10.2《电势差》 教学设计-2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

10.2 电势差
教材分析
本节内容选自新人教版必修第三册第十章第2节，新课程标准对本节课的要求是“了解电势能、电势和电势差的含义”。电势差比电势更有实际意义，在物理学中，特别是在技术应用方面使用更多的是电势差概念。本节课是学生学习了“电势能和电势”之后继续使用类比方法加深对电势知识的深入学习，并为下一节电势差与电场强度的关系奠定基础。所以本节课具有承上启下的作用，同时基础性和预备性。本节内容是高中电学教学的重点和难点。
学情分析
学生学习本节课之前已经学习了“电势能和电势”的相关内容，对电势能和电势理解不够透彻将直接影响到对电势差的认识。电势差概念比较抽象，加上公式中正负号的应用以及正负号的物理意义等，给学生的学习构成很大困难。高中学生具有较强的求知欲，教学中要以学生原有的知识作为新知识的生长点，通过类比、创设问题情境、反证法等教学方法来激发学生的好奇心与求知欲，让学生体会收获的喜悦，同时培养学生的演绎思维能力。
教学目标
物理观念
知道电势差的概念；
知道电势差与电势零点的选择无关；
知道电势差正负的物理意义；
进一步完善对电场能量观的认知。
科学思维
1、能推导出静电力做功跟电势差的关系式，能通过UAB=WAB/q进一步理解电势差的意义。
2、运用类比的思维方式，深化理解电势差、等势面等抽象概念；
3、运用反证法理解等势面的概念，并得出两等势面一定不相交的特点。
科学探究
根据问题探究，得出电势的差值与零电势点的选取无关；
通过例题探究，深化对电势差的认知。
科学态度与责任
通过对原有知识的加工、新旧知识的类比概括，培养学生知识自我更新能力；
尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产生活相关的实际问题。
教学重点
电势差概念的理解与应用；
能够运用静电力做功的公式解决实际问题。
教学难点
影响电势差的因素
教学流程
教学过程
创设情境，引入新课
1、提出问题：
如果我们要从6楼走到8楼，影响我们做功多少的因素是这两层楼的高度差还是楼的高度呢？
2、类比分析：
某个电荷在确定的电场中由A点移动到B点，影响静电力做功多少的因素可能是A点或B点的电势值呢？还是A、B两点之间电势的差值呢？
3、得出电势差的定义及定义式：
我们将电场中两点电势之间的差值叫做电势差。
UAB=A－B，UBA=B－A，
UAB=－UBA
单位：伏特V
问题探究，概念剖析
1、问题（一）：
电势与零电势点的选取有关，那么电势的差值与零电势点的选取有关吗？
（1）创设问题情境：已知匀强电场的电场强度E=200N/C，A、B与C的距离l1和l2分别为100cm和40cm，求A、B两点的电势。
（2）分类对比分析：
情况一：以C为零电势点UAB=φA－ φB = 200V-80V=120V
情况二：以B为零电势点UAB= φA－ φB = 120V-0V=120V
（3）得出结论：电势的差值与零电势点的选取无关。
2、问题（二）：
某个电荷在确定的电场中由A点移动到B点，影响静电力做功多少的因素可能是A点或B点的电势值呢？还是A、B两点之间电势的差值呢？
（1）创设问题情境：已知电荷量为Q，A、B两点电势分别为φA和φB，A、B两点间电势差为UAB，求将电荷Q从A点移动到B点过程中，静电力做功。
（2）分析：WAB=﹣Ep=EpA-EpB=qA-qB=q(A-B)=q UAB。
（3）得出结论：影响静电力做功多少的是电势差。
静电力做功与电势差的关系为WAB= qUAB，这个关系式虽然是在匀强电场情景下推出的，但整个推导过程对力的性质和电场的特点并没有特殊的要求，所以这个式子即适用于恒力做功，也适用于变力做功，即适用于匀强电场，也适用于非匀强电场。且由于W和U均与势能零点的选取无关，所以使用这个关系式时无须先规定势能零点。这个式子为我们提供了另一种求静电力做功的方法，而且很多时候比W=Flcos适用范围更广。但使用这个关系式时要注意的角标要对应，WAB ＝qUAB，而WBA ＝qUBA。
3、综上所述，得出电势差的另一种表述：
A、B两点间的电势差等于将电荷q从电场中A点移动到B点静电力所做的功WAB与电荷量q之比。
4、深化理解：
小明同学认为A、B两点间电势差由WAB和q的数值决定，你认为他的想法正确吗？请说明理由。
（1）创设问题情境：以匀强电场为例，假设把一个电荷量为q的点电荷从A点移动到B点，设静电力做功为W0，那么换成一个电荷量为2q的点电荷从A点移到B点呢？
（2）分析：由F=Eq，电场力会加倍，其他条件不变，所以静电力做功变为原来的2倍。换成nq呢？静电力做功会变为原来的n倍。虽然q和W变了，但比值不变。
（3）得出结论：电势差的大小与试探电荷无关，电势差由场源电荷和两点的位置决定。
分析例题，深化应用
例题：在匀强电场中把电荷量为2.0×10-9C的点电荷从A点移动到B点，静电力做的功为1.6×10-7J。再把这个电荷从B点移动到C点，静电力做的功为－4.0×10-7J。
A、B间，B、C间，A、C间的电势差各是多大？
解析：
上面算UAC利用了“静电力做功与路径无关”，推导中也得到一个电势差间的关系，，大家使用这个式子时要注意角标的顺序。
把电荷量为－ 1.5×10-9C的点电荷从A点移动到C点，静电力做的功是多少？
根据电场力做功与电势差的关系，WAC=qUAC=（－1.5×10-9）×（－120）J=1.8×10-7J
注意：计算时要严格带入q与U的符号。算得的结果为正，说明电场力做正功。
（3）根据以上结果，定性画出电场分布的示意图，标出A、B、C三点可能的位置。
根据（1）的计算，我们可以得出C＞A＞ B，且UAC＞ UAB，因为沿着电场线的方向电势降低，所以沿着电场线方向，依次是C、A、B三点，且CA间距离大于AB间距离。
思维碰撞，反证结论
1、提出问题：
刚才例题中第（3）小问，“可能”说明还有其他位置符合要求，这些位置在哪里呢？以A→B为例，进行研究，在匀强电场中把电荷量为2.0×10-9C的点电荷从A点移动到B点，静电力做的功为1.6×10-7J。设A不动，请再找出一个B点可能的位置B′，并标在图中。
2、思维碰撞：
小军同学以A点为圆心，AB长为半径画了一个圆，认为圆上的点B′符合要求。
小兰同学画了一条过B点的与电场线垂直的线，认为垂线上的点B′符合要求。
哪位同学的说法正确呢？
3、反证论证：
不妨设小军同学的想法是正确的。那么WAB=WAB′成立吗？
静电力做功与路径无关，我们可以通过构建合理的路径进行检验。比如将WAB′ 的路径选为AB+BB′，则WAB′=WAB+WBB′，而WBB′≠0，所以WAB≠WAB′，可见甲同学想法不正确。
再看小兰同学的方案，采用类似的方法，选取路AB+BB′，此时WBB′ =0，可见WAB′ =WAB成立，小兰同学找到的B′点符合要求。
综上所述：这里的关键是使电荷由B移动到B′过程中，静电力做功为零。
可见，这条虚线上的点都是符合要求的。还有其他的可能位置吗？我们知道电场是分布在一定空间，而不是一个面内的，所以过B点做一个与电场线垂直的面，面内各点都是B′可能存在的位置。
4、引出新概念：
（1）等势面
在电场中，电势相同的各点构成的面“叫做等势面。
（2）等势面的特点
①在等势面上移动电荷时，静电力不做功；
②电场线跟等势面垂直，且由高电势指向低电势；
③两等势面一定不相交。
5、类比“等高线”，理解等势面
合作共建，课堂小结
本节课不仅建立了电势差、等势面等物理观念，也通过创设情境、推理论证、类比、反证等科学方法形成科学思维，进一步培养了学生的物理学科核心素养。
课外探究，联系生活
安全用电常识中，有一个涉及“跨步电压”现象的问题，请同学们查阅文献资料，了解什么是“跨步电压”？
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