第十章 静电场中的能量 大单元整体学习 高一下学期物理人教版（2019）必修第三册

高一物理大单元整体学习学程答辩

第十单元

静电场中的能量汇报人：高一物理

时间：2024.5一、两个大概念

学科大概念

课程大概念二、单元整体概述1.课标研究2.教材分析3.单元整体设计逻辑4.单元学习目标5.单元情境及单元学习任务三、四个阶段及学习活动设计1.整体感知2.探究建构3.应用迁移4.重构拓展一、两个大概念学科大概念：大概念：运动、规律概念层级：圆周运动、曲线运动宏观物体：小球、质点等课程大概念：1．分析生活生产、体育运动、天体运动等方面有关的圆周运动问题；2．了解圆周运动中力与加速度、线速度、角速度与周期的关系；3．分析做圆周运动的物体的受力情况；4．用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力；6．控制变量的研究方法；7．使用简单直接的证据表达自己的观点。1.知道静电场中的电荷具有电势能。了解电势能、电势和电势差的含义。知道匀强电场中电势差与电场强度的关系。能分析带电粒子在电场中的运动情况，能解释相关的物理现象。2.观察常见电容器，了解电容器的电容，观察电容器的充、放电现象。能举例说明电容器的应用。二、单元整体概述-课标研究二、单元整体概述-教材分析本单元是高中物理电学内容的第二单元，前一单元从力的视角来研究电场性质，本单元则从能的视角进一步研究电场的性质，物理学中的“电能”究竟是什么，本单元给学生一个清晰的认识，会真正了解电压的物理意义，而且明确储存电荷的仪器--电容器，和带电粒子在静电场中的运动情况，为学好后续几单元的内容打好基础。【学科大概念】带电粒子在静电场中受电场力的作用而做直线或曲线运动，运动过程中产生能量的转化。【课程大概念】应用类比的方法研究静电场的能量问题，明确场的物质性；进一步强化相互作用与运动的观念；通过解决实际问题，培养学生能量转化和守恒的思想。二、单元整体概述-单元整体设计逻辑整体感知--通过阅读教材，借助271BAY资源，对本单元重要物理量有个初步的认识，简单构建本单元结构体系；探究建构--建构电势能、电势、电势差、电容的概念，探究带电粒子在静电场中的运动；应用迁移--结合生产生活中的实例，对带电粒子的加速和偏转问题进行更进一步的研究，让学生能够熟练应用本单元的概念规律解决问题；重构拓展--重构本单元思维导图，拓展静电场在生产生活中的应用实例，利用单元过关帮助学生查缺补漏。经过这四个阶段逐步深入、螺旋上升，从而完成单元任务。二、单元整体概述-单元整体设计逻辑1.构建《圆周运动》知识结构、能力结构和逻辑结构，并用自己的话解释出来，通过对圆周运动的性质和特点分析，对核心内容人人过关，进一步认知“运动和相互作用观念”。2.构建圆周运动模型，推导线速度、角速度、转速、周期等物理量之间的关系，实验探究匀速圆周运动向心力大小与各物理量的关系，并推导向心加速度的公式，提升用数学知识解决物理问题的能力。3.理论联系实际，用牛顿运动定律分析火车转弯、汽车过拱形桥等生活中的圆周运动问题，增强安全意识。二、单元整体概述-单元目标单元情境古代，人们用弩来加速弓箭，箭的速度能达到10m/s数量级；后来，人们又在枪膛中用火药加速子弹，子弹的速度能达到100m/s数量级；而现代，人们需要用高速的微观粒子来进行科学研究，其速度的数量级达到10000000m/s，那是怎样加速的呢？单元学习任务从能量的角度描述、研究静电场。二、单元整体概述-单元情境&学习任务1.构建《静电场的能量》知识结构、能力结构和逻辑结构，并用自己的话解释出来，通过研究静电场的能的性质，进一步认知场的物质性、“运动和相互作用观念”“能量观”。2.根据功能关系研究电势能、电势、电势差及各物理量之间的关系，构建一个带电粒子在电场中运动的模型。应用这一模型，解决生产生活中的带电粒子在电场中的加速和偏转问题。实验探究平抛运动的规律，会用规律分析电容器实例。3.重构《静电场中的能量》内容结构体系，说明内容间的逻辑结构，拓展静电场的能的性质和带点粒子的加速、偏转在实际生活中的应用。【整体感知】1.研读文本，找出从能量的角度描述电场的物理量，理解各量的物理意义。2.类比重力做功与重力势能变化的关系，理解电势能，了解电场中电势能、电势、电势差等物理量的意义及之间的关系。3.建构“静电场中能量”知识、能力结构体系，感知力与运动及功能关系在本单元的应用。【探究建构】1.探究描述静电场的能的性质的物理量，推导电势差及与电场强度的关系，会判断电场中电势能、电势的高低。2.通过实验，观察电容器在充放电过程中电流与电压的变化，分析电荷量变化及能量转化情况，说明电容是如何定义的及由哪些因素决定。3.能够从运动和力的关系、功和能量变化的关系的角度分析带电粒子在静电场中的运动问题。【应用迁移】1.解释“质子疗法”，总结如何利用运动与力、功和能的关系分析带电粒子在静电场中的加速问题。2.利用分解的思想分析带电粒子在静电场中的偏转，类比平抛运动，总结此类问题的解决方法。3.根据建立的直线与曲线运动模型，分析带电粒子在交变电场中的运动特点。【重构拓展】

1.重构“静电场中的能量”内容体系并完善，人人能说出各部分内容间的逻辑关系。2.拓展提升，以静电喷漆为例，深入研究带电粒子在电场中的运动，总结其运动规律和解决问题的方法。3.单元过关，总结落实，根据实际需要为静电喷漆设计合适的速度和电压。三、单元设计逻辑三、四个阶段及学习活动——整体感知学习目标1.研读文本，找出从能量的角度描述电场的物理量，理解各量的物理意义。2.类比重力做功与重力势能变化的关系，理解电势能，了解电场中电势能、电势、电势差等物理量的意义及之间的关系。3.建构“静电场中能量”知识、能力结构体系，感知力与运动及功能关系在本单元的应用。情景一个正电荷在电场中只受到静电力F的作用，它在电场中由A点运动到B点时，静电力做了正功WAB。由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。从能量转化的角度思考，物体动能增加了，意味着有另外一种形式的能量减少了。这是一种什么形式的能量呢?学习活动一、类比认识静电力做功与电势能的变化关系1.以自由落体或抛体运动为例，说出重力做功的特点及重力做功与重力势能变化的关系。2.如图，在匀强电场中，电场强度为E，AM之间的距离为L，正电荷q从A点到B点，电场力做功是多少？若将电荷沿折线AMB从A点移动到B点，电场力做功是多少？若电荷沿任意曲线从A移动到B呢？3.电场力做功有什么特点？类比重力做功与重力势能的关系说明电场力做功与电势能的关系。通过此阶段重点建立电势能的概念以及电势能与电场力做功的关系，为探究建构做好准备，在此基础上感知由此引申出的各个物理量以及具体解决的问题，形成整个单元的整体认知.

指导学生阅读教材，回顾重力做功和重力势能的关系，明确电场力做功和电势能的关系。三、四个阶段及学习活动——整体感知学习目标1.研读文本，找出从能量的角度描述电场的物理量，理解各量的物理意义。2.类比重力做功与重力势能变化的关系，理解电势能，了解电场中电势能、电势、电势差等物理量的意义及之间的关系。3.建构“静电场中能量”知识、能力结构体系，感知力与运动及功能关系在本单元的应用。情景一个正电荷在电场中只受到静电力F的作用，它在电场中由A点运动到B点时，静电力做了正功WAB。由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。从能量转化的角度思考，物体动能增加了，意味着有另外一种形式的能量减少了。这是一种什么形式的能量呢?学习活动二、认识电势、电势差、等势面、电容器1.前面我们已经会用电场强度和电场线来描述电场，本单元我们将学习用电势和等势面来描述电场。请说出什么是电势？等势面有什么特点？2.如图所示，同一条电场线上的A、B、O三点，若取O点的电势为0，则A、B两点电势分别为4V、1V，求两点间的电势差UAB？若取A点的电势为0V，则B、O两点的电势分别为多少？求两点间的电势差UAB。

3.什么是电容器，电容器的作用是什么？怎样定义电容？指导学生回扣教材，结合电场强度和电场线来描述电场，学会用电势和等势面来描述电场；结合271BAY视频资源，知道什么是电容器，电容器的作用。学习活动三、构建“静电场中的能量”内容结构体系三、四个阶段及学习活动——探究建构学习目标1.探究描述静电场的能的性质的物理量，推导电势差及与电场强度的关系，会判断电场中电势能、电势的高低。2.通过实验，观察电容器在充放电过程中电流与电压的变化，分析电荷量变化及能量转化情况，说明电容是如何定义的及由哪些因素决定。3.能够从运动和力的关系、功和能量变化的关系的角度分析带电粒子在静电场中的运动问题。【情境任务】电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。图中展示了一台医用电子直线加速器。电子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？电子最后的速度与什么因素有关？学习活动四、探究描述电场的能的性质的物理量1.描述电场的力的性质的物理量是电场强度。我们是怎样用物理量之比定义电场强度的？2.我们需要引入一个物理量来描述电场中不同点的能的性质的不同。与电场强度定义类似，我们来考查在一个电场中的同一点放入不同电荷量的试探电荷，试探电荷具有的电势能有什么规律。如图，在匀强电场中，电场强度为E，AB之间的距离为L，若规定电荷在B点的电势能为0，则电荷+q在A点的电势能EPA是多少？EPA与+q的比值是多少？电荷+nq在A点的电势能EPA是多少？EPA规与+nq的比值是多少总结：电荷在电场中某点的电势能与试探电荷有关系吗？电荷的电势能与其电荷量之比跟试探电荷有关系吗？电荷的电势能与其电荷量之比由什么决定？3.描述电场的力的性质为什么不用电场力？同理，能否用电势能来描述电场的能的性质？有没有更好的选择？

指导学生阅读教材，回顾电场强度是描述电场的力的性质的物理量，明确电势能是描述的电场的能的性质的物理量。三、四个阶段及学习活动——探究建构学习活动五、推导匀强电场中电势差和电场强度的关系如图所示，匀强电场E中，带正电的试探电荷q在电场力作用下从A点沿电场方向移动到B点，已知A、B两点之间的电势差为UAB，距离为d，推导电势差UAB与电场强度E之间的关系。如果AB沿图示方向，电势差与电场强度间关系又如何？求出AB、AC、AD间电势差并进行总结。在电场中一条直线上两段相同长度的距离对应的电势差是否相同？证明一下。给你一个什么样的启示？学习活动六、探究电容器的电容及影响电容的因素1.电容器和电容（1）观察生活中的电容器，在老师的帮助下，拆开一个电容器，观察它的构造。（2）把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路，把开关S接1，电源给电容器充电。把开关S接2，电容器对电阻R放电。实验中你观察到了什么现象？（3）实验电路图如图所示。取一个电容器A和数字电压表相连，把开关S1接1，用几节干电池串联后给A充电，可以看到A充电后两极板具有一定的电压。把开关S1接2，使另一个相同的但不带电的电容器B两极板接触，以免所带电荷漏失），可以看到电压表示数变为原来的一半；断开开关S1，闭合开关S2，让B的两极板完全放电，随后再断开开关S2，把B和A并联，电压表示数再次减少一半……思考：通过此实验，你能得出什么结论？

思考：精确的实验表明，一个电容器所带的电荷量Q与两极板之间的电势差U之比是不变的。怎样描述一个电容器储存电荷的能力？类比水容器。2.探究影响平行板电容器电容的因素按图中所示组装实验器材，并给平行板电容器带上电，依次改变电容器极板的正对面积S、极板间的距离d、在极板间插入电解质，观察实验现象并记录，分析影响平行板电容器电容的因素。

以带正电的试探电荷q在电场力作用下为例，运用静电力做功的两种表达方式，推导匀强电场中电势差和电场强度的关系。

以带正电的试探电荷q在电场力作用下为例，运用静电力做功的两种表达方式，推导匀强电场中电势差和电场强度的关系。

指导学生动手观察电容，了解电容；结合271BAY视频资源，知道什么是电容，及影响电容的因素。再通过类比水容器加深对电容的理解。三、四个阶段及学习活动——探究建构学习活动七、研究带电粒子在静电场中的运动1.真空中有一对平行金属板，相距6.2cm，两板电势差为90V。二价的氧离子从正极板由静止释放，它将如何运动？它从正极板到达负极板时，速度是多大？（尝试用两种方法解决问题）2.类比解决平抛运动的方法，解决以下问题：一带电粒子带电量为q，质量为m(不计重力)，垂直电场方向射入两板之间，已知平行板长为L，两板间距为d，电势差为U，带电粒子将如何运动？（1）若带电粒子能从极板间射出，求在电场中运动的时间t；（2）粒子射出电场时在电场方向上的偏转距离y；（3）粒子离开电场时速度的大小和方向。引导学生分别从能量及牛顿运动定律角度解决带电粒子在静电场中的运动情况，加深对带电粒子在静电场中的运动的理解。三、四个阶段及学习活动——应用迁移学习目标1.解释“质子疗法”，总结如何利用运动与力、功和能的关系分析带电粒子在静电场中的加速问题。2.利用分解的思想分析带电粒子在静电场中的偏转，类比平抛运动，总结此类问题的解决方法。3.根据建立的直线与曲线运动模型，分析带电粒子在交变电场中的运动特点。学习活动八、解决带电粒子在电场中的加速问题1.某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，质子先被加速到具有较高的能量，然后被引向轰击肿瘤杀死细胞，如图所示。若质子的加速长度为4.0m，要使质子由静止被加速到1.0×107m/s，加速匀强电场的电场强度应是多少？（尝试用两种方法解决问题）2.某种金属板M受到一束紫外线照射时会不停地发射电子，射出的电子具有不同的方向，速度大小也不相同。在M旁放置一个金属网N。如果用导线将M、N连起来，从M射出的电子落到N上便会沿导线返回M,从而形成电流。现在不把M、N直接相连，而按如图所示那样在M、N之间加电压U,发现当U>12.5V时电流表中就没有电流。问:被这束紫外线照射出的电子，最大速度是多少?引导学生在新情境中运用功能关系或者动力学知识解决带电粒子在电场中的运动情况，解决生活中较复杂的实际问题。三、四个阶段及学习活动——应用迁移学习活动九、解决带电粒子在电场中的偏转问题1.电子从静止出发被1