高中物理《電勢(shì)差 教案》教案 魯科版選修3-1

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1、第二章 第三節(jié) 電勢(shì)差 （2課時(shí)） 【教學(xué)目的】 1、理解電勢(shì)差的概念及其定義式；知道電勢(shì)差的值與零電勢(shì)的選擇無(wú)關(guān)；知道電勢(shì)差與電勢(shì)的關(guān)系。 2、了解電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。了解示波器的工作原理。 【教學(xué)重點(diǎn)】 掌握電勢(shì)差與電場(chǎng)力做功的關(guān)系；掌握電勢(shì)差與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系式U=Ed的使用條件及式中d的含義；能初步運(yùn)用力學(xué)知識(shí)綜合解決帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。 【教學(xué)難點(diǎn)】 從基本概念出發(fā)推出各常用的推論 【教學(xué)媒體】 【教學(xué)安排】 【新課導(dǎo)入】 回顧歸納電場(chǎng)與重力場(chǎng)的物理量類比。 物理量的含義 重力場(chǎng) 電場(chǎng) 表征場(chǎng)的作用力的強(qiáng)弱和方向 重力加速度g=G/

2、m 場(chǎng)強(qiáng)E=F/q 場(chǎng)的勢(shì)能 重力勢(shì)能EP=Gh 電勢(shì)能EP=qф 表征場(chǎng)的能的性質(zhì) 高度h 電勢(shì)ф=EP/q 表征場(chǎng)力做功（場(chǎng)勢(shì)能變化量） 重力功W=-ΔEP = GΔh=G（h0-ht） 電場(chǎng)力做功W=-ΔEP =q（ф0-фt）=qU 高度差hAB= hA-hB 電勢(shì)差 【新課內(nèi)容】 1. 電勢(shì)差與電場(chǎng)力做功： 以上表格灰色部分留空，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)比和類比，可以得出電場(chǎng)力做功與零電勢(shì)設(shè)定無(wú)關(guān)，而是取決于檢驗(yàn)電荷的電量和在電場(chǎng)中移動(dòng)的初末兩點(diǎn)的電勢(shì)的差值。我們稱之為電勢(shì)差，用符號(hào)U表示，；單位是伏特（V）。式中q用C做單位，W用J做單位， 這里補(bǔ)充一個(gè)

3、單位，由于基元電荷電量很小，所以我們對(duì)應(yīng)給出功和能的另一個(gè)較小單位——電子伏特，他由W=qU得出，當(dāng)q取1e，U為1V時(shí)，功W為一個(gè)電子伏，符號(hào)為eV。1eV=1.6×10-19J. 板書：1、兩點(diǎn)間電勢(shì)的差值，稱為這兩點(diǎn)間的電勢(shì)差，也叫電壓。 ①國(guó)際單位制中1J=1C×1V；在其它單位制中還有1eV=1.6×10-19J=1e×1V. ②電壓是由場(chǎng)決定的量；③電壓與零電勢(shì)的選取無(wú)關(guān)； 方法一、利用這個(gè)公式時(shí)，qU都取絕對(duì)值，算出的功W也為絕對(duì)值。正負(fù)號(hào)另外判斷。 例1：設(shè)電場(chǎng)中AB兩點(diǎn)電勢(shì)差大小U＝2.0×102V，帶正電粒子的電量q＝1.2×10－8C，把q從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，電場(chǎng)力

4、做了多少功？是正功還是負(fù)功？設(shè)фA＜фB。 解：W=qU=1.2×10－8×2.0×102J =2.4×10－6J 因?yàn)椐鍭＜фB，q為正電荷，故q在B點(diǎn)的電勢(shì)能大于A點(diǎn)電勢(shì)能，即從A點(diǎn)移到B點(diǎn)電勢(shì)能增加，即電功力做負(fù)功。 方法二、公式中帶入正負(fù)號(hào)計(jì)算，U與W是對(duì)應(yīng)的，由A到B電場(chǎng)力做功對(duì)應(yīng)AB電勢(shì)差（）；反之，由B到A電場(chǎng)力做功對(duì)應(yīng)BA電勢(shì)差（）。 解：WAB=qUAB=q（ФA-фB）=1.2×10－8×（-2.0×102J）= - 2.4×10－6J 板書：④電勢(shì)差是標(biāo)量，它的正負(fù)表示兩點(diǎn)間電勢(shì)的高低狀況。 有了這個(gè)求電場(chǎng)力做功的方法，只要測(cè)出電場(chǎng)中某兩點(diǎn)的電壓和要移動(dòng)的電

5、荷電量，我們就可以結(jié)合高一所學(xué)的功和能的知識(shí)來(lái)求解電荷在兩點(diǎn)間移動(dòng)的問(wèn)題。 例2：書P36/例——一個(gè)質(zhì)子以初速度射入一個(gè)由兩塊帶電金屬板組成的區(qū)域。兩板相距為20cm，金屬板之間是勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為（此處先給出N/C的單位，等會(huì)再推導(dǎo)到V/m），求（1）質(zhì)子由板上小孔射出時(shí)的速度大小。（2）兩板間的電勢(shì)差是多少？（增補(bǔ)一個(gè)問(wèn)題） 解：（1）質(zhì)子做勻加速運(yùn)動(dòng)，全程只有電場(chǎng)力做正功 W=Fd=qEd= 根據(jù)動(dòng)能定理， 推出 （2）電場(chǎng)力做功在電場(chǎng)力是恒力的情況下可以用W=Fd=qEd來(lái)運(yùn)算，當(dāng)然，也可以用任何電場(chǎng)通用的公式WAB=qUAB來(lái)運(yùn)算，所以有UAB=WAB/q= 2.

6、電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)差的關(guān)系： 提問(wèn)1：從上面的例題中你有什么收獲呢？ 引導(dǎo)學(xué)生討論。得出電場(chǎng)力做功的兩種運(yùn)算方法以及它們的適用條件。 提問(wèn)2：由于場(chǎng)強(qiáng)是跟電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力相聯(lián)系的，電勢(shì)差是跟電場(chǎng)力移動(dòng)電荷做功相聯(lián)系的。因此場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差之間必然有什么關(guān)系。大家能得出它們之間的關(guān)系式嗎？ 讓學(xué)生討論得出：W=qU=qEd 得出U=Ed 提問(wèn)3：這個(gè)公式里的各個(gè)量表示什么意義？公式有沒(méi)有限制使用范圍？ 引導(dǎo)學(xué)生討論得出式中的U為電場(chǎng)中兩點(diǎn)間的電勢(shì)差，E為場(chǎng)強(qiáng)，d為沿兩點(diǎn)連線在電場(chǎng)線方向的投影線的距離。該公式只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)。 提問(wèn)4：該公式的正負(fù)號(hào)怎么處理呢？ 教師幫助學(xué)生歸納

7、：電勢(shì)差是標(biāo)量，場(chǎng)強(qiáng)E是矢量，二者正負(fù)號(hào)的意義不同，所以該公式不帶入符號(hào)，只取絕對(duì)值運(yùn)算，得出來(lái)的U只表示兩點(diǎn)間電壓大小，而電勢(shì)的高低要另行判斷。 板書：2、勻強(qiáng)電場(chǎng)中有U=Ed，其中U為電場(chǎng)中兩點(diǎn)間的電勢(shì)差，E為場(chǎng)強(qiáng)，d為沿兩點(diǎn)連線在電場(chǎng)線方向的投影線的距離。 ①公式只取絕對(duì)值運(yùn)算 前面講過(guò)，沿著電場(chǎng)線方向，也就是沿著場(chǎng)強(qiáng)的方向，電勢(shì)越來(lái)越低，從右圖中可以看出沿AB、AD、AC方向，電勢(shì)都在降低，但沿AB方向距離最短，即降低得最快，而AB方向即為場(chǎng)強(qiáng)方向，可見(jiàn)場(chǎng)強(qiáng)的方向是指向電勢(shì)降低最快的方向。 板書：②場(chǎng)強(qiáng)方向是指向電勢(shì)降低最快的方向。 由U=Ed，得 E=U／d，可得場(chǎng)強(qiáng)的另

8、一個(gè)單位：V／m。 板書：③場(chǎng)強(qiáng)兩個(gè)單位伏／米，牛／庫(kù)是相等的。 例3：如右上圖，勻強(qiáng)電場(chǎng)電場(chǎng)線與AC平行，把10－8C的負(fù)電荷從A移至B的電場(chǎng)力，做功6×10－8J，AB長(zhǎng) 6cm．AB與AC夾角為60o。求：（1）場(chǎng)強(qiáng)方向；（2）設(shè) B處電勢(shì)為 1V，則A處電勢(shì)為多少？（3）場(chǎng)強(qiáng)為多少？電子在A點(diǎn)電勢(shì)能為多少？ 解 （1）將負(fù)電荷從A移至B，電場(chǎng)力做正功，所以所受電場(chǎng)力方向沿A至C，又因?yàn)槭秦?fù)電荷，場(chǎng)強(qiáng)方向與負(fù)電荷受力方向相反，所以場(chǎng)強(qiáng)方向應(yīng)為C至A方向。（2）即AB兩點(diǎn)間電勢(shì)差為 6V。 或用負(fù)電荷沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)能增加，電場(chǎng)力做負(fù)功的知識(shí)得本題負(fù)電荷是逆著電場(chǎng)線走的，即電場(chǎng)線

9、由C到A； 或用公式UAB=ФA-фB=WAB/q= 6×10－8/（-10-8J）= - 6V 即A比B電勢(shì)低6V。即A點(diǎn)的電勢(shì)為－5V。 （3）AB沿場(chǎng)強(qiáng)方向距離為d=Abcos60o=0.03m；所以有E=U/d=6V／0.03m= 200V／m。 （4） 電子在A點(diǎn)的電勢(shì)能 E=qфA=（－e）×（－5V）=5eV （注：計(jì)算電勢(shì)能時(shí)要帶號(hào)運(yùn)算。） 鞏固課練：一個(gè)10－5C的電荷從電場(chǎng)外移到電場(chǎng)內(nèi)一點(diǎn)A，外力克服電場(chǎng)力做功0.006J，則A點(diǎn)電勢(shì)為多少？如果此電荷從電場(chǎng)外移到電場(chǎng)內(nèi)另一點(diǎn) B時(shí)，電場(chǎng)力做功是 0.002 J，則AB兩點(diǎn)間電勢(shì)差UAB為多少？如果有另

10、一個(gè)電量是 0．2C的負(fù)電荷從A移到 B，則電場(chǎng)力做正功還是負(fù)功，大小是多少？ 解 （1）正電荷在場(chǎng)外時(shí)電勢(shì)能、電勢(shì)均為零，從場(chǎng)外移至A點(diǎn)電場(chǎng)力做負(fù)功，所以電勢(shì)能增加，即在A點(diǎn)正電荷具有的電勢(shì)能為正，A點(diǎn)的電勢(shì)也為正，又因?yàn)閃=qUA∞，所以 UA∞=W／q=0.006J／10－5C=6×102V， U∞=0，UA∞=UA－U∞， UA=6×102V （2）W=qUAB，UAB=W／q=0.002J／10－5C=2×102V。 （3） 將10－5C的正電荷從A移至B時(shí)電場(chǎng)力做正功，如果將負(fù)電荷從A移到B，負(fù)電荷所受電場(chǎng)力方向與正電荷所受電場(chǎng)力方向相反，電場(chǎng)力對(duì)正電荷做正功，對(duì)負(fù)電荷

11、做功為負(fù)，大小為 W=qUAB=0.2C×2×102V=40J 3. 帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) “帶電粒子”一般是指電子、質(zhì)子及其某些離子或原子核等微觀的帶電體，它們的質(zhì)量都很小，例如：電子的質(zhì)量?jī)H為0.91×10-30Kg、質(zhì)子的質(zhì)量也只有1.67×10-27Kg。（有些離子和原子核的質(zhì)量雖比電子、質(zhì)子的質(zhì)量大一些，但從“數(shù)量級(jí)”上來(lái)盾，仍然是很小的。）如果近似地取g=10m/s2，則電子所受的重力也僅僅是meg=0.91×10-30×10N=0.91×10-29N。但是電子的電量都為q=1.60×10-19C（雖然也很小，但相對(duì)而言10-19比10-30就大了10-11倍），如

12、果一個(gè)電子處于E=1.0×104N/C的勻強(qiáng)電場(chǎng)中（此電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)并不很大），那這個(gè)電子所受的電場(chǎng)力F=qE=1.60×10-19×1.0×104N=1.6×10-15N，看起來(lái)雖然也很小，但是比起前面算出的重力就大多了（從“數(shù)量級(jí)”比較，電場(chǎng)力比重力大了1014倍），由此可知：電子在不很強(qiáng)的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，它所受的電場(chǎng)力也遠(yuǎn)大于它所受的重力——qE>>meg。所以在處理微觀帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題時(shí)，一般都可忽略重力的影響。 但是要特別注意：有時(shí)研究的問(wèn)題不是微觀帶電粒子，而是宏觀帶電物體，那就不允許忽略重力影響了。例如：一個(gè)質(zhì)量為1mg的宏觀顆粒，變換單位后是1×10-6Kg，它所受的重

13、力約為mg=1×10-5N，有可能比它所受的電場(chǎng)力還大，因此就不能再忽略重力的影響了。 由于不同電場(chǎng)差異很大，所以粒子在電場(chǎng)中所受電場(chǎng)力很復(fù)雜，大多只能用動(dòng)能定理來(lái)解決。但在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，帶電粒子所收的電場(chǎng)力是最為簡(jiǎn)單的恒力，我們還可以綜合運(yùn)用力學(xué)的很多知識(shí)來(lái)分析。 ①若帶電粒子在電場(chǎng)中所受合力為零時(shí)，即F合=0時(shí)，粒子將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例1：手冊(cè)P26/12（解略） ②若F合≠0且與初速度方向在同一直線上，帶電粒子將做勻加速或勻減速直線運(yùn)動(dòng)。（勻變速直線運(yùn)動(dòng)）如右圖打入正電荷，將做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。打入負(fù)電荷，將做勻減速直線運(yùn)動(dòng)。我們把這樣的電場(chǎng)稱為加速電場(chǎng)。 這時(shí)可以用

14、F合=ma結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)的知三求二公式來(lái)求解。也可以用W=qU=ΔEk求解。 ③若F合≠0且與初速度方向有夾角（不等于0°，180°），帶電粒子將做曲線運(yùn)動(dòng)。（提問(wèn)：圓周還是拋體？）帶電粒子做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)即類拋體運(yùn)動(dòng)。若不計(jì)重力，初速度v0⊥E，帶電粒子將在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)。 復(fù)習(xí)：物體在只受重力的作用下，被水平拋出，在水平方向上不受力，將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向上只受重力，做初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)。物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)為這兩種運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。 例2：板間距為d，板長(zhǎng)為L(zhǎng)，初速度v0，板間電壓為U，帶電粒子質(zhì)量為m，帶電量為+q。 u 請(qǐng)分析粒子的運(yùn)動(dòng)情況?！Ｗ釉谂c電場(chǎng)方向垂直的方向上

15、做勻速直線運(yùn)動(dòng)，x=v0t；在沿電場(chǎng)方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 圖中的Y稱為側(cè)移，又叫橫向位移，X為縱向。我們把這樣的電場(chǎng)稱為偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)。 （2）若粒子能穿過(guò)電場(chǎng)，而不打在極板上，側(cè)移量為多少呢？—— 從計(jì)算中可發(fā)現(xiàn)，側(cè)移量與電壓成正比，所以電壓大1倍時(shí)粒子側(cè)移也大一倍。 而且射出時(shí)的速度方向與初速度方向相比已經(jīng)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，圖中末速度與初速度的夾角ф叫偏轉(zhuǎn)角。 （1） 試證明vt的反向延長(zhǎng)線與v0的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)在L/2的地方 以上結(jié)論均適用于帶電粒子能從電場(chǎng)中穿出的情況。如果帶電粒子沒(méi)有從電場(chǎng)中穿出，此時(shí)v0t不再等于板長(zhǎng)L，應(yīng)怎么分析

16、？（——Y已知，求X） 帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，是一種力電綜合問(wèn)題。 解答這種問(wèn)題經(jīng)常運(yùn)用電場(chǎng)和力學(xué)兩方面的知識(shí)和規(guī)律，具體內(nèi)容如下： 所需電場(chǎng)的知識(shí)和規(guī)律有：E→F=qE；W=qU；E；電力線的性質(zhì)和分布；等勢(shì)面的概念和分布：電勢(shì)、電勢(shì)差、電勢(shì)能…… 所需力學(xué)的知識(shí)和規(guī)律有：牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律F=ma；動(dòng)能定理W=ΔEk；動(dòng)能和重力勢(shì)能的概念和性質(zhì)；能的轉(zhuǎn)化和守恒定律；勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；平拋物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律（目前涉及/斜拋運(yùn)動(dòng)的定量問(wèn)題要求得不多） 4. 示波器的工作原理 示波管的結(jié)構(gòu)如圖，示波管主要由電子槍、　　　　偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏三部分組成。管內(nèi)抽

17、成真空，電子槍通電后發(fā)射電子，電子在電子槍與正板之間被電場(chǎng)作用加速，然后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)。偏轉(zhuǎn)電極一般有相互平行的兩組，一組控制水平偏轉(zhuǎn)，一組控制豎直偏轉(zhuǎn)。電子經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后打到熒光屏上使熒光粉發(fā)光。——這也體現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性。 從前面我們已經(jīng)知道側(cè)移與電壓成正比，盡管電子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后到熒光屏之間還有一段勻速直線運(yùn)動(dòng)，但我們?nèi)匀豢梢宰C明電子打在熒光屏上的亮點(diǎn)位置與入射位置相比其側(cè)移量仍是與電壓成正比的?！@一點(diǎn)留做今天的附加題，有興趣的同學(xué)可以去證明一下。 一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)在水平電場(chǎng)上加掃描電壓，其電壓隨時(shí)間變化如右圖，因此熒光屏上的光斑也會(huì)隨時(shí)間由左向右勻速移動(dòng)，這時(shí)如果在偏轉(zhuǎn)電極Y1、Y'上加一按正弦規(guī)律變化的電壓，電子就要同時(shí)參與了X和Y兩個(gè)互相垂直方向的分運(yùn)動(dòng)。在X方向的分運(yùn)動(dòng)仍然不變，但在Y方向上多了分位移與Y電壓成正比的分運(yùn)動(dòng)。再加上人眼的視覺(jué)暫留，于是示波器就顯示出與Y電壓變化規(guī)律一樣的圖形來(lái)。 提問(wèn)：如果示波器X方向加定值電壓，Y也加定值電壓，那會(huì)顯示什么情況呢？——應(yīng)該是偏離中心的一個(gè)亮點(diǎn)。 【課后作業(yè)】 第一課時(shí)：教材全練P19-220，比較電勢(shì)、電勢(shì)差、電勢(shì)能、電功以及電場(chǎng)強(qiáng)度這些量，找出它們之間的關(guān)系，和影響它們的原因。 第二課時(shí)：教材全練P21-22 【課后反思】