2018年新课标人教版高中物理选修3-1全套教学设计

人教版高中物理选修3-1精品教案

电势能电势和电势差

1．静电力做功的特点

结合（右图）分析试探电荷q 在场强为E 的均强电场中沿不同路径从A 运动到B 电场力做功的情况。

q 沿直线从A 到B

q 沿折线从A 到M 、再从M 到B

结果都一样即：W=qEL AM =qEL AB cos θ 【结论】：在任何电场中，静电力移动电荷所做的功，只与始末两点的位置有关，而与电荷的运动路径无关。

2．电势能

电势能：由于移动电荷时静电力做功与移动的路径无关，电荷在电场中也具有势能，这种势能叫做电势能。可用E P 表示。 静电力做的功等于电势能的减少量。写成式子为：

PB PA E E W AB -=

注意：①．电场力做正功，电荷的电势能减小；电场力做负功，电荷的电势能增加 ②在正电荷产生的电场中正电荷在任意一点具有的电势能都为正，负电荷在任一点具有的电势能都为负。在负电荷产生的电场中正电荷在任意一点具有的电势能都为负，负电荷在任意一点具有的电势能都为正。 ③求电荷在电场中某点具有的电势能

电荷在电场中某一点A 具有的电势能E P 等于将该点电荷由A 点移到电势零点电场力所做的功W 的。即E P =W AB

④求电荷在电场中A 、B 两点具有的电势能高低

将电荷由A 点移到B 点根据电场力做功情况判断，电场力做正功，电势能减小，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B 点的电势能小于在B 点的电势能。

⑤电势能零点的规定 :若要确定电荷在电场中的电势能，应先规定电场中电势能的零位置。

⑥零势能面的选择: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。

所以：电荷在电场中某点的电势能，等于静电力把它从该点移动到零电势能位置时电场力所有做的功。如上式若取B 为电势能零点，则A 点的电势能为：AB AB PA qEL W E ==

3．电势

（1）定义：电荷在电场中某一点的电势能P E 与它的电荷量的比值，叫做这一点的电势。用?表示。标量，只有大小，没有方向，但有正负。

（2）公式：q

E p

=?（与试探电荷无关）（3）单位：伏特（V ） 1V=1J/C

（4）电势与电场线的关系：电势顺线降低。（电场线指向电势降低的方向）

（5）零电势位置的规定：电场中某一点的电势的数值与零电势的选择有关，即电势的数值决定于零电势的选择．（大地或无穷远默认为零）

4、等势面的概念及特点

（1）等势面 电场中电势相同的各点构成的曲面叫做等势面。 （2）等势面的特点

①电场线与等势面处处垂直，且总是由电势高的等势面指向电势低的等势面； ②在同一等势面上各点电势相等，所以在同一等势面上移动电荷，电场力不做功 ③处于静电平衡的导体是一个等势体，导体表面是一个等势面； ④导体表面的电场线与导体表面处处垂直。

（3）熟悉匀强电场、点电荷的电场、等量异种电荷的电场、等量同种点电荷的电场的等势面的分布情况。

①点电荷电场中的等势面，是以电荷为球心的一簇球面； ②等量同种点电荷电场中的等势面，是两簇对称曲面 ③等量异种点电荷电场中的等势面，是两簇对称曲面； ④匀强电场中的等势面，是垂直于电场线的一簇平面.

5、电势差：

1、电势差：（又叫电压）B A AB U ??-=

（1）定义：电荷q 在电场力作用下由A 点移到另一点B 的过程中，电场力做的功W AB 与电荷量q 的比值，叫A 、B 两点之间的电势差U AB 。 （2）定义式：q W U AB

AB =

（3）单位：伏特 符号：V 1V =1J/C

（1）电势差是电场中两点间的电势的差值，B A AB U ??-=

（2）电场中某一点的电势的大小，与选取的参考点有关；电势差的大小，与选取的参考点无关。

（3）电势和电势差都是标量，单位都是伏特，都有正负值；

电势的正负表示该点比参考点的电势大或小； 电势差的正负表示两点的电势的高低。 ；

第六节、电势差与电场强度的关系

电场强度与电势差的关系：

1、匀强电场中两点间 的电势差等于电场强度与这两点沿电场方向的距离的乘积。AB U Ed = 注：①只适用于匀强电场 ②d 是沿电场方向移动的距离。

2、可以写做d

U E AB

=

他的意义：在匀强电场中，电场强度的大小等于两点间的电势差与两点沿电场强度方向距离的比值。E 的单位为V/m ，即1 V/m=1 N/C 。

第七节 静电现象的应用

一、静电平衡的特点

1、处于静电平衡状态下的导体，内部的场强处处为零。

2、处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，它的表面是个等势面。

3、导体外表面处场强方向必跟该点的表面垂直。

二、1、火花放电是指物体上积累了电荷，且放电时出现火花的放电现象；

2、接地放电是指为了防止物体上过量积累电荷，而用导体与大地连接，把电荷接入大地进行时时放电的现象；

3、尖端放电的原理：物体表面带电密集的地方—尖端，电场强度大，会把空气分子“撕裂”，变为离子，从而导电； 三、静电屏蔽

1、空腔导体的特点：静电荷只分布在外表面，内表面不带电，空腔内没有电场

2、静电屏蔽： 外部电场对内部仪器没有影响。 若将源电荷置于空腔内，则外对内没有影响，但内对外有影响

四 、重难点知识剖析 1、电势与等势面

（1）电势是描述电场中单个点的电场性质，而等势面是描述电场中各点的电势分布。 （2）等势面的性质

①同一等势面上任意两点间的电势差为零； ②不同的等势面一定不会相交或相切；

③电场强度方向垂直等势面且指向电势降低的方向。 2、比较电荷在电场中某两点电势能大小的方法 (1)电场线法

正电荷顺着电场线的方向移动时，电势能逐渐减小；逆着电场线的方向移动时，电势能逐渐增大．

负电荷顺着电场线的方向移动时，电势能逐渐增大；逆着电场线的方向移动时，电势能逐渐减小．

(2)做功判断法

无论正、负电荷，电场力做正功，电荷从电势能较大的地方移向电势能较小的地方．反之，如果电荷克服电场力做功，那么电荷将从电势能较小的地方移向电势能较大的地方． (3)场源电荷判断法

离场源正电荷越近，试探正电荷的电势能越大，试探负电荷的电势能越小 离场源负电荷越近，试验正电荷的电势能越小，试验负电荷的电势能越大

两点间的电势差为．

场强．电场强度

．1、电容器的电容、平行板电容器的电容

(1)电容器所带的电量Q 与电容器两极板间的电势差U 的比值，叫做电容器的电容。

公式：U

Q

C = 单位：法拉（F ）还有微法（μF ）和皮法（pF ） 1μF=10-6F 1p F =10-12F

(2)常用电容器：聚苯乙烯电容器、电解电容器、平行板电容器、可变电容器.其中电解电容器连接时应注意其“＋”、“－”极.

（3）电容的物理意义:电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，是由电容器本身的性质决定的,与电容器是不是带电无关

(4)平行板电容器：平行板电容器的电容C 跟介电常数ε成比，跟两板正对面积S 成正比，

平行板电容器的决定式：真空 kd S C π4= 介质 kd S

C

r πε4=

3、示波管的原理

(1)结构：示波管是由电子枪、偏转电极和荧光屏组成的，管内抽成真空.

(2)原理：如果在偏转电极XX′上加上扫描电压，同时在偏转电极YY′上加上所要研究的信号电压，若其周期与扫描电压的周期相同，在荧光屏上就显示出信号电压随时间变化的图线.

4、研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索

带电粒子在电场中的运动，是一个综合电场力、电势能的力学问题，研究的方法与质点动力学相同，它同样遵循运动的合成与分解、力的独立作用原理、牛顿运动定律、动能定理、功能原理等力学规律．研究时，主要可以按以下两条线索展开．

（1）力和运动的关系——牛顿第二定律

根据带电粒子受到的电场力，用牛顿第二定律找出加速度，结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等．这条线索通常适用于恒力作用下做匀变速运动的情况．（2）功和能的关系——动能定理

根据电场力对带电粒子所做的功，引起带电粒子的能量发生变化，利用动能定理或从全过程中能量的转化，研究带电粒子的速度变化，经历的位移等．这条线索同样也适用于不均匀的电场．

5、研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧

（1）类比与等效

电场力和重力都是恒力，在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比．例如，垂直射入平行板电场中的带电粒子的运动可类比于平抛，带电单摆在竖直方向匀强电场中的运动可等效于重力场强度g值的变化等．

（2）整体法(全过程法)

电荷间的相互作用是成对出现的，把电荷系统的整体作为研究对象，就可以不必考虑其间的相互作用．

电场力的功与重力的功一样，都只与始末位置有关，与路径无关．它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化，从电荷运动的全过程中功能关系出发(尤其从静止出发末速度

单位：欧姆，符号Ω，且1Ω=1V／A，常用单位：Ω(欧姆)、kΩ（千欧）、MΩ(兆欧)

换算关系：1kΩ=103Ω 1MΩ=106KΩ

电阻的伏安特性曲线：注意I-U曲线和U-I曲线的区别。还要注意：当考虑到电阻率随温度的变化时，电阻的伏安特性曲线不再是过原点的直线。

一、串联电路的特点

1、电流：串联电路中电流强度处处相等：I=I 1=I 2=I 3.

2、电压：串联电路两端的总电压等于各串联导体两端的电压之和。U=U 1＋U 2＋U 3.

3、电阻：串联电路的总电阻等于各串联导体的电阻之和。R=R 1＋R 2＋R 3 （二）并联电路的特点

1、电流：并联电路中干路中的总电流等于各支路中电流之和。I=I 1＋I 2＋I

3. 2、电压：并联电路中，各支路两端的电压都相等。U 1=U 2=U 3=U

3、电阻：并联电路中，总电阻的倒数，等于各支路电阻的倒数之和.

第五节、焦耳定律

重、难点知识归纳和讲解 1．电功

②适用条件：I 、U 不随时间变化——恒定电流。单位：焦耳（J ）。1J=1V ·A ·s

2、电功率：电流在一段电路上做功的功率P ，等于电流I 跟这段电路两端电压U 的乘积。

①定义：单位时间内电流所做的功 ②表达式：W

P UI ==（对任何电路都适用）

而P=I 2R ，p =W ）。1W=1J/s

④额定功率和实际功率

额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。 实际功率：用电器在实际电压下的功率。实际功率P 实=IU ，U 、I 分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。

这里应强调说明：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里W=IUt 是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。 3、焦耳定律——电流热效应 （1）焦耳定律

电能转化为内能，故电功W 等于电热Q ；这时W= Q=UIt=I 2Rt

（2）热功率：单位时间内的发热量。即 2Q

P R t

I == ④

【注意】②和④都是电流的功率的表达式，但物理意义不同。②对所有的电路都适用，而④式只适用于纯电阻电路，对非纯电阻电路（含有电动机、电解槽的电路）不适用。

关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等。这时W 》Q 。即W=Q+E 其它 或P =P 热+ P 其它、UI = I 2R + P 其它

1、纯电阻电路就是在通电的状态下，只发热的电路。电路中只有电阻、电源、导线，不对外做功，电能不能转化为热能以外的能量形式。例如：电灯，白炽灯、电炉、电饭锅、电烙铁、电热毯、电熨斗、转子被卡住的电动机。

2、非纯电阻电路含有电动机、电风扇、电冰箱、电磁炉、电解槽、给蓄电池充电、日光灯等，

闭合电路的欧姆定律

重、难点知识归纳和讲解

一：闭合电路

1、闭合电路是由内电路和外电路组成的。

总结：只有用导线把电源、用电器连成的循环电路叫做闭合电路，用

因为U ＝E －Ir ① r

R E

I +=

② 其中，r=|tg θ|. 由上二式可知：[来有两个极端情况：

（1）当R →∞，也就是当电路断开时，I →0则U=E 。当断路（亦称开路）时，路端电压等于电源的电动势。在用电压表测电源的电压时，是有电流通过电源和电压表，外电路并非开路，这时测得的路端电压并不等于电源的电动势。只有当电压表的电阻非常大时，电流非常小，此时测出的路端电压非常近似地等于电源的电动势。

（2）当R →0时，I →E

r

，可以认为U=0，路端电压等于零。这种情况叫电源短路，发生短

路时，电流I 叫做短路电流，E

I r =

一般电源内阻都比较小，所以短路电流很大。

由于短路电流很大，电源易烧坏，还可能引起火灾，因此要千万避免短路．

例1、如图所示的电路中，电源的电动势恒定，要想使灯泡变暗，可以（）

A．增大R

1B．减小R

1

C．增大R

2D．减小R

2

分析：

电路是灯泡R与R

2并联后再与电阻R

1

串联。

若增大R

1，灯泡两端电压变小，灯泡变暗。同样若减小R

1

，则灯泡变亮。

若增大R

2

，使得回路的总电阻增大，干路中电流减小，灯泡两端电压变大，灯泡变亮。

同样若减小R

2

，则灯泡变暗。故AD正确。答案：AD

例5、如图所示的电路中R1、R2、R3和R4皆为定值电阻，R5为可变电阻，电源的电动势为E，

内阻为r

.设电流表A的读数为I，电压表V的读数为U.当R5的滑动触点向图中a端移动时（）

A．I变大，U变小B．I变大，U变大

C．I变小，U变大D．I变小，U变小

分析：当滑头向a移动时，R5的阻值变小，使R2、R4、R5的总阻值R ab变小，从而引起总的外阻R外的变小.

得到U

ab

变小，所以的数值变小. 答案：D

评注：在讨论电路中电阻发生变化后引起电流、电压发生变化的问题时，应根据电路的结构，由局部到整体的思路，得到总电流的变化情况，然后再到局部分析出电压和支路电流的变化情况。

，。

向的关系也可以用右手定则来判断，如图乙所示，让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是圆环轴线上磁感线的方向；如图丙所示，让右手握住部分环形导线，伸直的大拇指与电流方向一致，则四指所指的方向就是围绕环形导线的磁感线的方向。

（5）通电螺线管的磁感线

通电螺线管表现出来的磁性很像一根条形磁铁，一端相当于北极（N ），另一端相当于南极（S ），形成的磁感线在通电螺线管的外部从北极（N ）出来进入南极（S ），通电螺线管内部具有磁场，磁感线方向与管轴线平行，方向都是由S 极指向N 极，并与外部磁感线连接形成一些闭合曲线，其方向也可用安培定则判断，用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，如图所示。

4、匀强磁场

如果磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场叫做匀强磁场，距离很近的两个异名磁极之间的磁场，通电螺线管内部的磁场都可以看成是匀强磁场。匀强磁场的磁感线为相互平行，等间距的平行线。

5、磁通量（1）定义： 磁感应强度B 与线圈面积S 的乘积，叫做穿过这个面的磁通量 （2）表达式：φ=BS

（3）单位：韦伯，简称韦，符号Wb 1Wb = 1T ·m 2 【注意】①对于磁通量的计算要注意条件，即B 是匀强磁场或可视为匀强磁场的磁感应强度，

S 是线圈面积在与磁场方向垂直的平面上的投影面积。 ②磁通量是标量，但有正、负之分。 （4）磁感应强度的另一种定义（磁通密度）:即B S

φ

=

上式表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通量，并且用Wb/m 2做单位

即 磁感应强度 F B IL S

φ=

=

6、安培力的大小和方向

（1）定义：磁场对通电导线的作用力叫安培力。

（2）大小：当通电导线与磁场方向垂直放置时，安培力最大，为F=BIL 。当通电导线与磁场方向平行放置时，安培力最小，为零。当通电导线与磁场方向成其他任意角放置时，安培力介于最大值和最小值之间。F=BIL 只适用于匀强磁场，对非匀强磁场中，当L 足够短时，

（3）安培力的大小不仅与B、I、L的大小有关，还与电流方向与磁场方向间的夹角有关。

（4）安培力的方向要用左手定则判断，垂直磁感应强度方向，这跟电场力与电场强度方向之间的关系是不同的。

7、左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把手放人磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．（如图）。

例题分析

例1、质量为m，长度为L的金属棒ab通过两根细导线水平悬挂在绝缘架下，整个装置放在竖直方向的匀强磁场中，当金属棒中通入从a至b的电流I后，棒偏离竖直位置α角后又重新平衡，如图所示，求匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向。

答案：，竖直向上

解析：由图可知，棒受到水平向右的安培力，根据安培定则得磁感应强度方向竖直向上，由棒平衡得安培力F

=mgtanθ=BIL，∴ B=

A

第五节运动电荷在磁场中受到的力

1、洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的力。通电导线在磁场中受到的安培力，实际是库伦兹力的宏观表现。

2、洛伦兹力的大小

（1）当粒子速度方向与磁感应强度方向垂直时，粒子受到库伦兹力的大小，等于电荷量、速率、磁感应强度三者的乘积，即F=qvB.

（2）当电荷速度方向平行磁场方向时，洛伦兹力F=0。

（3）当电荷速度方向与磁场方向成θ角时，可以把速度分解为平行磁场方向和垂直磁场方向来处理，此时受洛伦兹力F=qvBsinθ。

3、洛伦兹力的方向

安培力的方向可以用左手定则来判断，洛伦兹力的方向也可用左手定则来判断：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场，让磁感线穿过手心，对于正电荷，四指指向电荷的运动方向，对于负电荷，四指的指向与电荷的运动方向相反，大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向。

4、洛伦兹力的特点

因为洛伦兹力始终与电荷的运动方向垂直，所以洛伦兹力对运动电荷不做功。它只改变运动电荷速度的方向，而不改变速度的大小。

第六节带电粒子在匀强磁场中的运

（二）质谱仪

利用不同质量而带同样电量的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径不同，可以制成测定带电粒子质量的仪器——质谱仪。

如图所示，粒子带电量为q，质量为m，经加速电压U加速后进入匀强磁场中，在加速电

场中，由动能定量得：，在匀强磁场中轨道半径：，所

以粒子质量。

（三）回旋加速器的工作原理

粒子源位于两D形盒的缝隙中央处，从粒子源放射出的带电粒子经两D形盒间的电场加速后，垂直磁场方向进入某一D形盒内，在洛仑兹力的作用下做匀速圆周运动，则当粒子从一个D形盒飞出时，缝隙间的电场方向恰好改变，带电粒子在经过缝隙时再一次被加速，以更大的速度进入另一个D形盒，循环往复不断进行下去。