人教版高中物理必修第三冊(cè)第十章靜電場(chǎng)中的能量10-1電勢(shì)能和電勢(shì)課件

第十章靜電場(chǎng)中的能量學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過(guò)與重力勢(shì)能的類比,了解電荷在電場(chǎng)中的電勢(shì)能,知道靜電力做功跟路徑無(wú)關(guān)的特點(diǎn)以及靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系,體驗(yàn)類比法在科學(xué)研究中的作用.2.通過(guò)靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系來(lái)計(jì)算電荷在電場(chǎng)中的電勢(shì)能.了解電勢(shì)能的系統(tǒng)性和相對(duì)性,培養(yǎng)知識(shí)遷移能力.3.通過(guò)對(duì)試探電荷在具體電場(chǎng)中電勢(shì)能的分析,知道用比值法定義電勢(shì)來(lái)表示電場(chǎng)的性質(zhì),體會(huì)物理學(xué)中常用物理量之比表示研究對(duì)象的某種性質(zhì)的方法.4.通過(guò)對(duì)具體電場(chǎng)中電勢(shì)的分析,了解電勢(shì)的客觀性、標(biāo)量性和相對(duì)性,能判斷電場(chǎng)中兩點(diǎn)電勢(shì)的高低,理解電勢(shì)是從能的角度描述電場(chǎng)的物理量,了解電勢(shì)能和電勢(shì)的關(guān)系.1電勢(shì)能和電勢(shì)知識(shí)點(diǎn)一靜電力做功的特點(diǎn)答案:不做功.由功的定義式可知,電荷運(yùn)動(dòng)一圈位移為0,故靜電力一定不做功.1.如圖所示,一電荷在某電場(chǎng)中沿MANBM運(yùn)動(dòng)了一圈又回到出發(fā)點(diǎn),靜電力對(duì)該電荷做功嗎?2.在勻強(qiáng)電場(chǎng)中移動(dòng)電荷時(shí),靜電力所做的功與電荷的

和

有關(guān),與電荷

無(wú)關(guān).3.在勻強(qiáng)電場(chǎng)中,靜電力做的功為W=

,其中d為沿電場(chǎng)線方向的位移.4.靜電力和瞬時(shí)速度方向的夾角為銳角時(shí),靜電力做

;夾角為鈍角時(shí),靜電力做

.起始位置終止位置經(jīng)過(guò)的路徑qEd正功負(fù)功知識(shí)點(diǎn)二電勢(shì)能1.如圖所示,一個(gè)正電荷在電場(chǎng)中只受靜電力的作用,從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到了B點(diǎn).由動(dòng)能定理可知,該電荷的動(dòng)能增加了,什么形式的能轉(zhuǎn)化成了電荷的動(dòng)能?轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的這種形式的能與靜電力做功有關(guān)系嗎?如果有,那么是什么關(guān)系?答案:電勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了電荷的動(dòng)能.電勢(shì)能與靜電力做功有關(guān).靜電力做正功,電勢(shì)能減少;靜電力做負(fù)功,電勢(shì)能增加.2.電荷在

中具有的勢(shì)能,稱為電勢(shì)能,用Ep表示.3.電勢(shì)能的大小:電荷在某點(diǎn)的電勢(shì)能,等于把它從這點(diǎn)移動(dòng)到

位置時(shí)靜電力所做的功,即EpA=WA0.4.電勢(shì)能具有相對(duì)性:電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能數(shù)值是相對(duì)于零勢(shì)能位置的,通常把電荷在離場(chǎng)源電荷

處或把電荷在

表面的電勢(shì)能規(guī)定為0.電場(chǎng)零勢(shì)能無(wú)限遠(yuǎn)大地知識(shí)點(diǎn)三電勢(shì)1.如圖所示,在一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中,規(guī)定電荷在O點(diǎn)的電勢(shì)能為0,A為電場(chǎng)中的一點(diǎn),A、O間的距離為l,AO與電場(chǎng)線平行.電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能等于電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到O點(diǎn)的過(guò)程中靜電力所做的功.

(3)在同一個(gè)電場(chǎng)中的同一點(diǎn),試探電荷所具有的電勢(shì)能有什么規(guī)律?答案:電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能與試探電荷有關(guān),電勢(shì)能跟電荷量的比值與試探電荷無(wú)關(guān).qElElnqElEl2.電勢(shì):電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的

與它的

之比,叫作電場(chǎng)在這一點(diǎn)的電勢(shì).用符號(hào)

表示.3.電勢(shì)的公式:

.4.電勢(shì)的單位:在國(guó)際單位制中,電勢(shì)的單位是

,符號(hào)是V,1V=1

.電勢(shì)能電荷量φ

伏特J/C小試身手判斷下列說(shuō)法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”).1.靜電力做功與路徑有關(guān).(

)2.沿電場(chǎng)線方向移動(dòng)電荷,其電勢(shì)能逐漸減少.(

)3.在電勢(shì)高處電荷具有的電勢(shì)能大.(

)4.電勢(shì)能是相對(duì)的,規(guī)定不同的零勢(shì)能點(diǎn),電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能不同.(

)5.電勢(shì)有正、負(fù),是矢量.(

)6.電場(chǎng)強(qiáng)度為0處,電勢(shì)不一定為0.(

)×××√×√探究一靜電力做功的特點(diǎn)問題情境如圖甲、乙所示,在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中,把電荷量為q的試探電荷沿不同的路徑從A移動(dòng)到B.甲乙1.圖甲中,把試探電荷沿直線從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),靜電力做的功為多少?答案:把試探電荷沿直線AB從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn).在這個(gè)過(guò)程中,試探電荷受到的靜電力F與位移xAB的夾角始終為θ,靜電力對(duì)試探電荷所做的功為WAB=FxABcos

θ=qExABcos

θ=qExAM.2.圖甲中,若試探電荷沿折線AMB從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),靜電力做的功為多少?答案:把試探電荷沿折線AMB從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn).在試探電荷沿AM移動(dòng)過(guò)程中,靜電力對(duì)試探電荷所做的功WAM=qExAM;在試探電荷沿MB移動(dòng)過(guò)程中,由于移動(dòng)方向跟靜電力方向垂直,靜電力不做功,WMB=0.

在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中,靜電力對(duì)試探電荷所做的功WAMB=WAM+WMB=qExAM.3.圖乙中,若試探電荷沿任意曲線ANB從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),靜電力做的功為多少?答案:我們把曲線ANB分成無(wú)數(shù)小段,每一小段中,設(shè)想試探電荷都從起點(diǎn)先沿電場(chǎng)方向、再沿垂直電場(chǎng)方向到達(dá)終點(diǎn).在各小段沿垂直電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí),靜電力是不做功的,在各小段沿電場(chǎng)方向移動(dòng)的位移之和等于xAM.因此,試探電荷沿任意曲線ANB從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)靜電力所做的功也是W=qExAM.4.綜合以上探究,你能總結(jié)出靜電力在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做功有什么特點(diǎn)嗎?答案:在勻強(qiáng)電場(chǎng)中把電荷沿不同路徑由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),靜電力做功相同.這說(shuō)明在勻強(qiáng)電場(chǎng)中,靜電力做功與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān),與電荷在電場(chǎng)中的起始位置和終止位置有關(guān).過(guò)程建構(gòu)1.靜電力做功的特點(diǎn).靜電力對(duì)電荷所做的功,與電荷在電場(chǎng)中的初、末位置有關(guān),與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān).這個(gè)結(jié)論既適用于勻強(qiáng)電場(chǎng),也適用于非勻強(qiáng)電場(chǎng).(1)在勻強(qiáng)電場(chǎng)中,靜電力做功為W=qEd,其中d為電荷沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)的位移.(2)靜電力做功與重力做功相似,只要電荷在電場(chǎng)中的初、末位置確定了,移動(dòng)電荷做的功就是確定值.2.靜電力做功正負(fù)的判斷.(1)電荷做直線運(yùn)動(dòng):根據(jù)靜電力和位移方向的夾角判斷.靜電力和位移方向的夾角為銳角時(shí),靜電力做正功;夾角為鈍角時(shí),靜電力做負(fù)功;夾角為90°時(shí),靜電力不做功.(2)電荷做曲線運(yùn)動(dòng):根據(jù)靜電力和瞬時(shí)速度方向的夾角判斷.靜電力和瞬時(shí)速度方向的夾角為銳角時(shí),靜電力做正功;夾角為鈍角時(shí),靜電力做負(fù)功;夾角為90°時(shí),靜電力不做功.(3)若物體只受靜電力作用,可根據(jù)動(dòng)能的變化情況判斷.若物體的動(dòng)能增加,則靜電力做正功;若物體的動(dòng)能減少,則靜電力做負(fù)功.【典例1】?jī)蓭щ娦∏?電荷量分別為+q和-q,固定在一長(zhǎng)度為l的絕緣細(xì)桿的兩端,置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中,桿與電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行,其位置如圖所示.若此桿繞過(guò)O點(diǎn)垂直于紙面的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)180°,則在此轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中靜電力做的功為(

)A.0

B.qEl

C.2qEl

D.πqEl解析:靜電力對(duì)兩小球均做正功,大小與路徑無(wú)關(guān),對(duì)每個(gè)小球做的功為qEl,總功為2qEl,選項(xiàng)C正確.答案:C探究二電勢(shì)能問題情境一個(gè)電荷量為q的正電荷在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中,只受靜電力的作用,從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到了B點(diǎn).1.在此過(guò)程中,電荷的動(dòng)能變化了多少?從能量轉(zhuǎn)化的角度分析,動(dòng)能的變化說(shuō)明了什么?答案:在A→B過(guò)程中,電荷只受靜電力的作用,靜電力做正功WAB=qExAB,由動(dòng)能定理知電荷的動(dòng)能增加ΔEk=WAB.從能量轉(zhuǎn)化的角度看,電荷的動(dòng)能增加意味著有另外一種形式的能量減少,且這種減少的能量形式與靜電力做功相關(guān).2.電荷在A→B過(guò)程中減少的能量形式與靜電力做功有什么關(guān)系?答案:類比重力做功會(huì)引起重力勢(shì)能的變化,靜電力做功引起電勢(shì)能的變化.電荷在A→B過(guò)程中,靜電力做正功,電荷的電勢(shì)能減少,且靜電力做的功等于電荷電勢(shì)能的減少量,即WAB=EpA-EpB.3.如何確定電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能?答案:類比重力勢(shì)能的確定方法,需要先規(guī)定電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能為0,然后確定電荷在電場(chǎng)中其他位置的電勢(shì)能.例如:若規(guī)定電荷在B點(diǎn)的電勢(shì)能為0,則根據(jù)WAB=EpA-EpB知電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能數(shù)值上等于WAB.也就是說(shuō),電荷在某點(diǎn)的電勢(shì)能,等于把電荷從這點(diǎn)移到零勢(shì)能位置時(shí)靜電力所做的功.過(guò)程建構(gòu)1.電勢(shì)能的特點(diǎn).(1)標(biāo)量性:電勢(shì)能是標(biāo)量,有正負(fù),但沒有方向.電勢(shì)能為正值,表示電勢(shì)能大于零勢(shì)能點(diǎn)的電勢(shì)能;電勢(shì)能為負(fù)值,表示電勢(shì)能小于零勢(shì)能點(diǎn)的電勢(shì)能.(2)相對(duì)性:電勢(shì)能是相對(duì)的,其大小與選定的零勢(shì)能點(diǎn)有關(guān).確定電荷的電勢(shì)能,首先應(yīng)確定零勢(shì)能點(diǎn)的位置.通常把電荷在離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)能規(guī)定為0,或把電荷在大地表面的電勢(shì)能規(guī)定為0.(3)系統(tǒng)性:電勢(shì)能是由電場(chǎng)和電荷共同決定的,是電荷和電場(chǎng)所共有的.2.電勢(shì)能增減的判斷方法.靜電力做功判斷法:無(wú)論正、負(fù)電荷,只要靜電力做正功,電荷的電勢(shì)能一定減少;只要靜電力做負(fù)功,電荷的電勢(shì)能一定增加.【典例2】如圖所示,負(fù)電荷僅受靜電力作用沿虛線從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn),則運(yùn)動(dòng)過(guò)程中靜電力對(duì)其做功和電勢(shì)能變化情況分別是(

)A.做負(fù)功,電勢(shì)能增加B.做正功,電勢(shì)能增加C.做負(fù)功,電勢(shì)能減少D.做正功,電勢(shì)能減少解析:由題圖可知,負(fù)電荷在僅受靜電力作用沿虛線從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)程中,靜電力的方向與電荷瞬時(shí)速度方向的夾角是銳角,靜電力做正功,電勢(shì)能減少,選項(xiàng)D正確.答案:D探究三電勢(shì)問題情境如圖所示的勻強(qiáng)電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度為E,取O點(diǎn)為零勢(shì)能點(diǎn),A點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為l,AO連線與電場(chǎng)強(qiáng)度負(fù)方向的夾角為θ.1.電荷量分別為q、2q、nq的正電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能分別為多少?答案:電荷量為q的正電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能為Ep1=WAO=Eqlcosθ.同理,電荷量為2q的正電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能為Ep2=WAO'=2Eqlcosθ,電荷量為nq的正電荷在A點(diǎn)的電勢(shì)能為Ep3=WAO″=nEqlcos

θ.2.是否可以用電勢(shì)能這一物理量來(lái)表征電場(chǎng)的性質(zhì)?為什么?答案:不可以.因?yàn)殡姾稍陔妶?chǎng)中某位置的電勢(shì)能不但與電場(chǎng)有關(guān),還與電荷的電荷量和電性有關(guān).3.電荷量分別為q、2q、nq的正電荷的電勢(shì)能與電荷量的比值有什么關(guān)系?該比值有什么特點(diǎn)?

4.為了描述電場(chǎng)的性質(zhì),你認(rèn)為可以引入一個(gè)什么樣的物理量?引入的這個(gè)物理量有什么特點(diǎn)?答案:可以用電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)能與它的電荷量的比值定義一個(gè)新的物理量(電勢(shì))來(lái)表示電場(chǎng)的性質(zhì).電勢(shì)是標(biāo)量,其大小與零電勢(shì)點(diǎn)的選取有關(guān),與試探電荷無(wú)關(guān).過(guò)程建構(gòu)1.對(duì)電勢(shì)的理解.(1)相對(duì)性:電勢(shì)是相對(duì)的,只有先確定了零電勢(shì)點(diǎn),然后才能確定電場(chǎng)中其他位置的電勢(shì);電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)跟零電勢(shì)點(diǎn)的選擇有關(guān).在物理學(xué)的理論研究中,常取離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)為0,在實(shí)際應(yīng)用中常取大地的電勢(shì)為0.(2)標(biāo)量性:電勢(shì)是標(biāo)量,只有大小,沒有方向,但有正值和負(fù)值之分,它是表示電場(chǎng)能量性質(zhì)的物理量.電勢(shì)為正值表示該點(diǎn)電勢(shì)高于零電勢(shì),電勢(shì)為負(fù)值表示該點(diǎn)電勢(shì)低于零電勢(shì).(3)客觀性:電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)大小是由電場(chǎng)本身的性質(zhì)決定的,與是否在該點(diǎn)放置電荷及所放電荷的電荷量和電勢(shì)能均無(wú)關(guān).2.電勢(shì)高低的判斷方法.(1)電場(chǎng)線法:沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)逐漸降低.(2)場(chǎng)源電荷判斷法:離場(chǎng)源正電荷越近的點(diǎn),電勢(shì)越高;離場(chǎng)源負(fù)電荷越近的點(diǎn),電勢(shì)越低.(3)電勢(shì)能判斷法:正電荷在電勢(shì)能大的地方電勢(shì)高,負(fù)電荷在電勢(shì)能小的地方電勢(shì)高.

【典例3】(2023·廣東卷)(多選)電子墨水是一種無(wú)光源顯示技術(shù),它利用電場(chǎng)調(diào)控帶電顏料微粒的分布,使之在自然光的照射下呈現(xiàn)出不同顏色.透明面板下有一層膠囊,其中每個(gè)膠囊都是一個(gè)像素.如圖所示,膠囊中有帶正電的白色微粒和帶負(fù)電的黑色微粒.當(dāng)膠囊下方的電極極性由負(fù)變正時(shí),微粒在膠囊內(nèi)遷移(每個(gè)微粒帶電荷量保持不變),像素由黑色變成白色.下列說(shuō)法正確的是

()A.像素呈黑色時(shí),黑色微粒所在區(qū)域的電勢(shì)高于白色微粒所在

區(qū)域的電勢(shì)B.像素呈白色時(shí),黑色微粒所在區(qū)域的電勢(shì)低于白色微粒所在區(qū)域的電勢(shì)C.像素由黑變白的過(guò)程中,靜電力對(duì)白色微粒做正功D.像素由白變黑的過(guò)程中,靜電力對(duì)黑色微粒做負(fù)功解析:像素呈黑色時(shí),膠囊下方的電極帶負(fù)電,像素膠囊里電場(chǎng)線方向向下,所以黑色微粒所在的區(qū)域的電勢(shì)高于白色微粒所在區(qū)域的電勢(shì),故選項(xiàng)A正確;像素呈白色時(shí),膠囊下方的電極帶正電,像素膠囊里電場(chǎng)線方向向上,所以黑色微粒所在的區(qū)域的電勢(shì)高于白色微粒所在區(qū)域的電勢(shì),故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;像素由黑變白的過(guò)程中,白色微粒受到的靜電力向上,位移向上,靜電力對(duì)白色微粒做正功,故選項(xiàng)C正確;像素由白變黑的過(guò)程中,黑色微粒受到的靜電力向上,位移向上,靜電力對(duì)黑色微粒做正功,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案:AC課堂評(píng)價(jià)答案:D1.在國(guó)際單位制中,電勢(shì)的單位是 (

)A.N/C

B.V/m

C.J

D.V2.口罩是人們抗擊病毒入侵的一種常見防護(hù)物品.口罩對(duì)病毒起阻隔作用的是一層熔噴無(wú)紡布層,布層纖維里加有一種駐極體材料,駐極體材料分子中的正、負(fù)電荷原本不重合且雜亂分布(圖甲所示),經(jīng)過(guò)靜電處理后變成較為規(guī)則的分布(圖乙所示),從而具有靜電吸附作用.以下說(shuō)法中正確的是(

)甲乙答案:BA.靜電處理前,駐極體材料分子帶有靜電B.靜電處理過(guò)程中,靜電力對(duì)駐極體材料分子中的正、負(fù)電荷做正功C.靜電處理過(guò)程中,駐極體材料分子中的電荷電勢(shì)能增加D.口罩熔噴布不能阻擋不帶電的中性微小顆粒物解析:靜