10.1 电势能和电势 教学设计（表格式）

《物理必修第三册》第十章 静电场中的能量
1.电势能和电势
课程基本信息
课题 电势能和电势
教科书 书名：普通高中教科书《物理》必修第三册 出版社：人民教育出版社
教学目标
教学目标： 1.通过计算在匀强电场中移动电荷静电力所做的功，认识静电力做功跟路径无关的特点。 2.通过类比重力势能引入电势能，体会能量观点是分析物理问题的重要方法。 3.理解电势能的变化与静电力做功的关系。 4.知道电势能的定义。知道常见的电势能零点的规定方法。 教学重点： 1.电势能概念的建立。 2.电势能的变化与静电力做功的关系。 教学难点： 根据静电力做功的特点引入电势能的概念。
教学过程
时间 教学环节 主要师生活动
1分钟 环节一：设制问题情境，引出研究的问题。 想一想：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。从能量转化的角度，同学们可以展开哪些思考呢？ 由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。根据能量守恒定律可知，物体动能增加了WAB，意味着有另外一种形式的能量减少了WAB。这是一种什么形式的能量呢？ 这就为我们提出了一个可以研究的新问题。
7分钟 环节二：研究静电力做功的特点。 1.获取研究思路 这种能量肯定是因为电场的存在而具有的，能量的变化与静电力做功密切相关。所以下面我们可以通过研究静电力做功来研究电场中的能量。从功入手研究能量是我们一贯的思路。 我们曾经学过两类力，它们做功的特点不同。一类以重力为代表，重力做功与路径无关。一类以滑动摩擦力为代表，滑动摩擦力做功与路径有关。这两类力做功的特点是不同的，所对应的研究方法也不同。所以下面我们来计算静电力所做的功，看看与电荷运动的路径有没有关系？ 2.证明匀强电场中静电力做功跟路径无关 做一做：在电场强度为E的匀强电场中任取A、B两点，AB的连线长度为l，与电场强度的方向夹角为θ。把带正电的试探电荷从A点移动到B点，若试探电荷的电荷量为q，计算下面三种情况下静电力对电荷所做的功： （1）把q沿直线AB从A点移动到B点； （2）把q沿折线AMB从A点移动到B点； （3）使q沿任意曲线ANB从A点移动到B点。 分析：通过前两个问题的计算，初步得出结论——沿不同的路径把q从A点移动到B点，静电力做功相同。利用“微元法”的思想，计算第三个问题，得出与前两问相同的结果。 结论：在匀强电场中，不论q经由什么路径从A点移动B点，静电力所做的功都是一样的。因此，在匀强电场中移动电荷时，静电力所做的功只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。 3.推广到一般的电场 “静电力所做的功与电荷经过的路径无关。”这个结论虽然是从匀强电场得出的，但可以证明对于其他静电场同样适用。因为证明超出了高中物理的要求，不做详细推导。
16分钟 环节三：建立电势能的概念。 1.因为静电力做功与重力做功的特点相同，回顾由重力做功的特点建立重力势能概念的过程，得到类比的基础。 2.类比重力势能，提出电势能的概念，得出“静电力做功等于电势能的减少量”。 （1）类比重力势能，回答课程一开始提出的问题：由于静电力做的功与路径无关，是由始、末位置决定的，与重力做功的特点相同，说明电场中也存在这种由位置决定的能量，我们把这种能量叫做 “电势能”。 类比重力做功，我们可以推测静电力所做的功等于电势能的减少量。这一结论我们还可以通过能量守恒加以验证：根据动能定理，静电力所做的功等于动能的增加量；根据能量守恒定律，动能增加量等于电势能的减少量，所以静电力所做的功等于电势能的减少量。 （2）静电力做功与电势能的关系式 如果用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点的电势能，它们之间的关系式为： WAB ＝ EpA － EpB 当WAB 为正值时，EpA > EpB，表明静电力做正功，电势能减少。 当WAB 为负值时，EpA < EpB，表明静电力做负功，电势能增加。 3.电势能的大小 （1）定义 若规定电荷在B点的电势能为0，则电荷在A点的电势能数值上等于将电荷由A点移动到B点静电力所做的功WAB。 （2）相对性 类比重力势能，我们可以知道零势能位置的选取是任意的。若规定电荷在A点的电势能为0，那么电荷在B点的电势能等于静电力所做的功WBA：EPB＝WBA＝－3×10-7J。相对不同的零势能位置，电荷在同一点电势能的数值可能是不同的，电势能的数值是相对于零势能位置而言的，因此电势能具有相对性。对于选定的零势能位置，电势能可能有正值和负值。电势能的正负表示大小。 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）电势能是相互作用的电荷所共有的，或者说是电荷及对它作用的电场所共有的。我们说某个电荷的电势能，只是一种简略的说法。 4.思考与练习 想一想:在正点电荷形成的电场中，将试探 电荷+q和-q分别从A点移动到无穷远处， 静电力做什么功？电势能怎样变化？ 解析： 将试探电荷+q从A点移动到无穷远处，静电力做正功，电势能减少，试题电荷+q在场中任一点具有的电势能都是正值。将试探电荷-q从A点移动到无穷远处，静电力做负功，电势能增加，试探电荷-q在场中任一点具有的电势能都是负值。
1分钟 环节四：课堂小结 本节课我们围绕电势能这一概念展开了研究。电势能是电学众多概念中的重点和难点之一，对我们建立能量的观念起到了举足轻重的作用。 在研究过程中，我们主要用到了类比的科学方法。类比重力势能的建立过程：从证明静电力做功与路径无关开始，推测出电势能的存在。类比的方法可以帮助我们基于合理推测提出创造性的见解，是一种科学的思维方法，这种方法可以进一步借鉴到今后的学习中去。