第10章《靜電場中的能量》整體教學(xué)大單元設(shè)計

一、課程標(biāo)準(zhǔn)

【內(nèi)容要求】

3.1.5知道靜電場中的電荷具有電勢能。了解電勢能、電勢和電勢差的含義。知道勻強電場中電勢差與

電場強度的關(guān)系。能分析帶電粒子在電場中的運動情況，能解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象。

3.1.6觀察常見的電容器，了解電容器的電容，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。能舉例說明電容器的應(yīng)

用。

【活動建議】

(1)通過觀察、查閱資料等方式，了解避雷針的結(jié)構(gòu)和基本原理，撰寫一篇研究報告。

(2)收集資料，綜述靜電的危害，了解預(yù)防的方法。

(3)通過觀察、查閱資料等方式，了解并分析電容器應(yīng)用的實例，撰寫研究報告。

二、單元教材概述

1.教材內(nèi)容

本章是靜電場知識的延續(xù)，聚焦靜電場中的能量特性，是電磁學(xué)與能量觀念結(jié)合的重要章節(jié)。內(nèi)

容包括電勢能與電勢、電勢差、電勢差與電場強度的關(guān)系、電容器的電容、帶電粒子在電場中的運動

等。從能量角度深化對電場的理解，為后續(xù)學(xué)習(xí)恒定電流、電磁感應(yīng)等奠定基礎(chǔ)。

2.教材特點

⑴從“力”到“能量”的視角轉(zhuǎn)換，通過類比法(如重力場與電場)構(gòu)建電勢能、電勢等抽象概念。

(2)注重理論與實踐結(jié)合，如電容器的應(yīng)用、帶電粒子在電場中的加速與偏轉(zhuǎn)等，體現(xiàn)物理知識的實際

價值。

(3)強調(diào)數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，如通過電場力做功推導(dǎo)電勢差公式，結(jié)合動力學(xué)分析帶電粒子運動。

三、學(xué)情分析

1.知識基礎(chǔ)

⑴學(xué)生已掌握靜電場的基本概念(如電場強度、電場線)、庫侖定律、力的合成與分解等知識。

(2)具備能量守恒、動能定理等力學(xué)能量觀念，但對電場與能量的結(jié)合缺乏直觀認(rèn)知。

2.能力水平

⑴具備初步的邏輯推理和公式推導(dǎo)能力，但對電勢、電勢能等抽象概念的理解仍存在困難。

⑵實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析能力有待提升，尤其在探究電容影響因素、處理帶電粒子運動問題時易混淆物

理量。

3.學(xué)習(xí)特點

(1)對生活中的能量現(xiàn)象(如靜電除塵、電容儲能)有一定興趣，但缺乏將現(xiàn)象與物理原理關(guān)聯(lián)的意

識。

⑵擅長通過類比和實驗直觀學(xué)習(xí)，但對跨知識點綜合應(yīng)用(如電場力做功與動能定理結(jié)合)的能力較

弱。

四、單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.物理觀念

⑴理解電勢能的概念，掌握電場力做功與電勢能變化的關(guān)系叼產(chǎn)多/能判斷電勢能的增減。

(2)理解電勢(p和電勢差BB的定義，掌握其單位及物理意義。

(3)掌握勻強電場中電勢差與電場強度的關(guān)系，能結(jié)合電場線分析電勢高低與場強大小。

(4)理解電容器的電容，掌握平行板電容器的決定式，能分析電容的影響因素。

(5)能分析帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)問題，解釋示波器、電子顯微鏡等技術(shù)原理。

2.科學(xué)思維

⑴類比推理：通過重力場與電場的類比，構(gòu)建電勢能、電勢的概念，理解場的能量特性。

(2)模型建構(gòu)：建立“點電荷電場的電勢分布”“平行板電容器電場”等物理模型，解決實際問題。

⑶科學(xué)論證：通過電場力做功的特點，推導(dǎo)電勢差與電場強度的關(guān)系，驗證公式的適用性。

⑷數(shù)學(xué)工具應(yīng)用：運用比值定義法、微元法（推導(dǎo)勻強電場中U=￡"）分析物理量關(guān)系。

3.科學(xué)探究

⑴實驗探究：設(shè)計“探究平行板電容器電容影響因素”的實驗，控制變量（極板間距、正對面積、電介

質(zhì)），分析電容變化規(guī)律。

⑵數(shù)據(jù)分析：通過測量電場中不同位置的電勢，繪制等勢面，探究電勢差與電場強度的關(guān)系。

⑶問題解決：針對帶電粒子在電場中的運動軌跡，提出假設(shè)并通過運動學(xué)公式驗證，培養(yǎng)邏輯推理能

力。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

⑴科學(xué)本質(zhì)：認(rèn)識電場能的物質(zhì)性，理解能量守恒在電場中的體現(xiàn)，建立系統(tǒng)的能量觀念。

（2）社會應(yīng)用：了解電容器在儲能、濾波中的應(yīng)用，以及帶電粒子在電場中運動規(guī)律在醫(yī)療（如X光

機）、航天（如離子推進(jìn)器）中的技術(shù)價值。

⑶環(huán)保意識：通過靜電能量的利用與危害（如靜電放電對電子元件的損傷），培養(yǎng)科技倫理與安全意

識。

五、單元教學(xué)重難點

1.教學(xué)重點

⑴電勢能與電場力做功的關(guān)系，電勢差的計算及應(yīng)用。

⑵勻強電場中電勢差與電場強度的關(guān)系（U=Ed）及其推導(dǎo)。

（3）電容器的電容概念及平行板電容器的決定式應(yīng)用。

（4）帶電粒子在電場中的加速與偏轉(zhuǎn)問題分析（結(jié)合動能定理、類平拋運動）。

2.教學(xué)難點

（1）電勢能、電勢的相對性理解（零勢能面的選擇）及與電場強度的區(qū)別。

⑵電勢差與電場強度關(guān)系的推導(dǎo)（尤其是非勻強電場的定性分析）。

⑶電容器動態(tài)問題分析（如充電后斷開電源，改變極板間距時電勢差、場強的變化）。

（4）帶電粒子在電場中運動的多過程問題（如先加速后偏轉(zhuǎn)）及能量轉(zhuǎn)化分析。

六、教學(xué)方法

L類比法：通過重力場中的高度、重力勢能類比電場中的電勢、電勢能，降低概念理解難度。

2.實驗探究法：開展“電場力做功特點”“電容影響因素”等實驗，培養(yǎng)觀察與數(shù)據(jù)分析能力。

3.問題驅(qū)動法：設(shè)置問題鏈（如“如何用能量觀點分析帶電粒子的運動？”）引導(dǎo)深度思考。

4.模型建構(gòu)法：通過點電荷、平行板電容器等模型，簡化復(fù)雜電場問題，培養(yǎng)抽象思維。

5.多媒體輔助法：利用動畫模擬電場線與等勢面的關(guān)系、帶電粒子偏轉(zhuǎn)軌跡，直觀呈現(xiàn)抽象過程。

七、教學(xué)資源

1.實驗器材：電勢差計、平行板電容器、靜電計、電源、帶電極板、帶電粒子運動演示儀、傳感器

等。

2.多媒體資源：電場電勢分布動畫、電容器充放電模擬視頻、示波器工作原理動畫等。

3.數(shù)字化工具：PhET仿真實驗（如“ElectricFieldHockey”）、Excel數(shù)據(jù)分析軟件。

4.參考資料：教材、教師用書、《電磁學(xué)》拓展閱讀材料、科技應(yīng)用案例（如靜電除塵、電容儲

能）。

八、教學(xué)過程

（-）整體認(rèn)知（2課時）

1.創(chuàng)設(shè)大情境（30分鐘）

（1）視頻導(dǎo)入：播放兩段視頻——①“嫦娥五號”離子發(fā)動機工作原理動畫（展示帶電粒子在電場中加速

產(chǎn)生推力）；②手機快充電路板中電容器充放電慢動作視頻（直觀呈現(xiàn)能量儲存過程）。

（2）現(xiàn)象討論：組織學(xué)生分組討論“視頻中的能量從何而來？電場如何實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化？”引導(dǎo)學(xué)生列舉生

活中靜電能量應(yīng)用實例（如靜電復(fù)印、激光打印機），建立電場與能量的關(guān)聯(lián)認(rèn)知。

2.設(shè)計問題鏈（20分鐘）

⑴基礎(chǔ)問題：電荷在電場中受電場力作用，當(dāng)電荷移動時電場力是否做功？這與力學(xué)中重力做功有何

相似性?

⑵進(jìn)階問題：如何用能量觀點描述電場的特性？電勢差與電場強度都能描述電場，它們的物理本質(zhì)有

何區(qū)別？

⑶綜合問題：電容器儲存的電能如何計算？帶電粒子在電場中運動時，電勢能與動能的轉(zhuǎn)化遵循什么

規(guī)律？

3.設(shè)計大任務(wù)（25分鐘）

⑴任務(wù)要求：以4人小組為單位，利用平行板電容器（可選規(guī)格：極板面積S=200cm2,間距

d=lcm）、直流電源（3V）、靈敏電流計、發(fā)光二極管（額定電壓2V）等器材，設(shè)計“電容儲能點

亮LED”裝置。

（2）驅(qū)動問題：①如何通過改變極板間距或插入電介質(zhì)提高儲能效果？②為什么LED在電路斷開后仍

能短暫發(fā)光？引導(dǎo)學(xué)生在任務(wù)中思考電容儲能與電勢能轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

（二）單元課時設(shè)計（12課時）

第1節(jié)電勢能和電勢（3課時）

第1課時：電勢能與電場力做功

L復(fù)習(xí)導(dǎo)入（5分鐘）：展示“物體在斜面上運動”示意圖，提問：“重力做功與路徑無關(guān)，電場力做功

是否有類似特點？''引導(dǎo)學(xué)生回顧％=6切，類比猜想電場力做功與電勢能的關(guān)系。

2.實驗探究（20分鐘）：

（1）演示實驗：用帶滑輪的絕緣軌道模擬電場，讓帶電小球（q=+10-6c）在勻強電場中沿不同路徑

從A運動到B,用傳感器測量電場力做功數(shù)值，發(fā)現(xiàn)WAB僅與初末位置有關(guān)。

（2）理論推導(dǎo)：結(jié)合點電荷電場中試探電荷q的移動過程，用微元法證明電場力做功與路徑無關(guān)，

得出％AB=Ep「EpB。

3.案例分析（15分鐘）：以“電子在點電荷+Q電場中從『10cm移動到r=5cm”為例，計算電場力做功

與電勢能變化，強調(diào)電勢能的相對性（需規(guī)定零勢能面）。

4.課堂練習(xí)（5分鐘）：

基礎(chǔ)題：判斷正/負(fù)電荷在電場中移動時電勢能的增減；

思考題：若規(guī)定無窮遠(yuǎn)處為零勢能面，分析負(fù)點電荷電場中各點電勢能的正負(fù)。

第2課時：電勢的概念與分布

1.概念引入（10分鐘）：類比“單位質(zhì)量的重力勢能為重力勢（高度）”，提出“單位電荷的電勢能為

電勢"，推導(dǎo)（P=a,強調(diào)（P是描述電場本身性質(zhì)的物理量，與試探電荷無關(guān)。

2.模型建構(gòu)（20分鐘）:

。點電荷電場：通過＜P=k?,分析正/負(fù)點電荷電場中電勢的分布規(guī)律（離正電荷越近中越高，離

負(fù)電荷越近cp越低）。

。勻強電場：結(jié)合電場線方向，說明沿電場線方向電勢均勻降低，等勢面與電場線垂直。

3.可視化教學(xué)（15分鐘）：用Mathematica繪制等量異種電荷的電勢云圖，讓學(xué)生觀察電勢高低與顏

色深淺的關(guān)系，理解電勢的空間分布。

4.易錯辨析（5分鐘）：對比“電場強度E大的地方電勢＜p一定高”的錯誤觀點，舉例：負(fù)點電荷附近

E大但＜p為負(fù)值，強化E與＜p的獨立性。

第3課時：電勢能與電勢的綜合應(yīng)用

L復(fù)習(xí)導(dǎo)入（5分鐘）：提問“電勢（p與電勢能Ep的決定因素”，通過表格對比兩者的定義、單位及影

響因素。

2.例題精講（25分鐘）:

Q）類型1：在勻強電場中，已知三點電勢，求電荷移動時電勢能的變化（如q=-2（iC從＜p=5V移動

至I］（p=-3V,計算W及AEp）。

（2）類型2：在點電荷+Q的電場中，有a、b兩點，距Q分別為r和2r,求將q=+lnC從a移到b

時電場力做功及電勢能變化。

3.分組討論（15分鐘）：給出某電場的等勢線分布圖，小組合作完成：①繪制電場線；②判斷各點場

強大?。虎鄯治稣?負(fù)電荷在各點的電勢能高低。

4.課堂檢測（5分鐘）：設(shè)置選擇題，考察電勢與電勢能的關(guān)系，如“同一電荷在電勢越高的地方電勢

能一定越大嗎？

第2節(jié)電勢差（2課時）

第1課時：電勢差的定義與計算

1.情境引入（8分鐘）：展示某電池兩極電勢分別為（pl=1.5V和<p2=0V,提問：“兩極間電勢差是多

少？電荷從正極到負(fù)極電勢能如何變化？"弓I出UAB=（pA-（pBo

2.公式推導(dǎo)（15分鐘）：由WAB=EpA-EpB=q（（pA-（pB）,得出UAB=WAB/q,強調(diào)UAB的單位

為V,且與q無關(guān)。

3.實例計算（20分鐘）:

（1）案例1：在電場中，將q=+3C從A移至ijB,電場力做功12J,求UAB；若q=-2C從B移到

A,求W及AEpo

（2）案例2：已知某電場中A（5V）、B（-3V）、C（0V）,計算SB、UAC,并分析電荷q=+lC從

A—B-?C的總功與直接A—>C的功是否相等（臉證U/B+UBLUAC）。

4.課堂小結(jié)（7分鐘）：用流程圖梳理“電場力做功-電勢能變化一電勢差”的邏輯關(guān)系，強調(diào)UAB的正

負(fù)反映電勢高低（若：SB>0則W40B）。

第2課時：電勢差的綜合應(yīng)用

L復(fù)習(xí)導(dǎo)入（5分鐘）：通過"UAB=WAB/q”的變形式，提問：“已知U和q,如何求電場力做功？電

勢能變化與哪些因素有關(guān)？”

2.綜合例題（25分鐘）:

（1）題型1：帶電粒子在非勻強電場中運動，如電子從電勢為200V的極板逸出，到達(dá)電勢為-

100V的極板時速度多大？（用qgA所求解）。

（2）題型2：結(jié)合電場線與等勢線，如某電場中相鄰等勢面的電勢差為2V,電場線方向向右，

判斷各點電勢高低及場強方向。

?實驗?zāi)M（15分鐘）：用PhET的“ElectricFieldHockey”仿真實驗，讓學(xué)生通過調(diào)整電勢差，控制帶

電粒子的運動軌跡，體會U對粒子能量的影響。

?拓展思考（5分鐘）：討論“電勢差與電壓的關(guān)系”，聯(lián)系初中電路知識，說明電源電動勢等于正負(fù)極

間的電勢差。

第3節(jié)電勢差與電場強度的關(guān)系（2課時）

第1課時：理論推導(dǎo)與公式應(yīng)用

1.復(fù)習(xí)導(dǎo)入（7分鐘）：回顧勻強電場中電場力若電荷q沿電場線方向移動距離4計算電場

力做功的必"；結(jié)合用=2，推導(dǎo)U=￡4強調(diào)d為沿電場線方向的距離。

2.公式辨析（15分鐘）:

（1）適用條件：僅適用于勻強電場，但非勻強電場中可近似用分析。

（2）單位換算：\Vlm=\NIC,通過量綱推導(dǎo)加深理解。

3.例題精講（20分鐘）：

（1）案例1：平行板電容器兩極板電勢差為100V,間距5cm,求場強E；若插入電介質(zhì)后d變?yōu)?/p>

2cm,U不變，求E的變化。

（2）案例2：某勻強電場中，A、B兩點沿電場線相距2cm,必產(chǎn)50匕求E；若AB連線與電場線

夾角為60°,求沿AB移動q=+2nC時的W。

?圖像分析（8分鐘）：給出某電場的U-x圖像（電勢隨位置變化），引導(dǎo)學(xué)生通過斜率判斷場強大

小。

第2課時：實驗探究與綜合應(yīng)用

?實驗設(shè)計（25分鐘）：

。目的：探究平行板電容器內(nèi)電勢差與場強的關(guān)系。

器材：導(dǎo)電紙、電源、探針、靈敏電流計、直尺。

。步驟：①在導(dǎo)電紙上建立勻強電場；②用探針測量不同位置電勢，繪制等勢線；③計算相鄰等

勢線的AU和沿電場線的Ad,驗證。=加。

?數(shù)據(jù)處理（15分鐘）：小組匯報實驗數(shù)據(jù)，用Excel繪制U-d圖像，分析斜率是否等于理論場強，討

論誤差來源（如導(dǎo)電紙電阻不均勻）。

?實際應(yīng)用（10分鐘）：講解“靜電除塵器”中，通過提高極板間U來增大E,從而增強對粉塵的吸引

力，結(jié)合公式U=Ed分析極板間距對除塵效率的影響。

第4節(jié)電容器的電容（3課時）

第1課時：電容的概念與充放電

L類比導(dǎo)入（8分鐘）：展示不同粗細(xì)的水杯，倒入相同水量時水位上升不同，類比“電容器儲存電荷

的能力——電容C=["，強調(diào)C與Q、U無關(guān)，僅由電容器本身決定。

2.實驗演示（20分鐘）：

（1）充放電過程：用平行板電容器、電源、開關(guān)、燈泡組成電路，觀察充電時燈泡逐漸變暗，放電

時燈泡短暫發(fā)光，用靜電計測量U的變化，結(jié)合。=cu分析電荷移動規(guī)律。

（2）能量轉(zhuǎn)化：用動畫展示充電時電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電場能，放電時電場能轉(zhuǎn)化為電能。

3.概念辨析（15分鐘）：對比“C=*（定義式）與“C=M”（決定式），說明C的決定因素（極板面

U47TKa

積S、間距d、電介質(zhì)4）。

4.課堂練習(xí)（7分鐘）：基礎(chǔ)題：某電容器C=10|iF,充電后Q=2xl（y4c,求u;思考題：若電容器始

終與電源相連，增大d,C、Q、U如何變化？

第2課時：平行板電容器的決定式探究

1.提出問題（5分鐘）：展示不同規(guī)格的平行板電容器，提問：“為什么有的電容器極板間距很小？插

入玻璃片后儲能能力如何變化？”

2.猜想假設(shè)（10分鐘）：學(xué)生分組討論，提出CVS、d、紅的關(guān)系猜想（如S越大C越大，d越小C

越大）。

3.實驗驗證（25分鐘）:

（1）器材：平行板電容器（極板可移動）、靜電計（測U）、電源、電介質(zhì)（玻璃片、塑料

片）。

（2）步驟：①保持S、a?不變，改變d,記錄U變化（Q不變時，C=Q/U,U與C成反比），?②

保持d、er不變，改變S,記錄U變化；③保持S、d不變，插入不同at?的電介質(zhì)，記錄U變

化。

（3）結(jié)論：歸納C□耳，推導(dǎo)。=衿。

a4忒4

4.誤差分析（10分鐘）：討論實驗中如何保持Q不變（如斷開電源后操作），分析靜電計漏電對數(shù)

據(jù)的影響。

第3課時：電容器的應(yīng)用與動態(tài)分析

1.應(yīng)用案例（20分鐘）：

（1）濾波電路：展示LC濾波電路中電容器的作用，解釋其“通交流、隔直流”的原理（利用充放

電特性）。

（2）超級電容：播放電動汽車超級電容充電視頻，講解其高功率密度特點。

2.動態(tài)問題建模（25分鐘）：

（1）模型1：充電后斷開電源（Q不變），改變d/C=衿和U與得UT,E=y=C=喂

47rkdCa￡r8

（E與d無關(guān)）。

（2）模型2：保持與電源相連（U不變），改變d：c[Q=CU-iE=。；。

aaad

3.課堂檢測（15分鐘）：給出電容器動態(tài)變化的選擇題（如極板間插入金屬板時C、U、E的變

化），用流程圖輔助學(xué)生分析（先定Q或U,再用公式推導(dǎo)）。

第5節(jié)帶電粒子在電場中的運動（2課時）

第1課時：帶電粒子的加速

1.情境引入（7分鐘）：播放示波器電子槍工作視頻，提問：“電子如何獲得高速？”引導(dǎo)學(xué)生用動能

定理qU=%mv吩析加速過程。

2.理論推導(dǎo)（15分鐘）：在加速電場中，初速度為V。的帶電粒子（q、m）經(jīng)電勢差U加速，推導(dǎo)末

速度尸唐+丫口2,若1，口=0,則丫=存。

Vmym

3.例題精講（20分鐘）:

（1）案例1：電子（m=9.1xl0-31kg,q=-e）在U=2000V的電場中從靜止加速，求末速度v（忽

略相對論效應(yīng)）。

（2）案