資源簡介

2.1《靜電力做功與電勢能》課時教案
學科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 魯科版高中物理必修第三冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容位于魯科版高中物理必修第三冊第二章第一節，是“靜電場”單元的承上啟下部分。在學生已掌握庫侖定律、電場強度等基本概念的基礎上，進一步引入靜電力做功的特點和電勢能的概念，為后續學習電勢、電勢差、電容器等內容奠定理論基礎。教材通過類比重力做功引出靜電力做功與路徑無關的特性，進而定義電勢能，邏輯清晰，層次分明，體現了從現象到本質、從具體到抽象的科學思維過程。
學情分析
高二學生已具備一定的力學知識基礎，熟悉重力做功與重力勢能的關系，具備初步的能量觀念和功能關系理解能力。但對“場”的抽象性仍存在認知障礙，容易將電場視為實體而非物理模型。此外，學生在處理矢量與標量轉換、保守力與非保守力區分方面尚不熟練。部分學生可能混淆“電勢”與“電勢能”，需通過情境對比和類比強化辨析。教學中應注重從生活實例出發，借助可視化手段降低抽象性，并通過合作探究促進深層理解。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解靜電力做功的特點，知道其與路徑無關，只與初末位置有關；
2. 掌握電勢能的概念，能運用公式WAB = EpA - EpB進行簡單計算，并理解其正負含義。
科學思維
1. 能通過類比重力場中重力做功與重力勢能的關系，遷移構建靜電場中的能量模型；
2. 能運用功能關系分析帶電粒子在電場中的運動問題，提升模型建構與推理能力。
科學探究
1. 經歷“提出問題—猜想假設—理論推導—得出結論”的探究過程，體會物理學的研究方法；
2. 在小組合作中設計并討論靜電力做功的計算方案，發展交流與協作能力。
科學態度與責任
1. 感受物理規律的普遍性與統一美，增強探索自然奧秘的興趣；
2. 認識電勢能在現代科技（如示波器、質譜儀）中的應用價值，樹立學以致用的責任意識。
教學重點、難點
重點
1. 靜電力做功與路徑無關的特點及其推導過程；
2. 電勢能的概念建立及功能關系表達式WAB = EpA - EpB的理解與應用。
難點
1. 理解電勢能屬于系統所有而非單個電荷所有；
2. 區分電勢能與電勢，避免概念混淆。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、類比遷移法、講授法、合作學習法
教具準備
多媒體課件、動畫演示視頻、靜電場線圖、探究任務單、實物投影儀
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入，激發思考
【5分鐘】 一、創設生活情境，引發認知沖突。 （一）、播放視頻：無人機在空中沿不同軌跡飛行。
教師播放一段無人機從地面起飛，分別以直線、折線、曲線三種路徑上升至同一高度后懸停的視頻片段。隨后提問：“如果這是一架攜帶電荷的小飛行器，在勻強電場中從A點移動到B點，沿著不同的路徑飛行，靜電力所做的功是否相同？”
引導語：我們都知道，在地球表面，無論物體走什么路徑，只要起點和終點的高度差一樣，重力做的功就相等。那么，在電場中，靜電力是否也有類似的性質？這個問題看似簡單，卻隱藏著電磁學中最深刻的對稱之一——保守力的本質。
（二）、回顧舊知，搭建類比橋梁。
教師板書：“重力做功 WG = mgh - mgh = -ΔEp”，并強調：“重力做功只與初末位置的高度有關，與路徑無關。這個特點使得我們可以定義一個叫‘重力勢能’的狀態量。”
追問：“如果我們將‘質量m’換成‘電荷q’，將‘重力加速度g’換成‘電場強度E’，能否在電場中也找到一個類似的能量概念？”
過渡語：正如愛因斯坦所說：“想象力比知識更重要。”今天我們就帶著這樣的類比思維，走進靜電場的能量世界，探尋靜電力做功的秘密。 1. 觀看視頻，思考問題。
2. 回憶重力做功特點。
3. 參與討論，提出猜想。
4. 明確學習目標。
評價任務 猜想合理：☆☆☆
類比遷移：☆☆☆
參與度高：☆☆☆
設計意圖 通過真實情境激發興趣，利用已有知識經驗建立類比聯系，引導學生主動提出問題，形成探究動機，體現“從生活走向物理”的課程理念。
探究新知，層層遞進
【18分鐘】 一、理論推導：靜電力做功與路徑無關。 （一）、設定情境：點電荷電場中的移動。
教師在PPT上展示如下情境：在真空中固定一個正點電荷Q，在其電場中有一個試探電荷q（q > 0），現將其從A點沿任意路徑L緩慢移動到B點。要求學生思考：如何計算靜電力在整個過程中的做功？
提示：“由于電場力是變力（大小方向都在變），不能直接用W = F·s·cosθ計算。我們需要采用微元法思想。”
（二）、引入微元法，推導做功表達式。
教師逐步引導推導：
1. 將整條路徑L分割成無數小段Δl，在每一小段上認為電場力F近似恒定；
2. 每一小段上靜電力做功ΔW ≈ F·Δl·cosα = qE·Δl·cosα；
3. 注意到E·Δl·cosα 正好是電場強度在位移方向上的投影乘以位移，即等于該段路徑在徑向方向上的投影dr；
4. 因此ΔW ≈ q·E·dr；
5. 而根據庫侖定律，E = kQ/r ，代入得ΔW ≈ q·(kQ/r )·dr；
6. 對整個路徑積分得總功 WAB = ∫A^B qE·dl = qkQ ∫rA^{rB} (1/r ) dr = qkQ [ -1/r ]{rA}^{rB} = kqQ (1/rA - 1/rB)
結論：WAB 只與起始位置rA和終止位置rB有關，與中間路徑無關！
（三）、推廣結論：適用于任何靜電場。
教師補充說明：雖然以上推導基于點電荷電場，但可以證明，由靜止電荷產生的任何靜電場都是保守場，靜電力做功均與路徑無關。這是靜電場的基本性質之一。
二、順勢建構：電勢能的概念。 （一）、類比重力勢能，提出電勢能定義。
教師引導：“既然靜電力做功也與路徑無關，那我們就可以像定義重力勢能那樣，定義一個新的能量——電勢能！”
板書定義：電荷在電場中某點具有的電勢能，等于把電荷從該點移到選定的參考點（零勢能點）的過程中，靜電力所做的功。
強調：通常取無窮遠處或大地為零電勢能點。
（二）、建立功能關系，明確數學表達。
教師繼續推導：
1. 設A點電勢能為EpA，B點為EpB；
2. 若將電荷從A移到參考點O，靜電力做功WAO = EpA - 0 = EpA；
3. 同理，WBO = EpB；
4. 則從A到B的過程，靜電力做功WAB = WAO - WBO = EpA - EpB = -ΔEp；
5. 即：WAB = EpA - EpB
舉例說明：若q > 0，從靠近Q的位置移到遠離Q的位置，r增大，WAB > 0，Ep減小，符合“力做正功，勢能減少”的規律。
（三）、澄清誤區：電勢能屬于系統共有。
教師提問：“是誰具有電勢能？是q還是Q？”
組織小組討論，引導學生認識到：電勢能是由q與Q共同形成的系統所共有的，不是某個電荷單獨擁有的。就像兩個人之間的友誼不屬于其中任何一人，而是關系的產物。 1. 跟隨推導過程，記錄關鍵步驟。
2. 理解微元法與積分思想的應用。
3. 參與小組討論，辨析電勢能歸屬問題。
4. 總結功能關系，完成筆記整理。
評價任務 推導準確：☆☆☆
概念理解：☆☆☆
合作交流：☆☆☆
設計意圖 通過嚴謹的數學推導揭示物理規律，培養學生科學思維；借助類比遷移降低認知難度；通過設問與討論突破“電勢能歸屬”這一易錯點，深化對系統觀念的理解。
深化理解，鞏固應用
【12分鐘】 一、典型例題解析，規范解題思路。 （一）、例題呈現：勻強電場中的移動。
題目：如圖所示，水平方向的勻強電場中，場強大小E = 2×10 N/C。一帶正電小球質量m = 0.1 kg，電荷量q = +2×10 C，從A點由靜止釋放，沿直線運動到B點，AB距離d = 0.5 m，方向與電場方向成θ = 60°角。求：
（1）靜電力對小球做的功；
（2）小球電勢能的變化量。
（二）、引導分析，示范解法。
教師逐步引導：
1. 強調：勻強電場中靜電力恒定，可用W = F·d·cosα直接計算；
2. 靜電力F = qE = 2×10 × 2×10 = 0.04 N；
3. 力與位移夾角為60°，故WAB = F·d·cos60° = 0.04 × 0.5 × 0.5 = 0.01 J；
4. 根據功能關系，ΔEp = EpB - EpA = -WAB = -0.01 J，即電勢能減少了0.01 J。
強調：功是過程量，電勢能是狀態量，二者通過WAB = EpA - EpB關聯。
二、變式訓練，拓展思維。 （一）、改變條件：反向移動。
提問：“如果小球從B點返回A點，靜電力做功是多少？電勢能如何變化？”
引導學生回答：WBA = -WAB = -0.01 J，外力克服靜電力做功，電勢能增加0.01 J。
（二）、多電荷系統：疊加原理。
新增問題：“若空間有兩個等量同號固定點電荷，試探電荷從對稱軸上一點移到另一點，其電勢能如何判斷？”
提示學生利用電勢能的標量性和疊加性進行分析，為下一節埋下伏筆。 1. 審題畫圖，提取信息。
2. 參與計算，核對結果。
3. 回答變式問題，深化理解。
4. 記錄典型題型解法。
評價任務 計算正確：☆☆☆
遷移應用：☆☆☆
思維靈活：☆☆☆
設計意圖 通過典型例題強化知識應用，規范解題格式；設置變式訓練提升思維靈活性；適時拓展為后續學習做鋪墊，體現知識的連貫性。
課堂小結，升華主題
【7分鐘】 一、結構化總結：梳理知識脈絡。 （一）、回顧核心內容。
教師帶領學生一起回顧：
1. 靜電力做功特點：與路徑無關，只與初末位置有關；
2. 電勢能定義：電荷在電場中因位置而具有的能量；
3. 功能關系：WAB = EpA - EpB
4. 電勢能屬于電荷與電場源組成的系統共有。
板書關鍵詞：路徑無關 → 保守力 → 勢能 → 功能關系。
二、升華式總結：感悟物理之美。 （一）、哲理提升。
教師深情總結：“今天我們不僅學會了計算電勢能，更觸摸到了自然界的一種深層秩序——保守力的存在讓宇宙變得可預測、可描述。正如費曼所說：‘自然用最簡潔的方式運行。’無論是重力場還是靜電場，它們都遵循著同樣的能量守恒法則。這種統一性，正是物理學最美的地方。”
（二）、社會責任引導。
“電勢能的概念看似抽象，但它支撐著現代科技的大廈——從電子顯微鏡到粒子加速器，從手機芯片到核電站，無一不在利用電場中的能量轉化。希望同學們不僅能掌握知識，更能懷揣一份責任感，未來用你們的智慧去點亮更多未知的光明。” 1. 跟隨回顧，完善筆記。
2. 思考物理本質與意義。
3. 感悟科學精神。
4. 建立學習信心。
評價任務 總結完整：☆☆☆
理解深刻：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
設計意圖 通過結構化梳理幫助學生構建知識體系；結合名人名言和科技應用進行情感升華，落實“科學態度與責任”核心素養，實現知識與價值的雙重提升。
布置作業，延伸學習
【3分鐘】 一、基礎鞏固：課本習題。 （一）、完成教材第38頁“練習與應用”第1、2題。
第1題：在點電荷+Q的電場中，將試探電荷+q從A點移到B點，已知rA = 0.2 m，rB = 0.4 m，求靜電力做的功及電勢能變化。（k = 9×10 N·m /C ）
第2題：判斷下列說法是否正確，并說明理由：
（1）電場中某點電勢能越大，說明該點電勢越高；
（2）電勢能是標量，但有正負，正負表示大小；
（3）靜電力做正功，電勢能一定減少。
二、拓展探究：聯系實際。 （二）、查閱資料，撰寫短文。
請查閱資料，了解“陰極射線管（CRT）”或“質譜儀”中是如何利用電場加速帶電粒子的，并簡要說明其中涉及的靜電力做功與電勢能轉化過程，寫成一篇不少于200字的小短文。 1. 記錄作業內容。
2. 明確完成要求。
3. 思考拓展方向。
4. 提出疑問。
評價任務 按時完成：☆☆☆
書寫規范：☆☆☆
探究深入：☆☆☆
設計意圖 基礎題鞏固課堂所學，辨析常見誤區；拓展題引導學生聯系科技實際，培養信息獲取與表達能力，體現“從物理走向社會”的理念。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 在真空中有一個固定的點電荷Q = +3×10 C，現將另一個點電荷q = +2×10 C從距Q為0.1 m處移到0.3 m處。求：
（1）靜電力對q做了多少功？
（2）q的電勢能改變了多少？是增加還是減少？（已知k = 9×10 N·m /C ）
2. 判斷下列說法是否正確，錯誤的請改正：
（1）電勢能是矢量，方向與電場方向相同；
（2）電荷在電場中某點的電勢能越大，說明它在該點受到的電場力越大；
（3）靜電力做功為零時，電荷的電勢能不變。
二、能力提升題
如圖所示，在等量異種點電荷+Q和-Q連線的中垂線上有一點A，將試探電荷+q從A點沿中垂線向上移動到無窮遠。試分析此過程中：
（1）靜電力對+q做功情況；
（2）+q的電勢能如何變化？
（提示：可結合電場線分布和對稱性分析）
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. 解：
（1）WAB = kQq (1/r_A - 1/r_B) = 9×10 × 3×10 × 2×10 × (1/0.1 - 1/0.3) = 5.4×10 × (10 - 3.33) ≈ 3.6×10 J
（2）ΔEp = -WAB = -3.6×10 J，電勢能減少。
2. （1）錯誤，電勢能是標量；
（2）錯誤，電勢能與電場力無直接大小關系；
（3）正確。
二、能力提升題
解：
（1）在等量異種電荷中垂線上，電場方向處處垂直于中垂線向外（正電荷一側）。當+q沿中垂線向上移動時，位移方向與電場力方向垂直，故靜電力不做功；
（2）因W = 0，由W = EpA - Ep∞，且Ep∞ = 0，得EpA = 0，即全過程電勢能保持為零，不變。
板書設計
靜電力做功與電勢能
──────────────────────
一、靜電力做功特點
結論：與路徑無關，僅與初末位置有關
推導：WAB = ∫ qE·dl = kqQ (1/rA - 1/rB)
類比：重力做功 WG = mg(h - h )
二、電勢能 Ep
定義：EpA = W{A→參考點}
參考點：通常取無窮遠或大地 Ep=0
功能關系：WAB = EpA - EpB = -ΔEp
三、重要說明
● 電勢能屬于“源電荷 + 試探電荷”系統共有
● 標量，有正負，表示相對大小
● 靜電力做正功 → 電勢能減少
● 靜電力做負功 → 電勢能增加
核心思想：保守力 → 勢能 → 能量守恒
教學反思
成功之處
1. 以無人機飛行視頻導入，貼近生活且富有科技感，有效激發了學生的學習興趣和探究欲望；
2. 通過與重力勢能的深度類比，幫助學生順利實現知識遷移，降低了對抽象概念的理解難度；
3. 在“電勢能歸屬”問題上組織小組討論，促進了學生高階思維的發展，課堂生成豐富。
不足之處
1. 微元法推導過程節奏稍快，部分數學基礎薄弱的學生未能完全跟上，今后應增加中間步驟的講解與互動；
2. 例題講解時間略長，導致拓展探究環節略顯倉促，下次可適當精簡例題數量，留出更多時間讓學生自主練習；
3. 板書布局可進一步優化，重點公式應更加突出，便于學生課后復習。

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