2019-2020学年新教材高中物理 第10章 静电场中的能量 1 电势能和电势课件 新人教版必修第

第十章静电场中的能量1.电势能和电势[学习目标]1.知道静电力做功与路径无关。2.理解电势能的概念，认识电势能的相对性。(难点)3.理解静电力做功与电势能变化的关系。(重点)4.知道电势的定义方法和定义式、单位。(重点)自主探新知预习一、静电力做功的特点1．特点：静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置____，与电荷经过的路径____。2．在匀强电场中静电力做功：WAB＝qE·LABcosθ，其中θ为静电力与位移间的夹角。有关无关二、电势能1．概念：电荷在______中具有的势能。用Ep表示。2．静电力做功与电势能变化的关系静电力做的功等于电势能的______，WAB＝______________。电场力做正功，电势能____；电场力做负功，电势能____。静电场减少量EpA－EpB减少增加3．电势能的大小：电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移到__________时所做的功。4．零势能点：电场中规定的电势能____的位置，通常把离场源电荷________或______的电势能规定为零。零势能位置为零无限远处大地处三、电势1．定义：电荷在电场中某一点的______与它的______的比值。2．定义式：φ＝__。3．单位：国际单位制中，电势的单位是____，符号是V,1V＝1J/C。电势能电荷量Epq伏特4．特点(1)相对性：电场中各点电势的大小，与所选取的零电势的位置有关，一般情况下取________________或大地为零电势位置。(2)标矢性：电势是标量，只有大小，没有方向，但有____。5．与电场线关系：沿电场线方向电势________。离场源电荷无限远正负逐渐降低1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在静电场中沿电场线方向移动正电荷时，静电力做正功。()(2)在静电场中沿电场线方向移动负电荷时，静电力做正功。()(3)在静电场中电荷运动了一段路程，电场力一定做功。()√××(4)电荷处在电场中，在电势越高的位置电势能一定越大。()(5)在电场中确定的两点间移动电荷量大小相等的正、负电荷时，电势能变化相同。()××2．如图所示，A、B为某电场线上的两点，那么以下结论正确的是()A．把正电荷从A移到B，静电力做正功，电荷的电势能增加B．把负电荷从A移到B，静电力做负功，电荷的电势能增加C．把负电荷从A移到B，静电力做正功，电荷的电势能增加D．不论正电荷还是负电荷，从A到B电势能逐渐降低B[正电荷从A移到B，静电力做正功，电势能减少；负电荷从A移到B，静电力做负功，电势能增加，因此B正确。]3．如图所示，电场中有A、B两点，下列说法正确的是()A．场强EAEB，电势φAφBB．场强EAEB，电势φAφBC．将＋q电荷从A点移到B点，电场力做负功D．将－q电荷分别放在A、B两点时具有的电势能EpAEpBB[由沿电场线方向电势降低可知，φA＞φB，由电场线越密处场强越大可知，EA＜EB，A错误，B正确；＋q所受电场力由A指向B，故＋q由A点到B点，电场力做正功，－q从A点到B点电场力做负功，电荷－q具有的电势能增大，EpA＜EpB，故C、D错误。]合作攻重难探究静电力做功和电势能的变化1．电场力做功正、负的判定(1)若电场力是恒力，当电场力方向与电荷位移方向夹角为锐角时，电场力做正功；夹角为钝角时，电场力做负功；夹角为直角时，电场力不做功。(2)根据电场力和瞬时速度方向的夹角判断。此法常用于判断曲线运动中变化电场力的做功情况。夹角是锐角时，电场力做正功；夹角是钝角时，电场力做负功；电场力和瞬时速度方向垂直时，电场力不做功。(3)若物体只受电场力作用，可根据动能的变化情况判断。根据动能定理，若物体的动能增加，则电场力做正功；若物体的动能减少，则电场力做负功。2．电势能的性质性质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，首先应确定参考点标矢性电势能是标量，有正负但没有方向3．判断电势能大小的方法(1)做功判定法：无论是哪种电荷，只要是电场力做了正功，电荷的电势能一定是减少的；只要是电场力做了负功(克服电场力做功)，电荷的电势能一定是增加的。(2)电场线法：正电荷顺着电场线的方向移动，电势能一定减少，逆着电场线的方向移动，电势能一定增加；负电荷顺着电场线的方向移动，电势能一定增加，逆着电场线的方向移动，电势能一定减少。(3)电性判定法：同种电荷相距越近，电势能越大，相距越远，电势能越小；异种电荷相距越近，电势能越小，相距越远，电势能越大。【例1】将带电荷量为6×10－6C的负电荷从电场中的A点移到B点，克服静电力做了3×10－5J的功，再从B移到C，静电力做了1.2×10－5J的功，则：(1)该电荷从A移到B，再从B移到C的过程中，电势能共改变了多少？(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？思路点拨：(1)电势能的变化量可根据ΔEp＝－W电或ΔEp＝EpB－EpA计算。(2)电荷在某点的电势能等于把该电荷从该点移至零电势能点时电场力做的功。[解析](1)从A移到C，静电力做的功WAC＝－3×10－5J＋1.2×10－5J＝－1.8×10－5J，电势能增加1.8×10－5J。(2)WAB＝EpA－EpB＝－3×10－5J，又EpA＝0，则EpB＝3×10－5JWAC＝EpA－EpC＝－1.8×10－5J，则EpC＝1.8×10－5J。[答案](1)增加1.8×10－5J(2)3×10－5J1.8×10－5J上例中，若规定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？提示：WAB＝EpA－EpB＝－3×10－5J，又EpB＝0，则EpA＝－3×10－5JWBC＝EpB－EpC＝1.2×10－5J，则EpC＝－1.2×10－5J。有关电势能的三个提醒(1)电势能的变化是通过静电力做功实现的，重力势能的变化是通过重力做功实现的。(2)在同一电场中，同样从A点到B点，移动正电荷与移动负电荷，电荷的电势能的变化是相反的。(3)静电力做功和重力做功尽管有很多相似特点，但因地球产生的重力场只会对物体产生引力，而电场对其中的电荷既可产生引力，也可产生斥力，所以计算静电力的功时要注意电荷的电性、移动的方向、电场强度的方向等。1．如图所示，空间有一水平匀强电场，在竖直平面内有初速度为v0的带电微粒，在电场力和重力作用下沿图中虚线由A运动至B，其能量变化情况是()A．动能减少，重力势能增加，电势能减少B．动能减少，重力势能增加，电势能增加C．动能不变，重力势能增加，电势能减少D．动能增加，重力势能增加，电势能减少B[因带电微粒做直线运动，故合外力方向与速度方向在同一直线上，微粒受到的合外力方向与v0反向，做负功，故微粒的动能减少，同时，我们知道重力和电场力均做负功，重力势能增加，电势能增加，故B正确。]对电势的理解1．电势的性质(1)相对性：电势是相对的，电场中某点的电势高低与电势零点的选取有关。通常将离场源电荷无穷远处，或地球表面选为电势零点。(2)固有性：电场中某点的电势大小是由电场本身的性质决定的，与在该点是否放有电荷及所放电荷的电荷量和电势能均无关。(3)标量性：电势是只有大小、没有方向的物理量，在规定了电势零点后，电场中各点的电势可能是正值，也可能是负值。正值表示该点的电势高于零电势；负值表示该点的电势低于零电势。显然，电势的正负只表示大小，不表示方向。2．电势高低的判断方法(1)电场线法：沿电场线方向，电势越来越低。(2)场源电荷判断法：离场源正电荷越近的点，电势越高；离场源负电荷越近的点，电势越低。(3)电势能判断法：对于正电荷，电势能越大，所在位置的电势越高；对于负电荷，电势能越小，所在位置的电势越高。【例2】将一电荷量为q＝2×10－6C的正电荷从无限远处一点P移至电场中某点A，静电力做功4×10－5J。求：(1)A点的电势；(2)正电荷移入电场前A点的电势。(取无限远处为电势零点)[解析](1)由于将电荷从无限远处移到A点，静电力做正功，则电荷的电势能减少，所以，电荷在A点的电势能为EpA＝－4×10－5J。由电势的公式φ＝Epq得φA＝EpAq＝－4×10－52×10－6V＝－20V。(2)A点的电势是由电场本身决定的，跟A点是否有电荷存在无关，所以电荷移入电场前，A点的电势仍为－20V。[答案](1)－20V(2)－20V由电势的定义式φ＝Epq计算或判断电势与电势能关系时，Ep、φ、q都必须代入正、负号运算，而由电场强度的定义式E＝Fq计算时不需要代入正、负号，都取绝对值进行运算。2．如图所示，真空中O点处有一点电荷，在它产生的电场中有a、b两点，a点的电场强度大小为Ea，与ab连线成53°角，b点的电场强度大小为Eb，与ab连线成37°角。关于a、b两电场Ea、Eb及φa、φb关系，正确的是()A．25Ea＝9Eb，φa＞φbB．16Ea＝9Eb，φa＜φbC．9Ea＝25Eb，φa＞φbD．9Ea＝16Eb，φa＜φbD[设a、b两点到点电荷的距离分别为ra和rb。根据几何知识得：rb＝43ra。根据点电荷场强公式E＝kQr2得：Ea＝169Eb。由图可知，该电场是由负点电荷产生的，故在点电荷的周围越靠近场源电势越低，则有φa＜φb，故D正确，A、B、C错误。]课堂小结知识脉络1.电场力做功与重力做功都具有与路径无关的特点。2.电场力做功与电势能变化的关系。3.电势能的理解及其高低的判断。4.电势的理解及其高低的判断。当堂固双基达标1．关于电势和电势能，下列说法正确的是()A．在电场中电势高的地方，电荷在该点具有的电势能大B．在电场中电势高的地方，放在该点的电荷的电荷量越大，它所具有的电势能也越大C．在电场中的任何一点上，正电荷所具有的电势能一定大于负电荷具有的电势能D．在负点电荷所产生的电场中的任何一点上，正电荷所具有的电势能一定小于负电荷所具有的电势能D[由Ep＝qφ，正电荷在电势高的地方具有的电势能大，负电荷则相反，选项A、B错误；q和φ取同号时的乘积大于取异号时的乘积，选项C错误，选项D正确。]2．在电场中，把电荷量为4×10－9C的正点电荷从A点移到B点，克服静电力做功6×10－8J，以下说法正确的是()A．电荷在B点具有的电势能是6×10－8JB．B点的电势是15VC．电荷的电势能增加了6×10－8JD．电荷的电势能减少了6×10－8JC[电荷在电场中某点的电势能具有相对性，只有确定了零势能点，B点的电势、电势能才有确定的值，所以A、B错误；克服静电力做功6×10－8J，则电势能增加了6×10－8J，所以C正确，D错误。]3．如图所示，有一带电的微粒，在电场力的作用下沿曲线从M点运动到N点，则微粒()A．带负电，电势能增加B．带负电，电势能减少C．带正电，电势能增加D．带正电，电势能减少D[由带电微粒运动的径迹可以看出带电微粒受到的电场力指向径迹凹侧，即与电场方向相同，故带电微粒带正电，选项A、B错误；电场力对带电微粒做正功，微粒电势能减少，选项C错误，D正确。]4．(多选)如图所示，某区域电场线左右对称分布，M、N为对称线上的两点。下列说法正确的是()A．M点电势一定高于N点电势B．M点电场强度一定大于N点电场强度C．正电荷在M点的电势能大于在N点的电势能D．将电子从M点移动到N点，电场力做正功AC[沿电场线方向，电势降低，所以M点电势一定高于N点电势，A正确；电场线的疏密程度表示电场的强弱，由图可知，M点电场强度一定小于N点电场强度，B错误；正电荷q在M点的电势能EpM＝qφM，在N点的电势能EpN＝qφN，由于φMφN，所以EpMEpN，C正确；电子在电场中受电场力的方向沿NM指向M，故从M移动到N，电场力做负功，D错误。]