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1、“電勢能與電勢”教學(xué)設(shè)計(jì)
【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(xué)內(nèi)容,它處在電場強(qiáng)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(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)到對新知識的探究,同時(shí)讓學(xué)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(qiáng)電場中電場力做功與移動電荷的路徑無關(guān)。進(jìn)而指出這個(gè)結(jié)論對非勻強(qiáng)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(diǎn)的電勢能的數(shù)值,因此有必要規(guī)定電勢能零點(diǎn)。對學(xué)生能力的提高和對知識的遷移、靈活運(yùn)
2、用給予了思維上的指導(dǎo)作用。
【教學(xué)目標(biāo)】
1.知識與技能
理解靜電力做功的特點(diǎn)、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(xué)生的理論探究,培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。培養(yǎng)學(xué)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(jià)值觀
3、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)際問題,增強(qiáng)科學(xué)探究的價(jià)值觀。利用知識類比和遷移激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識和對科學(xué)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(xué)習(xí)知識的同時(shí)提高對美的感受力和鑒別力。
在研究問題時(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)
理解掌握電勢能、電勢、等勢面的概念及意義。
2.難點(diǎn)
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(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
4、【教學(xué)過程】
復(fù)習(xí)前面相關(guān)知識。
1.靜電力,電場強(qiáng)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(fù)習(xí)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(diǎn)
讓試探電荷q在電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場中沿幾條不同路徑從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn),我們來計(jì)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
5、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(diǎn)和不同點(diǎn),聯(lián)系前面所學(xué)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(diǎn)位置有關(guān),與電荷經(jīng)過的路徑無關(guān)。
拓展:該特點(diǎn)對于非勻強(qiáng)電場中也是成立的。
二、電勢能
尋找類比點(diǎn):力做功只與物體位置有關(guān),而與運(yùn)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(shí)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(gè)物理名稱嗎?
1.電勢能:由于移動電荷時(shí)靜電力做功與移動的路徑無關(guān),電荷在電場中也具
6、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(xué)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(yùn)動到B的過程中,電勢能的變化情況:
正電荷從A運(yùn)動到B做正功,即有WAB>0,則EpA>EpB,電勢能減少。
●正電荷順著
7、電場線的方向其電勢能逐漸減少。
負(fù)電荷從A運(yùn)動到B做正功,即有WAB<0,則EpA>EpB,電勢能增加。
●負(fù)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(diǎn)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(diǎn)的電勢能為多少?
學(xué)生思考后無法直接求出,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)的重力勢能呢?進(jìn)而聯(lián)系到電勢能的求法。
則 EpA=WAB (以B為電勢能零點(diǎn))
電荷在某點(diǎn)的電勢能,等于靜電力把它從該點(diǎn)移動到零勢能位置撕所做的功。
4.零勢能面的選
8、擇
通常把電荷離場源電荷無限遠(yuǎn)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(diǎn)具有的電勢能高低。
將電荷由A點(diǎn)移動到B點(diǎn),根據(jù)靜電力做功情況判斷。
若靜電力做功為正功,電勢能減少,電荷在A點(diǎn)電勢能大于在B點(diǎn)的電勢能。反之靜電力做負(fù)功,電勢能增加,電荷在A點(diǎn)電勢能小于在B點(diǎn)的電勢能
弄清正、負(fù)電荷在電場中電勢能的不同特點(diǎn),判斷其做功特點(diǎn)再進(jìn)行判斷。
通過對不同內(nèi)容的拓展,引導(dǎo)學(xué)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(shí)能正確認(rèn)識到在分析問題時(shí)還應(yīng)該思考問題的不同側(cè)面,達(dá)到對問題的全面解決。提高思維的深度和發(fā)散能力,
9、達(dá)到對物理學(xué)習(xí)全面化的探究要求。
三、電勢
我們通過靜電力的研究認(rèn)識了電場強(qiáng)度,現(xiàn)在要通過電勢能的研究來認(rèn)識另一個(gè)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(gè)相同的量呢?
讓學(xué)生很快能想到用比值定義法來定義物理量,對知識活學(xué)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(gè)比值一般是不同的。
電荷在電場中某一點(diǎn)的電勢能
10、與它的電荷量的比值,是由電場中這點(diǎn)的位置決定的,跟試探電荷本身無關(guān)。
得出結(jié)論后,引導(dǎo)學(xué)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(diǎn)的電勢能與他的電荷量的比值,叫做這一點(diǎn)的電勢。用φ表示。 表達(dá)式:φ=Ep/q (與試探電荷無關(guān))
2.電勢是標(biāo)量,它只有大小沒有方向,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)的電勢能是1J,則該點(diǎn)的電勢就是1V。
以上結(jié)論由學(xué)生得出,自己能用所學(xué)知識進(jìn)行簡單的描敘,培養(yǎng)相關(guān)應(yīng)用歸納知識的能力。
思索:如何來判斷電勢的高低呢?
讓學(xué)生明白:根據(jù)靜電力做功的正負(fù),判斷電勢能的
11、變化,進(jìn)而判定電勢的高低?,F(xiàn)通過具體情景來進(jìn)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(dǎo)學(xué)生得出:應(yīng)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(diǎn)的電勢。
5.零電勢位置的規(guī)定:電場中某一點(diǎn)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(fù)之分,是由于其零電勢的選擇決定。
通常以大地或無窮遠(yuǎn)默認(rèn)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(jìn)行類比,從前面的結(jié)論中領(lǐng)會到知識的相通性,能對知識進(jìn)行類比應(yīng)用。
【思考與討論
12、】參看書上的問題進(jìn)行思考與討論,然后思考若是q當(dāng)做負(fù)電荷來進(jìn)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(xué)習(xí)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(xué)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(diǎn)構(gòu)成的面。
【體驗(yàn)性實(shí)踐】尋找等勢面:找正點(diǎn)電荷和帶電平行金屬板中的等勢面。
通過體驗(yàn)性實(shí)踐活動,讓學(xué)生明白到如何去尋找等勢面,達(dá)到對后續(xù)結(jié)論探究創(chuàng)設(shè)前置氛圍。
觀看掛圖,從中尋找不同電場中等勢面的不同和相同點(diǎn),進(jìn)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(diǎn)電勢相等,所以在同一
13、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(dǎo)分析得出:F⊥v
⑵電場線跟等勢面一定垂直,即跟電場強(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,加深對知識點(diǎn)的應(yīng)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(gè)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(diǎn),可得出結(jié)論。
⑶等勢面越密,電場強(qiáng)度越大。
⑷等勢面不相交、不相切。
3.應(yīng)用等勢面:由等勢面描繪電場線
方
14、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(yàn)性實(shí)驗(yàn)】測繪兩個(gè)異種點(diǎn)電荷的靜電場分布。
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)到對知識應(yīng)用能力的提高。
【板書設(shè)計(jì)】
第四節(jié)、電勢能和電勢
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)過的路徑無關(guān)。
二、電勢能
1.電勢能:由于移動電荷時(shí)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
15、
3.求電荷在某點(diǎn)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(biāo)量,它只有大小沒有方向,但有正負(fù)。
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(diǎn)構(gòu)成的面。
2.等勢面與電場線的關(guān)系
3.應(yīng)用等勢面:由等勢面描繪電場線
【體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)】測繪兩個(gè)異種點(diǎn)電荷的靜電場。
【教學(xué)反思】
通過實(shí)踐教學(xué),重在讓學(xué)生有對比的觀點(diǎn)去學(xué)習(xí)物理知識。課中多次用到類比的物理思想,讓學(xué)生對知識有更多的牽連,能對前面的知識達(dá)到靈活的應(yīng)用,牽帶多種方法學(xué)習(xí)物理知識,同時(shí)也反映出了選修3-1的設(shè)計(jì)思想。