5 电势差
[学习目标] 1.知道电势差的概念，知道电势差与电势零点的选择无关。2.掌握两点间电势差的表达式，知道两点之间电势差的正、负与这两点电势高低之间的对应关系。(重点)3.知道在电场中移动电荷时静电力做功与两点间电势差的关系，会应用静电力做功的公式进行计算。(难点)
一、电势差
1．定义
电场中两点间电势的差值叫作电势差，也叫电压。
2．公式
设电场中A点的电势为φA，B点的电势为φB，则A、B两点之间的电势差为：UAB＝φA－φB，
B、A两点之间的电势差为：UBA＝φB－φA，
所以UAB＝－UBA。
3．电势差的正负
电势差是标量，但有正、负。电势差的正、负表示两点电势的高低。所以电场中各点间的电势差可依次用代数法相加。
二、静电力做功与电势差的关系
1．公式推导
电荷q在电场中从A点移到B点，由静电力做功与电势能变化的关系可得：WAB＝EpA－EpB，由电势能与电势的关系φ＝可得EpA＝qφA，EpB＝qφB。所以WAB＝q(φA－φB)＝qUAB，所以有UAB＝。
2．公式：UAB＝。
3．物理意义
电场中A、B两点间的电势差等于电场力做的功与电荷量q的比值。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电场中A、B两点的电势差，不仅与A、B两点的位置有关，还与零势能面的选取有关。 (×)
(2)电场中任意两点的电势差，均与是否放入试探电荷无关。 (√)
(3)若UAB>0，说明φA>φB，但无法判断φA、φB的正负。 (√)
(4)若电场中两点间的电势差UAB＝1 V，则将单位电荷从A点移到B点，电场力做功为1 J。 (×)
(5)将电荷量为q的电荷从A点移到B点与将－q从B点移到A点电场力所做的功相同。 (√)
2．在电场中A、B两点间电势差为UAB＝75 V，B、C两点间电势差UBC＝－200 V，则A、B、C三点的电势高低关系为( )
A．φA>φB>φC B．φA<φC<φB
C．φC>φA>φB D．φC>φB>φA
C [因为UAB＝φA－φB＝75 V>0，所以φA>φB，因为UBC＝φB－φC＝－200 V<0，所以φB<φC，又UAC＝UAB＋UBC＝75 V＋(－200)V＝－125 V<0，所以φA<φC，则φC>φA>φB，C正确。]
3．如图所示，a、b是电场线上的两点，将一点电荷q从a点移到b点，电场力做功W，且已知a、b间的距离为d，以下说法中正确的是( )
A．a、b两点间的电势差为
B．b、a两点间的电势差为
C．b点的电势为
D．a点的电势为
A [由W＝qU知a、b两点间的电势差Uab＝，所以Uba＝－，所以A项正确，B项错误；题中没有指明零电势点，所以C、D项错误。]
电势与电势差
1.对电势差的几点认识
(1)电场中两点间的电势差，由电场本身决定，与在这两点间移动的电荷的电荷量、静电力做功的大小无关。在确定的电场中，即使不放入电荷，任何两点间的电势差也有确定值。
(2)对于电势差必须明确指出是哪两点间的电势差，而且先后顺序不能乱。如A、B间的电势差记为UAB，B、A间的电势差记为UBA，而UAB＝－UBA。
(3)电势差为标量，有正、负之分，电势差的正负表示电场中两点电势的高低。
(4)电场中两点间的电势差与零电势位置的选取无关。
2．电势差与电势的对比
电势φ
电势差U
区别
定义
电势能与电荷量的比值φ＝
电场力做功与电荷量的比值U＝
决定因素
由电场和在电场中的位置决定
由电场和场内两点位置决定
相对性
有，与零电势位置的选取有关
无，与零电势位置的选取无关
联系
数值关系
UAB＝φA－φB，当φB＝0时，UAB＝φA
单位
相同，均是伏特(V)
标矢性
都是标量，且均具有正负
物理意义均是描述电场的能的性质的物理量
【例1】 有一带电荷量q＝－3×10－6 C的点电荷，从电场中的A点移到B点时，克服静电力做功6×10－4 J，从B点移到C点时，静电力做功9×10－4 J。求：
(1)AB、BC、CA间电势差各为多少？
(2)如果B点电势为零，则A、C两点的电势各为多少？电荷在A、C两点的电势能各为多少？
思路点拨：(1)可根据UAB＝分析电势差。
(2)可由φ＝确定电势及电势能。
[解析] (1)根据U＝
则UAB＝ V＝200 V，
即φA－φB＝200 V
UBC＝ V＝－300 V，
即φB－φC＝－300 V
UCA＝φC－φA＝100 V。
(2)若φB＝0，则φA＝200 V，φC＝300 V
EpA＝φAq＝200×(－3×10－6) J＝－6×10－4 J。
EpC＝φCq＝300×(－3×10－6) J＝－9×10－4 J。
[答案] (1)200 V －300 V 100 V
(2)200 V 300 V －6×10－4 J －9×10－4 J
上例中，若规定A点电势为零，则B、C两点的电势各为多少？电荷在B、C两点的电势能各为多少？
提示：若φA＝0，则φB＝－200 V，φC＝100 V，EpB＝φBq＝(－200)×(－3×10－6) J＝6×10－4 J
EpC＝φCq＝100×(－3×10－6)J＝－3×10－4 J。
(1)WAB＝EpA－EpB＝qφA－qφB＝q(φA－φB)＝qUAB。
(2)公式UAB＝中功和电荷量应包含正负号，若代入绝对值计算，则只能求出电势差的绝对值。
(3)电子伏特(eV)是能量单位，与焦耳(J)的换算关系是：1 eV＝1.6×10－19 J。
1．如图所示，a、b、c是氢原子的核外电子绕核运动的三个可能轨道，取无穷远电子的电势能为0，电子在a、b、c三个轨道时对应的电势能分别为－13.6 eV、－3.4 eV、－1.51 eV，由于某种因素(如加热或光照)的影响，电子会沿椭圆轨道跃迁到离核更远的轨道上运动，求：
(1)a、b、c三点的电势大小；
(2)a、b间，b、c间电势差的大小。
[解析] (1)电子的带电荷量q＝－1.6×10－19 C，据电势的定义φ＝得，φa＝＝＝13.6 V。
同理φb＝3.4 V，φc＝1.51 V。
(2)Uab＝φa－φb＝(13.6－3.4) V＝10.2 V
Ubc＝φb－φc＝(3.4－1.51) V＝1.89 V。
[答案] (1)13.6 V 3.4 V 1.51 V (2)10.2 V 1.89 V
静电力做功的计算
1.静电力做功的四种求法
四种求法
表达式
注意问题
功的定义
W＝Fd＝qEd
(1)适用于匀强电场
(2)d表示沿电场线方向的距离
功能关系
WAB＝EpA－EpB＝－ΔEp
(1)既适用于匀强电场，也适用于非匀强电场
(2)既适用于只受电场力的情况，也适用于受多种力的情况
电势差法
WAB＝qUAB
动能定理
W静电力＋W其他力＝ΔEk
2.应用公式WAB＝qUAB时的两点注意
(1)WAB、UAB、q均可正可负，WAB取负号表示从A点移动到B点时静电力对电荷做负功，UAB取负号表示φA<φB，q取负号表示试探电荷为负电荷。
(2)应用公式WAB＝qUAB求解时，可将各量的正负号及数值一并代入进行计算。也可以将各物理量都取绝对值，先计算大小，再根据电荷的移动方向及所受电场力的方向的具体情况来确定电场力做功的正负。
【例2】 如图所示，光滑绝缘的细杆竖直放置，它与以正电荷Q为圆心的某圆交于B、C两点，质量为m、带电荷量为－q的有孔小球从杆上A点无初速度下滑，已知q?Q，AB＝h，小球滑到B点时的速度大小为，其中g为重力加速度，求：
(1)小球由A到B的过程中静电力做的功；
(2)A、C两点间的电势差UAC。
思路点拨：(1)点电荷形成的电场中，距离点电荷相等的点电势相等。
(2)电场力做功与路径无关，做功的多少与初末位置的电势差有关。
[解析] (1)因为杆是光滑的，所以小球从A到B的过程中只有两个力做功，即静电力做的功WAB和重力做的功mgh，
由动能定理得WAB＋mgh＝mv
代入已知条件vB＝得
WAB＝m·3gh－mgh＝mgh。
(2)因为B、C在同一等势面上，所以φB＝φC，
即UAC＝UAB＝＝－。
[答案] (1)mgh (2)－
静电场中功能关系问题的三种情况
(1)合力做功等于物体动能的变化量，即W合＝ΔEk。这里的W合指合外力做的功。
(2)电场力做功决定物体电势能的变化量，即WAB＝EpA－EpB＝－ΔEp。这与重力做功和重力势能变化之间的关系类似。
(3)只有电场力做功时，带电体电势能与动能的总量不变，即Ep1＋Ek1＝Ep2＋Ek2。这与只有重力做功时，物体的机械能守恒类似。
训练角度1：电场中功能关系的应用
2．(多选)一个带电小球在从空中a点运动到b点的过程中，重力做功3 J，电场力做功1 J，克服空气阻力做功0.5 J，则小球( )
A．在a点的重力势能比在b点的重力势能大3 J
B．在a点的动能比在b点的动能小3.5 J
C．在a点的电势能比在b点的电势能小1 J
D．在a点的机械能比在b点的机械能小0.5 J
ABD [重力做正功，重力势能减小；电场力做正功，电势能减小；电场力和空气阻力做功的代数和等于小球机械能的变化量。]
训练角度2：电场中能量守恒的应用
3．如图中虚线所示为静电场中的等势面1、2、3、4，相邻的等势面之间的电势差相等，其中等势面3的电势为0。一带正电的点电荷在静电力的作用下运动，经过a、b点时的动能分别为26 eV和5 eV。当这一点电荷运动到某一位置，其电势能变为－8 eV时，它的动能应为( )
A．8 eV B．13 eV
C．20 eV D．34 eV
C [由题图可判断b点电势高于a点电势，设各等势面间电势差为U，则由能量守恒，－2Uq＋26 eV＝Uq＋5 eV，所以Uq＝7 eV，所以点电荷能量为7 eV＋5 eV＝12 eV，所以，当电势能为－8 eV时，动能为12 eV－(－8 eV)＝20 eV。]
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.电势与电势差的关系。
2.电场力做功的计算方法。
3.电场中的功能关系。
1．(多选)下列关于电势差和静电力做功的说法中，正确的是( )
A．电势差的大小由静电力在两点间移动电荷做的功和电荷的电荷量决定
B．静电力在两点间移动某电荷做功的多少由两点间的电势差和该电荷的电荷量决定
C．电势差是矢量，静电力做的功是标量
D．在匀强电场中与电场线垂直的平面上任意两点的电势差均为零
BD [电势差表征电场的能的性质，与试探电荷无关，选项A错误；由W＝qU可知，选项B正确；电势差和静电力做的功都是标量，选项C错误；匀强电场中与电场线垂直的平面为等势面，等势面上任意两点的电势差为0，选项D正确。]
2．(多选)关于电势差UAB和电势φA、φB的理解，正确的是( )
A．UAB表示B点相对于A点的电势差，即UAB＝φB－φA
B．UAB和UBA是不同的，它们有关系UAB＝－UBA
C．φA、φB都可以有正、负，所以电势是矢量
D．电势零点的规定是任意的，但人们通常规定大地或无穷远处为电势零点
BD [UAB表示A点相对于B点的电势差，UAB＝φA－φB，A错；UBA表示B点相对于A点的电势差，UBA＝φB－φA，故UAB＝－UBA，B对；电势是标量，正负号是相对于零电势点而言的，正号表示高于零电势点，负号表示低于零电势点，C错；零电势点理论上是可以任意选取的，但通常取无穷远处或大地为零电势点，D对。]
3．(多选)若在某电场中将5.0×10－8 C的正电荷由A点移到B点，静电力做功6.0×10－3 J，则( )
A．A、B两点间的电势差是1.2×105 V
B．A、B两点间的电势差是3.0×10－10 V
C．若在A、B两点间由A至B移动2.5×10－8 C的正电荷，则静电力做功3.0×10－3 J
D．若在A、B两点间由A至B移动1.0×10－7 C的正电荷，则静电力做功3.0×10－17 J
AC [由公式W＝qU可得，电势差U＝＝ V＝1.2×105 V，选项A正确，选项B错误；若移动2.5×10－8 C的正电荷，静电力做功W2＝q2U＝2.5×10－8×1.2×105 J＝3.0×10－3 J，选项C正确；若移动1.0×10－7 C的正电荷，静电力做功W3＝q3U＝1.0×10－7×1.2×105 J＝1.2×10－2 J，选项D错误。]
课件46张PPT。第一章 静电场5 电势差234差值电压5代数法标量67电场力8× √ √ 9√ × 1011121314电势与电势差 151617181920212223242526静电力做功的计算 27282930313233343536373839404142434445点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(五)
(时间：40分钟 分值：100分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)
1．下列关于电势差的说法中正确的是( )
A．两点间的电势差等于将电荷从其中一点移到另一点时静电力所做的功
B．将1 C的电荷从电场中一点移到另一点，如果静电力做了1 J的功，那么这两点间的电势差就是1 V
C．在两点间移动电荷时，静电力做功的多少跟这两点间的电势差无关
D．两点间电势差的大小跟放入这两点间的电荷所带的电荷量成反比
B [根据UAB＝知，两点间的电势差在数值上等于在两点间移动单位正电荷时静电力所做的功，故选项A错误，选项B正确；与移动的电荷所带的电荷量及放不放电荷无关，故选项D错误；静电力做的功WAB＝qUAB，即静电力做的功除与两点间的电势差有关外，还与移动的电荷所带的电荷量有关，所以选项C错误。]
2．关于UAB＝和WAB＝qUAB的理解，正确的是( )
A．电场中A、B两点间的电势差和两点间移动电荷的电荷量q成反比
B．在电场中A、B两点间沿不同路径移动相同电荷，路径长时WAB较大
C．UAB与q、WAB无关，甚至与是否移动电荷都没有关系
D．WAB与q、UAB及电荷移动的路径无关
C [UAB＝是比值法的量度式，UAB由电场自身决定，选项A错误，C正确；由WAB＝qUAB可知WAB与q、UAB有关，与电荷移动的路径无关，选项B、D错误。]
3．电场中a、b两点间的电势差Uab＝1 V，将一电子从a点移到b点，电子克服静电力做的功为1 eV，则( )
A．场强方向一定是由b指向a
B．场强方向一定是由a指向b
C．电子的电势能增加1 eV
D．电子的电势能减少1 eV
C [静电力对电子做负功，所以a点的电势高于b点的电势，但场强方向不一定由a指向b，选项A、B错误；电子克服静电力做的功等于电势能的增加量，选项C正确，选项D错误。]
4．如图所示，三条等势线上有a、b、c、d四点，若将一正电荷由c经a移到d，静电力做正功W1，若由c经b移到d，静电力做正功W2，则( )
A．W1>W2，φ1>φ2
B．W1C．W1＝W2，φ1<φ2
D．W1＝W2，φ1>φ2
D [由W＝Uq可知，W1＝W2；由Wcd＝Ucd·q，Wcd>0，q>0，可知Ucd>0，故φ1>φ2>φ3，D正确。]
5．(多选)如图所示，在－Q形成的电场中，有a、b、c三点，它们到点电荷的距离为raA．a点电势高于c点电势
B．a点场强比c点场强大
C．同一负电荷放在c点比放在a点的电势能大
D．同一负电荷由a点移到b点与由b点移到c点电场力做功相同
BD [由负点电荷电场线和等势面的分布知A错误，B正确；因φc>φa，同一负电荷在电势低处电势能大，C错误；因Uab＝Ubc，据W＝qU知Wab＝Wbc，D正确。]
6．(多选)如图所示的等量异号电荷中，A带正电，B带负电，在A、B连线上有a、b、c三点，其中b为连线的中点，且ab＝bc，则( )
A．a点与c点的电场强度相同
B．a点与c点的电势相等
C．a、b间电势差与b、c间电势差相等
D．点电荷沿AB中垂线移动时，电场力不做功
ACD [由于a、c两点关于b点对称，电场强度的大小和方向均相同，A正确；电场线由a点指向c点，所以有φa>φc，B错误；由于ab＝bc，电荷由a点移到b点和由b点移到c点时，电场力做功相等，故Uab＝Ubc，C正确；A、B连线的中垂线为等势线，在等势线上移动电荷时，电场力不做功，D正确。]
二、非选择题(14分)
7．如图所示，匀强电场中A、B、C三点构成一个直角三角形，把电荷量q＝－2×10－10 C的点电荷由A点移到B点，静电力做功4.8×10－8 J，再由B点移到C点，电荷克服静电力做功4.8×10－8 J，取B点的电势为零，求A、C两点的电势。
[解析] 把电荷从A点移到B点
UAB＝＝ V＝－240 V
即φA－φB＝φA＝－240 V。
把电荷从B点移到C点
UBC＝＝ V＝240 V，
即φB－φC＝－φC＝240 V，
所以φC＝－240 V。
[答案] －240 V －240 V
[能力提升练]
一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)
1．静电场中，带电粒子在电场力作用下从电势为φa的a点运动至电势为φb的b点。若带电粒子在a、b两点的速率分别为va、vb，不计重力，则带电粒子的比荷为( )
A. B.
C. D.
C [带电粒子从a到b，电场力做的功W＝qUab＝q(φa－φb)，由动能定理得q(φa－φb)＝m(v－v)，故＝，C正确。]
2．一个带正电的质点所带电荷量q＝2.0×10－9 C，在静电场中由a点移到b点，在这一过程中，除电场力外，其他力做的功是6.0×10－5J，质点的动能增加了8.0×10－5J，则a、b两点间的电势差Uab为( )
A．1×104 V B．3×104 V
C．4×104 V D．7×104 V
A [以带正电的质点为研究对象，根据动能定理有Wab＋W其他＝ΔEk ①
又Wab＝qUab ②
由①②两式解得
Uab＝＝ V＝1.0×104 V，故选项A正确。]
3．(多选)如图所示，在两等量异种点电荷的电场中，MN为两点电荷连线的中垂线，a、b、c三点所在直线平行于两电荷的连线，且a和c关于MN对称，b点位于MN上，d点位于两电荷的连线上。以下判断正确的是( )
A．b点场强大于d点场强
B．b点场强小于d点场强
C．a、b两点间的电势差等于b、c两点间的电势差
D．试探电荷＋q在a点的电势能小于在c点的电势能
BC [两等量异种点电荷产生的电场如图所示，
由图可知，d点的电场线比b点的电场线密集，所以d点的场强大于b点的场强，A项错误，B项正确。a、c两点关于MN对称，b点在MN上，同一点电荷从a到b和从b到c电场力做的功相同，由W＝qU可知Uab＝Ubc，C项正确。a点电势高于c点电势，同一正电荷在a点的电势能大于在c点的电势能，D项错误。]
4．(多选)如图所示，在a点由静止释放一个质量为m、电荷量为q的带电粒子，粒子到达b点时速度恰好为零，设a、b所在的电场线竖直向下，a、b间的高度差为h，则( )
A．带电粒子带负电
B．a、b两点间的电势差Uab＝
C．b点场强大于a点场强
D．a点场强大于b点场强
ABC [带电粒子由a到b的过程中，重力做正功，而粒子运动到b点时动能没有增大，说明静电力做负功，根据动能定理有：mgh－qUab＝0，解得a、b两点间电势差为Uab＝。因为a点电势高于b点电势，Uab>0，所以粒子带负电，选项A、B正确。带电粒子由a运动到b过程中，在重力和静电力的共同作用下，先加速运动后减速运动，因为重力为恒力，所以静电力为变力，且静电力越来越大，由此可见b点场强大于a点场强，选项C正确，D错误。]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(12分)把带电荷量2×10－8 C的正点电荷从无限远处移到电场中的A点，要克服电场力做功8×10－6 J，若把该电荷从无限远处移到电场中的B点，需克服电场力做功2×10－6 J，取无限远处电势为零。求：
(1)A点的电势；
(2)A、B两点的电势差；
(3)若把2×10－5 C的负电荷由A点移动到B点，电场力做的功。
[解析] 无限远处电势能为零，克服电场力做功，电势能增加，所以EpA＝8×10－6J，φA＝＝＝400 V，
同理φB＝ V＝100 V
故UAB＝φA－φB＝300 V。
若把2×10－5 C的负电荷由A点移动到B点，则
WAB＝q′UAB＝－2×10－5×300 J＝－6×10－3 J。
[答案] (1)400 V (2)300 V (3)－6×10－3 J
6．(14分)为了使带负电的点电荷q在一匀强电场中沿直线由A点匀速运动到B点，必须对该电荷施加一个恒力F。如图所示，若AB＝0.4 m，θ＝37°，q＝－3.0×10－7C，F＝1.5×10－4 N，A点电势φA＝100 V。(不计电荷所受到的重力)
(1)在图中用实线画出电场线，用虚线画出通过A、B两点的等势线，并标明它们的电势；
(2)求q由A点运动到B点的过程中电势能的改变量。
[解析] (1)负电荷q由A点匀速运动到B点，说明负电荷q受到的静电力与力F大小相等，方向相反，故电场线方向与力F方向相同，等势线垂直于该点的电场线。
(2)负电荷由A点运动到B点的过程中，静电力所做的功为W＝qE·AB·cos θ＝－F·AB·cos θ＝－1.5×10－4×0.4×0.8 J＝－4.8×10－5J。
根据功能关系可知，电势能将增加4.8×10－5J。
根据W＝q(φA－φB)得，B点电势为φB＝φA－＝－60 V。
[答案] (1)见解析 (2)4.8×10－5 J
