【讲案】第10章-第1节-电势能和电势(2023届高中物理新教材同步必修第三册)

第1节电势能和电势（讲案）学习目标1.知道静电力做功的特点，掌握静电力做功与电势能变化之间的关系.2.理解电势能、电势的概念，知道电势、电势能的相对性.一、静电力做功的特点在匀强电场中移动电荷时，静电力所做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，与电荷经过的路径无关.二、电势能1.定义：电荷在电场中具有的势能，用Ep表示.2.静电力做功与电势能变化的关系：静电力做的功等于电势能的变化量.表达式：WAB＝EpA－EpB.(1)静电力做正功，电势能减少；(2)静电力做负功，电势能增加.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零势能位置时静电力所做的功.4.电势能具有相对性电势能零点的规定：通常把电荷在离场源电荷无限远处或把电荷在大地表面的电势能规定为0.三、电势1.定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量之比.2.公式：φ＝eq\f(Ep,q).3.单位：在国际单位制中，电势的单位是伏特，符号是V，1V＝1J/C.4.电势高低的判断：沿着电场线方向电势逐渐降低.5.电势的相对性：只有在规定了零电势点之后，才能确定电场中某点的电势，一般选大地或离场源电荷无限远处的电势为0.6.电势是标(填“矢”或“标”)量，只有大小，没有方向.一、静电力做功的特点电势能导学探究1.如图所示，试探电荷q在电场强度为E的匀强电场中，(1)沿直线从A移动到B，静电力做的功为多少？(2)若q沿折线AMB从A点移动到B点，静电力做的功为多少？(3)若q沿任意曲线从A点移动到B点，静电力做的功为多少？由此可得出什么结论？答案(1(2)在线段AM上静电力做的功W1＝qE|AM|，在线段MB上静电力做的功W2＝0，总功W＝W1＋W2＝qE|AM|.(3)W＝qE|AM|.电荷在匀强电场中沿不同路径由A点移动到B点，静电力做功相同，说明静电力做功与路径无关，只与初、末位置有关.2.(1)物体从高处向低处运动，重力做什么功？物体的重力势能如何变化？重力做功和物体的重力势能变化有什么关系？(2)①正电荷顺着电场线移动，静电力做什么功？电荷的电势能如何变化？②负电荷顺着电场线移动，静电力做什么功？电荷的电势能如何变化？③电势能的变化与静电力做功有什么关系？答案(1)重力做正功重力势能减少WG＝Ep1－Ep2(2)①静电力做正功电势能减少②静电力做负功电势能增加③W电＝Ep1－Ep2[知识深化]1.静电力做功的特点静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关，但与具体路径无关，这与重力做功的特点相似.2.对电势能的理解(1)系统性：电势能是由电场和电荷共同决定的，是属于电荷和电场所共有的，我们习惯上说成电荷的电势能.(2)相对性：电势能是相对的，其大小与选定的电势能为零的参考点有关.确定电荷的电势能，首先应确定参考点.(3)电势能是标量，有正负但没有方向.(4)电荷在电场中某点的电势能，等于把它从该点移动到零电势能位置时静电力所做的功.3.静电力做功与电势能变化的关系WAB＝EpA－EpB.静电力做正功，电势能减少；静电力做负功，电势能增加.例1(多选)如图所示，固定在Q点的正点电荷的电场中有M、N两点，已知eq\x\to(MQ)＜eq\x\to(NQ).下列叙述正确的是()A.若把一正点电荷从M点沿直线移到N点，则静电力对该电荷做正功，电势能减少B.若把一正点电荷从M点沿直线移到N点，则该电荷克服静电力做功，电势能增加C.若把一负点电荷从M点沿直线移到N点，则静电力对该电荷做正功，电势能减少D.若把一负点电荷从M点沿直线移到N点，再从N点沿不同路径移回到M点，则该电荷电势能不变答案AD解析在正点电荷形成的电场中，正电荷受到的静电力沿电场线方向，从M点移到N点，静电力做正功，电势能减少，A正确，B错误；在正点电荷形成的电场中，负点电荷受到的静电力与电场线方向相反，负点电荷从M点移到N点，静电力做负功，电势能增加，C错误；把一负点电荷从M点沿直线移到N点，再从N点沿不同路径移回到M点，静电力做的总功为零，电势能不变，D正确.针对训练1(2022·山东省烟台市上学期期末)如图所示，实线表示一匀强电场的电场线，电场方向未知．一电子以一定的初速度由A点射入电场，虚线为电子的运动轨迹，B点是运动轨迹上的一点，则()A．A点电势高于B点电势B．电子在B点的电势能大于在A点的电势能C．电子在A点的速度大于在B点的速度D．电子由A到B，电场力先做负功后做正功答案D解析由曲线运动的知识可知：电子所受的电场力向左，由于电子的受力与场强方向相反，可知电场线向右，结合沿着电场线电势逐渐降低得φB>φA，故A错误；电子从A到B点过程中，电场力先与速度方向成钝角做负功，后与速度方向成锐角力做正功，D项正确；由A到B，电场力做的总功为正功，则电子的电势能减小，即B点的电势能小于A点的电势能，动能增大，则B点的速度大于A点速度，故B、C错误．二、电势导学探究在如图所示的匀强电场中，电场强度为E，取O点为零势能点，A点距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和2q的正试探电荷在A点的电势能分别为多少？(2)不同电荷在同一点的电势能与电荷量的比值是否相同？(3)不同电荷在同一点的电势能与电荷量的比值与试探电荷的电荷量是否有关系？答案(1)Eqlcosθ、2Eqlcosθ(2)比值相同(3)无关INCLUDEPICTURE"E:\\吕芳\\2021\\同步\\物理\\人教必修第三册\\03\\左括.TIF"INCLUDEPICTURE"E:\\吕芳\\2021\\同步\\物理\\人教必修第三册\\10\\左括.TIF"INET[知识深化]1.对公式φ＝eq\f(Ep,q)的理解(1)φ取决于电场本身；(2)公式中的Ep、q均需代入正负号.2.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0，在实际应用中常取大地的电势为0.3.电势虽然有正负，但电势是标量.在同一电场中，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.4.电势高低的判断方法(1)电场线法：沿着电场线方向电势逐渐降低.(2)公式法：由φ＝eq\f(Ep,q)知，对于同一正电荷，电势能越大，所在位置的电势越高；对于同一负电荷，电势能越小，所在位置的电势越高.例2(多选)在如图所示的电场中有A、B两点，下列判断正确的是()A.电势φA＞φB，场强EA＞EBB.电势φA＞φB，场强EA＜EBC.将电荷量为q的正电荷从A点移到B点，静电力做正功，电势能减少D.将电荷量为q的负电荷从A点移到B点，电荷具有的电势能EpA＞EpB答案BC解析沿着电场线方向电势逐渐降低，则φA＞φB，电场线密处电场强度大，则EA＜EB，选项A错误，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，故EpA＜EpB，选项D错误.针对训练2(多选)如图所示，一带负电荷的油滴在匀强电场中运动，其轨迹在竖直面(纸面)内，且相对于过轨迹最低点P的竖直线对称．忽略空气阻力．由此可知()A．Q点的电势比P点高B．油滴在Q点的动能比它在P点的大C．油滴在Q点的电势能比它在P点的大D．油滴在Q点的加速度大小比它在P点的小答案AB解析由于油滴受到的电场力和重力都是恒力，所以合外力为恒力，加速度恒定不变，D选项错误；由于油滴轨迹相对于过P的竖直线对称且合外力总是指向轨迹弯曲内侧，所以油滴所受合外力沿竖直向上的方向，因此电场力竖直向上，且qE>mg，则电场方向竖直向下，所以Q点的电势比P点的高，A选项正确；假设油滴从P点运动到Q点，当油滴从P点运动到Q点时，电场力做正功，电势能减小，C选项错误；假设油滴从P点运动到Q点，当油滴从P点运动到Q点的过程中，合外力做正功，动能增加，所以油滴在Q点的动能大于在P点的动能，B选项正确．例3将一正电荷从无限远处移入电场中的M点，电势能减少了8.0×10－9J，若将另一等量的负电荷从无限远处移入电场中的N点，电势能增加了9.0×10－9J，则下列判断中正确的是()A.φM＜φN＜0 B.φN＞φM＞0C.φN＜φM＜0 D.φM＞φN＞0答案C解析取无限远处的电势为零，则正电荷在M点的电势能为－8×10－9J，负电荷在N点的电势能为9×10－9J.由φ＝eq\f(Ep,q)知，M点的电势φM＜0，N点的电势φN＜0，且|φN|＞|φM|，则φN＜φM＜0，故C正确.针对训练3(2022·安徽省安庆市二模)在真空中A、B两点分别放有异种点电荷＋Q和－2Q，以AB连线中点O为圆心作一圆形路径，如图2所示，则下列说法正确的是()2A．场强大小关系有Ea＝Eb、Ec＝EdB．电势高低关系有φa>φb、φc＝φO＝φdC．将一负点电荷沿圆弧由a移动到b的过程中电场力做正功D．将一正点电荷沿直线由a移动到d的过程中电场力做功小于将该正点电荷沿直线由d运动到b的过程中电场力做功答案D解析设圆的半径为R，根据点电荷电场叠加可得Ea＝keq\f(Q,r2)＋keq\f(2Q,r＋2R2)，Eb＝keq\f(2Q,r2)＋keq\f(Q,r＋2R2)，根据数学知识可得Ea<Eb，根据对称性可得Ec＝Ed，但两者方向不同，沿电场线方向电势降低，在AB连线上电场方向从A指向B，故φa>φb，根据对称性可得φc＝φd，但由于直线cd不是等势面，所以与O点的电势不同，A、B错误；将一负点电荷沿圆弧由a移动到b的过程中，电场力方向与运动方向相反，所以电场力做负功，故C错误；由于ad间电场线比db间电场线疏，则ad间的场强比db间场强小，由U＝Ed知，ad间的电势差小于db间电势差，由W＝Uq知，将正点电荷沿直线由a移动到d的过程中电场力做功小于将该正点电荷沿直线由d移动到b的过程中电场力做功，故D正确．三、电势与电势能的计算例4将带电点移到C点，静电力做了1.2×10－5J的功，则：(1)该电荷从A点移到B点，再从B点移到C点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？B点和C点的电势分别为多少？(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？A点和C点的电势分别为多少？答案见解析解析(1)WAC＝WAB＋WBC＝－3×10－5J＋1.2×10－5J＝－1.8×10－5J.所以该电荷的电势能增加了1.8×10－5J.(2)如果规定A点的电势能为零，由公式WAB＝EpA－EpB得该电荷在B点的电势能为EpB＝EpA－WAB＝0－WAB＝3×10－5J.同理，该电荷在C点的电势能为EpC＝EpA－WAC＝0－WAC＝1.8×10－5J.两点的电势分别为φB＝eq\f(EpB,q)＝eq\f(3×10－5,－6×10－6)V＝－5VφC＝eq\f(EpC,q)＝eq\f(1.8×10－5,－6×10－6)V＝－3V(3)如果规定B点的电势能为零，则该电荷在A点的电势能为：EpA′＝EpB′＋WAB＝0＋WAB＝－3×10－5J.该电荷在C点的电势能为EpC′＝EpB′－WBC＝0－WBC＝－1.2×10－5J.两点的电势分别为φA′＝eq\f(EpA′,q)＝eq\f(－3×10－5,－6×10－6)V＝5VφC′＝eq\f(EpC′,q)＝eq\f(－1.2×10－5,－6×10－6)V＝2V.针对训练4如图所示，在同一条电场线上有A、B、C三点，三点的电势分别是φA＝5V、φB＝－2V、φC＝0，将电荷量q＝－6×10－6C的点电荷从A移到B，再移到C.(1)该电荷在A点、B点、C点具有的电势能各是多少？(2)将该电荷从A移到B和从B移到C，电势能分别变化了多少？(3)将该电荷从A移到B和从B移到C，静电力做功分别是多少？答案(1)－3×10－5J1.2×10－5J0(2)增加4.2×10－5J减少1.2×10－5J(3)－4.2×10－5J1.2×10－5J解析(1)根据公式φ＝eq\f(Ep,q)可得Ep＝qφ所以该电荷在A点、B点、C点具有的电势能分别为：EpA＝qφA＝－6×10－6×5J＝－3×10－5JEpB＝qφB＝－6×10－6×(－2)J＝1.2×10－5JEpC＝qφC＝－6×10－6×0J＝0(2)将该电荷从A移到B，电势能的变化量为ΔEpAB＝EpB－EpA＝1.2×10－5J－(－3×10－5)J＝4.2×10－5J即电势能增加了4.2×10－5J将该电荷从B移到C，电势能的变化量为ΔEpBC＝EpC－EpB＝0－1.2×10－5J＝－1.2×10－5J即电势能减少了1.2×10－5J(3)将该电荷从A移到B，静电力做的功为WAB＝EpA－EpB＝－4.2×10－5J将该电荷从B移到C，静电力做的功为WBC＝EpB－EpC＝1.2×10－5J.(建议用时：40分钟)1.如图所示，虚线是某静电场的一簇等势线，边上标有电势的值，一带电粒子只在电场力作用下恰能沿图中的实线从A经过B运动到C.下列判断正确的是()A．粒子一定带负电B．A处场强大于C处场强C．粒子在A处电势能大于在C处电势能D．粒子从A到B电场力所做的功大于从B到C电场力所做的功答案B解析根据电场线与等势面垂直且由高电势指向低电势，可知电场线方向大致向左，根据粒子轨迹的弯曲方向可知，粒子所受的电场力方向大致向左，则知粒子一定带正电，故A错误；等差等势面的疏密反映电场强度的大小，A处场强大于C处场强，故B正确；从A点运动到C点，电场力方向与速度的夹角为钝角，电场力做负功，电势能增大，故C错误；根据W＝Uq知电势差相同，电场力做功相同，故D错误．2．(2022·四川省乐山市第二次调研)如图所示，图甲实线为方向未知的三条电场线，a、b两带电粒子从电场中的P点静止释放，不考虑两粒子间的相互作用，仅在电场力作用下，两粒子做直线运动，a、b粒子的速度大小随时间变化的关系如图乙中实线所示，虚线为直线，则()A．a一定带正电，b一定带负电B．a向左运动，b向右运动C．a电势能减小，b电势能增大D．a动能减小，b动能增大答案B解析从速度－时间图象中可以看出，a粒子加速度逐渐增大，b粒子加速度逐渐减小，因为粒子仅受电场力，可知a粒子所受电场力逐渐增大，b粒子所受电场力逐渐减小，所以a向左运动，b向右运动．由于不知电场的方向，所以无法判断a、b的电性，故A错误，B正确；带电粒子在电场中运动时，电场力做正功，所以a、b的电势能均减小，故C错误；带电粒子在电场中运动时，电场力做正功，因为仅受电场力，根据动能定理，a、b的动能均增加，故D错误．3.(2022·安徽合肥期中)关于电势和电势能，下列说法正确的是()A.在电场中电势高的地方电荷具有的电势能大B.在电场中放在某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，正电荷具有的电势能一定大于负电荷具有的电势能D.取无穷远处电势为零，在负点电荷所产生的电场中的任意一点，正电荷具有的电势能一定小于负电荷具有的电势能答案D解析根据公式Ep＝φq可知，正电荷在电势高的地方电势能大，负电荷在电势高的地方电势能小，由于不知电荷的电性，因此无法判断它在电势高的地方电势能的大小，故A错误；若放在电场中某点的电荷为正电荷，当该点电势小于零时，电荷量越大，电荷具有的电势能越小，故B错误；电势能Ep＝qφ，正电荷在电势小于零处的电势能为负值，小于负电荷在该处的电势能，故C错误；取无穷远处电势为零，沿着电场线方向电势降低，可知在负点电荷所产生的电场中的任意一点电势为负，正电荷在任意一点具有的电势能为负值，而负电荷在任意一点具有的电势能为正值，正电荷具有的电势能小于负电荷具有的电势能，故D正确.4.(2022·河北沧州市期末)某电场的部分电场线分布如图所示，A、B两点位于电场中，EA、EB分别表示它们的电场强度，EpA、EpB分别表示电子在A、B两点具有的电势能.下列有关电场强度和电势能的判断正确的是()A.EA<EB，EpA<EpBB.EA>EB，EpA<EpBC.EA>EB，EpA>EpBD.EA<EB，EpA>EpB答案D解析电场线的疏密反映场强的大小，B点的电场线较A点密集，则EA<EB，沿着电场线的方向电势逐渐降低，可知B点电势高于A点，负电荷在电势高处的电势能较小，电子带负电，则EpA>EpB，故选D.5.(2022·江苏泰州市泰州中学期中)如图所示为某电场中的一条电场线，电场线上有A、B、C三点且AB＝BC，一电子从A点出发经B点运动到C点.下列说法正确的是()A.该电场是匀强电场B.在A、B、C三点中，A点的电势最高C.在A、B、C三点中，A点的电场强度最大D.在A、B、C三点中，电子在A点的电势能最大答案B解析只有一条电场线不能确定是否为匀强电场，A错误；沿差电场线的方向电势逐渐降低，则A点的电势最高，C点的电势最低，B正确；电场线的疏密表示电场的强弱，一条电场线无法比较疏密，所以无法比较强弱，C错误；电子带负电，受力与电场方向相反，沿电场线方向，静电力对电子做负功，电势能增大，故电子在A点的电势能最小，D错误.6.在点电荷Q形成的电场中有一点A，当一个带电荷量为－q的试探电荷从电场的无限远处被移到电场中的A点时，静电力做的功为W，设无限远处电势为零，则试探电荷在A点的电势能及电场中A点的电势分别为()A.EpA＝－W，φA＝eq\f(W,q)B.EpA＝W，φA＝－eq\f(W,q)C.EpA＝W，φA＝eq\f(W,q)D.EpA＝－W，φA＝－eq\f(W,q)答案A解析由W＝0－EpA，可得EpA＝－W，由φ＝eq\f(Ep,q)得φA＝eq\f(EpA,－q)＝eq\f(－W,－q)＝eq\f(W,q)，故A正确.7.如图所示，以O点为圆心、R＝0.20m为半径的圆处于匀强电场(图中未画出)中，电场平行于圆面，ac、bd为圆的两条相互垂直的直径．已知a、b、c三点的电势分别为2V、2eq\r(3)V、－2V，则下列说法正确的是()A．d点电势为2eq\r(3)VB．电子从d点运动到a点电势能增加C．电场方向由b点指向c点D．该匀强电场的场强大小为20V/m答案D解析根据匀强电场中电势差与电场强度的关系式U＝Ed，相等距离，电势差相等，因为φa＝2V，φc＝－2V，可知，O点电势为0，而bO＝Od，则b、O间的电势差等于O、d间的电势差，可知，d点的电势为－2eq\r(3)V，故A错误；从d点到a点电势升高，根据Ep＝qφ，电子从d点运动到a点电势能减小，故B错误；由作图和几何关系可知a、c两点沿电场强度方向的距离为d＝2Rsin30°＝2×0.2×eq\f(1,2)m＝0.2m，故该匀强电场的场强E＝eq\f(Uac,d)＝eq\f(4,0.2)V/m＝20V/m，电场方向不是由b点指向c点，故C错误，D正确．8.(多选)如图所示，在y轴上关于O点对称的A、B两点分别有等量同种电荷＋Q，在x轴上C点有点电荷－Q，且CO＝OD，∠ADO＝60°.下列判断正确的是()A.O点的电场强度为零B.D点的电场强度为零C.若将点电荷＋q从O点移向C点，电势能增加D.若将点电荷－q从O点移向C点，电势能增加答案BD解析A、B两点电荷在O点产生的合场强为0，而C点电荷在O点产生的场强方向向左，故O点的合场强方向向左，A错误；同理可知，D点的合场强为0，B正确；OC间各点的合场强方向向左，若将点电荷＋q从O点移向C点，静电力做正功，电势能减少，C错误；若将点电荷－q从O点移向C点，静电力做负功，电势能增加，D正确.9.(多选)(2022·河南省南阳市期中)一带负电的粒子只在电场力作用下沿x轴正向运动，其电势能Ep随位移x变化的关系如图所示，其中O～x2段是对称的曲线，x2～x3段是直线．下列说法正确的是()A．x1处电场强度为零B．从x2到x3，电场强度逐渐增大C．x1、x2、x3处电势φ1、φ2、φ3的关系为φ1＞φ2＞φ3D.粒子在0～x2段做匀变速运动，在x2～x3段做匀速直线运动答案AC解析Ep­x图象的斜率表示电场力(也是合外力)，图线在x1处的斜率为零，则电场力为零，电场强度为零，A正确；从x2到x3，斜率不变，电场力不变，电场强度不变，B错误；由φ＝eq\f(Ep,－q)，由图象得0＜Ep1＜Ep2＜Ep3，联立解得0＞φ1＞φ2＞φ3，C正确；在0～x2段，粒子受到的电场力变化，加速度变化，不是匀变速运动；x2～x3段，电场力恒定，做匀变速直线运动，D错误．10.(多选)在x轴上有两个点电荷q1、q2，其静电场的电势φ在x轴上分布如图所示