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