第2章　第1节　静电力做功与电势能—2020-2021学年新教材鲁科版（2019）高中物理必修三课件（31张PPT）

第1节　静电力做功与电势能
必备知识
自我检测
一、静电力做功的特点
在静电场中移动电荷时,静电力做的功与电荷的始末位置有关,与电荷经过的路径无关。以上结论不仅适用于匀强电场,而且也适用于非匀强电场。
必备知识
自我检测
二、电势能
1.概念:电荷在电场中具有的势能。用Ep表示。
2.大小:电荷在电场中某点的电势能,等于电荷从该点移动到零电势能点静电力所做的功。
3.电势能与电场力做功的关系:静电力做的功等于电势能的减少量,即WAB= -EpB=-ΔEp。
4.电势能的相对性:选择不同的零电势能点,电荷在电场中同一点的电势能的值是不同的(选填“相同”或“不同”)。
必备知识
自我检测
1.正误判断。
(1)只有在带电体只受静电力作用的条件下,静电力做功才与路径无关。(　　)
解析:无论带电体受不受其他力,静电力对带电体所做的功均与路径无关。
答案:×
(2)负电荷沿电场线方向移动时,静电力做负功,电势能增加。(　　)
解析:负电荷在电场中受力与电场线方向相反,沿电场线方向移动时,静电力做负功,因此电势能增加。
答案:√
必备知识
自我检测
(3)某电场中,带电物体在A点具有的电势能EpA=5 J,在B点具有的电势能EpB=-8 J,则EpA>EpB。(　　)
解析:电势能是标量,正负表示电势能的大小,所以EpA>EpB。
答案:√
(4)静电力做功,电势能一定变化。(　　)
解析:只要静电力做功,电势能一定变化。
答案:√
(5)选择不同的零电势能点,电荷在电场中的同一点的电势能的值一定相同。(　　)
解析:电势能与零势能面的选择有关。
答案:×
必备知识
自我检测
2.如图所示,A、B、C为电场中同一电场线上的三点。设电荷在电场中只受电场力作用,则下列说法正确的是(　　)
A.若在C点无初速度地释放正电荷,则正电荷向B点运动,电势能减少
B.若在C点无初速度地释放正电荷,则正电荷向A点运动,电势能增加
C.若在C点无初速度地释放负电荷,则负电荷向A点运动,电势能增加
D.若在C点无初速度地释放负电荷,则负电荷向B点运动,电势能减少
必备知识
自我检测
解析:若在C点无初速度地释放正电荷,正电荷所受电场力向右,则正电荷向B点运动,电场力做正功,电势能减少;若在C点无初速度地释放负电荷,负电荷所受电场力向左,则负电荷向A点运动,电场力做正功,电势能减少。
答案:A
必备知识
自我检测
3.一个电荷只在电场力作用下从电场中的A点移到B点的过程中,电场力做了5×10-6 J的正功,那么(　　)
A.电荷的电势能减少了5×10-6 J
B.电荷的动能减少了5×10-6 J
C.电荷在B处时具有5×10-6 J的电势能
D.电荷在B处时具有5×10-6 J的动能
解析:据电场力做功的多少,只能判断Ep和Ek的变化量,不能确定Ep和Ek的大小,故C、D错误;电场力做正功,电势能减少,动能增加,故A正确,B错误。
答案:A
探究一
探究二
随堂检测
静电力做功的特点
情境探究
如图所示,一带电荷量为q的正电荷在匀强电场中从A点运动到B点,已知直角边BC、AC的长度分别为a、b,直角边BC与电场线平行。
(1)若电荷沿直线AB运动,电场力做了多少功?是正功还是负功?
(2)若电荷沿折线ACB运动,电场力做了多少功?是正功还是负功?
(3)由以上两种情况可以总结出电场力做功有何特点?试猜想电荷沿曲线ADB运动,电场力做了多少功?是正功还是负功?
探究一
探究二
随堂检测
要点提示:(1)qEa　正功
(2)qEa　正功
(3)电场力做功与路径无关,只与始末位置有关,若电荷沿曲线ADB运动,电场力做的功W3=qEa　正功
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
对静电力做功特点的理解
(1)静电力对电荷所做的功,与电荷的始末位置有关,与电荷经过的路径无关。该结论适用于任何静电场。
(2)无论带电体在电场中做直线运动还是做曲线运动,无论带电体只受静电力作用还是受多个力作用,无论静电力做正功还是做负功,静电力做功的特点不变。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例1如图所示的匀强电场中,有a、b、c三点,dab=5 cm,dbc=12 cm,其中ab沿电场方向,bc和电场方向成60°角。一个电荷量为q=4×10-8 C的正电荷从a移到b时电场力做的功为W1=1.2×10-7 J,求:
(1)匀强电场的电场强度E的大小;
(2)电荷从a移到c,电场力做的功W2。
探究一
探究二
随堂检测
解析:(1)从a到b,正电荷受到的电场力F1=qE
电场力做的功W1=F1dab=qEdab
(2)由于电场力做功与路径无关,所以把电荷从a移到c做的功W2=W1+Wbc,把电荷从b移到c,电场力做的功
Wbc=qE·dbc·cos 60°=4×10-8×60×12×10-2×0.5 J=1.44×10-7 J,故W2=W1+Wbc=1.2×10-7 J+1.44×10-7 J=2.64×10-7 J。
答案:(1)60 V/m　(2)2.64×10-7 J
探究一
探究二
随堂检测
规律方法在匀强电场中,电场力为恒力,电场力做的功可以用W=±qEd来计算,其中d为电荷沿电场线方向上的位移。电场力与位移同向,电场力做正功,反之做负功。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1如图所示,一根绝缘杆长l,两端分别带有等量异种电荷,电荷量均为Q,杆处于纸面内时,匀强电场的方向与杆的夹角α=60°。若电场强度为E,使杆绕杆中点O沿顺时针方向转过60°角,电场力一共做了多少功?
探究一
探究二
随堂检测
解析:正电荷受到的电场力沿电场强度方向,负电荷受到的电场力沿电场强度的反方向,因此杆顺时针转动,电场力对正、负电荷都
探究一
探究二
随堂检测
电势能
情境探究
在甲、乙两图中,小球均从B点移到A点,甲图中重力对小球做什么功?小球的重力势能怎样变化?乙图中静电力对带电小球做什么功?带电小球的电势能怎样变化?
要点提示:重力做正功,重力势能减小;静电力做正功,电势能减小。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.静电力做功与电势能变化的关系
探究一
探究二
随堂检测
2.对电势能的理解
特点
理　　解
系统性
电势能是由电场和电荷共同决定的,是属于电荷和电场所共有的,我们习惯上说成电荷的电势能
相对性
电势能是相对的,其大小与选定的电势能为零的参考点有关。确定电荷的电势能,首先应确定零电势能点
标量性
电势能是标量,有正负但没有方向
计算
电荷在电场中某点的电势能,等于把它从该点移动到零电势能位置时静电力所做的功
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2将带电荷量为6×10-6 C的负电荷从电场中的A点移到B点,克服静电力做了3×10-5 J的功,再从B移到C,静电力做了1.2×10-5 J的功,则:
(1)电荷从A移到B,再从B移到C的过程中电势能改变了多少?
(2)如果规定A点的电势能为零,则该电荷在B点和C点的电势能分别为多少?
(3)如果规定B点的电势能为零,则该电荷在A点和C点的电势能分别为多少?
探究一
探究二
随堂检测
解析:(1)WAC=WAB+WBC=(-3×10-5+1.2×10-5)J=-1.8×10-5 J。
可见电势能增加了1.8×10-5 J。
(2)如果规定A点的电势能为零,由公式WAB=EpA-EpB得该电荷在B点的电势能为EpB=EpA-WAB=0-WAB=3×10-5 J。
同理,C点的电势能为
EpC=EpA-WAC=0-WAC=1.8×10-5 J。
(3)如果规定B点的电势能为零,则该电荷在A点的电势能为
EpA'=EpB'+WAB=0+WAB=-3×10-5 J。
C点的电势能为EpC'=EpB'-WBC=0-WBC=-1.2×10-5 J。
答案:(1)增加了1.8×10-5 J　(2)3×10-5 J　1.8×10-5 J
(3)-3×10-5 J　-1.2×10-5 J
探究一
探究二
随堂检测
规律方法电势能大小的判断方法
判断角度
判断方法
依据静电力做功
无论正、负电荷,静电力做正功,电势能就减少;静电力做负功,电势能就增加
依据电场线方向
正电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐减少;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐增加。
负电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐增加;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐减少
探究一
探究二
随堂检测
变式训练2(多选)如图所示,在点电荷电场中的一条电场线上依次有A、B、C三点,分别把电荷量为+q和-q的点电荷依次放在这三点上,关于它们所具有的电势能,下列说法中正确的是(　　)
A.放上+q时,它们的电势能EpA>EpB>EpC
B.放上+q时,它们的电势能EpA C.放上-q时,它们的电势能EpA>EpB>EpC
D.放上-q时,它们的电势能EpA 解析:对正电荷从A经B移到C,电场力做正功,电势能减少,故EpA>EpB>EpC,对负电荷从A经B至C,电场力做负功,电势能增加,故EpA 答案:AD
探究一
探究二
随堂检测
1.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.电荷从电场中的A点运动到B点,路径不同,静电力做功的大小就可能不同
B.电荷从电场中的某点开始出发,运动一段时间后,又回到了该点,则静电力做功为零
C.正电荷沿着电场线运动,静电力对正电荷做正功,负电荷逆着电场线运动,静电力对负电荷做正功
D.电荷在电场中运动,因为静电力可能对电荷做功,所以能量守恒定律在电场中并不成立
探究一
探究二
随堂检测
解析:静电力做功和电荷运动路径无关,故A错误;静电力做功只和电荷的初、末位置有关,所以电荷从某点出发又回到了该点,静电力做功为零,故B正确;正电荷沿电场线的方向运动,则正电荷受到的静电力方向和电荷的运动方向相同,故静电力对正电荷做正功。同理,负电荷逆着电场线的方向运动,静电力对负电荷做正功,故C正确;电荷在电场中运动虽然有静电力做功,但是电荷的电势能和其他形式的能之间的转化满足能量守恒定律,故D错误。
答案:BC
探究一
探究二
随堂检测
2.(多选)一电子飞经电场中A、B两点,电子在A点的电势能为4.8×10-17 J,动能为3.2×10-17 J,由A点到B点静电力做功为1.6×10-17 J,如果电子只受静电力作用,则(　　)
A.电子在B点的动能为4.8×10-17 J
B.电子在B点的动能为1.6×10-17 J
C.电子在B点的电势能为3.2×10-17 J
D.电子在B点的电势能为6.4×10-17J
探究一
探究二
随堂检测
解析:电子由A点到B点静电力做功为1.6×10-17 J,即电子从A点到B点电势能减少1.6×10-17 J,则在B点的电势能为3.2×10-17 J。电子只受静电力,则电子的电势能和动能之和不变,在A点有E=Ek+Ep=3.2×10-17 J+4.8×10-17 J=8×10-17 J,在B点的动能
Ek'=E-Ep'=8×10-17 J-3.2×10-17 J=4.8×10-17 J,故A、C正确,B、D错误。
答案:AC
探究一
探究二
随堂检测
3.(多选)如图所示,实线表示电场线,虚线表示带电粒子在电场中运动的轨迹。若带电粒子仅受电场力作用,运动方向由M到N,以下说法正确的是(　　)
A.粒子带负电
B.粒子带正电
C.粒子的电势能增加
D.粒子的电势能减少
解析:根据运动轨迹与受力的关系,带电粒子受到的电场力与电场方向一致,故粒子带正电,A错误,B正确;粒子运动过程中,电场力方向与速度方向的夹角小于90°,所以电场力做正功,粒子的电势能减少,C错误,D正确。
答案:BD
探究一
探究二
随堂检测
4.(2019~2020学年北京朝阳高二上期末质量检测)如图所示,在水平向右的匀强电场中,质量为m的带电粒子(不计粒子重力),以初速度v从M点竖直向上运动,通过N点时,速度大小为2v,则从M运动到N的过程中,带电粒子(　　)
A.动能增加 mv2
B.电势能增加2mv2
C.做匀变速运动
D.到达N点时速度水平向左
探究一
探究二
随堂检测
答案:C