人教版高中物理必修第三册第十章静电场中的能量10-1电势能和电势课件

第十章静电场中的能量学习目标1.通过与重力势能的类比,了解电荷在电场中的电势能,知道静电力做功跟路径无关的特点以及静电力做功与电势能变化的关系,体验类比法在科学研究中的作用.2.通过静电力做功与电势能变化的关系来计算电荷在电场中的电势能.了解电势能的系统性和相对性,培养知识迁移能力.3.通过对试探电荷在具体电场中电势能的分析,知道用比值法定义电势来表示电场的性质,体会物理学中常用物理量之比表示研究对象的某种性质的方法.4.通过对具体电场中电势的分析,了解电势的客观性、标量性和相对性,能判断电场中两点电势的高低,理解电势是从能的角度描述电场的物理量,了解电势能和电势的关系.1电势能和电势知识点一静电力做功的特点答案:不做功.由功的定义式可知,电荷运动一圈位移为0,故静电力一定不做功.1.如图所示,一电荷在某电场中沿MANBM运动了一圈又回到出发点,静电力对该电荷做功吗?2.在匀强电场中移动电荷时,静电力所做的功与电荷的

和

有关,与电荷

无关.3.在匀强电场中,静电力做的功为W=

,其中d为沿电场线方向的位移.4.静电力和瞬时速度方向的夹角为锐角时,静电力做

;夹角为钝角时,静电力做

.起始位置终止位置经过的路径qEd正功负功知识点二电势能1.如图所示,一个正电荷在电场中只受静电力的作用,从A点运动到了B点.由动能定理可知,该电荷的动能增加了,什么形式的能转化成了电荷的动能?转化成动能的这种形式的能与静电力做功有关系吗?如果有,那么是什么关系?答案:电势能转化成了电荷的动能.电势能与静电力做功有关.静电力做正功,电势能减少;静电力做负功,电势能增加.2.电荷在

中具有的势能,称为电势能,用Ep表示.3.电势能的大小:电荷在某点的电势能,等于把它从这点移动到

位置时静电力所做的功,即EpA=WA0.4.电势能具有相对性:电荷在电场中某点的电势能数值是相对于零势能位置的,通常把电荷在离场源电荷

处或把电荷在

表面的电势能规定为0.电场零势能无限远大地知识点三电势1.如图所示,在一个电场强度为E的匀强电场中,规定电荷在O点的电势能为0,A为电场中的一点,A、O间的距离为l,AO与电场线平行.电荷在A点的电势能等于电荷由A点移动到O点的过程中静电力所做的功.

(3)在同一个电场中的同一点,试探电荷所具有的电势能有什么规律?答案:电荷在电场中某点的电势能与试探电荷有关,电势能跟电荷量的比值与试探电荷无关.qElElnqElEl2.电势:电荷在电场中某一点的

与它的

之比,叫作电场在这一点的电势.用符号

表示.3.电势的公式:

.4.电势的单位:在国际单位制中,电势的单位是

,符号是V,1V=1

.电势能电荷量φ

伏特J/C小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).1.静电力做功与路径有关.(

)2.沿电场线方向移动电荷,其电势能逐渐减少.(

)3.在电势高处电荷具有的电势能大.(

)4.电势能是相对的,规定不同的零势能点,电荷在电场中某点的电势能不同.(

)5.电势有正、负,是矢量.(

)6.电场强度为0处,电势不一定为0.(

)×××√×√探究一静电力做功的特点问题情境如图甲、乙所示,在电场强度为E的匀强电场中,把电荷量为q的试探电荷沿不同的路径从A移动到B.甲乙1.图甲中,把试探电荷沿直线从A点移动到B点,静电力做的功为多少?答案:把试探电荷沿直线AB从A点移动到B点.在这个过程中,试探电荷受到的静电力F与位移xAB的夹角始终为θ,静电力对试探电荷所做的功为WAB=FxABcos

θ=qExABcos

θ=qExAM.2.图甲中,若试探电荷沿折线AMB从A点移动到B点,静电力做的功为多少?答案:把试探电荷沿折线AMB从A点移动到B点.在试探电荷沿AM移动过程中,静电力对试探电荷所做的功WAM=qExAM;在试探电荷沿MB移动过程中,由于移动方向跟静电力方向垂直,静电力不做功,WMB=0.

在整个移动过程中,静电力对试探电荷所做的功WAMB=WAM+WMB=qExAM.3.图乙中,若试探电荷沿任意曲线ANB从A点移动到B点,静电力做的功为多少?答案:我们把曲线ANB分成无数小段,每一小段中,设想试探电荷都从起点先沿电场方向、再沿垂直电场方向到达终点.在各小段沿垂直电场方向运动时,静电力是不做功的,在各小段沿电场方向移动的位移之和等于xAM.因此,试探电荷沿任意曲线ANB从A点移动到B点静电力所做的功也是W=qExAM.4.综合以上探究,你能总结出静电力在匀强电场中做功有什么特点吗?答案:在匀强电场中把电荷沿不同路径由A点移动到B点,静电力做功相同.这说明在匀强电场中,静电力做功与电荷经过的路径无关,与电荷在电场中的起始位置和终止位置有关.过程建构1.静电力做功的特点.静电力对电荷所做的功,与电荷在电场中的初、末位置有关,与电荷经过的路径无关.这个结论既适用于匀强电场,也适用于非匀强电场.(1)在匀强电场中,静电力做功为W=qEd,其中d为电荷沿电场线运动的位移.(2)静电力做功与重力做功相似,只要电荷在电场中的初、末位置确定了,移动电荷做的功就是确定值.2.静电力做功正负的判断.(1)电荷做直线运动:根据静电力和位移方向的夹角判断.静电力和位移方向的夹角为锐角时,静电力做正功;夹角为钝角时,静电力做负功;夹角为90°时,静电力不做功.(2)电荷做曲线运动:根据静电力和瞬时速度方向的夹角判断.静电力和瞬时速度方向的夹角为锐角时,静电力做正功;夹角为钝角时,静电力做负功;夹角为90°时,静电力不做功.(3)若物体只受静电力作用,可根据动能的变化情况判断.若物体的动能增加,则静电力做正功;若物体的动能减少,则静电力做负功.【典例1】两带电小球,电荷量分别为+q和-q,固定在一长度为l的绝缘细杆的两端,置于电场强度为E的匀强电场中,杆与电场强度方向平行,其位置如图所示.若此杆绕过O点垂直于纸面的轴线转动180°,则在此转动过程中静电力做的功为(

)A.0

B.qEl

C.2qEl

D.πqEl解析:静电力对两小球均做正功,大小与路径无关,对每个小球做的功为qEl,总功为2qEl,选项C正确.答案:C探究二电势能问题情境一个电荷量为q的正电荷在电场强度为E的匀强电场中,只受静电力的作用,从A点运动到了B点.1.在此过程中,电荷的动能变化了多少?从能量转化的角度分析,动能的变化说明了什么?答案:在A→B过程中,电荷只受静电力的作用,静电力做正功WAB=qExAB,由动能定理知电荷的动能增加ΔEk=WAB.从能量转化的角度看,电荷的动能增加意味着有另外一种形式的能量减少,且这种减少的能量形式与静电力做功相关.2.电荷在A→B过程中减少的能量形式与静电力做功有什么关系?答案:类比重力做功会引起重力势能的变化,静电力做功引起电势能的变化.电荷在A→B过程中,静电力做正功,电荷的电势能减少,且静电力做的功等于电荷电势能的减少量,即WAB=EpA-EpB.3.如何确定电荷在电场中某点的电势能?答案:类比重力势能的确定方法,需要先规定电荷在电场中某点的电势能为0,然后确定电荷在电场中其他位置的电势能.例如:若规定电荷在B点的电势能为0,则根据WAB=EpA-EpB知电荷在A点的电势能数值上等于WAB.也就是说,电荷在某点的电势能,等于把电荷从这点移到零势能位置时静电力所做的功.过程建构1.电势能的特点.(1)标量性:电势能是标量,有正负,但没有方向.电势能为正值,表示电势能大于零势能点的电势能;电势能为负值,表示电势能小于零势能点的电势能.(2)相对性:电势能是相对的,其大小与选定的零势能点有关.确定电荷的电势能,首先应确定零势能点的位置.通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为0,或把电荷在大地表面的电势能规定为0.(3)系统性:电势能是由电场和电荷共同决定的,是电荷和电场所共有的.2.电势能增减的判断方法.静电力做功判断法:无论正、负电荷,只要静电力做正功,电荷的电势能一定减少;只要静电力做负功,电荷的电势能一定增加.【典例2】如图所示,负电荷仅受静电力作用沿虚线从A点运动到B点,则运动过程中静电力对其做功和电势能变化情况分别是(

)A.做负功,电势能增加B.做正功,电势能增加C.做负功,电势能减少D.做正功,电势能减少解析:由题图可知,负电荷在仅受静电力作用沿虚线从A点运动到B点的过程中,静电力的方向与电荷瞬时速度方向的夹角是锐角,静电力做正功,电势能减少,选项D正确.答案:D探究三电势问题情境如图所示的匀强电场,电场强度为E,取O点为零势能点,A点到O点的距离为l,AO连线与电场强度负方向的夹角为θ.1.电荷量分别为q、2q、nq的正电荷在A点的电势能分别为多少?答案:电荷量为q的正电荷在A点的电势能为Ep1=WAO=Eqlcosθ.同理,电荷量为2q的正电荷在A点的电势能为Ep2=WAO'=2Eqlcosθ,电荷量为nq的正电荷在A点的电势能为Ep3=WAO″=nEqlcos

θ.2.是否可以用电势能这一物理量来表征电场的性质?为什么?答案:不可以.因为电荷在电场中某位置的电势能不但与电场有关,还与电荷的电荷量和电性有关.3.电荷量分别为q、2q、nq的正电荷的电势能与电荷量的比值有什么关系?该比值有什么特点?

4.为了描述电场的性质,你认为可以引入一个什么样的物理量?引入的这个物理量有什么特点?答案:可以用电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值定义一个新的物理量(电势)来表示电场的性质.电势是标量,其大小与零电势点的选取有关,与试探电荷无关.过程建构1.对电势的理解.(1)相对性:电势是相对的,只有先确定了零电势点,然后才能确定电场中其他位置的电势;电场中某点的电势跟零电势点的选择有关.在物理学的理论研究中,常取离场源电荷无限远处的电势为0,在实际应用中常取大地的电势为0.(2)标量性:电势是标量,只有大小,没有方向,但有正值和负值之分,它是表示电场能量性质的物理量.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.(3)客观性:电场中某点的电势大小是由电场本身的性质决定的,与是否在该点放置电荷及所放电荷的电荷量和电势能均无关.2.电势高低的判断方法.(1)电场线法:沿电场线方向电势逐渐降低.(2)场源电荷判断法:离场源正电荷越近的点,电势越高;离场源负电荷越近的点,电势越低.(3)电势能判断法:正电荷在电势能大的地方电势高,负电荷在电势能小的地方电势高.

【典例3】(2023·广东卷)(多选)电子墨水是一种无光源显示技术,它利用电场调控带电颜料微粒的分布,使之在自然光的照射下呈现出不同颜色.透明面板下有一层胶囊,其中每个胶囊都是一个像素.如图所示,胶囊中有带正电的白色微粒和带负电的黑色微粒.当胶囊下方的电极极性由负变正时,微粒在胶囊内迁移(每个微粒带电荷量保持不变),像素由黑色变成白色.下列说法正确的是

()A.像素呈黑色时,黑色微粒所在区域的电势高于白色微粒所在

区域的电势B.像素呈白色时,黑色微粒所在区域的电势低于白色微粒所在区域的电势C.像素由黑变白的过程中,静电力对白色微粒做正功D.像素由白变黑的过程中,静电力对黑色微粒做负功解析:像素呈黑色时,胶囊下方的电极带负电,像素胶囊里电场线方向向下,所以黑色微粒所在的区域的电势高于白色微粒所在区域的电势,故选项A正确;像素呈白色时,胶囊下方的电极带正电,像素胶囊里电场线方向向上,所以黑色微粒所在的区域的电势高于白色微粒所在区域的电势,故选项B错误;像素由黑变白的过程中,白色微粒受到的静电力向上,位移向上,静电力对白色微粒做正功,故选项C正确;像素由白变黑的过程中,黑色微粒受到的静电力向上,位移向上,静电力对黑色微粒做正功,故选项D错误.答案:AC课堂评价答案:D1.在国际单位制中,电势的单位是 (

)A.N/C

B.V/m

C.J

D.V2.口罩是人们抗击病毒入侵的一种常见防护物品.口罩对病毒起阻隔作用的是一层熔喷无纺布层,布层纤维里加有一种驻极体材料,驻极体材料分子中的正、负电荷原本不重合且杂乱分布(图甲所示),经过静电处理后变成较为规则的分布(图乙所示),从而具有静电吸附作用.以下说法中正确的是(

)甲乙答案:BA.静电处理前,驻极体材料分子带有静电B.静电处理过程中,静电力对驻极体材料分子中的正、负电荷做正功C.静电处理过程中,驻极体材料分子中的电荷电势能增加D.口罩熔喷布不能阻挡不带电的中性微小颗粒物解析:静