2019-2020学年高中物理 第一章 5 第4节 电势能和电势课件 新人教版选修3-1

第4节电势能和电势第一章静电场1.知道静电力做功的特点，理解静电力做功与电势能变化的关系．(重点＋难点)2.知道电势的定义方法及其定义公式、单位．(重点)3.理解等势面与电场线的垂直关系．(难点)4.理解类比法、比较法的重要性，体会自然界协调美．第一章静电场【基础梳理】一、静电力做功的特点1．特点：与_______无关，只与_____________和______________有关，静电力做功与重力做功相似．2．匀强电场电场力做功：在匀强电场中，电场力做功W＝qE·d，其中d为沿______________方向的位移，不一定是被移动电荷的实际位移．路径起始位置终止位置电场强度二、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_______．3．电势能的大小：电荷在某点的电势能，等于把它从这点移动到_____________________时静电力做的功．4．零势能点：电场中规定的电势能_______的位置，通常把电荷在离场源电荷______________或______________的电势能规定为零．电场减少量EpA－EpB减少增加零势能位置为零无限远处大地表面上三、电势1．定义：电荷在电场中某一点的______________与它的______________的比值．2．公式：φ＝Epq，单位：_______；符号：_______．3．矢标性：电势是_______，仅有大小没有方向．4．与电场线关系：沿着电场线方向电势逐渐_______．电势能电荷量伏特V标量降低四、等势面1．定义：电场中______________的各点构成的面叫做等势面．2．等势面与电场线的关系(1)电场线跟等势面_______．(2)电场线由______________的等势面指向______________的等势面．电势相等垂直电势高电势低【自我检测】判断正误(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)在静电场中电荷运动了一段路程，电场力一定做功．()(3)在电势越高的地方，同一正电荷的电势能越大．()(4)电场线与等势面可能不垂直．()提示：(1)√(2)×(3)√(4)×探究思考(1)如图，试探电荷q沿匀强电场的电场线，由A运动到B.请判断该过程中电势能如何变化？基于你的结果，你能总结出判断电势能大小的方法吗？提示：甲减少，乙增加，丙增加，丁减少；静电力做正功、电势能减少，静电力做负功、电势能增加．(2)如图所示，有一个电场强度为E的匀强电场，规定在O点的电势能为零，A为电场中的任意一点．一电荷量为＋q的试探电荷从A移到O静电力做的功是多少？正电荷q在A点的电势能是多少？电势能与电荷量的比值Epq为多少？如果试探电荷是负电荷，此比值是否一样呢？这个比值有什么特点？提示：EqLcosθEqLcosθELcosθ一样与电荷无关电场力做功与电势能变化的关系1．静电力做功的特点(1)静电力对电荷所做的功，与电荷的初末位置有关，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．2．电势能的性质(1)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．(2)相对性：电势能是相对的，其大小与选定的参考点有关．确定电荷的电势能，首先应确定参考点，也就是零势能点的位置．(3)标量性：电势能是标量，有正负但没有方向．电势能为正值表示电势能大于参考点的电势能，电势能为负值表示电势能小于参考点的电势能．3．电势能增减的判断方法(1)做功判断法：无论正、负电荷，只要电场力做正功，电荷的电势能一定减小；只要电场力做负功，电荷的电势能一定增大．(2)电场线判断法：正电荷顺着电场线的方向移动时，电势能逐渐减小；逆着电场线的方向移动时，电势能逐渐增大．负电荷顺着电场线的方向移动时，电势能逐渐增大；逆着电场线的方向移动时，电势能逐渐减小．(3)电势判断法：由公式Ep＝qφ知，正电荷在电势高的地方电势能大，负电荷在电势高的地方电势能小．(4)能量守恒法：只有电场力做功时，电荷的动能和电势能互相转化，动能减少多少，电势能就增加多少，反之亦然．命题视角1电场力做功的计算两带电小球，电荷量分别为＋q和－q，固定在一长度为l的绝缘细杆的两端，置于电场强度为E的匀强电场中，杆与电场强度方向平行，其位置如图所示．若此杆绕过O点垂直于杆的轴线顺时针转过90°，则在此转动过程中，电场力做的功为()A．0B．qElC．2qElD．πqEl[思路点拨]在匀强电场中由功的定义式计算电场力做功．[解析]＋q受到的电场力水平向右，－q受到的电场力水平向左，电场力对两电荷都做正功．设＋q离O点距离为x，则－q离O点的距离为l－x.在杆顺时针转过90°的过程中，电场力对两球做的功分别为W1＝qEx、W2＝qE(l－x)．所以总功为W＝W1＋W2＝qEx＋qE(l－x)＝qEl，故选项B正确．[答案]B命题视角2电势能的大小计算将带电荷量为6×10－6C的负电荷从电场中A点移到B点，克服静电力做了3×10－5J的功，再从B点移到C点，静电力做了1.2×10－5J的功，求：(1)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点的电势为零，则该电荷在A点和C点的电势能分别为多少？[思路点拨]电场力做功与电势能变化的关系式是WAB＝EpA－EpB.[解析](1)电荷从A移到B克服静电力做了3×10－5J的功，即WAB＝－3×10－5J，从B移到C的过程中静电力做了1.2×10－5J的功，即WBC＝1.2×10－5J，整个过程电场力做功，即WAC＝WAB＋WBC＝－3×10－5J＋1.2×10－5J＝－1.8×10－5J电场力做负功，则电势能增加了1.8×10－5J.(2)如果规定A点的电势为零，则EpA＝0由WAB＝EpA－EpB得EpB＝EpA－WAB＝0－(－3×10－5)J＝3×10－5J同理EpC＝EpA－WAC＝0－(－1.8×10－5)J＝1.8×10－5J.(3)如果规定B点的电势为零，则EpB＝0，电荷从电场中A点移到B点，克服静电力做了3×10－5J的功，若电荷从电场中的B点移到A点，则静电力要做3×10－5J的功，即WBA＝3×10－5J.所以WBA＝EpB－EpAEpA＝EpB－WBA＝0－3×10－5J＝－3×10－5J同理EpC＝EpB－WBC＝0－1.2×10－5J＝－1.2×10－5J.[答案](1)电势能增加了1.8×10－5J(2)3×10－5J1．8×10－5J(3)－3×10－5J－1.2×10－5J命题视角3静电力做功与电势能变化的关系如图甲所示，在一条电场线上有A、B两点，若从A点由静止释放一电子，假设电子仅受电场力作用，电子从A点运动到B点的速度—时间图象如图乙所示，则()A．电子在A、B两点受的电场力FAFBB．A、B两点的电场强度EAEBC．电场方向向左D．电子在A、B两点具有的电势能EpAEpB[解析]电子从A点到B点做加速运动，电场力向右，说明电场强度方向向左，故选项C正确；电子由A点到B点的过程中，电场力做正功，电势能减少，即EpAEpB，故选项D错误；由于图象斜率表示加速度，电子的加速度逐渐减小，说明电场力减小，电场强度减小，故选项A、B错误．[答案]C电场力做功正负的判断方法(1)根据电场力和位移的方向夹角判断：夹角为锐角电场力做正功，夹角为钝角电场力做负功．(2)根据电场力和瞬时速度方向的夹角判断：夹角为锐角时电场力做正功，夹角为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)根据电势能的变化情况判断：若电势能增加，则电场力做负功；若电势能减少，则电场力做正功．(4)根据动能的变化情况判断(只受静电力)：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．【题组过关】1．(多选)如图所示，两个等量的正点电荷分别置于P、Q两位置，在P、Q连线的垂直平分线上有M、N两点，另有一试探电荷q，则()A．若q是正电荷，q在N点的电势能比在M点的电势能大B．若q是负电荷，q在M点的电势能比在N点的电势能大C．无论q是正电荷，还是负电荷，q在M、N两点的电势能都一样大D．无论q是正电荷还是负电荷，q在M点的电势能都比在N点的电势能小解析：选AB.由两个等量的正点电荷周围的电场线的分布情况可知，两点电荷连线的中垂线上的电场方向是：由连线的中点沿中垂线指向无穷远处，正电荷从N点移到M点，静电力做正功，电势能减小；负电荷从N点移到M点，静电力做负功，电势能增大，故选A、B.2．(多选)如图所示，带正电的点电荷固定于Q点，电子在库仑力的作用下，做以Q为焦点的椭圆运动．M、P、N为椭圆上的三点，P点是轨道上离Q点最近的点．电子在从M点经P到达N点的过程中()A．速率先增大后减小B．速率先减小后增大C．电势能先减小后增大D．电势能先增大后减小解析：选AC.在正点电荷产生的电场中，离电荷越近电势越高，故电子在M→P→N的过程中，电势先升高后降低，电子在P点的电势能最小，即电势能先减小后增大；因动能和电势能互相转化，故动能先增大后减小，速率也先增大后减小．所以选项A、C正确．对电势的理解及电势高低的判断1．对电势的说明(1)电势的相对性：电势是相对的，电场中某点的电势跟零电势位置的选取有关，常选取无限远处或大地的电势为零．(2)电势的固有性：电势φ是表示电场性质的物理量，电场中某点处φ的大小是由电场本身决定的，与在该点处是否放入试探电荷、电荷的电性、电荷量均无关．(3)电势的标量性：在规定了电势零点后，电场中各点的电势可以是正值，也可以是负值．正值表示该点电势高于零电势，负值表示该点电势低于零电势．显然，电势的正、负只表示大小，不表示方向．2．电场中两点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)电势能判断法：根据公式φ＝Epq，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．(3)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．命题视角1对电势的理解和应用(2019·甘肃兰州高二期中)如图所示A，B、C、D是真空中一正四面体的四个顶点．现在在A、B两点分别固定两个点电荷Q1和Q2，则关于C、D两点的电场强度和电势，下列说法正确的是()A．若Q1和Q2是等量异种电荷，则C、D两点的电场强度不同，电势相同B．若Q1和Q2是等量异种电荷，则C、D两点电场强度和电势均相同C．若Q1和Q2是等量同种电荷，则C、D两点电场强度和电势均不相同D．若Q1和Q2是等量同种电荷，则C、D两点电场强度和电势均相同[解析]若Q1和Q2是等量异种电荷，通过AB的中垂面是一等势面，C、D在同一等势面上，电势相等．C、D两点的电场强度都与等势面垂直，方向指向同一侧，方向相同，根据对称性可知，电场强度大小相等，故C、D两点的电场强度、电势均相同．故A错误，B正确；若Q1和Q2是等量同种电荷，由电场的分布情况和对称性可知，C、D两点电场强度大小相等，方向不同，则电场强度不同，电势相等，故C、D错误．[答案]B命题视角2对电势高低的判断(多选)(高考江苏卷)两个相同的负电荷和一个正电荷附近的电场线分布如图所示．c是两负电荷连线的中点，d点在正电荷的正上方，c、d到正电荷的距离相等，则()A．a点的电场强度比b点的大B．a点的电势比b点的高C．c点的电场强度比d点的大D．c点的电势比d点的低[思路点拨](1)根据电场线的疏密程度判断电场强度的大小．(2)根据电场线的方向