“电场力做功与电势能”教学设计

 

【设计理念】

电场是一种客观存在的物质，但它又是看不见、摸不着的，描述它的电势能、电势和电势差等物理概念都较为陌生和抽象，很难被学生接受，如果借助于类比的方法，可以将陌生的对象与熟悉的对象相比较，寻找不同事物变化中所具有的共性，给这些陌生的、抽象的、不易理解的事物（概念、规律）赋予间接的、形象的、通俗易懂的形象，有利于启发学生思路，化难为易，使学生顺利而全面地认识物理现象和物理规律，达到知识的正迁移，形成物理概念和掌握物理知识。
在物理概念的学习中把电势能、电势和电势差与重力场中的重力势能、高度和高度差进行科学的类比，达到掌握知识的目的。在物理规律的教学中，也可通过类比进行迁移。利用重力做功的规律，可知重力做功与路径无关，只与重力和初、末位置的高度差有关，即W＝mgh，而且重力做多少功，重力势能就改变多少，去适时引导，与电场力做功的规律相类比，告诉学生电场力做功与重力做功的特点相似，也与路径无关，只与电荷量和初、末位置的电势差有关，即W＝qU，这样就不难理解电场力做多少功电势能就改变多少这一物理规律，将大大减轻课堂教学的压力。

【教学内容】《普通高中课程标准实验教科书物理(3-1)》

【教材分析】

本节内容为普通高中课程标准实验教科书物理（司南版）选修3－1中第2章静电场中第1节的教学内容，它是在学生学完电场力的性质之后认识电场能的性质引入的，它处在电场强度之后，位于电势差之前，起到承上启下的作用。它是课程教学中利用物理思维方法较多的一堂课，尤其是用类比的方法达到对新知识的探究，同时让学生就具体的物理知识迁移埋下思维铺垫。

教材从电场对电荷做功的角度出发，推知在匀强电场中电场力做功与移动电荷的路径无关。进而指出这个结论对非匀强电场也是适用的，并与重力势能类比，说明电荷在电场中也是具有电势能。电场力做功的过程就是电势能的变化过程，而不能决定电荷在电场中某点的电势能的数值，因此有必要规定电势能零点。对学生能力的提高和对知识的迁移、灵活运用给予了思维上的指导作用。

【教学目标】

1．知识与技能

(1)静电力做功的特点、电势能的概念。

(2)明确电势能与电场力做功的关系。

 

2．过程与方法

(1)通过与前面知识的结合，理解电势能与电场力做功的关系，从而更好的了解电势能概念。

(2)培养对知识的类比能力，以及对问题的分析、推理能力。

(3)通过学生的理论探究，培养学生分析问题、解决问题的能力。培养学生利用物理语言分析、思考、描述概念和规律的能力。

3．情感、态度与价值观：尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产、生活相关的实际问题，增强科学探究的价值观。利用知识类比和迁移激发学生学习兴趣，培养学生灵活运用知识和对科学的求知欲。

【教学重点和难点】

1．重点：掌握电势能与电场力做功的关系，并能用此解决相关问题。

2．难点：理解掌握电势能的概念及意义。

【学情分析】

1、 对学生原有认知结构的分析：学生在必修课中已比较熟练地掌握了受力分析、功的计算、重力做功的特点，重力势能等知识。在第1章的前几节刚学过电场力、电场强度等知识，已具备学习本节内容的能力。

2、学生可能存在的问题：电势能较为抽象，学生不容易理解；学生对利用力学知识处理电学问题不适应；学生不容易把重力做功的特点的知识迁移到电场力做功中。

3、学法指导：根据学生已有的知识基础和学生的实际接受能力及心理特点，本节课采用以下几种方法进行指导：

①     给予学生思考的时间和机会，让学生参与解决问题，培养自主学习能力.

②     让学生进行分组讨论,共同解决问题,培养学生团结协作的精神.

③ 让学生用已有的知识演绎推理，归纳总结出新的规律，提高学生的划规意识(由力学到电学)实现知识的正迁移。

【教学课时】 1课时

【实验器材准备】多媒体、课件

【教学方法】理论、类比探究、分析归纳、讨论分析、应用举例

【教学过程】

复习前面相关知识。

A．电场力，电场强度概念，指出前面我们从力的性质研究电场，从本节起将从能量的角度研究电场。

B．复习功和能量的关系：功是能量转化的量度！

1、功的计算：W=Fscosθ 

2、重力做功的特点：

(1)与路径无关，由初末位置的高度差来决定。

2)重力做功W_G与重力势能变化的关系  

重力做正功，重力势能减少

重力做负功，重力势能增加

W_重= E_P1-E_P2

(3)重力势能是相对的，须选定零势能参考面

引入新课：

如图所示从静电场中电场力做功使试探电荷获得动能入手，提出问题：是什么能转化为试探电荷的动能？

第1节、电场力做功与电势能

一、电场力做功的特点

让试探电荷q在电场强度为E的匀强电场中沿几条不同路径从A点运动到B点，我们来计算这几种情况下电场力对电荷所做的功。

W＝F|AB|＝qE|AB|      W＝F|AB|cosθ＝qE|AB|      W＝W₁ W₂ W₃ ……

其中F＝qE|AM|    

分析三种情况下做功的数据结果，结合具体的问题情景，从中找到共同点和不同点，联系前面所学的知识，归纳得出相关的物理知识。从中发现问题和知识结论。

结论：电场力做功只与电荷的起始位置和终点位置有关，与电荷经过的路径无关。

拓展：该特点对于非匀强电场中也是成立的。

二、电势能

寻找类比点：力做功只与物体位置有关，而与运动路径无关的事例在物理中有哪些呢？属于什么能？（移动物体时重力做的功与路径无关同一物体在地面附近的同一位置才具有确定的重力势能。）

思考：电场力做功也与路径无关，是否隶属势能？我们可以给它一个物理名称吗？

1．电势能：由于移动电荷时电场力做功与移动的路径无关，电荷在电场中也具有势能，这种势能我们叫做电势能。电势能用E_p表示。

 

【思考与讨论】如果做功与路径有关，那能否建立电势能的概念呢？h

 

 

 

物体在地面附近下降时，重力对物体做正功 重力势能减小；重力负功，重力势增加。

 

两者进行类比，查找相同和不同之处。

 

 

静电力做正功，电势能减小 静电力做负功，电势能增加

 

2．讨论：电场力做功与电势能变化的关系

通过知识的类比，让学生能从中感受到新知识的得出也可以通过已有获取。

电场力做的功等于电势能的变化。

功是能量变化的量度。

电场力做多少功，电势能就变化多少，在只受电场力作用下，电势能与动能相互转化，而他们总量保持不变。

W_AB＝-(E_pB－E_pA)＝E_pB－E_PA

【思考讨论】对不同的电荷从A运动到B的过程中，电势能的变化情况：

 

正电荷从A运动到B电场力做正功，即有W_AB>0，则

 

E_pA>E_pB，电势能减少。

●正电荷顺着电场线的方向其电势能逐渐减少。

负电荷从A运动到B电场力做正功，即有W_AB<0，则

E_pA>E_pB，电势能增加。

●负电荷顺着电场线的方向其电势能逐渐降低。

对此分析得出：电势能为系统所有，与重力势能相类似。

3．求电荷在某点处具有的电势能

问题讨论：在上面讨论的问题中，请分析求出A点的电势能为多少？

学生思考后无法直接求出，不妨就此激励学生，并提出类比方法。

类比分析：如何求出A点的重力势能呢？进而联系到电势能的求法。

 

 

自A下落到B， WG=EPA-EPB， EPA=WG EPB。 选B为参考点 EPA=WG=mgh。

 

推广

 

 

WAB=EPA-EPB 可知， EPA=WG EPB。 选B为参考点 EPA=WAB。

 

则 E_pA＝W_AB （以B为电势能零点）

电荷在某点的电势能，等于电场力把它从该点移动到零势能位置时所做的功。

4．零势能面的选择

通常把电荷离场源电荷无限远处的电势能规定为零，或把电荷在大地表面上的电势能规定为零。

 

无限远

 

正点电荷的电场中

 

正电荷的电场中；正电荷的电势能始终为正，负电荷的电势能始终为负。

 

 

无限远

 

负点电荷的电场中

 

负电荷的电场中；正电荷的电势能始终为负，负电荷的电势能始终为正。

拓展：求电荷在电场中A、B两点具有的电势能高低。

将电荷由A点移动到B点，根据电场力做功情况判断。

若电场力做功为正功，电势能减少，电荷在A点电势能大于在B点的电势能。反之电场力做负功，电势能增加，电荷在A点电势能小于在B点的电势能

弄清正、负电荷在电场中电势能的不同特点，判断其做功特点再进行判断。

通过对不同内容的拓展，引导学生能通过自己对不同事例的分析，知道对问题考虑的全面性有所了解，同时能正确认识到在分析问题时还应该思考问题的不同侧面，达到对问题的全面解决。提高思维的深度和发散能力，达到对物理学习全面化的探究要求。

三、重力势能和电势能类比

 

重力场中，重力：地球和物体之间存在的吸引力	电场中，电场力：电荷之间的作用力
有重力就有重力势能Ep= mgh	有电场力就有相应的能，叫电势能EP
Ep由物体和地面间的相对位置决定	EP由电荷间的相对位置决定
重力做功，重力势能改变 重力做正功，重力势能就减少 重力做负功，重力势能就增加	电场力作功，电势能改变 电场力做正功，电势能就减少 电场力做负功，电势能就增加
W重= EP1-EP2	W电 = EPA-EPB

四、课堂训练

 

 

1、如图，强E=10³ N/C 的匀强电场中，点电荷q= 1CA，

 

移动到B,AB相距L=1m电场力做功为多少?电势能如何

变化?电荷在A点具有的电势能多大？

2、将带电量为6×10-6C的负电荷从电场中的A点移到B点，克服电场力做了3×10-5J的功，再从B移到C，电场力做了1.2×10-5J的功，则

（1）电荷从A移到B，再从B移到C的过程中电势能共改变了多少？

（2）如果规定A点的电势能为零，则该电荷在B点和C点的电势能分别为多少？

（3）如果规定B点的电势能为零，则该电荷在A点和C点的电势能分别为多少？

【板书设计】

第1节、电场力做功与电势能

一、电场力做功的特点：电场力做的功只与电荷的起始位置和终点位置有关，与电荷经过的路径无关。

二、电势能

1．电势能：由于移动电荷时电场力做功与移动的路径无关，电荷在电场中也具有势能，这种势能我们叫做电势能。电势能用Ep表示。

2．讨论：电场力做功与电势能变化的关系W_AB＝－（E_pB－E_pA）＝E_pA－E_PB

3．求电荷在某点处具有的电势能：E_pA＝W_AB （以B为电势能零点）

4．零势能面的选择

【教学反思】通过实践教学，重在让学生有对比的观点去学习物理知识。课中多次用到类比的物理思想，让学生对知识有更多的牵连，能对前面的知识达到灵活的应用，牵带多种方法学习物理知识，同时也反映出了选修3－1的设计思想。本教学设计，同时把重力势能和电势能类比教学，克服了电势能的抽象性；增强了知识点的联系，极大地降低了学习难度。实际教学表明，反映本章难学的学生人数大大减少了。

【设计思路】类比是人类研究、理解未知事物的一种有效而常用的方法。学生对重力场中重力的概念、重力做功跟始末位置的“高度差”有关的规律有直观的印象。所以从重力做功概念出发，通过类比建立电场力做功概念，提出电势能的概念，是一种易于理解而直观的方法。教材中把电场力做功和电势能编排在同一节，旨在通过类比，把重力做功与重力势能变化的关系和电场力做功与电势能变化的关系联系起来，把重力势能和电势能联系起来，从而突出重点，突破难点。

 

 

 

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