电势能和电势
重/难点
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/难点分析
重点分析:通过对必修内容的学习,学生对功的计算,重力做功的特点,重力做功与重力势能变化的关系,能量守恒定律等内容已相当熟悉,具备了学习本节内容的知识前提,但建立起电势能的概念对学生来说是相对比较困难的,因为电场的概念特别抽象,特别是从力与能量两条线上同时研究电场,让学生感到有点“力不从心”,知识迁移及灵活运用是学生学习过程中要跨越的一个台阶。
难点分析:教材从电场对电荷做功的角度出发,推知在匀强电场中电场力做功与移动电荷的路径无关。进而指出这个结论对非匀强电场也是适用的,并与重力势能类比,说明电荷在电场中也是具有电势能。电场力做功的过程决定电势能的变化量,而不能决定电荷在电场中某点的电势能的数值,因此有必要规定电势能零点。对学生能力的提高和对知识的迁移、灵活运用给予了思维上的指导作用。
突破策略
一、静电力做功的特点
让试探电荷q在电场强度为E的匀强电场中沿几条不同路径从A点运动到B
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点,我们来计算这几种情况下静电力对电荷所做的功。
W=F|AB|=qE|AB| W=F|AB|cosθ=qE|AB| W?W1?W2?W3?…… 其中F=qE|AM|
分析三种情况下的做功的数据结果,结合具体的问题情景,从中找到共同点和不同点,联系前面所学的知识,归纳得出相关的物理知识。从中发现问题和知识结论。
结论:静电力做的功只与电荷的起始位置和终点位置有关,与电荷经过的路径无关。
拓展:该特点对于非匀强电场中也是成立的。
二、电势能
寻找类比点:力做功只与物体位置有关,而与运动路径无关的事例在物理中有哪些呢?属于什么能?
(移动物体时重力做的功与路径无关)
思考:静电力做功也与路径无关,是否隶属势能?我们可以给它一个物理名称吗?
1.电势能:由于移动电荷时静电力做功与移动的路径无关,电荷在电场中也具有势能,这种势能我们叫做电势能。电势能用Ep表示。
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【思考与讨论】 如果做功与路径有关,那能否建立电势能的概念呢?
2.讨论:静电力做功与电势能变化的关系
通过知识的类比,让学生能从中感受到新知识的得出也可以通过已有的知识获取。
静电力做的功等于电势能的变化。
功是能量变化的量度。
电场力做多少功,电势能就变化多少,在只受电场力作用下,电势能与动能相互转化,而他们总量保持不变。
3.求电荷在某点处具有的电势能
问题讨论:在上面讨论的问题中,请分析求出A点的电势能为多少?
学生思考后无法直接求出,不妨就此激励学生,并提出类比方法。
类比分析:如何求出A点的重力势能呢?进而联系到电势能的求法。 则 EpA?WAB(以B为电势能零点)
电荷在某点的电势能,等于静电力把它从该点移动到零势能位置所做的功。
4.零势能面的选择
通常把电荷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
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的电势能规定为零。
拓展:求电荷在电场中A、B两点具有的电势能高低。
将电荷由A点移动到B点,根据静电力做功情况判断。
若静电力做功为正功,电势能减少,电荷在A点电势能大于在B点的电势能。反之静电力做负功,电势能增加,电荷在A点电势能小于在B点的电势能。
弄清正、负电荷在电场中电势能的不同特点,判断其做功特点再进行判断。
通过对不同内容的拓展,引导学生能通过自己对不同事例的分析,知道对问题考虑的全面性有所了解,同时能正确认识到在分析问题时还应该思考问题的不同侧面,达到对问题的全面解决。提高思维的深度和发散能力,达到对物理学习全面化的探究要求。
三、电势
我们通过静电力的研究认识了电场强度,现在要通过电势能的研究来认识另一个物理量──电势。它同样是表征电场性质的重要物理量度。
通过类比可见,若用左图中的Ep/m,或右图中的Ep/q,它们的值是相同的。
如何来表征这个相同的量呢?
让学生很快能想到用比值定义法来定义物理量,对知识活学活用。
上面讨论的是特殊情况,下面我们来讨论一般情况:(如图)
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可见,EpA与q成正比,即电势能跟电荷量的比值EpA/q都是相同的。对电场中不同位置,由于L与θ可以不同,所以这个比值一般是不同的。
电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值,是由电场中这点的位置决定的,跟试探电荷本身无关。
得出结论后,引导学生类比电场的得来过程,提出新的物理量——电势。
1.定义:电荷在电场中某一点的电势能与他的电荷量的比值,叫做这一点的电势。用φ表示。 表达式:??Ep/q (与试探电荷无关)
2.电势是标量,它只有大小没有方向,但有正负。
3.单位:伏特(V) 1V=1J/C
物理意义: 电荷量为1C的电荷在该点的电势能是1J,则该点的电势就是1V。
以上结论由学生得出,自己能用所学知识进行简单的描叙,培养相关应用归纳知识的能力。
(三)合作探究、精讲点播思索:
如何来判断电势的高低呢?
让学生明白:根据静电力做功的正负,判断电势能的变化,进而判定电势的高低。现通过具体情景来进行分析。
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