 正试探电荷的电势能越大 负试探电荷的电势能越小 离负场源电荷越近 正试探电荷的电势能越小 负试探电荷的电势能越大 2 由电场线判断 正电荷顺着电场线的方向移动时电势能逐渐减小 逆着电场线的方向移动时电势能逐渐增大 负电荷顺着电场线的方向移动时电势能逐渐增大 逆着电场线的方向移动时电势能逐渐减小 3 由做功判断 无论正 负电荷 静电力做正功 电荷的电势能都减小 静电力做负功 电荷的电势能都增大 知识必备 学习互动 例1将带电荷量为6 10 6c的负电荷从电场中的a点移到b点 克服静电力做了3 10 5j的功 再从b移到c 静电力做了1 2 10 5j的功 则 1 该电荷从a移到b 再从b移到c的过程中 电势能共改变了多少 2 如果规定a点的电势能为零 则该电荷在b点和c点的电势能分别为多少 3 如果规定b点的电势能为零 则该电荷在a点和c点的电势能分别为多少 学习互动 答案 1 增加1 8 10 5j 2 3 10 5j1 8 10 5j 3 3 10 5j 1 2 10 5j 解析 1 从a移到c 静电力做的功wac 3 10 5j 1 2 10 5j 1 8 10 5j 电势能增加1 8 10 5j 2 wab epa epb 3 10 5j 又epa 0 则epb 3 10 5jwac epa epc 1 8 10 5j 则epc 1 8 10 5j 3 wab epa epb 3 10 5j 又epb 0 则epa 3 10 5jwbc epb epc 1 2 10 5j 则epc 1 2 10 5j 想一想 什么是电势 零电势点是怎么规定的 沿电场线的方向电势如何变化 学习互动 电势 考点二 要点总结 1 对电势的三点理解 1 电势的相对性 电场中某点的电势是相对的 它的大小和零电势点的选取有关 在物理学中 常取离场源电荷无限远处的电势为零 在实际应用中常取大地的电势为零 2 电势的固有性 电势 是表示电场的能的性质的物理量 电场中某点的电势 只由电场本身决定 而与在该点是否放有电荷 电荷的电性及电荷量均无关 3 电势的标量性 电势虽然有正负 但电势是标量 电势为正值表示该点电势高于零电势 电势为负值表示该点电势低于零电势 正负号不表示方向 学习互动 2 电势高低的四种判断方法 学习互动 续表 学习互动 学习互动 例2如果把q 1 0 10 8c的正电荷从无穷远处移到电场中的a点 需要克服静电力做功w 1 2 10 4j 则 1 该正电荷在a点的电势能和a点的电势各是多少 2 该正电荷移入电场前a点的电势是多少 学习互动 学习互动 例3 多选 如图1 4 2所示的电场中有a b两点 下列判断正确的是 a 电势 a b 场强ea ebb 电势 a b 场强eaepb 答案 bc 解析 沿电场线方向电势逐渐降低 则 a b 电场线密处电场强度大 则ea eb 故选项a错误 选项b正确 正电荷从a点移到b点 静电力做正功 电势能减少 选项c正确 负电荷从a点移到b点 静电力做负功 电势能增大 选项d错误 图1 4 2 想一想 等势面有哪些特点 电场线与等势面有何关系 学习互动 等势面 考点三 要点总结 1 在同一等势面上移动电荷时 静电力不做功 2 等势面一定处处与电场线垂直 即与场强的方向垂直 3 电场线总是从电势较高的等势面指向电势较低的等势面 4 在空间没有电荷的地方两等势面不相交 5 等势面可以是封闭的 也可以是不封闭的 6 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 等差等势面稀疏 学习互动 例4 多选 图1 4 3中的虚线为某个点电荷电场的等势面 现有a b两个带电粒子 不计重力 以相同的速率从同一点a出发 沿不同路径分别到达b c两点 根据图示情况可以得知 a a b两个粒子的电荷量一定相等b a b两个粒子的电性一定相反c 粒子a的动能先减少后增加d 经过b c两点时 a b两粒子的速率相同 学习互动 图1 4 3 学习互动 答案 bcd 解析 由初速度方向和粒子的运动轨迹知 a q间为斥力 b q间为引力 所以a b两粒子的电性相反 选项b正确 由于图中只显示运动的大致情况 无法判断a b两粒子的电荷量的多少 选项a错误 对a粒子 静电力先做负功后做正功 故其动能先减少后增加 选项c正确 当a b两粒子分别到达b c两点时 由于b c和出发点a位于同一等势面上 运动过程中静电力做功为零 因而动能不变 选项d正确 备用习题 1 多选 下列说法中正确的是 a 无论是正电荷还是负电荷 从电场中某点移到无限远处时 静电力做的正功越多 电荷在该点的电势能越大b 无论是正电荷还是负电荷 从电场中某点移到无限远处时 静电力做的正功越少 电荷在该点的电势能越大c 无论是正电荷还是负电荷 从无限远处移到电场中某点时 克服静电力做的功越多 电荷在该点的电势能越大d 无论是正电荷还是负电荷 从无限远处移到电场中某点时 静电力做的功越多 电荷在该点的电势能越大 备用习题 答案 ac 解析 电荷在无限远处的电势能为零 电荷从电场中某处移到无限远处时 若静电力做正功 电荷的电势能减少 到无限远处减为零 则电荷在该点的电势能为正 其值等于移动电荷过程中电势能的减少量 也就等于静电力做的功 因此静电力做的正功越多 电荷在该点的电势能越大 选项a正确 选项b错误 电荷从无限远处移到电场中某点时 若克服静电力做功 电势能由零增大到某值 此值就是电荷在该点的电势能值 因此电荷在该点的电势能等于电荷从无限远处移到该点时克服静电力所做的功 故选项c正确 选项d错误 备用习题 2 如图1 4 4所示 在等量异种点电荷形成的电场中有a b c三点 a点为两点电荷连线的中点 b点为连线上距a点距离为d的一点 c点为两点电荷连线中垂线上距a点距离也为d的一点 则下面关于三点电场强度e 电势 的关系 正确的是 a ea ec eb a c bb eb ea ec a c bc ea eb ea ec a b a cd 因为电势零点未规定 所以无法判断电势高低 图1 4 4 备用习题 答案 b 解析 由电场的叠加 在中垂线上 a点合场强最大 即ea ec 在两电荷连线上 a点合场强最小 即eb ea 电场线由a指向b a b 中垂线是一条等势线 a c 选项b正确 3 多选 如图1 4 5所示 两个等量的正电荷分别置于p q两位置 在p q连线的垂直平分线上有m n两点 另有一试探电荷q 下列说法正确的是 a 若q是正电荷 q在n点的电势能比在m点的电势能大b 若q是负电荷 q在m点的电势能比在n点的电势能大c 无论q是正电荷还是负电荷 q在m n两点的电势能一样大d 无论q是正电荷还是负电荷 q在m点的电势能都比在n点的电势能小 备用习题 图1 4 5 备用习题 答案 ab 解析 由两个等量的正点电荷周围的电场线的分布情况可知 两点电荷连线的中垂线上的电场方向是由连线的中点沿中垂线指向无穷远处 正电荷从n点移到m点 电场力做正功 电势能减小 负电荷从n点移到m点 电场力做负功 电势能增大 选项a b正确 备用习题 4 电荷量为q 1 10 4c的带正电的小物块置于粗糙的绝缘水平面上 其所在空间存在沿水平方向的匀强电场 场强e与时间t的关系及物块速度v与时间t的关系如图1 4 6所示 重力加速度g取10m s2 求 1 物块的质量m 2 物块与水平面之间的动摩擦因数 3 物块运动2s过程中电势能的改变量 图1 4 6 备用习题 答案 1 0 5kg 2 0 4 3 电势能减少7j 解析 1 设在前1s内的场强为e1 物块的加速度为a1 位移为l1 1s到2s时间内的场强为e2 物块的位移为l2 由图像可知 e1 3 104n c e2 2 104n c a1 2m s2e1q mg ma1 e2q mg 0联立解得m 0 5kg 0 4 2 由 1 问可知 0 4 3 ep e1ql1 e2ql2 7j 即电势能减少7j 备用习题 5 如图所示 一根长为l 1 5m的光滑绝缘细直杆mn竖直固定在场强为e 1 0 105n c 与水平方向成 30 角的斜向上的匀强电场中 杆的下端m固定一个电荷量q 4 5 10 6c的带电小球a 另一带电小球b穿在杆上可自由滑动 小球b电荷量q 1 0 10 6c 质量m 1 0 10 2kg 现将小球b从杆的上端n由静止释放 小球b开始沿杆运动 静电力常量k 9 0 109n m2 c2 g取10m s2 1 小球b开始运动时的加速度为多大 2 小球b的速度最大时 距m端的高度h1为多大 备用习题 3 小球b从n端运动到距m端的高度h2 0 61m时 速度v 1 0m s 此过程中小球b的电势能改变了多少 备用习题 自我检测 1 电势 电势能的理解 关于电势和电势能 下列说法中正确的是 a 在电场中电势高的地方 电荷在该点具有的电势能大b 在电场中电势高的地方 放在该点的电荷的电荷量越大 它所具有的电势能也越大c 在电场中的任意一点上 正电荷所具有的电势能一定大于负电荷具有的电势能d 在负点电荷所产生的电场中的任意一点上 正电荷所具有的电势能一定小于负电荷所具有的电势能 自我检测 答案 d 解析