电势能和电势教学设计.docx
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电势能和电势教学设计
第一课时
（一）创设问题情景
1．复习静电力、电场强度概念，指出前面我们从力的性质研究电场，从本节起将从能量的角度研究电场。
起到一个承上启下的过渡作用。
2．创设问题情景：
在匀强电场中某电由静止释放一试探电荷，静电力将对试探电荷做功使试探电荷获得动能，是什么能转化为试探电荷的动能呢？
这种能又该如何量度呢？
从而引入新课。
（二）新课教学
1、认识电场力做功的特点
依据“功是能量转化的量度”的思想，要研究问题情境中的能量转化，不妨先从研究电场力做功的问题，自然过渡到分析电场力做功的特点。
呈现问题1：
让试探电荷q在电场强度为E的匀强电场中沿几条不同路径从A点运动到B点（A、B沿场强方向的距离为L），计算这几种情况下电场力对电荷所做的功。
沿电场线方向运动时，根据恒力做功的计算方法：
W＝F|AB|＝qEL|；
沿与电场线有一定夹角的直线运动时，根据恒力做功的计算方法：
W＝F|AB|cosθ＝qEL；
沿任一曲线路径运动时，根据选取微元“化曲为直”的思想，求功的累加可得：
W＝W1＋W2＋W3＋……＝qEL|
分析三种情况下的做功的数据结果，结合具体的问题情景，得出初步结论：
匀强电场中静电力做的功只与电荷的起始位置和终点位置有关，与电荷经过的路径无关。
呈现问题2：
让试探电荷q在非匀强电场中沿几条不同路径从A点运动到B点，请你尝试计算几种情况下电场力对电荷所做的功，你又有什么新的发现？
根据选取微元“化变为恒、化曲为直”的思想，通过分析计算，进一步得出：
上述结论在非匀强电场中也是成立的。
呈现问题3：
过去学过的哪种力做功也具有与电场力做功相似的特点？
请你列举出它们的相似点。
接着引导学生认识到根据这种相似性，我们可以采用类比研究的方法来认识电场力做功问题，这就为我们研究开始提出的问题提供了有效的路径。
教师讲授：
重力场中，被举高的物体因为受到重力作用总有下落的趋势，而在下落过程中重力做功的多少跟路径无关，只跟初末位置有关，因此，我们说重力场中物体具有重力势能，那么，试探电荷在电场中受到电场力总有沿电场力方向运动的趋势，而且电场力做功也跟路径无关，只跟初末位置有关，那么电场中电荷应该也具有一种势能，我们给它取个名字就叫静电势能，简称电势能。
电势能用Ep表示。
就像重力势能是由物体和地球共有一样，电势能也是电荷和电场所共有。
呈现问题4：
重力场中，重力做功的过程中伴随着重力势能与其他形式能量的转化，那么，电场力做功过程中是否也有电势能与其他形式能量的转化呢？
请分析开始提出的问题，谈谈你的认识。
学生发言后总结出，开始提出的问题中，就是电势能转化为试探电荷的动能。
接着引导学生结合重力场类比定性分析静电力做功与电势能变化的关系
通过知识的类比，让学生能从中感受到新知识的得出也可以通过已有获取。
呈现问题5：
静电力做功与电势能变化之间有何定量关系呢？
引导学生认识到：
电场力做多少功，电势能就变化多少，在只受电场力作用下，电势能与动能相互转化，而他们总量保持不变。
故有WAB＝EKB-EKA＝EpA－EpB＝－（EpB－EpA）＝－△Ep
呈现问题6：
如下图，如何确定物体在A点的重力势能呢？
通过类比，你认为如何确定试探电荷在A点的电势能比较恰当？
学生发表观点，教师引导学生认识只有先确定零电势能位置，电势能才有确定的值。
根据功能关系可知，电荷在电场中某点所具有的电势能的大小就等于将该电荷从该点移动到零电势能位置电场力所做的功。
即EpA＝WA0
也就是说，电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移动到零电势能位置所做的功。
最后，注意提醒学生两点，一是通过类比推理得到的认识还需要经过实验的检验，当然前面的类比得到的认识已经经受住了实验的检验，证明是正确的。
二是进行类比的两个对象之间也可能存在本质的差异，因此，要注意他们的不同。
然后组织学生讨论教材P19上面的讨论交流，认识到静电力做功与重力做功的不同：
任何物体所受到的重力方向都是一样的，因此无论哪个物体，沿某一确定的路径移动时，重力做功的正负是一样的，电势能与其他形式能量的转化方向也是一样的，但由于不同种电荷在同一电场中所受到的电场力方向不一样，因此在电场中沿着一条确定的路径移动正负电荷时，电场力做功的正负是不一样的，电势能与其他形式能量的转化方向也是不一样的。
但WAB＝EKB-EKA＝EpA－EpB＝－（EpB－EpA）＝－△Ep这一关系是一样的。
因此，比较电荷在电场中两点所具有的电势能高低时，首先要弄清正、负电荷在电场中受力情况和运动情况，然后根据电场力做功情况和对应的电势能变化情况再进行判断。
以上设计通过对内容的适度拓展，引导学生能通过自己对不同事例的分析，意识到对问题考虑的全面性，同时能正确认识到在分析问题时还应该思考问题的不同侧面，达到对问题的全面解决。
提高思维的深度和发散能力，达到“以训练学生的物理思维为核心，以提升学生的科学探究能力为重点”的目的。
（三）小结课堂内容
重点是运用类比的方法研究问题，以及所得到的电势能的知识。
（四）作业设计
主要设计两方面的作业，一是体现类比研究重力场和静电场的问题，二是体现电场力做功与电势能变化之间关系的定性和定量分析，以及比较电荷在电场中两点所具有的电势能大小的问题。
第二课时
（一）创设问题情境
在静电场中移动电荷，电场力要对电荷做功，电荷与电场共有的电势能也会发生变化，这充分说明静电场具有能量。
那么，我们怎样来描述静电场的能的性质呢？
（二）新课教学
呈现问题1：
因为电荷在电场中具有电势能，那么，能不能就用某个电荷在电场中某点所具有的电势能大小来反映电场中该点的能的性质呢？
学生讨论后，认识到要反映该点的能的性质，意味着所选择的物理量应该只与场源电荷以及被研究点在电场中的位置有关，然而即使选择同一零电势能位置，在电场中同一点，放置不同的电荷，电荷所具有的电势能也不同，跟电荷的电荷量和电性均有关系，也就是说，某一电荷在该点的电势能并不能准确表征电场中该点的性质。
呈现问题2：
那么在研究的问题情境中，既然电势能的值跟电荷本身电性和电荷量均有关，说明用试探电荷在电场中某点所具有的电势能来表征电场中该点具有的能的性质是不恰当的，那么，类比表征电场力的性质的物理量电场强度的建立，能不能构建一个新的物理量来表征呢，为消除试探电荷本身对问题的干扰你想到了什么？
以在匀强电场中沿电场线方向移动电荷为研究背景，分析电荷在A、B两点间移动时电场力做功情况和电势能的变化情况：
检验电荷电荷量Q
q
2q
3q
-2q
-3q
电荷从A点移动到B点时电场力做的功
qEl
2qEl
3qEl
-2qEl
-3qEl
电荷在A、B两点电势能的变化EpA－EpB
qEl
2qEl
3qEl
-2qEl
-3qEl
电荷在A、B两点电势能的变化与电荷量的比值（EpA－EpB）/Q
El
El
El
El
El
通过分析讨论，学生发现，电荷在电场中某两点之间移动时，电荷的电势能的变化量与该电荷的电荷量的比值是一个不变量，这个不变量是不是只与场源电荷以及被研究点在电场中的位置有关呢？
它能够表征电场的能的性质吗？
教师引导学生进行理论推导：
WAB/q=（EpA-EpB）/q=EpA/q-EpB/q
在匀强电场中思考，EpA/q=WA0/q=qElA0/q=ElA0,
可见EpA/q是一个只与电场本身因素有关的一个量，这个量只由电场本身性质和在电场中的位置决定，而这个量又直接与电荷在电场中所具有的电势能相关联，可见，这个量应该可以反映电场中不同位置的能的性质，这就是我们寻找的表征电场的能的性质的物理量。
于是定义电势φA=EpA/q，介绍电势的单位等。
随即说明：
电场中在选定零电势能位置后，如果电荷位于该位置时，电势能为零，因此，该点的电势也为零，也就是说，电势能为零的位置也就是电势为零的位置。
而对于电场中一个确定的位置，如果选择不同的位置作为零电势能位置，则电荷在这一确定位置的电势能就具有不同的值，由电势的定义可知，这一确定位置的电势也具有不同的值。
画图分析：
对确定的点A，当分别选取B和C为电势为零的位置，则A点的电势有不同的值。
这说明，确定电场中某点的电势首先要确定电势为零的位置，也就是参考位置（或者电势能为零的位置）。
而选择好参考位置后，某点的电势值就是该点相对电势为零的位置的电势高低。
随即引导：
在选定零电势能位置后，根据电势的定义式，可以变形得到
φA=EpA/q=WA0/q，
这就是说，电场中某点的电势，在数值上等于单位正电荷由该点移动到参考点（零电势点）时电场力所做的功。
呈现问题3：
请你分析在选择无穷远处为电势为零的位置，那么，正负点电荷电场中各点的电势的数值有何不同？
学生讨论后得出：
由电势的定义知，若选择无穷远处为电势为零的位置，在正电荷电场中，各点电势均为正值，在负电荷电场中，各点电势均为负值。
呈现问题4：
与重力场中移动物体类比，电势相当于一个什么量？
（试图通过类比实现概念的同化）
学生讨论得出，重力场中Ep/m=gh，其中h也是被研究位置相对选取的零高度位置间的相对高度，这个比值gh也是只与重力场本身强弱以及被研究点在重力场中的位置有关的量，反映的也是重力场中某点的能的性质。
接着讲解：
由上推理可知，WAB/q=（EpA-EpB）/q=EpA/q-EpB/q=φA-φB，这就是表示电场中两个位置之间的电势之差，我们称之为电势差，记为UAB，于是有
UAB=φA-φB
=WAB/q
呈现问题5：
电势差UAB所能表征的物理含义是什么呢？
学生发表见解后，教师引导学生分析电势差的物理意义：
回到课前探究的问题看，在电场中A、B两点间移动电荷所做的功与被移动电荷的电荷量的比值同样与被移动电荷无关，是一个只跟电场本身以及两点间位置有关的量，而电场力做功的过程中必然伴随着电势能的转化，因此，电势差就应该是反映电场中两个位置间的能的性质的物理量。
呈现问题6：
根据以上分析知道，我们定义电场中A、B两点之间的电势差UAB=WAB/q，
若将同一电荷从B处移动到A处，计算得到的电势差与从A处移动到B处得到的电势差相同吗？
为什么？
学生发表见解，教师引导得出：
同一电荷受力方向确定，移动方向不同时，所做功的正负不同，因此由UAB=WAB/q
计算得到的电势差也不同，而且有UAB=－UBA，又UAB=φA-φB，UBA=φB-φA，
可见，电势差应该有正负，选择的初末位置不同，这两点之间的电势差可能为正，也可能为负，而这个正负正好说明初末位置间电势的相对高低。
即UAB＞0，表示φA＞φB，反之，则说明φA＜φB。
接着讲授：
定义电势差一方面能够反映电场中两个位置之间能的性质，也就是说，不管在确定的两点之间移动什么电荷，这两点间储存或释放电势能的性质是一定的，另一方面，对于一个确定的电荷在这两点之间移动时，电场力做功的多少可以直接由WAB=qUAB得到，考虑正负电荷在电场中沿同一路径移动时，所受电场力方向不同，也就决定了电场力做功的正负不同，而UAB自身有正负，为了方便，在计算在确定的初末位置两点之间移动电荷时，只需带上电荷的正负，就能区分做功的正负。
因此，注意，利用WAB=qUAB进行计算时，务必带上各量的符号，如果不带上符号，则必须根据电荷移动方向和电场力的方向判断功的正负。
之后，组织学生尝试解决教材P21例题。
最后根据例题解决情况总结：
（1）应用UAB=WAB/q进行计算时，务必注意带上各量的正负符号；
（2）注意电势差下角标的含义，注意对应相应的初末位置；（3）电场中某点电势的值与零电势点的选取有关，但是两点间的电势差与零电势点的选取无关。
随即指出：
为了研究问题的方便，理论上对于有限大的带电体，其在距带电体无穷远处的电场强度很小，趋近于零，电势变化十分缓慢，可以认为无穷远处是一个电势稳定的区域，对于几乎一切实际的静电场问题，都存在着具有上述特点的无穷远点，这是它们普遍的共同点，因此，把无穷远点选为电势零点，既普遍适用又方便自然。
而在处理实际问题时，由于地球就可以看作是这样的电势稳定的大导体，以大地作为电势的参考，并规定地球的电势为零。
这样就有了一个统一的标准。
地球上任何地方的带电体都能方便而可靠地和地球比较，从而确定其电势。
这就为解决问题带来了许多的好处。
因此，物理学中通常选取无穷远处或大地作为电势零点。
最后指出:
正因为选择不同位置作为电势零点时，电场中某一点的电势的数值也会改变，但电场中某两点之间的电势差却保持不变，这为研究问题带来了方便，也因此，在物理学中，关注电场中两点的电势差往往不关注两点的电势更重要。
（三）小结本课内容
（四）作业设计
注意重点选取突出以下四方面的习题：
1、根据电场力做的功分析电场中两点的电势差的问题，2、电势高低比较问题，3、电场力做功与电势能变化关系的问题，4、电荷在电场中两点所具有的电势能大小的比较问题。
第三课时
（一）创设问题情景
1、简单点评上节课的作业
2、问题引入：
（1）关于电场中某点的电势，我们是如何定义的？
分析：
选取一个零电势点，电场中某点的电势数值上等于将单位正电荷由该点移动到参考点（零电势点）的电场所做的功。
（2）如图在点电荷的电场中有一点A，你如何确定A点的电势？
分析：
首先选取一零电势点，将一单位正电荷从A点移到零电势点，电场力做了多少功，则A点的电势就是多少伏。
当取无穷远处为零电势点，且把1C的电荷从A和A’移到无穷远，电场力所做的功分别为WA和WA’，如果WA=WA’，则фA=фA’。
而在点电荷电场中，与A点电势相等的点有无数个，我们可以把这些点连到一起，构成等势线或等势面，这节课我们将讨论有关等势面的特点。
点
线
面
（二）新课教学
1、定义等势面，同时类比等高线描述高度。
介绍等差等势面。
2、研究等势面的性质并认识几种典型电场的等差等势面形状
呈现问题1：
等势面上两点间的电势差是多少？
沿等势面移动电荷时，电场力做功情况如何？
在此基础上，与同学们一起总结出等势面的第一条性质：
1．沿等势面移动电荷时，电场力不做功；
呈现问题2：
由电场力做功的定义式W=E·q·s·cosα分析，电荷在电场中沿等势面移动时，电场力对电荷不做功？
说明了电场力方向与等势面之间存在什么特殊的几何关系？
在学生讨论的基础上，引导学生得出：
2.等势面与电场线垂直．
于是引导学生分析点电荷电场中的等差等势面：
首先根据教材中图认识正点电荷电场中等差等势面形状，然后在两个等势面上各选取一点，根据电势的定义分析两点电势的高低，再画出电场线。
或者先画出电场线，然后讨论沿电场线方向将电荷从一个等势面移动到另一个等势面时，电场力做功情况，然后比较两个等势面的电势高低。
由此进一步补充：
2.等势面与电场线垂直，而且电场线总是由电势较高的等势面指向电势较低的等势面．
接着引导学生认识等量同种和异种电荷的电场和匀强电场中的等差等势面的分布情况。
特别重视引导学生认识等量点电荷电场中沿连线和连线的中垂线上的场强和电势变化情况。
呈现问题3：
在以上几种不同的电场中，我们发现它们的等势面有一个共同的特点，就是任意两个电势不同的等势面都没有相交．那么，请同学们思考：
是不是所有电场中的等势面都符合这个特点呢？
说出你的理由
在此基础上，引导学生得出肯定的答案．因为在选定零电势点后，电场中某一确定点就有了唯一的电势值，如果两个等势面相交，那么交点处就会出现两个电势值．于是总结出：
3．任意两个电势不等的等势面不能相交．
3、等势面的应用
（1）用等势面可以形象地描述电场具有能的性质
（2）由等势面来绘制电场线（实际中测量电势比测定场强容易，所以常用等势面研究电场，先测绘出等势面的形状和分布，再根据电场线与等势面相互垂直，绘出电场线分布，这样就知道了所研究的电场）
例题：
如图所示，在正点电荷Q的电场中有a、b两点，它们到点电荷Q的距离r1问：
（l）a、b两点哪点电势高？
分析：
在点电荷＋Q的电场中，它的等势面是以＋Q为球心的半径不同的球面，如图中虚线所示，a、c在同一等势面上，c、b两点位于同一条电场线上．而电场线的方向总是由电势高的等势面指向电势低的等势面，所以c点电势高于b点电势，a点又与c点等势，则a点电势高于b点电势．
（2）将一负电荷放在a、b两点，哪点电势能较大？
分析：
比较电势能的大小，可以利用电场力做功跟电势能变化的关系作出判定．一个负电荷由a点移到b点要克服电场力做功，根据功能关系，电荷电势能要增加，此负电荷在b点电势能较大．
解题后小结：
沿着电场线方向，电势逐点降低；比较电势能大小可以根据做功跟电势能变化的关系来判断。
最后设置一课外学生思考的问题：
既然电场线和等势面均能形象的描述电场的性质，那么它们之间有何区别和联系呢？
（三）课堂小结
（四）作业设计
主要突出两个方面的问题：
（1）体现对等势面的性质的理解的问题，
（2）体现对典型电场的等差等势面的认识的问题
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