电场的描述（电场线、电场强度、电势、电势能、电势差）

第十一章电场C电场的描述·1·第十一章C电场的描述（电场线、电场强度、电势、电势能、电势差）【教学目标】⑴理解电场线，知道电场线的作用和特点。理解电场强度，知道电场强度是描述电场关于力的性质，会用定义式和点电荷的电场强度公式进行计算。⑵知道电势能，定性了解电势能增加或减少时电场力做负功或正功，不要求用功能关系进行有关电势能的计算。⑶理解电势差、电势的概念，知道电势差、电势是描述电场能量性质的物理量，电势差与零势点的点（面）的选取无关，电势与零势点的点（面）的选取有关。⑷理解类比方法，能对重力场和静电场运用类比方法。【课时】3课时【重点难点】重点：电场强度、电势能、电势差、电势等概念；电场强度、电势差和电势的有关计算；类比科学方法。难点：电势差和电势概念的建立。【教学过程】情景引入：电场线实验：奎宁针状晶体放在蓖麻油中，然后通过感应起电机加上不同形状的高压电极，会看到如课本P15图11-16所示的结果。这些不同的结果是由于针状晶体受到电场力的作用，因此它们的排列走向与电场力的方向有关。（如果实验效果不好可用“模拟电场线.exe”辅助演示）电场看不见也摸不到，但是它的的确确是存在的，那么我们可以通过什么方法对它进行研究呢？一、电场线（Electricfieldline）形象描绘电场分布的曲线叫做电场线。电场的特点：⑴在静电场中，电场线从正电荷起，终于负电荷，不闭合曲线。⑵电场线不是电场里实际存在的线，是为使电场形象化的假想线。⑶用曲线的疏密描述电场的强弱，用曲线某点的切线方向表示该点场强方向。⑷电场线不能相交，否则一点将有两个场强方向。自主活动：课本P16根据对电场线方向的规定，画出图11－17中每根电场线的方向，以及负点电荷的电场线。第十一章电场C电场的描述·2·右图为，一正一负电荷产生的电场中某一根电场线上放入一正电荷的受力情况。F1为该放入正电荷受到负电荷的库仑力，F2为与正电荷的库仑力，F合为该正电荷在该点所受的电场力。我们学习了用电场线来描述电场，但是这是非常粗略的。怎样才能更加精确的描述呢？二、电场强度（Electricfieldintensity）场源电荷：某点电荷产生的电场是我们要研究的电场，我们把该点电荷叫做场源电荷。检验电荷：为了研究某电场，考察电荷间的相互作用而放入的电荷叫做检验电荷。（检验电荷的电荷量和体积要尽可能地小，尽量不影响被研究的电场）放入电场中某一点的电荷（检验电荷）受到的电场力F跟它电荷量q的比值，叫这点的电场强度。简称为场强。电场强度用E表示：qFE（适用各种电场）单位：N／C或V／m（由匀强电场场强公式dUE导出）。场强是矢量。方向为正电荷的受力方向为该点场强方向。场强可以合成分解，并遵守平行四边形法则，如左图所示，QA与QB在C处的场强分别为EA、EB，E即是EA与EB的合成场强。若在C处放一个-q点电荷，所受电场力方向应与E反方向。物理意义：描述电场关于力的性质的物理量。就是说，单位电量的电荷在电场中受到的电场力。这是物理中常用的一种方法，同于单位时间物体的位移表示物体运动快慢。点电荷在真空中电场的场强：推导课本P17示例12rQkE（适用于点电荷在真空中的电场）场强只由电场决定，与检验电荷无关。例如：在A点场强qFEAA，EA与q的大小无关，与是否存在无关。不能理解为EA与FA成正比，与q成反比。F1F2F合F1F2F合第十一章电场C电场的描述·3·三、电势能（ElectricPotentialEnergy）如右图，在一个带电金属球产生的电场中放入一个带正电的小球，小球并拖着一个木块，在电场力的作用下向右运动。『提问』①桌面光滑，拖着木块的小球会不会运动？如果运动的话那是匀速还是加速运动？②加速的话，是匀加速还是变加速？③动能变化吗？什么力做功使动能变化？1、电场力做功的特点：（1）与路径无关；（2）与电荷的始、末位置有关。2、电场力做功的判断：（1）正电荷沿电场强度方向移动，电场力做（正）功；负电荷逆着电场强度方向移动，电场力做（正）功。（2）正电荷逆着电场强度方向移动，克服电场力做功；负电荷沿电场强度方向移动，克服电场力做功。『提问』根据我们以前学过的能量守恒定律，是什么能转变为木块的动能？3、电势能W（ε）（1）电荷在电场中某一位置所具有的能，叫做电势能，是能量的一种形式。单位J。（2）电势能是有正负的标量。（3）电势能的大小与电荷在电场中所处的位置和电荷量都有关。（4）电势能的变化用电场力做功来量度。（5）电势能与电场力做功的特点：①“电场中移动电荷做功只跟电荷在电场中的始、末位置有关，而跟电荷经过的路径无关。”②电场力做功电势能减少，克服电场力做功电势能增加。③电势能是放入的电荷q与场源电荷Q共同具有的能量，它与两者之间的距离有关。当两者间的相互作用力为引力时，电势能随距离的增大而增大；当两者间的相互作用力为斥力时，电势能随距离的增大而减少。④电场力做功的过程是电势能与其它形式的能相互转化的过程，服从能量转化和守恒定律。若只有电场力做功，电势能与动能相互转化，总能量保持不变，即kkEWEW向右变加速度运动第十一章电场C电场的描述·4·若仅有电场力和重力做功，则势能和动能相互转化，或者说电势能与机械能相互转化，总能量保持不变，即)()(PkPkEEEE四、电势差1、定义：当电场一定时，电荷在场中两点间移动，电场力做的功．．．．．．与电荷电量．．．．的比值为定值，这一定值称为电势差，也叫电压。单位是伏（V）。qqWBAABBAABU2、电势差与电势零点的选取无关。3、电势差是有正负的标量，计算中一般取绝对值，UA和UB的高低通过电场力做功来判断。4、电场力做功与电势差的关系：ABABABqUW)(五、电势（ElectricPotential）1、电场中某点跟参考位置间的电势差叫做该点的电势，电势的大小只具有相对的意义。BAABU电势、电势差与高度、高度差作对比零点的选取是任意的，一般选取无穷远或地球为零电势面。零电势处的电势能必为零电场中某点的电势在数值上等于单位正电荷从该点移到零电势点的过程中电场力所做的功：qqWAAABABAA的高度：以地面为“0”参考面：hA以B位置为“0”参考面：hA－hBhBA点的电势：以无穷远为“0”电势：φA以B位置为“0”参考面：φA－φBφBAB的高度差：始终是hA－hBAB的电势差：始终是φA－φB第十一章电场C电场的描述·5·2、电势是有正负的标量。3、沿着电场线的方向电势降低，但电势降低的方向不一定是电场线的方向，电场线所指的方向是电势降落最快的方向。4、孤立正电荷产生的电场中各点的电势恒为正值；孤立负电荷产生的电场中各点的电势恒为负值。5、电势为零处电场未必为零，电场为零处电势未必为零。6、场强E和电势U都是反映电场性质的物理量，均由电场本身决定，与放在场中的检验电荷无关。7、点电荷电场的电势公式：*rQkU六、等势面一般说来，电场中各点的电势不同，但电场中也有许多点的电势相等。我们把电场中电势相等的点构成的面叫等势面。1、在同一等势面上的任意两点间移动电荷，电场力不做功，因为等势面上各点电势相等，电荷在同一等势面上各点具有相同的电势能，所以在同一等势面上移动电荷电势能不变，即电场力不做功。2、等势面一定跟电场线垂直，即跟场强的方向垂直。假如不是这样，场强就有一个沿着等势面的分量，这样在等势面上移动电荷时电场力就要做功。但这是不可能的，因为在等势面上各点电势相等，沿着等势面移动电荷时电场力是不做功的。所以场强一定跟等势面垂直。3、前面已经指出，沿着电场线方向电势越来越低。可见，电场线不但距等势面垂直，而且是由电势较高的等势面指向电势较低的等势面。4、几种典型场的等势面：第十一章电场C电场的描述·6·七、电势叠加原理：如果在空中有两个或两个以上的点电荷同时存在，则它们产生的合电场中，某点的电势就等于各个点电荷单独存在时，所产生的电场在该点电势的代数和，这个结论叫做电势叠加原理。八、匀强电场场强的大小和方向都相同的电场。匀强电场的电场线，是一些在空间分布均匀、相互平行的直线。例：两块金属板带有等量异种电荷，并且靠得很近时，在两板之间的电场可以看成是匀强电场。匀强电场中电势差和电场强度的关系：1、公式的导出：dUEqUWqEdFdW单位：V/m2、物理意义：“在匀强电场中场强的大小等于沿场强方向每单位距离上的电势差。”3、应用：把抽象、难理解的物理量（也没有专门的测量仪器测量）的电场强度转化为宏观的易测的物理量。4、对非匀强电场中电势差与场强的关系，只能根据上式作定性分析。5、电子伏特（eV）的规定：1eV=1.60×10-19库×1伏=1.60×10-19焦九、电势能与电势的区别电势是描述电场中各点能的性质的物理量，它是由场电荷的电量及各点在场中的位置决定的，与电场中是否放入电荷无关。电势能是电场具有能的性质的体现，它不仅与电荷所在处的电势有关，还与电荷本身所带电量的多少及带电的种类有关，所以不直接用电势能的大小来描述电场能的性质。dABE+qF第十一章电场C电场的描述·7·在实际运用qU和ABqUW这两个公式时，可引入符号规则：（1）正电荷取正值，负电荷取负值。（2）正电势U取正值，负电势U取负值。（3）正电势能大于零势能面的ε取正值，小于零势能面的取负值。（4）UA大于UB的UAB取正值，反之取负值。（5）电场力做正功的W取正值，做负功的取负值。这样规定后，各个量之间不仅在数量上的关系由公式决定，其符号也由公式决定了，而所求得的物理量的符号也就代表了它所规定的物理意义。【课堂小结】1、两种电荷，电荷守恒定律。2、真空中、两点电荷之间的库仑定律。3、电场力的性质：（1）场强的三种表达式及其适用条件。（2）场强的合成。（3）电场力与q、E都有关。（4）常见电场的电场线。（5）电场线、场强、电势、等势面的关系：①电场线与场强的关系：电场线越密的地方表示场强越大，电场线上每点的切线方向表示该点的场强的方向。②电场线与电势的关系：沿着电场线的方向，电势越来越低。③电场线与等势面的关系：电场线越密的地方等差等势面也越密，等势面与通过该处的等势面垂直。④场强与电势的关系：场强的方向是电势降落最快的方向，场强的大小标志着沿电场线方向电势降落的快慢，场强数值和电势数值无直接关系。4、电场能的性质（1）电场力对移动电荷做功与具体路径无关，仅与初末位置的电势差有关。（2）判断电势能大小的方法：①利用ε=qUAB来判断；②利用做功的正负来判断；③利用推论来判断：正电荷在电势越高的地方电势能越大，负电荷在电势越低的地方电势能越大。（3）判断电势高低的方法：（电势正负号是表示大小的）①设法画出电场线的方向，利用电场线方向判断；②用q（UA-UB）=W来判定A、B两点电势高低。第十一章电场C电场的描述·8·【附录】电势能与重力势能的比较（类比法）重力场静电场重力场静电场力质量m电荷量q重力G＝mg电场力F＝qE能重力势能的相对性——零势能面电势能的相对性——零势能面重力势能EP＝mgh电势能ε＝qEd重力势能改变量的绝对性ΔEP＝mgΔh电势能改变量的绝对性Δε＝qEΔd重力做功W＝mgΔh电场力做功We＝qEΔd重力做功等于重力势能的减少量W＝－ΔEP＝－mgΔh电场力做功等于电势能的减少量We＝－Δε＝－qEΔd重力做功与路径无关，只与物体沿重力线方向运动的高度差有关。电场力做功与路径无关，只与带电体沿电场线方向运动的距离有关。区别质量m0有两种电荷：+q和－q重力线（匀强重力场）电场线（匀强电场和非匀强电场）质量为m的物体沿重力线方向运动，重力势能减少。带电量为＋q的带电体沿电场线方向运动，电势能减少。带电量为－q的带电体逆着电场线方向运动，电势能减少。重力线总是竖直向下电场线方向任意ABChAhChBΔhAC=hA-hCΔhAB=hA-(-hB)=hA+hBgmgABChAhChBΔhAC=hA-hCΔh