《高中物理示范課電場與電勢》課件

高中物理示范課：電場與電勢本課程將深入探討電場與電勢的基本概念、相互關(guān)系及應(yīng)用，幫助學(xué)生建立完整的電學(xué)知識體系。課程目標(biāo)理解基本概念掌握電場和電勢的物理本質(zhì)掌握計算方法熟練運(yùn)用電場強(qiáng)度和電勢公式探索相互關(guān)系理解電場與電勢的內(nèi)在聯(lián)系第一部分：電場基礎(chǔ)電場概念電荷周圍的作用空間表示方法電場線與電場強(qiáng)度矢量數(shù)學(xué)表達(dá)點電荷與勻強(qiáng)電場公式電場的定義物理本質(zhì)能傳遞電荷間相互作用的物理場產(chǎn)生源由電荷產(chǎn)生作用特點對其中的電荷施加力電場的表示方法電場線直觀顯示電場分布的曲線箭頭指向表示電場方向疏密程度表示電場強(qiáng)度大小電場強(qiáng)度矢量方向表示電場力方向大小表示單位電荷受力是描述電場的物理量電場線的特點方向性從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷不相交性任何兩條電場線不相交密度意義密度表示電場強(qiáng)度大小閉合性可延伸至無窮遠(yuǎn)處電場強(qiáng)度的定義物理含義單位正電荷在電場中受到的力矢量性質(zhì)有大小也有方向測量方法通過測試電荷受力確定電場強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式E電場強(qiáng)度單位為牛/庫F電場力單位為牛頓q電荷量單位為庫侖點電荷的電場強(qiáng)度距離(m)電場強(qiáng)度(N/C)勻強(qiáng)電場定義電場空間各點電場強(qiáng)度大小方向相同電場線平行等距分布特點電場強(qiáng)度處處相等電場線平行且等距常見于平行板電容器內(nèi)部第二部分：電勢基礎(chǔ)電勢概念電場中的標(biāo)量物理量數(shù)學(xué)表達(dá)點電荷與電勢差公式等勢面電勢相等的面電勢的定義參考點無窮遠(yuǎn)處電勢為零物理含義單位正電荷從無窮遠(yuǎn)移動所做功標(biāo)量性質(zhì)只有大小沒有方向電勢的數(shù)學(xué)表達(dá)式φ電勢單位為伏特W∞從無窮遠(yuǎn)處移動的功單位為焦耳q電荷量單位為庫侖點電荷的電勢距離(m)電勢(V)電勢差的概念物理含義單位正電荷從一點移至另一點所做功方向性正電荷自然移動方向：高勢到低勢電勢能變化與電荷在電場中的能量變化相關(guān)電勢差的數(shù)學(xué)表達(dá)式等勢面定義電勢相等的面在等勢面上移動電荷不做功特點電場線垂直穿過等勢面點電荷的等勢面為同心球面勻強(qiáng)電場的等勢面為平行平面第三部分：電場與電勢的關(guān)系梯度關(guān)系電場強(qiáng)度是電勢的負(fù)梯度勻強(qiáng)電場關(guān)系電勢差等于電場強(qiáng)度乘距離方向關(guān)系電場線垂直于等勢面能量關(guān)系電勢能等于電荷乘電勢電場強(qiáng)度與電勢梯度的關(guān)系梯度方向電場方向是電勢下降最快方向數(shù)學(xué)表達(dá)E=-dφ/dr物理圖像如同高度地形圖的坡度勻強(qiáng)電場中的電勢差U電勢差單位為伏特E電場強(qiáng)度單位為伏/米d距離單位為米電場線與等勢面的關(guān)系垂直關(guān)系電場線總是垂直穿過等勢面強(qiáng)度關(guān)系等勢面密集處電場強(qiáng)能量關(guān)系沿等勢面移動不做功電勢能與電勢的關(guān)系數(shù)學(xué)關(guān)系Ep=qφ正電荷高電勢區(qū)電勢能高負(fù)電荷高電勢區(qū)電勢能低第四部分：電場和電勢的應(yīng)用靜電場中的導(dǎo)體導(dǎo)體表面等勢，內(nèi)部無電場電容器儲存電荷和電場能量靜電屏蔽利用導(dǎo)體內(nèi)部無電場特性粒子加速器利用電勢差加速帶電粒子靜電場中的導(dǎo)體等勢特性導(dǎo)體表面是等勢面內(nèi)部特性導(dǎo)體內(nèi)部無電場電荷分布靜電平衡時電荷分布于表面法線關(guān)系表面電場垂直于導(dǎo)體表面電容器定義由兩個導(dǎo)體組成的儲存電荷裝置兩導(dǎo)體間充滿絕緣介質(zhì)工作原理通過電勢差在極板上積累等量異號電荷儲存電場能量電容量C=Q/U平行板電容器的電場和電勢電子伏特的概念定義電子通過1伏電勢差獲得的能量換算關(guān)系1eV=1.602×10^-19J應(yīng)用領(lǐng)域原子物理和粒子物理常用能量單位靜電屏蔽原理導(dǎo)體內(nèi)部無電場空腔導(dǎo)體內(nèi)不受外電場影響應(yīng)用法拉第籠電子設(shè)備防電磁干擾避雷針保護(hù)建筑第五部分：實驗探究靜電感應(yīng)實驗驗證導(dǎo)體中電荷分布規(guī)律電場強(qiáng)度測量通過測力方法確定電場強(qiáng)度等勢線繪制探索不同形狀電極的電勢分布電勢疊加驗證驗證多個電荷產(chǎn)生的電勢疊加性探究靜電感應(yīng)現(xiàn)象實驗設(shè)計帶電體靠近未帶電導(dǎo)體觀察現(xiàn)象導(dǎo)體表面出現(xiàn)異號電荷分布結(jié)論分析電荷在導(dǎo)體表面重新分布應(yīng)用拓展靜電復(fù)印、靜電除塵原理測量電場強(qiáng)度實驗原理測量已知電荷在電場中受力實驗器材高壓電源、微力計、帶電小球操作步驟建立勻強(qiáng)電場，測量已知電荷受力數(shù)據(jù)分析根據(jù)F=qE計算電場強(qiáng)度繪制等勢線實驗材料導(dǎo)電紙、電源、電壓表不同形狀電極操作方法在導(dǎo)電紙上安置電極測量不同點電勢連接相同電勢點繪制等勢線驗證電勢疊加原理1實驗設(shè)計使用多個點電荷2測量方法測量各點單獨和共同電勢3數(shù)據(jù)記錄記錄不同位置電勢值4結(jié)果分析驗證φ總=φ1+φ2+...第六部分：計算題解析驗證結(jié)果檢查計算結(jié)果合理性應(yīng)用公式選擇正確公式進(jìn)行計算問題分析確定已知條件和求解目標(biāo)計算點電荷電場強(qiáng)度題型特點已知電荷量、位置，求場強(qiáng)公式選取E=k|Q|/r2方向判斷正電荷場強(qiáng)方向：遠(yuǎn)離電荷疊加處理多電荷情況要矢量疊加計算點電荷電勢常見誤區(qū)忘記考慮電荷正負(fù)號解題技巧利用φ=kQ/r疊加處理多電荷電勢直接代數(shù)疊加參考點選擇無窮遠(yuǎn)處電勢為零電場中的帶電粒子運(yùn)動分析方法確定電場力F=qE應(yīng)用牛頓第二定律F=ma運(yùn)動學(xué)公式求解典型例題帶電粒子在勻強(qiáng)電場中加速求末速度、位移、能量變化點電荷在點電荷場中運(yùn)動電勢能轉(zhuǎn)化問題第七部分：概念辨析電場強(qiáng)度vs引力場相似：平方反比定律區(qū)別：電荷有正負(fù)電勢vs重力勢能相似：表示位置能量區(qū)別：參考點選擇電勢差vs電壓物理上等價應(yīng)用場合略有不同電勢能vs動能可相互轉(zhuǎn)化總和守恒電場強(qiáng)度vs引力場強(qiáng)度相似點都遵循平方反比規(guī)律都是矢量場都可用場線描述區(qū)別電場力可排斥可吸引電場強(qiáng)度比引力場強(qiáng)度大很多電荷可正可負(fù)，質(zhì)量恒為正電勢vs重力勢能概念對比電勢：單位電荷電勢能1參考點電勢：無窮遠(yuǎn)處為零2方向性正電荷向低電勢移動3計算方法電勢可直接疊加4電勢差vs電壓概念辨析物理意義完全相同使用場合電勢差：靜電學(xué)理論分析電壓概念電壓：電路中實際應(yīng)用測量方法都用電壓表測量電勢能vs動能電勢能(eV)動能(eV)第八部分：歷史發(fā)展1古代靜電現(xiàn)象琥珀摩擦吸引輕物2庫侖定律(1785)電荷間力與距離平方成反比3法拉第場概念(1830s)提出電場線表示法4麥克斯韋方程組(1860s)統(tǒng)一電磁場理論電場理論的起源法拉第的貢獻(xiàn)1831年提出電場線概念用場代替遠(yuǎn)距作用理論發(fā)明法拉第籠麥克斯韋的統(tǒng)一1865年發(fā)表電磁場理論用數(shù)學(xué)方程描述電磁場預(yù)言電磁波存在電勢概念的提出1拉普拉斯早期工作1782年引入電勢函數(shù)2泊松方程建立1813年描述電勢與電荷分布關(guān)系3格林函數(shù)應(yīng)用1828年解決電勢邊界問題4開爾文能量觀點1847年從能量角度理解電勢靜電學(xué)重要實驗密立根油滴實驗1909年首次測定電子電荷量證明電荷量子化獲得諾貝爾物理學(xué)獎法拉第籠實驗1836年證明導(dǎo)體內(nèi)部無電場驗證靜電屏蔽效應(yīng)應(yīng)用于防雷和電磁屏蔽現(xiàn)代電場應(yīng)用靜電除塵器工業(yè)煙氣凈化必備設(shè)備靜電噴涂提高涂料附著效率復(fù)印機(jī)利用靜電成像原理第九部分：考試重點與難點疊加原理電場強(qiáng)度矢量疊加電勢計算電勢代數(shù)疊加圖像分析理解電場線和等勢面帶電粒子運(yùn)動能量守恒與力學(xué)分析結(jié)合電場疊加原理矢量特性需要考慮大小和方向矢量分解復(fù)雜電場需分解為x-y分量對稱分析利用對稱性簡化計算電勢疊加原理疊加特點電勢直接代數(shù)相加考慮電荷正負(fù)號比電場疊加簡單解題方法分別計算各電荷貢獻(xiàn)代數(shù)求和注意勢能轉(zhuǎn)化問題電場強(qiáng)度與電勢的圖像分析電場中的力學(xué)問題分析方法確定電場力和其他力力學(xué)方程應(yīng)用牛頓第二定律能量關(guān)系應(yīng)用能量守恒定律常見陷阱忽略電荷正負(fù)號第十部分：拓展知識高斯定理通量與閉合面內(nèi)電荷量關(guān)系靜電場能量密度單位體積內(nèi)儲存的電場能量介質(zhì)中的電場介電常數(shù)對電場的影響場的統(tǒng)一理論電場與其他物理場的關(guān)聯(lián)高斯定理基本概念閉合面電通量等于內(nèi)部電荷除以ε?數(shù)學(xué)表達(dá)∮E·dS=Q/ε?應(yīng)用范圍高對稱電場問題計算簡化靜電場的能量密度ωe能量密度每立方米儲存的電場能量ε?真空介電常數(shù)8.85×10^-12F/mE2電場強(qiáng)度平方單位為(V/m)2介質(zhì)中的電場和電勢介質(zhì)的影響介質(zhì)極化減弱電場電場強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼?/εε為介質(zhì)相對介電常數(shù)計算修正D=εε?E電場能量密度變?yōu)棣豦=?εε?E2電容器電容C=εε?S/d靜電場與其他物理場的關(guān)聯(lián)與磁場的關(guān)系相對運(yùn)動產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)換與引力