10.1电势能和电势 课件-2020-2021学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册(共29张PPT)

(共29张PPT)
第十章　静电场中的能量
10.1
电势能和电势
目录
二、知识讲解
三、小结
四、练习
一、上节回溯
一、上节回溯
1．电场
2．静电场
3．静电力
4．电场线
5．匀强电场
二、知识讲解——静电力做功的特点
问题引入
　　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。
　　从能量转化的角度考虑，物体的动能增加了，意味着有另一种形式的能量减少了。这是一种什么形式的能量？
　　一个质量为
m
的物体在地面某一位置所受的重力是一定的，不管它怎么运动，它受到的重力始终为mg，方向竖直向下；而一个电荷量为
q
的带正电物体在电场中的某一点受到的静电力也是一定的，始终为
qE
，方向与电场强度方向相同。
　　重力做功有与路径无关的特点，那么静电力做功呢？
思考
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
mg
qE
二、知识讲解——静电力做功的特点
静电力做功
E
q
A
B
M
F
θ
　　当正电荷
q
沿着直线
AB
从
A
点运动到
B
点，q
受到的静电力始终与位移保持夹角θ
；静电力做功：
WAB＝F
cosθ
|AB|＝qE
cosθ
|AB|＝qE
|AM|
二、知识讲解——静电力做功的特点
静电力做功
E
q
A
B
M
F
θ
　　当正电荷
q
沿着折线
AMB
从
A
点运动到
B
点，由于BM段位移与力的方向垂直，所以静电力在BM段不做功；静电力在整个过程中做的功：
WAMB＝qE
|AM|
二、知识讲解——静电力做功的特点
静电力做功
E
q
A
B
M
F
　　当正电荷
q
沿着曲线
AB
从
A
点运动到
B
点，静电力与位移的夹角始终在变化；静电力在整个过程中做的功：
WAB＝qE
|AM|
二、知识讲解——静电力做功的特点
静电力做功
　　经过上述三种路径静电力做功的对比可知，无论q经过什么路径从
A
点到达
B
点静电力做功均是：W＝qE
|AM|；
　　因此，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、知识讲解——静电力做功的特点
例　如图所示，电场强度为
E
的匀强电场中，带电荷量为
+q
的电荷沿直线
AB、折线
ACB、曲线
ANB
运动，已知
AB
长为
d。关于静电力做的功和大小关系，下列说法正确的是
（
）
沿折线
ACB
运动时，静电力做功最多
沿直线
AB
运动时，静电力作用最少
沿直线
AB
运动时，静电力做功为
qEd
沿曲线
ANB
运动时，静电力做功最多
A
B
C
N
d
θ
+q
C
二、知识讲解——静电力做功的特点
二、知识讲解——电势能
思考
　　功和能量的变化密切相关，例如，重力做功等于重力势能的减少量。“节前问题”我们想到电场中有能量减少了，这种减少的能量一定与静电力做的功有关。
　　我们知道，静电力做功与重力做功有着一样的特点，那么电荷在电场中也具有着某种势能，我们把这种势能叫作电势能，用
Ep
表示。
电势能与静电力做功的关系
　　电势能与静电力做功有关，那么到底有什么关系呢？
　　WAB
表示电荷由
A
点运动到
B
点静电力所做的功，EpA和EpB分别表示电荷在
A
点和
B
点的势能，它们之间的关系为：
　　WAB＝
EpA－
EpB
　　即，静电力做功等于势能的减少量。
　　类比重力势能：重力做正功，势能减小，反之增大。
　　当静电力做正功时，电势能减少；
　　当静电力做负功时，电势能增加。
二、知识讲解——电势能
电势能的大小
　　静电力做功只能决定电势能的变化量，不能决定电荷在电场中某一点的电势能。
　　要想确定一位置的势能大小，重力势能中要确定一个零势能面，因此电能也要确定一个零势能点。通常情况下，把距离场源电荷无限远处或是大地表面的电势能规定为
0
。
　　电荷在电场中某点的电势能，就等于把它从这点移动到零势能的位置静电力所做的功。
二、知识讲解——电势能
电势能
（1）相对性：电势能的数值大小与所选的零势能位置有关。
（2）系统性：电势能是由电场和电荷共同决定的，但我们习惯说成是电场中的电荷所具有的电势能（重力势能也一样，是地球和物体组成的系统共同拥有的）
（3）标量性：电势能是标量，有正负、无方向。电势能为正值表示大于零势能点的电势能，电势能为负值表示小于零势能点的电势能。
二、知识讲解——电势能
例　如图所示，真空中有一对平行金属板，分别接在电源的两极上，一个带正电荷的粒子，在静电力的作用下由静止开始从正极板附近向负极板运动，则该带电粒子在运动过程中（
）
静电力对它做正功，电势能增加
静电力对它做正功，电势能减少
静电力对它做负功，电势能增加
静电力对它做负功，电势能减少
B
＋
－
＋
二、知识讲解——电势能
二、知识讲解——电势
思考
　　描述电场力的性质时，我们引入了电场强度这个物理量来描述。那么在电势能上，是否也存在一个物理量来描述电场的能量的性质？
不同的电荷在电场同一点的电势能
A
L
O
θ
E
+
　　如图所示，如果一个电荷量为
q
的电荷在静电力的作用下从
A
到
O，电荷
q
在
A
点的电势能为
EpA，静电力做功WAO；
　　如果换成一个电荷量为
nq
的电荷也在静电力作用下从
A
移动到
O，两个电荷位移一样，但它受到的静电力是电荷量为
q
的电荷的
n
倍，因此移动该电荷静电力做功为
nWAO，它在
A
点的电势能为
nEpA
。
二、知识讲解——电势
电势
　　经过前面的分析可知，电势能会随着试探电荷的电荷量变化，因此它并不能描述电场的能量特性。在分析的过程中我们发现，置于A点的电荷，它的电荷量变为原来的几倍，它的电势能同样变为原来的几倍。因此，电荷在电场中某一点的电势能和电荷量之比是一定的，与试探电荷本身无关。
　　电荷在电场中某一点的电势能和电荷量之比，叫作电场在这一点的电势。
二、知识讲解——电势
电势
1．定义式：φ＝
，电势是电场本身的性质，电势大小由电场本身决定，与放入电场中的试探电荷无关。
2．单位：国际单位制中，电势的单位是伏特，符号是
V，在电场中一点，如果电荷量为
1
C
的电荷在这点的电势能为
1
J，这一点的电势就是
1
V
。
3．电势是标量，只有大小没有方向。
4．相对性：电场中各点电势的高低，与所选的零电势点的位置有关。一般选取距离场源电荷无限远或大地为零电势点。
5．电势沿着电场线方向逐渐降低。
二、知识讲解——电势
例　（多选）下列说法中正确的是
（
）
沿电场线方向场强一定减小
沿电场线方向电势一定降低
电场线上每点的切线方向都和该点的场强方向一致
在静电力的作用下，正电荷一定从高电势处向低电势处移动
BC
二、知识讲解——电势
三、小结
1．静电力做功的特点
2．电势能
3．电势
1．如图所示，在电场强度为
60
N/C
的匀强电场中有
A、B、C
三个点，AB
为5cm，BC
为12cm，其中
AB
沿电场线方向，BC
和电场线方向夹角为
60°
。将电荷量为
4×10-8
C
的正电荷从
A
点移动到
B
点，再从
B
点移动到
C
点，静电力做了多少功？若将该电荷直接从
A
点移动到
C
点，静电力做的功又是多少？
四、练习
答：把电荷从
A
点移动到
B
点，再从
B
点移动到
C
点静电力做功
W1＝WAB＋WBC＝Eq
|AB|＋Eq
cos
60°
|BC|＝2.64×10-7
J，把该电荷直接从A点移动到C点，静电力做功W2，静电力做功与电荷移动路径无关，两次做功最终都是从A点到C点，所以W2＝W1＝2.64×10-7
J
A
B
C
E
60°
2．电荷量
q1为
4×10-9
C
的试探电荷放在电场中的A点，具有
6×10-8
J
的电势能。A
点的电势是多少？若把
q2
为
-2×10-10
C
的试探电荷放在电场中的
A
点，q2
所具有的电势能是多少？
答：φ＝＝＝15
V
，E′pA＝q2φ＝-2×10-10×15＝-3×10-9
J
四、练习
3．如图所示，在匀强电场中，让电子逆着电场线方向从
A
点移动到
B
点，则下列说法正确的是
（
）
静电力做正功，A
点的电势高于
B
点
静电力做正功，A
点的电势低于
B
点
静电力做负功，A
点的电势高于
B
点
静电力做负功，A
点的电势低于
B
点
B
A
B
e
四、练习
4．如图所示，真空中
A
点固定一个点电荷，B、C
是该点电荷电场中的两点，下列关于这两个点的场强
E
的大小和电势
φ
的高低关系一定成立的是
（
）
EB
>
EC
EB
<
EC
φB
>
φC
φB
<
φC
A
A
C
B
四、练习
5．回答下列题目后小结：如何根据试探电荷的电势能来判断电场中两点的电势高低？
（1）q
在
A
点的电势能比在
B
点大，A
、B
两点哪点电势高？
（2）
-
q
在
C
点的电势能比在
D
点大，C
、D
两点哪点电势高？
（3）q
在
E
点的电势能为负值，-
q
在
F
点的电势能为负值，E
、F
两点哪点电势高？
四、练习
答：（1）φ＝，电荷量相同，A的电势能大，所以A点电势高；
（2）φ＝
，电势是标量，相同负电荷电势能越大，电势越小，所以D点电势高；
（3）正电荷电势能是负值，电势也是负值，负电荷电势能是负值，电势是正值；电势是标量，正负代表大小，所以
F
点的电势高。
四、练习
小结：
（1）同一正试探电荷在电势越高的点，电势能越大；
（2）同一负试探电荷在电势越高的点，电势能越小；
（3）正试探电荷电势能为负值的点的电势低于负试探电荷的电势能为负值的点的电势。
四、练习
谢谢