資源簡介

4．電場力的功 電勢能
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一、教學內容分析
本節內容是在學生完成電場的力學特點后，經歷由電場力做功的特點向電場能量性質的研究。學生要在沒有電場能量感性認識的情況下建立起關于電勢能的全新概念，并實現將力學知識與思維方法向電場遷移，再實現對電勢、電勢差等內容的學習。本節具有承前啟后的作用。
學習電場力的功和電勢能，可以在不可感知的電場中通過電場力做功認識電勢能，對學生來說既是對功的概念理解的鞏固和加深，同時又開辟了認識電場的新途徑。通過與重力場的類比來獲得間接的感性認識，提高和發展學生的物理思維能力。
二、學生分析
學生在學習電場能之前已經掌握了比較系統的研究能量及其轉化的方法，隨著學生物理思維能力的提升，學生有能力通過類比、推理等方法去實現模型的構建、規律的建立以及概念的抽象，實現對新知識的遷移學習。
靜電場內容是從力學到電學的轉折，對學生來說有一定的跨度，尤其是電勢能的概念對學生來說很抽象、陌生，很不容易理解。采用與重力場類比的學習方法，可以大大降低學生的認識難度，即應用類比是學習靜電場這一部分內容的行之有效的方法。
三、學習目標
1．科學觀念。
（1）通過做功認識場具有能量，進一步通過電勢能的學習豐富物質觀和能量觀。
（2）理解電場力做功的特點，知道電場力做功是電場中實現能量轉化的途徑。
（3）理解電勢能的概念及電場力做功與電勢能變化的關系，知道電勢能是系統所有并且具有相對性。
2．科學思維。
（1）通過靜電滾球的視頻把實際問題向物理問題轉化，提高學生的物理建模能力。
（2）通過與重力場的類比，突出類比法、微元法、控制變量法在建立電勢能概念上的應用。
3．科學探究。
通過與重力場的類比，猜想得出電場力做功的特點、電場力做功與電勢能變化的關系及決定電勢能大小的相關因素，并利用以前學習過的知識對自己的觀點進行分析論證，總結并得出結論，提高學生的科學探究能力。
4．科學態度與責任。
通過本節內容的學習，滲透將所學過的力學研究方法應用于其他科學領域中的理念，提高學生對物理的學習興趣。
四、教學重難點
重點：電勢能的概念和電場力做功與電勢能變化的關系。
難點：當規定零勢能點以后，用把電荷移動到零勢能點過程中電場力所做的功表示電荷在電場中某點的電勢能。
五、學習評價設計
知識：涉及電場力做功的特點、電場中的功能轉化及電勢能的概念的推理過程——通過學生對過程的理解、推理論證、力學方法的熟練運用來進行評價。
能力：注重推理能力和知識的遷移能力的落實，提升學生的物理思維——通過提問、討論交流、歸納總結形成結論進行評價。
態度：注重調動學習興趣，提高學習積極性，在學習中思維嚴謹、推理嚴密——通過表揚、贊賞、認可、激勵進行評價。
方法：落實科學思維的培養，加強學生對類比法、微元法和控制變量法的應用，提升分析、推理、歸納、總結的能力——通過回答問題、活動參與和檢查進行評價。
價值觀：能夠積極思考并回答問題，參與小組討論，能夠把學過的知識和方法遷移到本節課的學習當中——通過活動參與程度和課堂表現進行評價。
六、教學資源
多媒體投影（觀看視頻）。
七、教學方法
本節課主要采用講授法和問題討論法。
八、教學流程圖
九、教學活動設計
環節一：創設情境，把實際問題抽象為物理問題
視頻：靜電碰碰球實驗，如圖1所示（提示仔細觀察）。
問題：通過觀察你發現了什么有趣的現象？
介紹：中央為高壓球形電極——陽極，周邊是接地的陰極。當轉動手輪時，中央球形電極會帶上高壓電，金屬箔球在靜電感應下向球形電極運動，與球形電極接觸后帶上正電，之后受到與球形電極的靜電排斥力作用，被彈離高壓電極；當它們運動到周邊的陰極時，正電荷被中和，而后又帶上負電，于是在靜電吸引力的作用下金屬箔球又被吸回到了高壓電極，并在正負電中和后重新帶上正電。如此循環往復。
引導學生建立點電荷模型，引入庫侖力來解釋現象，如圖2所示。
討論與交流1：若只考慮金屬箔球與陰極接觸后帶上負電的情形，可取一個金屬箔球為研究對象，忽略重力的影響，此時的問題如圖2所示。
回答如下問題：
①金屬箔球受到幾個力的作用？（只受庫侖力作用）
②在庫侖力的作用下，請描述一下金屬箔球做什么運動？（加速度增加的加速運動）
③庫侖力對金屬箔球是否做功？（庫侖力做正功）
④金屬箔球的動能如何變化？（金屬箔球的動能增加）
⑤是什么能量轉化為金屬箔球的動能？（電場能）
歸納：電場中同樣存在著力與運動的問題、功與能量轉化的問題，也就是說我們要把力學的知識與思維方法遷移到電場環境下，研究帶電體在電場中運動的做功與能量轉化問題。
環節二：類比重力場，探究電場力做功與路徑無關
問題：圖2所用研究問題的模型與以前學過的哪部分知識相類似？即在不接觸的情況下兩個物體之間有力的作用，也存在著力與做功的問題。（類比）
學生通過類比得出與萬有引力場相似，如圖3所示。如果由圖示位置釋放物體，物體受萬有引力作用，在萬有引力的作用下物體做加速度增加的加速運動，萬有引力對物體做正功，物體的動能增加。在這種情況下兩個模型是統一的。
問題：現在，我們把物體m移到地球的表面附近，保持物體m的質點模型不變，此時的情形就是發生在地面附近，物體附近的地面可以近似看成一個平面，萬有引力場也可以看成是強度均勻的重力場。同理，在保持電荷﹣q的點電荷模型不變的情況下，球形電極的附近也可以看成是一個勻強電場。如此相似的情形中，重力和電場力都可以做功，那它們做功的特點是否也具有相似之處呢？（猜想）
討論與交流2：重力做功的特點與路徑無關，只與初末位置有關。如圖4所示，把質點或點電荷沿三條路徑A→C、A→B→C（折線）、A→B→C（曲線）由A移到C，比較重力做功的特點與電場力做功的特點是否相同。（推理）
(
α
)
沿直線AC路徑移動：
W1=Fd=qEd
沿折線ABC路徑移動：
W2=WAB+WBC=FxABcosα+FxBCcos90°=F（xABcosα）=qEd
沿任意路徑移動：
W=ΔW1+ΔW2+ΔW3+…=FΔx1+FΔx2+FΔx3+…=F（Δx1+Δx2+Δx3+…）=qEd
總結：①重力與電場力做功的特點相同，都是與路徑無關，與初末位置有關。②微元法是一種常用的物理研究方法，它采用極限的方法來分析和處理問題。（科學方法）
問題：如果電場是不均勻的，上述結論是否成立？（猜想）
學生通過微元法來討論問題，并形成結論。
歸納：無論在勻強還是在非勻強電場中，電場力做功的特點都與路徑無關，只與初末位置有關。
環節三：電場力做功與電荷動能、電勢能變化量的關系
問題：若勻強電場中的電荷只受到電場力的作用，電場力所做的功與電荷動能的變化量之間存在什么樣的關系呢？
學生：用動能定理去分析和處理問題，電場力做功的數值與電荷動能的變化量的數值是相等的，電場力做正功動能增加，電場力做負功動能減少。
問題：電荷增加的動能是從何而來的呢？通過什么方式來實現動能增加的呢？
學生：電荷增加的動能是從電場中來的，功是能量轉化的量度，電場力做功實現了從電場能到動能的轉化。
講解：類比于物體在重力場中具有的重力勢能，我們把電荷在電場中所具有的能量稱為電勢能。
問題：在重力場中，當只受重力作用的情況下，重力做正功物體的動能增加，重力勢能減少，做負功時物體的動能減少，重力勢能增加，并且動能的變化量與勢能變化量在數值上是相等的。在電場中，只受電場力作用的情況下，電場力做功與電荷動能、電勢能變化是否也有類似的規律？完成下面的表格。
學生：完成表格的內容，并總結得出電場力做功與電勢能變化的關系。
只受電場力作用
WAB Ek Ep EpA與EpB的大小關系
WAB＞0 ↑ ↓ EpA＞EpB
WAB＜0 ↓ ↑ EpA＜EpB
WAB＝0 ― ― EpA＝EpB
WAB與EpA、EpB的定量關系 WAB＝EpA－EpB
歸納：電場力做正功電荷電勢能減少，電場力做負功電荷電勢能增加，電場力做功為零電荷電勢能不變，且電場力做功與電勢能變化量在數值上是相等的。
環節四：理解電勢能
教師：與重力勢能相似，電勢能也具有相對性，它的大小與勢能零點的選取有關。如果我們選取B點為電勢能零點，電場力做功與電勢能變化的關系規律就可以寫成WAB＝EpA－0，它的含義可以解釋為，電荷在A點的電勢能在數值上等于把電荷由A點移到電勢能零點的過程中電場力所做的功。一般情況下，我們選大地或無窮遠作為電勢能零點。
問題：若電勢能零點已選定，此時電荷在電場中某點的電勢能的大小會與哪些因素有關呢？（猜想）
學生：電勢能的大小可能與電荷量、電場強度、與勢能零點間的距離有關。
教師：請以勻強電場為例，利用學過的知識對你的觀點進行一下簡單的證明。
學生：根據電勢能的大小在數值上等于把電荷由某點移到電勢能零點的過程中電場力所做的功，即WA0＝EpA＝Eqx，再根據控制變量法，分別控制E、q、x中的兩個量不變，只改變另一個量，會發現電荷在電場中某點的電勢能的大小與電場強度、電荷量以及電場中的位置都有關，驗證猜想。
講解：電勢能和重力勢能相類似，重力勢能是物體和地球組成的系統所共有的，電勢能是電荷和電場組成的系統所共有的，因此，只說“某電荷具有電勢能”這句話是不嚴謹的。
總結：能夠通過上邊的論證認識到電荷在電場中某點的電勢能大小與電場強度、電荷量以及電場中的位置有關，是一個非常了不起的見解。這種由相對位置決定的能量符合勢能的定義，與重力勢能是非常相似的。
環節五：重力與電場力的區別
問題：重力場和電場有很多相似之處，有些特點基本上是一樣的。現在，我們來比較一下它們最大的不同點是什么。
學生：分析對比重力場與電場的區別，得出在重力場中的同一點放任何一個物體，它們所受到的重力的方向都是確定的，而在電場中的同一點放置兩個電性不同的電荷，它們所受的電場力的方向是相反的。
問題：電場力與電性有關的這一特點，會導致在電場和重力場中處理運動和能量問題時可能有哪些不同呢？
討論與交流3：電場與重力場中處理運動和能量問題的區別。（前提是在重力場中只受重力，在電場中只受電場力）
總結：在研究運動問題時，重力場中只存在一個加速度，這個加速度與物體的質量無關；而在電場中對于正、負不同的電荷，可能存在兩個相反方向的加速度，且加速度的大小與電荷量有關。在研究能量問題時，如果已規定了路徑，在重力場中重力只可能做一種效果的功，正功或負功；而在電場中按同一路徑移動電荷，電性不同做功的效果也是不同的，隨之帶來的電勢能的變化也是不同的。所以，在電場中我們要特別關注電性對所研究問題的影響，這是一個難點，也是一個易錯點。
例題 某電場中的A、B、C三點，把一個電荷量為q的正電荷從A點移動到B點的過程中，電場力做功5×10-9J，再從B點移到C點，電場力做功-8×10-9J。求：
（1）在從A點經過B點移到C點的整個過程中，該電荷的電勢能是增加還是減少了？變化量是多少？
（2）如果以B點為電勢能零點，該電荷位于A點以及C點的電勢能各是多少？
（3）如果把電荷量為﹣q的電荷從A點經B點移到C點，該電荷的電勢能是增加還是減少？變化量是多少？
十、板書設計
4．電場力的功 電勢能
一、電場力做功的特點
與路徑無關，只與初末位置有關。
二、電勢能
1．電勢能：電荷在電場中所具有的能量。
2．電場力做功與電勢能變化的關系
電場力做正功，電荷的電勢能減少；
電場力做負功，電荷的電勢能增加；
電場力做功為零，電荷的電勢能不變。
3．電勢能具有相對性——一般選大地或無窮遠為勢能零點。
電荷在電場中電勢能的大小等于將電荷從該點移到勢能零點電場力所做的功：
WA0＝EpA
電荷的電勢能大小由電場與電荷共同決定。
電勢能屬于電荷與電場系統共有。
十一、作業與拓展學習設計
1．完成教科書課后練習。
2．閱讀教科書課后資料，思考：在處理電場問題時，也有很多情況中取大地為勢能零點，你能解釋一下原因嗎？
十二、教學反思與改進
1．任何物理問題都是從實踐中得來的，任何物理模型都是從實際中抽象出來的，本著這一原則，本節課在引入時以科技館的靜電滾球實驗引入。把實際問題轉化為一個物理問題，根據物理問題建立物理模型，符合學生的認識規律，使學生更容易理解模型建立過程，也能提高學生的學習興趣。
2．對于電場力做功的特點，很多情況下都是在勻強電場中去講解的，但勻強電場并不是電場存在的一般情況。本著這一點，本節課在勻強電場中明確電場力做功特點的基礎上，對內容進行引申，提出如果不是勻強電場，電場力做功是否還與路徑無關的問題，加深了對微元法的應用和理解，也讓學生更容易體會電場力做功與路徑無關這一結論以及這一結論在靜電場中的普遍性，這一點在教學上是成功的。
3．從遠地的萬有引力場到地表的勻強重力場的觀測位置變化是學生已經掌握的內容，把同樣的觀測方式遷移到電荷產生的靜電場，學生會更容易理解勻強電場與非勻強電場的關系。讓學生體會微元法、類比法的奇妙，理解物理學的研究方法和研究手段是沒有區域限制的。
4．本節教學的引入內容如果是真實的實驗裝置，能讓學生去動手進行實際操作并展示，學生的學習興趣會更濃，效果會更好。教師應該鼓勵學生去科技館中實驗和觀察，體會科技帶來的無窮樂趣。
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