高中物理教科版 (2019)必修 第三册5 电势 电势差导学案

电势　电势差

学习目标：

1．[物理观念]知道电势、电势差、等势面的概念，知道等势面的特点和几种典型的等势面。　

2．[科学思维]理解电势、电势差的概念，掌握电场力做功与电势差的关系，会运用其解决有关问题。理解等势面的特点、等势面与电场线的关系。　

3．[科学探究]通过讨论交流得出电势的定义，体会根据功能关系推导电势差定义式的过程。　

4．[科学态度与责任]用类比的方法定义电势、电势差及等势面，体验科学的意义，培养科学的探索精神。

一、电势

1．定义：电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比。

2．定义式：φ＝。

3．单位：国际单位制中，电势的单位是伏特，符号是V，1 V＝1 J/C。

4．特点

(1)相对性：电场中某一点电势的数值与零电势点的选取有关，一般的选取无穷远处或大地的电势为零。

(2)标矢性：电势是标量，只有大小，没有方向，但有正负。

说明：在同一电场中，电势的正值高于负值。

二、电势差

1．定义：规定电场中A、B两点的电势之差φA－φB为A、B两点的电势差，在电路中两点间的电势差也叫电压。

2．公式

设电场中A点的电势为φA，B点的电势为φB，则A、B两点之间的电势差为：UAB＝φA－φB，B、A两点之间的电势差为：UBA＝φB－φA，所以UAB＝－UBA。

3．单位：电势差的单位是伏特，简称伏，符号V,1_V＝1 J/C。

4．电势差的正负

电势差是标量，UAB为正值，A点的电势比B点的电势高；UAB为负值，A点的电势比B点的电势低。

5．静电力做功与电势差的关系：

(1)公式推导

由电场力做功与电势能变化的关系可得：

WAB＝EpA－EpB，又因EpA＝qφA，EpB＝qφB，可得：WAB＝qφA－qφB＝q(φA－φB)＝q·UAB，所以有UAB＝。

(2)物理意义：电场中A、B两点间的电势差等于这两点之间移动电荷的过程中电场力所做的功与被移动的电荷q的比。

注意：在用UAB＝计算时，各量都要带有正负号。

三、电势和电势差的正负

1．电势的正负

电势的正负是与零电势点相比较而言的，某点的电势为正，即表示该点电势比零点高，正电荷放在该点，电势能比放在零点时的电势能大。

2．电势差的正负

若A、B两点间的电势差为正，则表示A点电势高于B点，正电荷从A点移到B点的过程中，电场力做正功，反之，电场力做负功。

3．电势与电势差

某点电势的正负，与零电势点的选取有关；但是两点间电势差的正负及数值，都与零电势点的选取无关。

4．沿电场线方向，电势逐渐降低。

注意：沿电场线方向电势降低得最快。

四、等势面

1．定义：电场中电势相等的各点构成的曲面，叫作等势面。

2．等势面与电场线的关系

(1)在同一等势面上任何两点之间移动电荷时，电场力不做功。

(2)等势面与电场线一定是处处垂直。

(3)不同的等势面不能相交。

(4)电场线由电势高的等势面指向电势低的等势面。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)UAB＞0说明从A到B电势升高(φA＜φB)。 (×)

(2)WAB越大，UAB越大，UAB与WAB成正比。 (×)

(3)等差等势面的疏密可以表示电场的强弱。 (√)

(4)同一电荷在同一等势面上一定具有相同的电势能。 (√)

2．(多选)关于电势差UAB和电势φA、φB的理解，正确的是(　　)

A．UAB表示B点相对于A点的电势差，即UAB＝φB－φA

B．UAB和UBA是不同的，它们有关系UAB＝－UBA

C．φA、φB都可以有正、负，所以电势是矢量

D．电势零点的规定是任意的，但人们通常规定大地或无穷远处为电势零点

BD　[UAB表示A点相对于B点的电势差，UAB＝φA－φB，A错；UBA表示B点相对于A点的电势差，UBA＝φB－φA，故UAB＝－UBA，B对；电势是标量，正负号是相对于零电势点而言的，正号表示高于零电势点，负号表示低于零电势点，C错；零电势点理论上是可以任意选取的，但通常取无穷远处或大地为零电势点，D对。]

3．如图所示，实线表示某静电场的电场线，虚线表示该电场的等势面。下列判断正确的是(　　)

A．1、2两点的电场强度相等

B．1、3两点的电场强度相等

C．1、2两点的电势相等

D．2、3两点的电势相等

D　[根据电场线的疏密表示电场强度的大小知，1点的电场强度大于2点、3点的电场强度，选项A、B错误；根据沿着电场线方向电势逐渐降低，在同一等势面上各点的电势相等知，1点的电势高于2点电势，2、3点处于同一等势面上，电势相等，选项C错误，D正确。]

如图所示的匀强电场，电场强度为E，取O点为零势能点，A点距O点为l，AO连线与电场线的夹角为θ。

(1)电荷量分别为q和2q的试探电荷在A点的电势能为多少？

(2)电势能与电荷量的比值各是多少？

提示：(1)将电荷q由A点移到O点，由EpA－EpO＝WAO＝Eqlcos θ，得：EpA＝Eqlcos θ，2q在A点具有的电势能为E′pA＝2Eqlcos θ。

(2)电势能与电荷量的比值均为Elcos θ。

1．电势的性质

(1)相对性：电势是相对的，电场中某点的电势高低与零电势点的选取有关。通常将离场源电荷无穷远处，或地球表面选为零电势点。

(2)固有性：电场中某点的电势大小是由电场本身的性质决定的，与在该点是否放有电荷及所放电荷的电荷量和电势能均无关。

(3)标量性：电势是只有大小、没有方向的物理量，在规定了电势零点后，电场中各点的电势可能是正值，也可能是负值。正值表示该点的电势高于零电势；负值表示该点的电势低于零电势。显然，电势的正负只表示大小，不表示方向。

2．电势高低的判断方法

(1)电场线法：沿电场线方向，电势越来越低。

(2)场源电荷判断法：离场源正电荷越近的点，电势越高；离场源负电荷越近的点，电势越低。

(3)电势能判断法：对于正电荷，电势能越大，所在位置的电势越高；对于负电荷，电势能越小，所在位置的电势越高。

3．电势与电势能

【例1】　将带电荷量为6×10－6C的负电荷从电场中A点移到B点，克服静电力做了3×10－5J的功，再从B点移到C点，静电力做了1.2×10－5J的功，则

(1)如果规定A点的电势为0，则C点的电势是多少？

(2)如果规定B点的电势为0，则C点的电势是多少？

思路点拨：(1)克服电场力做功，就是电场力做负功。

(2)在计算过程中各量都要带有正、负号。

[解析]　(1)负电荷从A到C，静电力做功WAC＝WAB＋WBC＝－3×10－5J＋1.2×10－5 J＝－1.8×10－5 J

静电力做负功表示电势能增加了1.8×10－5 J。

如果规定A点电势为0，则负电荷在C点的电势能为

EpC＝1.8×10－5 J

C点电势φC＝＝＝－3 V。

(2)如果规定B点电势为0，则电荷在B点电势能为0，由题意知，负电荷由B到C，静电力做功

WBC＝EpB′－EpC′＝1.2×10－5 J

EpC′＝－1.2×10－5 J

C点的电势φC′＝＝＝2 V。

[答案]　(1)－3 V　(2)2 V

1电势和电势能具有相对性，要求某点的电势，一定要注意选哪儿为零电势点。

2由定义式φ＝求电势时，将各量的正、负号直接代入计算。

1．(多选)在点电荷产生的电场中有一条电场线，其上两点A和B，如图所示，比较A、B两点电势高低和电场强度的大小，如规定无限远处电势为0，则下列说法可能正确的是(　　)

A．EA＞EB，φA＞φB＞0　 B．EA＞EB,0＞φA＞φB

C．EA＜EB，φA＞φB   D．EA＜EB,0＞φA＞φB

AD　[顺着电场线方向电势降低，所以φA>φB，由于只有一条电场线，无法看出电场线疏密，也就无法判定电场强度大小，同样无法判定当无限远处电势为0时，A、B两点的电势是大于0还是小于0。若是由正点电荷形成的电场，则EA>EB，φA>φB>0；若是由负点电荷形成的电场，则EA<EB,0>φA>φB。故A、D正确。]

如何求电场中两点A、B的电势之差？

提示：根据移动电荷从A点到B点电场力做的功，利用WAB＝qUAB，计算求得UAB。

1．对电势差的几点认识

(1)电场中两点间的电势差，由电场本身决定，与在这两点间移动的电荷的电荷量、静电力做功的大小无关。在确定的电场中，即使不放入电荷，任何两点间的电势差也有确定值。

(2)对于电势差必须明确指出是哪两点间的电势差，而且先后顺序不能乱。如A、B间的电势差记为UAB，B、A间的电势差记为UBA，而UAB＝－UBA。

(3)电势差为标量，有正、负之分，电势差的正负表示电场中两点电势的高低。

(4)电场中两点间的电势差与零电势点的选取无关。

2．电势差与电势的对比

【例2】　有一带电荷量q＝－3×10－6 C的点电荷，从电场中的A点移到B点时，克服静电力做功6×10－4 J，从B点移到C点时，静电力做功9×10－4 J。求：

(1)AB、BC、CA间电势差各为多少？

(2)如果B点电势为零，则A、C两点的电势各为多少？电荷在A、C两点的电势能各为多少？

思路点拨：(1)可根据UAB＝分析电势差。

(2)可由φ＝确定电势及电势能。

[解析]　(1)根据U＝

则UAB＝ V＝200 V

即φA－φB＝200 V

UBC＝ V＝－300 V

即φB－φC＝－300 V

UCA＝φC－φA＝100 V。

(2)若φB＝0，则φA＝200 V，φC＝300 V

EpA＝φAq＝200×(－3×10－6) J＝－6×10－4 J

EpC＝φCq＝300×(－3×10－6) J＝－9×10－4 J。

[答案]　(1)200 V　－300 V　100 V

(2)200 V　300 V　－6×10－4 J　－9×10－4 J

上例中，若规定A点电势为零，则B、C两点的电势各为多少？电荷在B、C两点的电势能各为多少？

提示：若φA＝0，则φB＝－200 V，φC＝100 V，EpB＝φBq＝(－200)×(－3×10－6) J＝6×10－4 J

EpC＝φCq＝100×(－3×10－6)J＝－3×10－4 J。

利用公式UAB＝计算电势差的两种方法

方法一：各物理量均带正、负号运算，但代表的意义不同。WAB的正、负号表示正、负功；q的正、负号表示电性；UAB的正、负号反映φA、φB的高低。计算时W与U的角标要对应，即WAB＝qUAB，WBA＝qUBA。

方法二：绝对值代入法。WAB、q、UAB均代入绝对值，然后再结合题意判断电势的高低。

训练角度1：对电势差的认识

2．下列说法正确的是(　　)

A．电场中两点间电势的差值叫作电势差，也叫作电压

B．电势差与电势一样，是相对量，与零电势点的选取有关

C．UAB表示B点与A点之间的电势差，即UAB＝φB－φA

D．A、B两点间的电势差是恒定的，不随零电势点的改变而改变，所以UAB＝UBA

A　[电场中两点间电势的差值叫作电势差，也叫作电压，A正确；电势差的大小与零电势点的选取无关，B错误；电势差可以反映出两点电势的高低，UAB＝φA－φB＝－UBA，而电压只是电势差的大小，C、D错误。]

训练角度2：电势差与电势的关系

3．在某电场中，A、B两点间的电势差UAB＝60 V，B、C两点间的电势差UBC＝－50 V，则A、B、C三点电势高低关系是(　　)

A．φA＞φB＞φC　　　　 B．φA＜φC＜φB

C．φA＞φC＞φB   D．φC＞φB＞φA

C　[因为UAB＝φA－φB＝60 V>0，所以φA>φB，又UBC＝φB－φC＝－50 V<0，所以φB<φC，又UAC＝UAB＋UBC＝60 V＋(－50 V)＝10 V>0，所以φA>φC，故φA>φC>φB。C正确。]

当电荷从同一等势面上的A点移到B点时，电荷的电势能是否变化？静电力做功情况如何？等势面与电场线垂直吗？

提示：电势能不变，静电力做功为零，等势面与电场线垂直。

1．等势面的特点

(1)在等势面上任意两点间移动电荷，电场力不做功。

(2)在空间中两等势面不相交。

(3)电场线总是和等势面垂直，且从电势较高的等势面指向电势较低的等势面。

(4)在电场线密集的地方，等差等势面密集；在电场线稀疏的地方，等差等势面稀疏。

(5)等势面是为描述电场的性质而假想的面。

(6)等势面的分布与零电势点的选取无关。

2．几种常见电场的等势面

3．电场线与等势面的区别与联系

【例3】　(多选)如图所示，一带电粒子在两个固定的等量正点电荷的电场中运动，图中的实线为等势面，虚线ABC为粒子的运动轨迹，其中B点是两点电荷连线的中点，A、C位于同一等势面上。下列说法正确的是(　　)

A．该粒子可能带正电

B．该粒子经过B点时的速度最大

C．该粒子经过B点时的加速度一定为零

D．该粒子在B点的电势能小于在A点的电势能

思路点拨：(1)由轨道凹向知粒子带负电。

(2)在B点合场强为零，所受电场力为零。

CD　[由该粒子的运动轨迹知，最初粒子受到吸引力，由固定电荷带正电可知，该粒子一定带负电，故A错误；因为粒子从A到B的过程中，只受电场力且电场力先做正功后做负功，由动能定理知，动能先增大后减小，故在B点的动能不是最大，则经过B点时的速度不是最大，故B错误；B点是两点电荷连线的中点，合电场强度为零，故粒子在该点受力为零，加速度为零，故C正确；等量正点电荷连线的中垂线上，连线中点，电势最高，可知φA<φB，因粒子带负电，由Ep＝φq得EpA>EpB，故D正确。]

1已知等势面的情况时，可作等势面的垂线来确定电场线，并由“电势降低”的方向确定电场线方向。

2已知电场线时，可作电场线的垂线来确定等势面，并由“沿电场线方向电势降低”确定等势面的电势高低。

4．关于等势面的说法，正确的是(　　)

A．电荷在等势面上移动时，由于不受电场力作用，所以电场力不做功   

B．同一个等势面上各点的电场强度大小相等   

C．两个电势不相等的等势面可能相交

D．若相邻两等势面间的电势差相等，则等势面的疏密程度能反映场强的大小

D　[等势面由电势相等的点组成，电场线垂直于等势面，因此电荷在等势面上移动时，电场力不做功，但仍受电场力的作用，A错误；等势面上各点电场强度大小不一定相等，等势面不可能相交，B、C错误；等差等势面的疏密程度能反映电场强度的大小，D正确。]

带电粒子可能在匀强电场中运动，也可能在非匀强电场中运动，可能是只在静电力作用下运动，也可能是在多个力作用下运动，可能是做直线运动，也可能是做曲线运动……

思考：公式WAB＝qUAB适用于任何电场吗？适用于带电粒子受多个力的情况吗？功的公式W＝Fscos θ可以用来计算静电力做的功吗？

提示：公式WAB＝qUAB适用于任何电场，也适用于带电粒子受多个力的情况，功的公式W＝Fscos θ是功的定义式，对任何力做功都可以适用，一般用于求恒力做功，如匀强电场中电场力做功。

1．静电力做功的四种求法

2．应用公式WAB＝qUAB时的两点注意

(1)WAB、UAB、q均可正可负，WAB取负号表示从A点移动到B点时静电力对电荷做负功，UAB取负号表示φA<φB，q取负号表示试探电荷为负电荷。

(2)应用公式WAB＝qUAB求解时，可将各量的正负号及数值一并代入进行计算。也可以将各物理量都取绝对值，先计算大小，再根据电荷的移动方向及所受电场力的方向的具体情况来确定电场力做功的正负。

【例4】　如图所示，光滑绝缘的细杆竖直放置，它与以正电荷Q为圆心的某圆交于B、C两点，质量为m、带电荷量为－q的有孔小球从杆上A点无初速度下滑，已知q≪Q，AB＝h，小球滑到B点时的速度大小为，其中g为重力加速度，求：

(1)小球由A到B的过程中静电力做的功；

(2)A、C两点间的电势差UAC。

思路点拨：(1)点电荷形成的电场中，距离点电荷相等的点电势相等。

(2)电场力做功与路径无关，做功的多少与初末位置的电势差有关。

[解析]　(1)因为杆是光滑的，所以小球从A到B的过程中只有两个力做功，即静电力做的功WAB和重力做的功mgh，由动能定理得WAB＋mgh＝mv

代入已知条件vB＝得

WAB＝m·3gh－mgh＝mgh。

(2)因为B、C在同一等势面上，所以φB＝φC

即UAC＝UAB＝＝－。

[答案]　(1)mgh　(2)－

静电场中功能关系问题的三种情况

(1)合力做功等于物体动能的变化量，即W合＝ΔEk。这里的W合指合外力做的功。

(2)电场力做功决定物体电势能的变化量，即WAB＝EpA－EpB＝－ΔEp。这与重力做功和重力势能变化之间的关系类似。

(3)只有电场力做功时，带电体电势能与动能的总量不变，即Ep1＋Ek1＝Ep2＋Ek2。这与只有重力做功时，物体的机械能守恒类似。

5．(多选)一个带电小球在从空中a点运动到b点的过程中，重力做功3 J，电场力做功1 J，克服空气阻力做功0.5 J，则小球(　　)

A．在a点的重力势能比在b点的重力势能大3 J

B．在a点的动能比在b点的动能小3.5 J

C．在a点的电势能比在b点的电势能小1 J

D．在a点的机械能比在b点的机械能小0.5 J

ABD　[重力做正功，重力势能减小；电场力做正功，电势能减小；电场力和空气阻力做功的代数和等于小球机械能的变化量，A、B、D正确。]

1．下列四个图中，a、b两点电势相等、电场强度矢量也相等的是(　　)

A　　　　B　　　　　C　　　　D

D　[匀强电场的等势面是一系列的平行平面，A图中a、b两点不在同一等势面上，所以，这两点的电势是不相等的，但这两点的电场强度相等；B图中a、b两点在同一个等势面上，电势相等，但这两点的电场强度矢量大小相等、方向不同；C图中a、b两点对称于两电荷的连线，所以电势相等，但在中垂线上电场强度的方向是平行于中垂线的，而且都指向外侧，故两点的电场强度的方向不同；D中，a、b两点的电势相等，电场强度的方向是沿连线的，而且大小相同，故D正确。]

2．如图所示，a、b是电场线上的两点，将一点电荷q从a点移到b点，电场力做功W，且已知a、b间的距离为d，以下说法正确的是(　　)

A．a、b两点间的电势差为

B．b、a两点间的电势差为

C．b点的电势为

D．a点的电势为

A　[由W＝qU知a、b两点间的电势差Uab＝，所以Uba＝－，所以A项正确，B项错误；题中没有指明零电势点，所以C、D项错误。]

3．有一电场的电场线如图所示。电场中a、b两点的电场强度的大小和电势分别用Ea、Eb和φa、φb表示，则(　　)

A．Ea＞Eb，φa＞φb　 B．Ea＞Eb，φa＜φb

C．Ea＜Eb，φa＞φb   D．Ea＜Eb，φa＜φb

A　[电场线越密，电场强度越大，所以Ea>Eb，由题图所示电场线分布特点，结合沿电场线方向电势降低，可知a点的电势高于b点的电势，即φa>φb，A正确。]

4．情境：如图为某一平面内非匀强电场的等势线分布图，已知相邻的等势线间的电势差大小相等，其中A、B两点电势分别为φA＝10 V，φB＝2 V。

问题：(1)比较A、B两点电场强度的大小；

(2)若将一电子从A点沿某一路径运动到B点，则电子的电势能如何变化？变化了多少？

[解析]　(1)等差等势面密的地方电场强度大，B处的等势面密，所以B点的电场强度大。

(2)根据公式：W＝qU得：

W＝qU＝－e·(φA－φB)＝－1.6×10－19×8 J＝－1.28×10－18 J

电场力做负功，电子的电势能增大，增大了1.28×10－18 J。

[答案]　(1)B点的电场强度大  (2)增大　1.28×10－18 J