2022学年高中物理 第一章 静电场 4 电势能和电势课件 新人教版选修3-1

1、4电势能和电势1.1.静电力做功的特点静电力做功的特点:在静电场中移动电荷时在静电场中移动电荷时,静电力静电力做的功与电荷做的功与电荷的的_位置和位置和_位置有关位置有关,与电荷经与电荷经过的过的_无关无关,这跟重力做功的特点类似。这跟重力做功的特点类似。起始起始终止终止路径路径2.2.电势能电势能:任务驱动重力做功与路径无关任务驱动重力做功与路径无关,电场力做功也与路径电场力做功也与路径无关无关,重力与电场力存在着相似的性质。重力做功引起重力与电场力存在着相似的性质。重力做功引起了重力势能的变化了重力势能的变化,电场力做功会引起什么能的变化电场力做功会引起什么能的变化?提示提示:电场力做功会引起电势能的变化。电场力做功会引起电势能的变化。(1)(1)定义定义:电荷在电场中所具有的电荷在电场中所具有的_,_,单位是焦耳单位是焦耳(J)(J)。(2)(2)标矢性标矢性:电势能是电势能是_,_,但有正、负之分。当电荷的但有正、负之分。当电荷的电势能为正值时电势能为正值时,表示比电荷在零电势能位置的电势能表示比电荷在零电势能位置的电势能_;_;为负值时为负值时,表示比电荷在零电势能位置的电势

2、能表示比电荷在零电势能位置的电势能_。势能势能标量标量大大小小(3)(3)相对性相对性:电势能是相对的电势能是相对的,只有当只有当_位置确位置确定以后定以后,电荷在电场中某点的电势能才有确定的值。通电荷在电场中某点的电势能才有确定的值。通常规定常规定:电荷在大地表面或电荷在大地表面或_的电势能为零。的电势能为零。零电势能零电势能无穷远处无穷远处(4)(4)静电力做功与电势能变化的关系静电力做功与电势能变化的关系:静电力做的功等静电力做的功等于于_的减少量。电荷在某点的电势能等于把它从的减少量。电荷在某点的电势能等于把它从这点移到这点移到_位置时静电力做的功。位置时静电力做的功。(5)(5)电势能变化电势能变化:同一电场中同一电场中,在同样的两点间在同样的两点间,移动正移动正电荷与移动负电荷电荷与移动负电荷,电荷的电势能的增减是电荷的电势能的增减是_的。的。电势能电势能零势能零势能相反相反3.3.电势电势:(1)(1)定义定义:电场中某一点的电势等于电荷在该点的电场中某一点的电势等于电荷在该点的_与它的与它的_的比值。的比值。(2)(2)公式公式:_:_。(3)(3)单位单位:国际单位制

3、中国际单位制中,电势的单位是电势的单位是_,_,符号是符号是V,V,1 V=_1 V=_。电势能电势能电荷量电荷量伏特伏特1 J/C1 J/C(4)(4)特点。特点。相对性相对性:电场中各点电势的高低电场中各点电势的高低,与所选取的与所选取的_的位置有关的位置有关,一般情况下取一般情况下取_或大地为零电势位或大地为零电势位置。置。标矢性标矢性:电势是标量电势是标量,只有大小只有大小,没有没有_,_,但有但有_。零电势零电势无穷远无穷远方向方向正负正负固有性固有性:电势是表示电场电势是表示电场_属性的一个物理量属性的一个物理量,在在电场中某点电势的高低由电场中某点电势的高低由_决定决定,与在该点是否与在该点是否有试探电荷、电荷的电性、电荷量有试探电荷、电荷的电性、电荷量_。(5)(5)与电场线关系与电场线关系:沿电场线方向电势沿电场线方向电势_得最快。得最快。能量能量电场本身电场本身无关无关降低降低4.4.等势面等势面:(1)(1)定义定义:电场中电场中_相同的各点构成的面。相同的各点构成的面。(2)(2)等势面特点。等势面特点。沿同一等势面移动电荷沿同一等势面移动电荷,静电力静电力_。

4、等势面一定和电场线等势面一定和电场线(或电场强度方向或电场强度方向)_)_。电势电势不做功不做功垂直垂直(3)(3)等势面的形状如图所示。等势面的形状如图所示。主题一静电力做功的特点电势能主题一静电力做功的特点电势能【问题探究问题探究】如图所示如图所示:让试探电荷让试探电荷q q在电场强度为在电场强度为E E的匀强电场中的匀强电场中,沿几条不同路径从沿几条不同路径从A A点运到点运到B B点。点。试结合上述情景试结合上述情景,讨论下列问题讨论下列问题:(1)(1)分别计算甲、乙、丙三图中静电力对电荷做功的多分别计算甲、乙、丙三图中静电力对电荷做功的多少。少。提示提示:可以根据功的公式可以根据功的公式W=FLcosW=FLcos计算出各种情况下计算出各种情况下电场力做的功。电场力做的功。图甲中图甲中,静电力对电荷所做的功静电力对电荷所做的功W=FW=F|AB|=qE|AB|=qE|AB|=qE|AB|=qE|AM|AM|。图乙中图乙中,静电力对电荷所做的功静电力对电荷所做的功W=FW=Fcos|AB|cos|AB|=qE=qE|AM|AM|。图丙中图丙中,用无数组跟静电力垂直和平行的折线

5、来逼近用无数组跟静电力垂直和平行的折线来逼近曲线曲线ANB,ANB,与静电力平行的短折线的长度之和等于与静电力平行的短折线的长度之和等于|AM|,|AM|,因此静电力对电荷所做的功因此静电力对电荷所做的功W=WW=W1 1+W+W2 2+W+W3 3+=qE=qE|AM|AM|。(2)(2)通过问题通过问题(1)(1)中三种情况下的做功的数据中三种情况下的做功的数据,请总结静请总结静电力做功的特点。电力做功的特点。提示提示:静电力做的功只与电荷的起始位置和终止位置有静电力做的功只与电荷的起始位置和终止位置有关关,与电荷经过的路径无关。与电荷经过的路径无关。(3)(3)结合图甲结合图甲,类比重力做功与重力势能的关系类比重力做功与重力势能的关系,思考静思考静电力做功与电势能有什么关系。电力做功与电势能有什么关系。提示提示:在图甲中在图甲中,正电荷从正电荷从A A移到移到B B静电力做正功静电力做正功,电势能电势能减少减少,正电荷从正电荷从B B移到移到A A静电力做负功静电力做负功,电势能增加。重电势能增加。重力做的功等于重力势能的减少量力做的功等于重力势能的减少量,即即W WG G=E=

6、EpApA-E-EpBpB。类似地。类似地,静电力做功与电势能的关系为静电力做功与电势能的关系为:静电力做功等于电势能静电力做功等于电势能的减少量的减少量,即即W WABAB=E=EpApA-E-EpBpB。【探究总结探究总结】1.1.静电力做功的特点静电力做功的特点:(1)(1)静电力对电荷所做的功与电荷的起始位置和终止位静电力对电荷所做的功与电荷的起始位置和终止位置有关置有关,而与电荷经过的路径无关。该结论不仅适用于而与电荷经过的路径无关。该结论不仅适用于匀强电场匀强电场,而且适用于非匀强电场。而且适用于非匀强电场。(2)(2)在匀强电场中在匀强电场中,电场力做的功为电场力做的功为W=qEd,W=qEd,其中其中d d为沿电为沿电场线方向的位移。场线方向的位移。(3)(3)电场力和瞬时速度方向的夹角为锐角时电场力做正电场力和瞬时速度方向的夹角为锐角时电场力做正功功,夹角为钝角时做负功。夹角为钝角时做负功。2.2.电势能的性质电势能的性质:(1)(1)系统性系统性:电势能由电场和电荷共同决定电势能由电场和电荷共同决定,但我们习惯但我们习惯说成是电场中的电荷所具有的电势能。说成是电场中

7、的电荷所具有的电势能。(2)(2)相对性相对性:电势能是一个相对量电势能是一个相对量,其数值与零势能点的其数值与零势能点的选取有关。选取有关。(3)(3)标量性标量性:电势能是标量电势能是标量,有正负、无方向。电势能为有正负、无方向。电势能为正值表示电势能大于在参考点的电势能正值表示电势能大于在参考点的电势能,电势能为负值电势能为负值表示电势能小于在参考点的电势能。表示电势能小于在参考点的电势能。【拓展延伸拓展延伸】1.1.重力势能与电势能类比重力势能与电势能类比:重力重力势势能能电势电势能能重力做功与路径无关重力做功与路径无关,只只与始末位置有关与始末位置有关,引出了引出了重力重力势势能能电场电场力做功与路径无关力做功与路径无关,只与始末位置有关只与始末位置有关,引出引出了了电势电势能能重力做功是重力重力做功是重力势势能能转转化化为为其他形式的能的量其他形式的能的量度度电场电场力做功是力做功是电势电势能能转转化化为为其他形式的能的量其他形式的能的量度度重力重力势势能能电势电势能能W WABAB=mgh=mghA A-mgh-mghB BW WABAB=E=EpApA-E-EpBpB重

8、力重力势势能的数能的数值值具有相具有相对对性性,可以是正可以是正值值,也可也可以是以是负值负值电势电势能的数能的数值值具有相具有相对对性性,可以是正可以是正值值,也可以也可以是是负值负值2.2.电场力做功与电势能变化的关系电场力做功与电势能变化的关系:W:WABAB=E=EPAPA-E-EPBPB,电场做电场做正功正功,电势能减小电势能减小;电场力做负功电场力做负功,电势能增加。电势能增加。【典例示范典例示范】在电场中在电场中,把电荷量为把电荷量为410410-9-9 C C的正点电荷从的正点电荷从A A点移点移到到B B点点,克服静电力做功克服静电力做功610610-8-8 J,J,以下说法中正确的是以下说法中正确的是()A.A.电荷在电荷在B B点具有的电势能是点具有的电势能是610610-8-8 J JB.BB.B点的电势是点的电势是15 V15 VC.C.电荷的电势能增加了电荷的电势能增加了610610-8-8 J JD.D.电荷的电势能减少了电荷的电势能减少了610610-8-8 J J【解析解析】选选C C。电荷在电场中某点的电势能具有相对性。电荷在电场中某点的电势能具有相

9、对性,只有确定零势能点只有确定零势能点,B,B点的电势、电势能才有确定的值点的电势、电势能才有确定的值,所以所以A A、B B错。克服静电力做功错。克服静电力做功610610-8-8 J,J,则电势能增加则电势能增加了了610610-8-8 J,J,所以所以C C对对,D,D错。错。【规律方法规律方法】电势能增减的判断方法电势能增减的判断方法(1)(1)做功判断法做功判断法:无论正、负电荷无论正、负电荷,电场力做正功电场力做正功,电势电势能就减小能就减小,电场力做负功电场力做负功,电势能就增大。电势能就增大。(2)(2)由公式由公式E Ep p=q=q判断判断:设设A A B B,当当q0q0时时,q,qA AqqB B,即即E EpApAEEpBpB。当。当q0q0时时,q,qA AqqB B,即即E EpApAE ;而而 =E=Elcos,=Ecos,=Elcos,cos,所以两者电势能与电荷所以两者电势能与电荷量的比值的大小相等量的比值的大小相等,我们将这一比值称为该点的电我们将这一比值称为该点的电势。势。(2)(2)在上图中在上图中,设设AOAO在电场方向的投影为在电场方向的投

10、影为AO,AO,则则A A点的点的电势电势A A=E=Elcos=EAO,cos=EAO,如图所示如图所示,结合结合(1)(1)中结论中结论分析分析AAAA上任意一点上任意一点P P的电势是多少的电势是多少,由此得出什么结由此得出什么结论论?提示提示:由由(1)(1)中结论知中结论知:P:P点的电势点的电势P P=E=EPOcos POcos=E=EAO=AO=A A,由此可得由此可得AAAA上各点的电势都相等上各点的电势都相等,即即在匀强电场中在匀强电场中,垂直于电场方向上的同一平面垂直于电场方向上的同一平面(或直线或直线)上各点电势都相等上各点电势都相等,称为等势面称为等势面(或等势线或等势线)。【探究总结探究总结】1.1.几种典型电场的等势面几种典型电场的等势面:电场电场等等势势面面(虚虚线线)图样图样重要描述重要描述正点正点电电荷荷的的电电场场 以点以点电电荷荷为为球心的一簇球心的一簇球面球面电场电场等等势势面面(虚虚线线)图样图样重要描述重要描述等量等量异种异种点点电电荷的荷的电场电场 两簇两簇对对称曲面称曲面,连线连线中中垂面垂面为为等等势势面面电场电场等等势势面面(虚虚线

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