教學(xué)案例 1.4電勢(shì)能、電勢(shì)

1.4電勢(shì)能、電勢(shì)

一【教材分析】

本節(jié)內(nèi)容為物理選修3－1中第一章靜電場(chǎng)中第四節(jié)的內(nèi)容，它處在電場(chǎng)強(qiáng)度之后，位于電勢(shì)差之前，起到承上啟下的作用。它是課程中利用物理思維方法較多的一堂課，尤其是用類(lèi)比的方法達(dá)到對(duì)新知識(shí)的探究，同時(shí)讓學(xué)生就具體的物理知識(shí)遷

移埋下思維鋪墊。教材從電場(chǎng)對(duì)電荷做功的角度出發(fā)，推知在勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)力做功與移動(dòng)電荷的路徑無(wú)關(guān)。進(jìn)而指出這個(gè)結(jié)論對(duì)非勻強(qiáng)電場(chǎng)也是適用的，并與重力勢(shì)能類(lèi)比，說(shuō)明電荷在電場(chǎng)中也是具有電勢(shì)能。電場(chǎng)力做功的過(guò)程就是電勢(shì)能的變化量，而不能決定電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能的數(shù)值，因此有必要規(guī)定電勢(shì)能零點(diǎn)。對(duì)學(xué)生能力的提高和對(duì)知識(shí)的遷移、靈活運(yùn)用給予了思維上的指導(dǎo)作用。

二【教學(xué)目標(biāo)】

1．知識(shí)與技能

?理解靜電力做功的特點(diǎn)、電勢(shì)能的概念、電勢(shì)能與電場(chǎng)力做功的關(guān)系。

?理解電勢(shì)的概念，知道電勢(shì)是描述電場(chǎng)的能的性質(zhì)的物理量。

?明確電勢(shì)能、電勢(shì)、靜電力的功、電勢(shì)能的關(guān)系。

?了解電勢(shì)與電場(chǎng)線(xiàn)的關(guān)系，了解等勢(shì)面的意義及與電場(chǎng)線(xiàn)的關(guān)系。

2．過(guò)程與方法

?通過(guò)與前面知識(shí)的結(jié)合，理解電勢(shì)能與靜電力做的功的關(guān)系，從而更好的了解電勢(shì)能和電勢(shì)的概念。

?培養(yǎng)對(duì)知識(shí)的類(lèi)比能力，以及對(duì)問(wèn)題的分析、推理能力。

?通過(guò)學(xué)生的理論探究，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。培養(yǎng)學(xué)生利用物理語(yǔ)言分析、思考、描述概念和規(guī)律的能力。

3．情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)

?嘗試運(yùn)用物理原理和研究方法解決一些與生產(chǎn)、生活相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，增強(qiáng)科學(xué)

探究的價(jià)值觀(guān)。利用知識(shí)類(lèi)比和遷移激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)和對(duì)科學(xué)的求知欲。

?利用等勢(shì)面圖象的對(duì)稱(chēng)美，形態(tài)美以獲得美的享受、美的愉悅，自己畫(huà)圖，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提高對(duì)美的感受力和鑒別力。

?在研究問(wèn)題時(shí)，要培養(yǎng)突出主要矛盾，忽略次要因素的思維方法。

三【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】

1．重點(diǎn)

?理解掌握電勢(shì)能、電勢(shì)、等勢(shì)面的概念及意義。

2．難點(diǎn)

?掌握電勢(shì)能與做功的關(guān)系，并能用此解決相關(guān)問(wèn)題。

四【學(xué)情分析】

通過(guò)對(duì)必修內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)功的計(jì)算，重力做功的特點(diǎn)，重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系，能量守恒定律等內(nèi)容已相當(dāng)熟悉，具備了學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容的知識(shí)前提，但建立起電勢(shì)能的概念對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)相對(duì)比較困難的，因?yàn)殡妶?chǎng)的概念特別抽象，特別是從力與能量?jī)蓷l線(xiàn)上同時(shí)研究電場(chǎng)，讓學(xué)生感到有點(diǎn)“力不從心”，知識(shí)遷移及靈活運(yùn)用是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中要跨越的一個(gè)臺(tái)階

五【教學(xué)方法】理論、類(lèi)比探究、分析歸納、討論分析、應(yīng)用舉例、體驗(yàn)探究

六【課前準(zhǔn)備】掛圖

七【課時(shí)安排】2課時(shí)

八【教學(xué)過(guò)程】

（一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑

1．靜電力，電場(chǎng)強(qiáng)度概念，指出前面我們從力的性質(zhì)研究電場(chǎng)，從本節(jié)起將從能量的角度研究電場(chǎng)。

2．復(fù)習(xí)功和能量的關(guān)系：如圖所示從靜電場(chǎng)中靜電力做功使試探電荷獲得動(dòng)能入手，提出問(wèn)題：是什么轉(zhuǎn)化為試探電荷的動(dòng)能？

（二）情景引入、展示目標(biāo)。

第四節(jié)、電勢(shì)能和電勢(shì)

一、靜電力做功的特點(diǎn)

讓試探電荷q在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中沿幾條不同路徑從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，我們來(lái)計(jì)算這幾種情況下靜電力對(duì)電荷所做的功。

W＝F|AB|＝qE|AB|

W＝F|AB|cosθ＝qE|AB|

W＝W1+W2+W3+……

其中F＝qE|AM|分析三種情況下的做功的數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合具體的問(wèn)題情景，從中找到共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，聯(lián)系前面所學(xué)的知識(shí)，歸納得出相關(guān)的物理知識(shí)。從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和知識(shí)結(jié)論。

結(jié)論：靜電力做的功只與電荷的起始位置和終點(diǎn)位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān)。

拓展：該特點(diǎn)對(duì)于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中也是成立的。

二、電勢(shì)能

尋找類(lèi)比點(diǎn)：力做功只與物體位置有關(guān)，而與運(yùn)動(dòng)路徑無(wú)關(guān)的事例在物理中有哪些呢？屬于什么能？

（移動(dòng)物體時(shí)重力做的功與路徑無(wú)關(guān)同一物體在地面附近的同一位置才具有確定的重力勢(shì)能。）

思考：靜電力做功也與路徑無(wú)關(guān)，是否隸屬勢(shì)能？我們可以給它一個(gè)物理名稱(chēng)嗎？

1．電勢(shì)能：由于移動(dòng)電荷時(shí)靜電力做功與移動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)，電荷在電場(chǎng)中也具有勢(shì)能，這種勢(shì)能我們叫做電勢(shì)能。電勢(shì)能用Ep表示。

【思考與討論】如果做功與路徑有關(guān)，那能否建立電勢(shì)能的概念呢？

2．討論：靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系

通過(guò)知識(shí)的類(lèi)比，讓學(xué)生能從中感受到新知識(shí)的得出也可以通過(guò)已有獲取。

靜電力做的功等于電勢(shì)能的變化。

功是能量變化的量度。

電場(chǎng)力做多少功，電勢(shì)能就變化多少，在只受電場(chǎng)力作用下，電勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，而他們總量保持不變。

WAB＝－（EpB－EpA）＝EpA－EP

【思考討論】對(duì)不同的電荷從A運(yùn)動(dòng)到B的過(guò)程中，電勢(shì)能的變化情況：

正電荷從A運(yùn)動(dòng)到B做正功，即有WAB>0，則EpA>EpB，電勢(shì)能減少。

●正電荷順著電場(chǎng)線(xiàn)的方向其電勢(shì)能逐漸減少。

負(fù)電荷從A運(yùn)動(dòng)到B做正功，即有WAB<0，則EpA>EpB，電勢(shì)能增加。<EPB，電勢(shì)能增加。<p>

●負(fù)電荷順著電場(chǎng)線(xiàn)的方向其電勢(shì)能逐漸降低。

對(duì)此分析得出：電勢(shì)能為系統(tǒng)所有，與重力勢(shì)能相類(lèi)似。

3．求電荷在某點(diǎn)處具有的電勢(shì)能

問(wèn)題討論：在上面討論的問(wèn)題中，請(qǐng)分析求出A點(diǎn)的電勢(shì)能為多少？

學(xué)生思考后無(wú)法直接求出，不妨就此激勵(lì)學(xué)生，并提出類(lèi)比方法。

類(lèi)比分析：如何求出A點(diǎn)的重力勢(shì)能呢？進(jìn)而聯(lián)系到電勢(shì)能的求法。

則EpA＝WAB（以B為電勢(shì)能零點(diǎn)）

電荷在某點(diǎn)的電勢(shì)能，等于靜電力把它從該點(diǎn)移動(dòng)到零勢(shì)能位置撕所做的功。

4．零勢(shì)能面的選擇

通常把電荷離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)能規(guī)定為零，或把電荷在大地表面上的電勢(shì)能規(guī)定為零。

拓展：求電荷在電場(chǎng)中A、B兩點(diǎn)具有的電勢(shì)能高低。

將電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，根據(jù)靜電力做功情況判斷。

若靜電力做功為正功，電勢(shì)能減少，電荷在A點(diǎn)電勢(shì)能大于在B點(diǎn)的電勢(shì)能。反之靜電力做負(fù)功，電勢(shì)能增加，電荷在A點(diǎn)電勢(shì)能小于在B點(diǎn)的電勢(shì)能

弄清正、負(fù)電荷在電場(chǎng)中電勢(shì)能的不同特點(diǎn)，判斷其做功特點(diǎn)再進(jìn)行判斷。

通過(guò)對(duì)不同內(nèi)容的拓展，引導(dǎo)學(xué)生能通過(guò)自己對(duì)不同事例的分析，知道對(duì)問(wèn)題考慮的全面性有所了解，同時(shí)能正確認(rèn)識(shí)到在分析問(wèn)題時(shí)還應(yīng)該思考問(wèn)題的不同側(cè)面，達(dá)到對(duì)問(wèn)題的全面解決。提高思維的深度和發(fā)散能力，達(dá)到對(duì)物理學(xué)習(xí)全面化的探究要求。

三、電勢(shì)

我們通過(guò)靜電力的研究認(rèn)識(shí)了電場(chǎng)強(qiáng)度，現(xiàn)在要通過(guò)電勢(shì)能的研究來(lái)認(rèn)識(shí)另一個(gè)物理量──電勢(shì)。它同樣是表征電場(chǎng)性質(zhì)的重要物理量度。

通過(guò)類(lèi)比可見(jiàn)，若用左圖中的Ep/m，或右圖中的Ep/q，它們的值是相同的。

如何來(lái)表征這個(gè)相同的量呢？

讓學(xué)生很快能想到用比值定義法來(lái)定義物理量，對(duì)知識(shí)活學(xué)活用。

上面討論的是特殊情況，下面我們來(lái)討論一般情況：（如圖）

EpA＝qE場(chǎng)Lcosθ

可見(jiàn)，EpA與q成正比，即電勢(shì)能跟電荷量的比值EpA/q都是相同的。對(duì)電場(chǎng)中不同位置，由于L與θ可以不同，所以這個(gè)比值一般是不同的。

電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)能與它的電荷量的比值，是由電場(chǎng)中這點(diǎn)的位置決定的，跟試探電荷本身無(wú)關(guān)。

得出結(jié)論后，引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比電場(chǎng)的得來(lái)過(guò)程，提出新的物理量──電勢(shì)。

1．定義：電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)能與他的電荷量的比值，叫做這一點(diǎn)的電勢(shì)。用φ表示。表達(dá)式：φ＝Ep/q（與試探電荷無(wú)關(guān)）

2．電勢(shì)是標(biāo)量，它只有大小沒(méi)有方向，但有正負(fù)。

3．單位：伏特（V）1V＝1J/C

物理意義：電荷量為1C的電荷在該點(diǎn)的電勢(shì)能是1J，則該點(diǎn)的電勢(shì)就是1V。

以上結(jié)論由學(xué)生得出，自己能用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的描敘，培養(yǎng)相關(guān)應(yīng)用歸納知識(shí)的能力。

（三）合作探究、精講點(diǎn)播思索：

如何來(lái)判斷電勢(shì)的高低呢？

讓學(xué)生明白：根據(jù)靜電力做功的正負(fù)，判斷電勢(shì)能的變化，進(jìn)而判定電勢(shì)的高低?，F(xiàn)通過(guò)具體情景來(lái)進(jìn)行分析。

4．電場(chǎng)線(xiàn)指向電勢(shì)降低的方向。

電勢(shì)順線(xiàn)降低；順著電場(chǎng)線(xiàn)方向，電勢(shì)越來(lái)越低。

與電勢(shì)能相似，我們知道Ep有零勢(shì)能面，因此電勢(shì)也具有相對(duì)性。

引導(dǎo)學(xué)生得出：應(yīng)該先規(guī)定電場(chǎng)中某處的電勢(shì)為零，然后才能確定電場(chǎng)中其他各點(diǎn)的電勢(shì)。

5．零電勢(shì)位置的規(guī)定：電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)的數(shù)值與零電勢(shì)的選擇有關(guān)，即電勢(shì)的數(shù)值決定于零電勢(shì)的選擇。因此電勢(shì)有正負(fù)之分，是由于其零電勢(shì)的選擇決定。

通常以大地或無(wú)窮遠(yuǎn)默認(rèn)為零。

與零電勢(shì)能的位置規(guī)定是否有相似之處呢？

與知識(shí)進(jìn)行類(lèi)比，從前面的結(jié)論中領(lǐng)會(huì)到知識(shí)的相通性，能對(duì)知識(shí)進(jìn)行類(lèi)比應(yīng)用。

（四）反思總結(jié)、當(dāng)堂檢測(cè)

【思考與討論】參看書(shū)上的問(wèn)題進(jìn)行思考與討論，然后思考若是q當(dāng)做負(fù)電荷來(lái)進(jìn)行研究，其結(jié)果是否一樣呢？

四、等勢(shì)面

在地理課上常用等高線(xiàn)來(lái)表示地勢(shì)的高低。今天我們學(xué)習(xí)了電勢(shì)的知識(shí)后，那我們可以用什么來(lái)表示電勢(shì)的高低呢？

學(xué)生：在電場(chǎng)中常用等勢(shì)面來(lái)表示電勢(shì)的高低。

1．等勢(shì)面：電場(chǎng)中電勢(shì)相同的各點(diǎn)構(gòu)成的面。

【體驗(yàn)性實(shí)踐】尋找等勢(shì)面：找正點(diǎn)電荷和帶電平行金屬板中的等勢(shì)面。

通過(guò)體驗(yàn)性實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生明白到如何去尋找等勢(shì)面，達(dá)到對(duì)后續(xù)結(jié)論探究創(chuàng)設(shè)前置氛圍。

觀(guān)看掛圖，從中尋找不同電場(chǎng)中等勢(shì)面的不同和相同點(diǎn)，進(jìn)行合理猜想。

2．等勢(shì)面與電場(chǎng)線(xiàn)的關(guān)系

⑴在同一等勢(shì)面上各點(diǎn)電勢(shì)相等，所以在同一等勢(shì)面上移動(dòng)電荷，靜電力不做功。

WAB＝EpA－EPb＝qφA－qφB＝0

討論：什么情況下會(huì)出現(xiàn)力做功為零的情況？

引導(dǎo)分析得出：F⊥v

⑵電場(chǎng)線(xiàn)跟等勢(shì)面一定垂直，即跟電場(chǎng)強(qiáng)度的方向垂直。

引導(dǎo)學(xué)生用反證法達(dá)到證明的目的，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。

而沿著電場(chǎng)線(xiàn)的方向，電勢(shì)越來(lái)越低。

歸納總結(jié)可得出：電場(chǎng)線(xiàn)跟等勢(shì)面垂直，并且由電勢(shì)高的等勢(shì)面指向電勢(shì)低的等勢(shì)面。

若兩個(gè)相鄰的等勢(shì)面間的電勢(shì)之差是相等的，則能得到書(shū)上圖1．4－5的圖形。觀(guān)看圖形或掛圖，結(jié)合電場(chǎng)線(xiàn)的特點(diǎn)，可得出結(jié)論。

⑶等勢(shì)面越密，電場(chǎng)強(qiáng)度越大。

⑷等勢(shì)面不相交、不相切。

3．應(yīng)用等勢(shì)面：由等勢(shì)面描繪電場(chǎng)線(xiàn)

方法：先測(cè)繪出等勢(shì)面的形狀和分布，再根據(jù)電場(chǎng)線(xiàn)與等勢(shì)面的關(guān)系，繪出電場(chǎng)線(xiàn)的分布，于是我們就知道電場(chǎng)的情況了。

【體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)】測(cè)繪兩個(gè)異種點(diǎn)電荷的靜電場(chǎng)分布。

加強(qiáng)體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，讓學(xué)生形成深刻印象，達(dá)到對(duì)知識(shí)應(yīng)用能力的提高。

九【板書(shū)設(shè)計(jì)】

第四節(jié)、電勢(shì)能和電勢(shì)

一、靜電力做功的特點(diǎn)

結(jié)論：靜電力做的功只與電荷的起始位置和終點(diǎn)位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān)。

二、電勢(shì)能

1．電勢(shì)能：由于移動(dòng)電荷時(shí)靜電力做功與移動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)，電荷在電場(chǎng)中也具有勢(shì)能，這種勢(shì)能我們叫做電勢(shì)能。電勢(shì)能用Ep表示。

2．討論：靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系

WAB＝－（EpB－EpA）＝EpA－EPB

3．求電荷在某點(diǎn)處具有的電勢(shì)能

4．零勢(shì)能面的選擇

三、電勢(shì)

1．定義：φ＝EP/q

2．電勢(shì)是標(biāo)量，它只有大小沒(méi)有方向，但有正負(fù)。

3．電場(chǎng)線(xiàn)指向電