4. 电势能 电势与电势差说课稿2025学年高中物理教科版选修3-1-教科版2004

课题4.电势能电势与电势差说课稿2025学年高中物理教科版选修3-1-教科版2004课时安排1课前准备XX教学内容教科版高中物理选修3-1第一章“静电场”第三节“电势能电势与电势差”，内容包括：电势能的概念及电势能变化与电场力做功的关系，电势的定义式φ=Ep/q及物理意义（标量，相对性），电势差UAB=φA-φB的定义式及与电场力做功WAB=qUAB的关系，匀强电场中电势差与电场强度的关系UAB=Ed。核心素养目标二、核心素养目标通过本节学习，学生能形成电势能、电势、电势差的物理观念，理解电势能变化与电场力做功的关系，掌握电势的比值定义法（φ=Ep/q）及相对性，建立匀强电场中电势差与电场强度的联系（UAB=Ed）；通过类比重力势能、推导电势差表达式，培养科学推理与模型建构能力；通过分析电场力做功实例，发展科学探究意识；体会电势能概念在解决带电粒子运动实际问题中的应用，形成严谨的科学态度。学习者分析三、学习者分析1.学生已掌握电场强度、电场线等静电场基本概念，理解功和能的关系（如重力势能、动能定理），具备比值定义法（如E=F/q）的学习经验，为电势、电势差的学习奠定基础。2.学生抽象思维能力逐步发展，对“势”的概念有一定认知，偏好通过类比（如重力势能与电势能）和实例（如带电粒子在电场中运动）理解抽象内容，学习风格倾向于逻辑推理与直观结合。3.可能遇到的困难：电势能的抽象性导致难以直观感知；电势的相对性（参考点选择）易混淆其物理意义；电势差与电场力做功关系中的正负号处理易出错；匀强电场中UAB=Ed的“沿电场方向距离”d的准确把握。教学方法与手段教学方法：1.类比法，通过重力势能与电势能的类比建立概念联系；2.问题讨论法，围绕电势相对性、正负号处理设计探究性问题；3.实验演示法，利用静电计模拟电势差测量过程。

教学手段：1.动画演示电场中电势能变化过程；2.交互式软件动态展示匀强电场中U=Ed关系；3.实物投影学生自主推导的公式步骤。教学流程###1.导入新课（5分钟）

###2.新课讲授（20分钟）

（1）电势能与电场力做功的关系（8分钟）

结合课本中“电场力做功与路径无关”的特性（类比重力做功），推导电势能变化公式：WAB=EpA-EpB。举例：正电荷q在电场中从A移至B，电场力做功WAB=6J，则EpA-EpB=6J，即电势能减少6J；若为负电荷，电场力做正功时电势能增加（因q为负，Ep=qφ，φ变化与Ep变化相反）。强调“电场力做正功，电势能减少；克服电场力做功，电势能增加”，突破“电势能变化与电荷正负关系”的难点。

（2）电势的定义与物理意义（7分钟）

基于比值定义法（类比E=F/q），引入电势φ=Ep/q，明确其单位（伏特V）和标量性。通过实例分析：取无穷远为电势零点，正点电荷Q产生的电场中，距离r处试探电荷q的电势Ep=kQq/r，则φ=kQ/r（与q无关），说明电势由电场本身决定。强调电势的相对性：参考点不同，电势值不同，但两点间电势差不变（如“以B点为零点”与“以无穷远为零点”，A点电势φA'=φA-φB，但UAB=φA-φB不变）。

（3）电势差与电场力做功的关系（5分钟）

由电势定义式推导电势差UAB=φA-φB，结合电势能变化公式WAB=EpA-EpB=q(φA-φB)=qUAB，得到核心关系式WAB=qUAB。举例：电子（e=1.6×10⁻¹⁹C）从电势为5V的A点移到电势为2V的B点，UAB=3V，电场力做功WAB=eUAB=4.8×10⁻¹⁹J（正功，电势能减少）。强调UAB与WAB的“正负”意义：UAB=φA-φB>0，则A点电势高于B点；正电荷从A到B做正功，负电荷做负功。

###3.实践活动（10分钟）

（1）静电计模拟电势差测量（4分钟）

用静电计、带电平行板电容器（正极板接静电计金属球，负极板接地），改变两板间距离d或正对面积S，观察静电计指针偏转角度变化。现象：d增大，指针偏角变大（说明U=Ed，E减小，U减小）；S增大，偏角变小（E减小，U减小）。验证匀强电场中U与E、d的关系，突破“d为沿电场方向距离”的难点。

（2）等势面与电场线模型建构（3分钟）

在黑板上绘制正点电荷电场的电场线（径向向外），让学生分组绘制等势面（球面），标注电势高低（φA>φB>φC，rA<rB<rC）。引导学生总结规律：“等势面与电场线垂直；沿电场线方向电势降低；等势面密集处电场强度大”，强化电场形象化理解。

（3）带电粒子运动问题解决（3分钟）

给出实例：电子经U1=200V加速后，垂直进入U2=100V的偏转电场（板长L=0.05m，板间距d=0.01m），求电子射出偏转电场时的侧移量y。引导学生分步分析：加速阶段eU1=½mv0²；偏转阶段E=U2/d，a=eE/m，y=½at²=½(eU2/md)(L/v0)²，代入数据计算。体会电势差在解决实际问题中的应用。

###4.学生小组讨论（7分钟）

（1）电势的相对性讨论（2分钟）

问题：“以无限远为零点”与“以大地为零点”时，正点电荷Q（+1C）电场中r=1m处P点的电势值是否相同？电势差UP∞是否相同？举例：若kQ=9×10⁹V·m，以无穷远为零点，φP=kQ/r=9×10⁹V；以大地（φ大地=0）为零点，φP'=φP-φ大地=9×10⁹V（若φ大地≠0，φP'=φP-φ大地），但UP∞=φP-φ∞=9×10⁹V（不变）。

（2）电势差与电场力做功的正负关系（3分钟）

问题：正电荷q从A点（φA=10V）移到B点（φB=5V），与从B点移到A点，电场力做功的正负、电势能变化有何不同？举例：UAB=5V，WAB=qUAB>0（电场力做正功，电势能减少）；UBA=-5V，WBA=qUBA<0（克服电场力做功，电势能增加）。

（3）匀强电场中UAB=Ed的应用（2分钟）

问题：匀强电场中，A、B两点沿电场线方向距离d=2cm，电势差UAB=100V，求电场强度E。若电荷q=+2×10⁻⁶C从A移到B，电场力做功多少？举例：E=UAB/d=100V/0.02m=5000V/m，WAB=qUAB=2×10⁻⁴J（正功）。

###5.总结回顾（3分钟）

梳理本节课逻辑链：电场力做功（与路径无关）→电势能变化（WAB=EpA-EpB）→电势（φ=Ep/q，比值定义，相对性）→电势差（UAB=φA-φB，与WAB关系）。强调重点：电势能变化与电场力做功的关系、电势的定义及相对性、WAB=qUAB的应用；难点：电势正负号的物理意义、匀强电场中d的准确理解（沿电场方向距离）。最后布置作业：课本P20“问题与练习”第2、4题（巩固公式应用）、第6题（拓展等势面与电场线关系）。学生学习效果一、核心概念的理解与深化

1.**电势能与电场力做功的关系**：学生能准确表述“电场力做功与路径无关”的特性，理解电势能变化量ΔEp=EpB-EpA=-WAB（克服电场力做功时电势能增加，电场力做正功时电势能减少）。例如，针对“正电荷q在匀强电场中从A点移至B点，电场力做功WAB=4J”的问题，学生能快速判断电势能减少4J，并能进一步分析若为负电荷，电场力做正功时电势能增加（因Ep=qφ，q为负，φ变化与Ep变化相反），突破了“电势能变化与电荷正负关系”的难点。

2.**电势的定义与物理意义**：学生掌握电势的比值定义法φ=Ep/q，明确其单位（伏特V）、标量性及相对性。通过实例分析（如正点电荷电场中φ=kQ/r），学生能理解电势由电场本身决定，与试探电荷无关，并能解释“参考点不同时电势值不同，但电势差不变”的含义。例如，针对“以B点为零点”和“以无穷远为零点”两种情况，学生能推导出A点电势φA'=φA-φB，但UAB=φA-φB保持不变，掌握了电势相对性的核心要点。

3.**电势差与电场力做功的关系**：学生能熟练推导并应用WAB=qUAB解决实际问题。例如，电子（e=1.6×10⁻¹⁹C）从电势5V的A点移到2V的B点，学生能计算UAB=3V，WAB=eUAB=4.8×10⁻¹⁹J（正功），并明确“UAB>0时A点电势高于B点，正电荷从A到B做正功，负电荷做负功”的规律，准确处理正负号问题。

二、规律的应用与模型建构

1.**匀强电场中UAB=Ed的应用**：学生能准确理解d为“沿电场方向的距离”，并通过实验验证规律。例如，在静电计模拟实验中，学生能观察到“平行板电容器间距d增大时，电势差U减小”（U=Ed，E减小），并能结合板间距离变化解释指针偏角变化，将抽象公式与直观现象结合，突破“d的准确理解”难点。

2.**等势面与电场线的关系**：学生能独立绘制正点电荷电场的等势面（球面），并总结“等势面与电场线垂直、沿电场线方向电势降低、等势面密集处电场强度大”的规律。例如，针对“匀强电场中的等势面是平行平面”问题，学生能结合电场线（平行线）画出等势面，并解释“电势相等的点构成的面”的含义，形成电场的形象化认知。

3.**带电粒子运动问题的解决**：学生能综合应用电势差与能量关系分析实际问题。例如，电子经U1=200V加速后进入U2=100V的偏转电场，学生能分步推导：加速阶段eU1=½mv0²，偏转阶段E=U2/d，a=eE/m，y=½at²=½(eU2/md)(L/v0)²，代入数据计算侧移量，体会电势差在动力学问题中的应用，提升综合分析能力。

三、科学思维与探究能力的发展

1.**类比推理能力**：学生能通过“重力势能与电势能”的类比建立概念联系。例如，类比“重力做功与路径无关，重力势能变化ΔEp=-WG”，学生自主推导电场力做功与电势能变化的关系，形成“势能”概念的迁移应用能力，降低抽象概念的学习难度。

2.**科学探究意识**：学生在实验活动中能主动观察现象、分析原因。例如，在静电计实验中，学生不仅记录“d增大，U减小”的现象，还能进一步思考“若保持d不变，增大板间电压U，指针偏角如何变化”，提出“U增大，E增大，偏角增大”的猜想，并通过实验验证，培养提出问题、设计实验、分析结论的探究能力。

3.**逻辑推理与模型建构能力**：学生能通过“比值定义法”理解电势概念（类比E=F/q），并从电势定义式推导电势差公式UAB=φA-φB，再结合WAB=qUAB建立电场力做功与电势差的联系，形成“电场力做功—电势能变化—电势—电势差”的逻辑链，构建完整的知识体系。

四、学习困难的克服与学习态度的提升

1.**抽象概念的直观化理解**：通过动画演示电势能变化过程（如正电荷在电场中移动时电势能的增减）、交互式软件展示U=Ed关系，学生将抽象的电势能、电势转化为直观的图像和动态过程，克服“电势能难以感知”的困难。例如，学生能通过动画描述“正电荷从无穷远移至正点电荷附近时，电场力做负功，电势能增加”的过程，准确理解电势能的变化规律。

2.**正负号问题的规范处理**：通过小组讨论（如“正电荷从高电势移到低电势做正功，负电荷做负功”）和实例分析，学生明确电势、电势差、电场力做功正负的物理意义，避免“符号混淆”错误。例如，针对“φA=10V，φB=5V，q=+2×10⁻⁶C从A到B”的问题，学生能规范计算UAB=5V，WAB=qUAB=10⁻⁵J（正功），并解释“正电荷沿电势降低方向移动，电场力做正功”的规律。

3.**严谨科学态度的养成**：在解决“匀强电场中d的准确理解”问题时，学生通过实验测量（如用刻度尺沿电场方向量取距离）和误差分析，认识到“d必须是两点沿电场方向的距离分量”，而非任意两点间距离，培养“从物理本质出发，避免形式化套用公式”的科学态度。

五、知识迁移与实际应用能力的提升

学生能将本节知识应用于后续学习（如电容器的电势差、带电粒子在复合场中的运动）和实际问题解决。例如，在分析“平行板电容器充电后保持与电源连接，增大板间距离d时，电势差U如何变化”的问题时，学生能结合U=Ed和E=σ/ε₀（σ不变，E不变），推导出U增大，体现知识的迁移应用能力。此外，学生能通过“静电除尘”“示波器原理”等实例，体会电势能、电势差在科技中的应用，增强物理学的实用价值认同。

综上，通过本节课的学习，学生不仅扎实掌握了电势能、电势、电势差的核心概念和规律，更在科学思维、探究能力、学习态度等方面得到全面发展，为后续静电场及电磁学的学习奠定了坚实基础。重点题型整理1.**电势能与电场力做功关系**：正电荷q=2×10⁻⁶C在匀强电场中从A点移至B点，电场力做功WAB=4×10⁻⁶J，求电势能变化量ΔEp。若电荷从B移回A，电场力做功多少？

答案：ΔEp=EpB-EpA=-WAB=-4×10⁻⁶J（电势能减少4×10⁻⁶J）；从B移回A，WBA=-WAB=-4×10⁻⁶J（电场力做负功）。

2.**电势的定义与相对性**：取无穷远为零点，正点电荷Q=1×10⁻⁸C在r=0.3m处试探电荷q=1×10⁻⁹C的电势能Ep=3×10⁻⁷J，求该点电势φ。若改取r=0.6m处为零点，φ'为多少？

答案：φ=Ep/q=3×10⁻⁷J/1×10⁻⁹C=300V；φ'=φ-φ0.6=300V-(kQ/0.6)=300V-150V=150V。

3.**电势差与电场力做功**：电子（e=1.6×10⁻¹⁹C）从电势φA=200V的A点移至φB=50V的B点，求电场力做功WAB及电势能变化。

答案：UAB=φA-φB=150V，WAB=eUAB=1.6×10⁻¹⁹×150J=2.4×10⁻¹⁷J（正功，电势能减少2.4×10⁻¹⁷J）。

4.**匀强电场中U=Ed**：匀强电场中A、B两点沿电场线距离d=5cm，UAB=250V，求电场强度E。若电子从A到B，电场力做功多少？

答案：E=UAB/d=250V/0.05m=5000V/m；WAB=eUAB=1.6×10⁻¹⁹×250J=4×10⁻¹⁷J（正功）。

5.**综合应用：带电粒子运动**：电子经U1=300V加速后，垂直进入U2=100V的偏转电场（板长L=0.1m，d=0.02m），求射出时侧移y。

答案：加速阶段eU1=½mv0²；偏转阶段E=U2/d=5000V/m，a=eE/m，t=L/v0，y=½at²=½(eU2/md)(L/v0)²=½×(1.6×10⁻¹⁹×100/9.1×10⁻³¹×0.02)×(0.1/√(2×1.6×10⁻¹⁹×300/9.1×10⁻³¹))²≈0.0085m=8.5mm。教学反思与改进课后通过课堂观察和作业批改发现，学生对电势能变化与电场力做功的正负关系掌握不够扎实，尤其是负电荷的情况容易混淆。下次教学需增加“电场力做功与电势能变化”的对比练习，设计阶梯式问题链：从正电荷到负电荷，从匀强电场到点电荷场，逐步强化符号规则。

静电计实验中，部分学生因操作不熟练导致数据偏差，影响对U=Ed关系的理解。改进措施是提前录制实验操作视频，在实验前播放规范流程，并增加“