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電勢(shì)能與電勢(shì) 教學(xué)設(shè)計(jì) 安徽蚌埠懷遠(yuǎn)包集中學(xué)　王雷 【教材分析】 本節(jié)內(nèi)容為物理選修3－1中第一章靜電場(chǎng)中第四節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，它處在電場(chǎng)強(qiáng)度之后，位于電勢(shì)差之前，起到承上啟下的作用。它是課程教學(xué)中利用物理思維方法較多的一堂課，尤其是用類比的方法達(dá)到對(duì)新知識(shí)的探究，同時(shí)讓學(xué)生就具體的物理知識(shí)遷移埋下思維鋪墊。 教材從電場(chǎng)對(duì)電荷做功的角度出發(fā)，推知在勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)力做功與移動(dòng)電荷的路徑無(wú)關(guān)。進(jìn)而指出這個(gè)結(jié)論對(duì)非勻強(qiáng)電場(chǎng)也是適用的，并與重力勢(shì)能類比，說(shuō)明電荷在電場(chǎng)中也是具有電勢(shì)能。電場(chǎng)力做功的過(guò)程就是電勢(shì)能的變化量，而不能決定電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能的數(shù)值，因此有必要規(guī)定電勢(shì)能零點(diǎn)。對(duì)學(xué)生能力的提高和對(duì)知識(shí)的遷移、靈活運(yùn)用給予了思維上的指導(dǎo)作用。 【教學(xué)目標(biāo)】 1．知識(shí)與技能 理解靜電力做功的特點(diǎn)、電勢(shì)能的概念、電勢(shì)能與電場(chǎng)力做功的關(guān)系。 理解電勢(shì)的概念，知道電勢(shì)是描述電場(chǎng)的能的性質(zhì)的物理量。 明確電勢(shì)能、電勢(shì)、靜電力的功、電勢(shì)能的關(guān)系。 了解電勢(shì)與電場(chǎng)線的關(guān)系，了解等勢(shì)面的意義及與電場(chǎng)線的關(guān)系。 2．過(guò)程與方法 通過(guò)與前面知識(shí)的結(jié)合，理解電勢(shì)能與靜電力做的功的關(guān)系，從而更好的了解電勢(shì)能和電勢(shì)的概念。 培養(yǎng)對(duì)知識(shí)的類比能力，以及對(duì)問(wèn)題的分析、推理能力。 通過(guò)學(xué)生的理論探究，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。培養(yǎng)學(xué)生利用物理語(yǔ)言分析、思考、描述概念和規(guī)律的能力。 3．情感、態(tài)度與價(jià)值觀 嘗試運(yùn)用物理原理和研究方法解決一些與生產(chǎn)、生活相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，增強(qiáng)科學(xué)探究的價(jià)值觀。利用知識(shí)類比和遷移激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)和對(duì)科學(xué)的求知欲。 利用等勢(shì)面圖象的對(duì)稱美，形態(tài)美以獲得美的享受、美的愉悅，自己畫圖，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提高對(duì)美的感受力和鑒別力。 在研究問(wèn)題時(shí)，要培養(yǎng)突出主要矛盾，忽略次要因素的思維方法。 【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】 1．重點(diǎn) 理解掌握電勢(shì)能、電勢(shì)、等勢(shì)面的概念及意義。 2．難點(diǎn) 掌握電勢(shì)能與做功的關(guān)系，并能用此解決相關(guān)問(wèn)題。 【教學(xué)課時(shí)】 2課時(shí) 【實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備】 掛圖 【教學(xué)方法】 理論、類比探究、分析歸納、討論分析、應(yīng)用舉例、體驗(yàn)探究 【教學(xué)過(guò)程】 復(fù)習(xí)前面相關(guān)知識(shí)。 1．靜電力，電場(chǎng)強(qiáng)度概念，指出前面我們從力的性質(zhì)研究電場(chǎng)，從本節(jié)起將從能量的角度研究電場(chǎng)。 2．復(fù)習(xí)功和能量的關(guān)系：如圖所示從靜電場(chǎng)中靜電力做功使試探電荷獲得動(dòng)能入手，提出問(wèn)題：是什么轉(zhuǎn)化為試探電荷的動(dòng)能？ 引入新課。 第四節(jié)、電勢(shì)能和電勢(shì) 一、靜電力做功的特點(diǎn) 讓試探電荷q在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中沿幾條不同路徑從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，我們來(lái)計(jì)算這幾種情況下靜電力對(duì)電荷所做的功。 W＝F|AB|＝qE|AB| W＝F|AB|cosθ＝qE|AB| W＝W1+W2+W3+…… 其中F＝qE|AM| 分析三種情況下的做功的數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合具體的問(wèn)題情景，從中找到共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，聯(lián)系前面所學(xué)的知識(shí)，歸納得出相關(guān)的物理知識(shí)。從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和知識(shí)結(jié)論。 結(jié)論：靜電力做的功只與電荷的起始位置和終點(diǎn)位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān)。 拓展：該特點(diǎn)對(duì)于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中也是成立的。 二、電勢(shì)能 尋找類比點(diǎn)：力做功只與物體位置有關(guān)，而與運(yùn)動(dòng)路徑無(wú)關(guān)的事例在物理中有哪些呢？屬于什么能？ （移動(dòng)物體時(shí)重力做的功與路徑無(wú)關(guān)同一物體在地面附近的同一位置才具有確定的重力勢(shì)能。） 思考：靜電力做功也與路徑無(wú)關(guān)，是否隸屬勢(shì)能？我們可以給它一個(gè)物理名稱嗎？ 1．電勢(shì)能：由于移動(dòng)電荷時(shí)靜電力做功與移動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)，電荷在電場(chǎng)中也具有勢(shì)能，這種勢(shì)能我們叫做電勢(shì)能。電勢(shì)能用Ep表示。 【思考與討論】 如果做功與路徑有關(guān)，那能否建立電勢(shì)能的概念呢？ 2．討論：靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系 通過(guò)知識(shí)的類比，讓學(xué)生能從中感受到新知識(shí)的得出也可以通過(guò)已有獲取。 靜電力做的功等于電勢(shì)能的變化。 功是能量變化的量度。 電場(chǎng)力做多少功，電勢(shì)能就變化多少，在只受電場(chǎng)力作用下，電勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，而他們總量保持不變。 WAB＝－（EpB－EpA）＝EpA－EP 【思考討論】對(duì)不同的電荷從A運(yùn)動(dòng)到B的過(guò)程中，電勢(shì)能的變化情況： 正電荷從A運(yùn)動(dòng)到B做正功，即有WAB>0，則EpA>EpB，電勢(shì)能減少。 ●正電荷順著電場(chǎng)線的方向其電勢(shì)能逐漸減少。 負(fù)電荷從A運(yùn)動(dòng)到B做正功，即有WAB<0，則EpA>EpB，電勢(shì)能增加。 ●負(fù)電荷順著電場(chǎng)線的方向其電勢(shì)能逐漸降低。 對(duì)此分析得出：電勢(shì)能為系統(tǒng)所有，與重力勢(shì)能相類似。 3．求電荷在某點(diǎn)處具有的電勢(shì)能 問(wèn)題討論：在上面討論的問(wèn)題中，請(qǐng)分析求出A點(diǎn)的電勢(shì)能為多少？ 學(xué)生思考后無(wú)法直接求出，不妨就此激勵(lì)學(xué)生，并提出類比方法。 類比分析：如何求出A點(diǎn)的重力勢(shì)能呢？進(jìn)而聯(lián)系到電勢(shì)能的求法。 則 EpA＝WAB （以B為電勢(shì)能零點(diǎn)） 電荷在某點(diǎn)的電勢(shì)能，等于靜電力把它從該點(diǎn)移動(dòng)到零勢(shì)能位置撕所做的功。 4．零勢(shì)能面的選擇 通常把電荷離場(chǎng)源電荷無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)能規(guī)定為零，或把電荷在大地表面上的電勢(shì)能規(guī)定為零。 拓展：求電荷在電場(chǎng)中A、B兩點(diǎn)具有的電勢(shì)能高低。 將電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，根據(jù)靜電力做功情況判斷。 若靜電力做功為正功，電勢(shì)能減少，電荷在A點(diǎn)電勢(shì)能大于在B點(diǎn)的電勢(shì)能。反之靜電力做負(fù)功，電勢(shì)能增加，電荷在A點(diǎn)電勢(shì)能小于在B點(diǎn)的電勢(shì)能 弄清正、負(fù)電荷在電場(chǎng)中電勢(shì)能的不同特點(diǎn)，判斷其做功特點(diǎn)再進(jìn)行判斷。 通過(guò)對(duì)不同內(nèi)容的拓展，引導(dǎo)學(xué)生能通過(guò)自己對(duì)不同事例的分析，知道對(duì)問(wèn)題考慮的全面性有所了解，同時(shí)能正確認(rèn)識(shí)到在分析問(wèn)題時(shí)還應(yīng)該思考問(wèn)題的不同側(cè)面，達(dá)到對(duì)問(wèn)題的全面解決。提高思維的深度和發(fā)散能力，達(dá)到對(duì)物理學(xué)習(xí)全面化的探究要求。 三、電勢(shì) 我們通過(guò)靜電力的研究認(rèn)識(shí)了電場(chǎng)強(qiáng)度，現(xiàn)在要通過(guò)電勢(shì)能的研究來(lái)認(rèn)識(shí)另一個(gè)物理量──電勢(shì)。它同樣是表征電場(chǎng)性質(zhì)的重要物理量度。 通過(guò)類比可見，若用左圖中的Ep/m，或右圖中的Ep/q，它們的值是相同的。 如何來(lái)表征這個(gè)相同的量呢？ 讓學(xué)生很快能想到用比值定義法來(lái)定義物理量，對(duì)知識(shí)活學(xué)活用。 上面討論的是特殊情況，下面我們來(lái)討論一般情況：（如圖） EpA＝qE場(chǎng)Lcosθ 可見，EpA與q成正比，即電勢(shì)能跟電荷量的比值EpA/q都是相同的。對(duì)電場(chǎng)中不同位置，由于L與θ可以不同，所以這個(gè)比值一般是不同的。 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，是由電場(chǎng)中這點(diǎn)的位置決定的，跟試探電荷本身無(wú)關(guān)。 得出結(jié)論后，引導(dǎo)學(xué)生類比電場(chǎng)的得來(lái)過(guò)程，提出新的物理量──電勢(shì)。 1．定義：電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)能與他的電荷量的比值，叫做這一點(diǎn)的電勢(shì)。用φ表示。 表達(dá)式：φ＝Ep/q （與試探電荷無(wú)關(guān)） 2．電勢(shì)是標(biāo)量，它只有大小沒(méi)有方向，但有正負(fù)。 3．單位：伏特（V） 1V＝1J/C 物理意義：電荷量為1C的電荷在該點(diǎn)的電勢(shì)能是1J，則該點(diǎn)的電勢(shì)就是1V。 以上結(jié)論由學(xué)生得出，自己能用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的描敘，培養(yǎng)相關(guān)應(yīng)用歸納知識(shí)的能力。 思索：如何來(lái)判斷電勢(shì)的高低呢？ 讓學(xué)生明白：根據(jù)靜電力做功的正負(fù)，判斷電勢(shì)能的變化，進(jìn)而判定電勢(shì)的高低?，F(xiàn)通過(guò)具體情景來(lái)進(jìn)行分析。 4．電場(chǎng)線指向電勢(shì)降低的方向。 電勢(shì)順線降低；順著電場(chǎng)線方向，電勢(shì)越來(lái)越低。 與電勢(shì)能相似，我們知道Ep有零勢(shì)能面，因此電勢(shì)也具有相對(duì)性。 引導(dǎo)學(xué)生得出：應(yīng)該先規(guī)定電場(chǎng)中某處的電勢(shì)為零，然后才能確定電場(chǎng)中其他各點(diǎn)的電勢(shì)。 5．零電勢(shì)位置的規(guī)定：電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)的數(shù)值與零電勢(shì)的選擇有關(guān)，即電勢(shì)的數(shù)值決定于零電勢(shì)的選擇。因此電勢(shì)有正負(fù)之分，是由于其零電勢(shì)的選擇決定。 通常以大地或無(wú)窮遠(yuǎn)默認(rèn)為零。 與零電勢(shì)能的位置規(guī)定是否有相似之處呢？ 與知識(shí)進(jìn)行類比，從前面的結(jié)論中領(lǐng)會(huì)到知識(shí)的相通性，能對(duì)知識(shí)進(jìn)行類比應(yīng)用。 【思考與討論】參看書上的問(wèn)題進(jìn)行思考與討論，然后思考若是q當(dāng)做負(fù)電荷來(lái)進(jìn)行研究，其結(jié)果是否一樣呢？ 四、等勢(shì)面 在地理課上常用等高線來(lái)表示地勢(shì)的高低。今天我們學(xué)習(xí)了電勢(shì)的知識(shí)后，那我們可以用什么來(lái)表示電勢(shì)的高低呢？ 學(xué)生：在電場(chǎng)中常用等勢(shì)面來(lái)表示電勢(shì)的高低。 1．等勢(shì)面：電場(chǎng)中電勢(shì)相同的各點(diǎn)構(gòu)成的面。 【體驗(yàn)性實(shí)踐】尋找等勢(shì)面：找正點(diǎn)電荷和帶電平行金屬板中的等勢(shì)面。 通過(guò)體驗(yàn)性實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生明白到如何去尋找等勢(shì)面，達(dá)到對(duì)后續(xù)結(jié)論探究創(chuàng)設(shè)前置氛圍。 觀看掛圖，從中尋找不同電場(chǎng)中等勢(shì)面的不同和相同點(diǎn)，進(jìn)行合理猜想。 2．等勢(shì)面與電場(chǎng)線的關(guān)系 ⑴在同一等勢(shì)面上各點(diǎn)電勢(shì)相等，所以在同一等勢(shì)面上移動(dòng)電荷，靜電力不做功。 WAB＝EpA－EPb＝qφA－qφB＝0 討論：什么情況下會(huì)出現(xiàn)力做功為零的情況？ 引導(dǎo)分析得出：F⊥v ⑵電場(chǎng)線跟等勢(shì)面一定垂直，即跟電場(chǎng)強(qiáng)度的方向垂直。 引導(dǎo)學(xué)生用反證法達(dá)到證明的目的，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。 而沿著電場(chǎng)線的方向，電勢(shì)越來(lái)越低。 歸納總結(jié)可得出：電場(chǎng)線跟等勢(shì)面垂直，并且由電勢(shì)高的等勢(shì)面指向電勢(shì)低的等勢(shì)面。 若兩個(gè)相鄰的等勢(shì)面間的電勢(shì)之差是相等的，則能得到書上圖1．4－5的圖形。觀看圖形或掛圖，結(jié)合電場(chǎng)線的特點(diǎn)，可得出結(jié)論。 ⑶等勢(shì)面越密，電場(chǎng)強(qiáng)度越大。 ⑷等勢(shì)面不相交、不相切。 3．應(yīng)用等勢(shì)面：由等勢(shì)面描繪電場(chǎng)線 方法：先測(cè)繪出等勢(shì)面的形狀和分布，再根據(jù)電場(chǎng)線與等勢(shì)面的關(guān)系，繪出電場(chǎng)線的分布，于是我們就知道電場(chǎng)的情況了。 【體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)】測(cè)繪兩個(gè)異種點(diǎn)電荷的靜電場(chǎng)分布。 加強(qiáng)體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，讓學(xué)生形成深刻印象，達(dá)到對(duì)知識(shí)應(yīng)用能力的提高。 【板書設(shè)計(jì)】 第四節(jié)、電勢(shì)能和電勢(shì) 一、靜電力做功的特點(diǎn) 結(jié)論：靜電力做的功只與電荷的起始位置和終點(diǎn)位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過(guò)的路徑無(wú)關(guān)。 二、電勢(shì)能 1．電勢(shì)能：由于移動(dòng)電荷時(shí)靜電力做功與移動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)，電荷在電場(chǎng)中也具有勢(shì)能，這種勢(shì)能我們叫做電勢(shì)能。電勢(shì)能用Ep表示。 2．討論：靜電力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系 WAB＝ －（EpB－EpA）＝EpA－EPB 3．求電荷在某點(diǎn)處具有的電勢(shì)能 4．零勢(shì)能面的選擇 三、電勢(shì) 1．定義：φ＝EP/q 2．電勢(shì)是標(biāo)量，它只有大小沒(méi)有方向，但有正負(fù)。 3．電場(chǎng)線指向電勢(shì)降低的方向。電勢(shì)順線降低；順著電場(chǎng)線方向，電勢(shì)越來(lái)越低。 4．零電勢(shì)位置的規(guī)定。 四、等勢(shì)面 1．等勢(shì)面：電場(chǎng)中電勢(shì)相同的各點(diǎn)構(gòu)成的面。 2．等勢(shì)面與電場(chǎng)線的關(guān)系 3．應(yīng)用等勢(shì)面：由等勢(shì)面描繪電場(chǎng)線 【體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)】測(cè)繪兩個(gè)異種點(diǎn)電荷的靜電場(chǎng)。 【教學(xué)反思】 通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，重在讓學(xué)生有對(duì)比的觀點(diǎn)去學(xué)習(xí)物理知識(shí)。課中多次用到類比的物理思想，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有更多的牽連，能對(duì)前面的知識(shí)達(dá)到靈活的應(yīng)用，牽帶多種方法學(xué)習(xí)物理知識(shí)，同時(shí)也反映出了選修3－1的設(shè)計(jì)思想。