“电势能、电势”教学之我见

叶道雄

电势能、电势、电势差、电场力作功等是静电场中非常重要的概念，具有抽象、复杂等特点，使学生难于掌握。笔者从事多年高中物理教学，发现学生对这一部分知识掌握得很差，尤其是概念之间联系更是深感头疼。根据多年的教学经验并结合教学实际，我发现问题的关键在于：学生对概念理解立足点低、知识零星散乱，缺少一根贯穿概念的主线。鉴于此，笔者大胆地将教材的处理方式进行了创新，使得主线清晰、成形，学生掌握知识脉络清楚、循序渐进、思维严密、理论高度高，同时培养了学生抽象思维能力，极大地提高了学生理解问题的能力。

（一）教材对“电势差、电势”的处理：

1、电势差：

①“人教版”必修本第二册127页，教材采用类比的方法：

②电场中A、B两点电势差

③电势差意义：只反映了电场本身的性质,电场中两点间的电势差越大，在这两点间移动相同电荷电场力作功越多。

2、电势 ：

①用电势差来定义电势

②重力场中的高度差、高度来类比电场中电势差、电势

重力场中选一个参考面，重力场中各点高度可以表达出来。

电场中选一个参考面，电场中各点电势可以表达出来

③电势定义：电场中某点的电势，等于单位正电荷由该点移到参考点（零势点）时由场力作的功。

推证：如图示，设电场中 B=O，求 A。

将单位正电荷由A点移到B点，有W=qUAB=q（ A- B）

3、电势能：

①用重力场中物体重力势能来类比电场中电荷的电势能。

②类比分析：

重力作正功，物体重力势能转化为其它形式能；重力作了多少正功，物体就有多少重力势能转化为其它形式能。

电场力作正功，电荷电势能转化为其它形式能；电场力作了多少正功，电荷就有多少电势能转化为其它形式能。

教材完全采用一种类比法手段，重力场类比电场，讲述了电势差、电势、电势能这三个概念。学生对重力场熟悉，由此掌握这些概念也较容易，也符合学生“由已知到未知”，“由此及彼”、“循序渐进”的思维方式。笔者前几年教学也采用了教材这种处理方式，效果也比较好，但同时也遇到一些成绩好，思维好的同学提出了一些问题：比如为什么提出电场中电势差概念？可不可以先讲电势，再讲电势差？重力场中自由释放物体，物体总是由高处向低处运动，电场中自由释放电荷，它一定从高电势向低电势运动吗？此外教材只是提出了电势能，笔者在教学中给学生提了一个问题：同学们能否猜想出电势能的表达式？不少同学用类比法得出结论：电势能应该是电场力与电势乘积，即 （这显然是错误的）。无独有偶，有的同学认为重力场中高度差为△h=WG/G，那么电场中电势差应是U=W电/F电，而不应该是U=W电/q。况且φ是描述电场的能的性质的物理量，而在教材中 的定义体现不出这个意义。

鉴于以上情况，笔者对教材内容重新进行了处理，使得主线明晰，逻辑严密，概念准确，学生一系列的问题得到解决。在此笔者愿意告知同仁，共同商榷，以便探索出一种好的处理方式，努力提高教学水平。若有不妥之处，还请同仁批评指正。

（二）电势能、电势的教学

1、电势能：

①电荷在电场中具有能量

推证：

由能量守恒定律可知：在真空中孤立电荷电场中自由释放—试探电荷可知：该电荷动能会增加，必然伴随着某种能量减少。可推知该试探电荷在电场中具有某种能量。

由功能关系可知：上例中电荷q的运动过程，电场力作了正功，功是能的转化的量度，该过程一定实现了能的转化，可推知该电荷在电场具有某种能量。

由能的概念可知：物体能对外作功则物体就具有能量。

如图示一轻弹簧，一端与一试探索电荷相连，另一端与一挡板相连（以下简称装置），该装置放在真空中孤立点电荷电场中，挡板固定，易知试探电荷会压缩弹簧，即对弹簧作功，可推知：该试探电荷在电场中具有能量。

②我们将电荷在电场中具有的能量叫电荷的电场能，习惯上叫电势能。

③电势能 是标量，单位：焦耳。

④电势能的具体值具有相对性：

A、与重力场中重力势能相类比，要确定重力势能值，必须要选一个零势面。同样要确定电势能值也需先确定一个零势面。

B、零电势面选取是任意的，一般选无穷远处或大地的电势为零。

C、 值的确定：由功能关系可知电荷在电场中某点所具有的电势能等于该电荷从该点移到零势面处电场力作的功。（与重力场相类比，物体在重力场中某点的重力势能，它等于将重物移到零势面处重力作的功）。

D、 值有正负之分，可带符号比较大小，即正电势能一定大于零，零一定大于负电势能。

2、电势：

教法：与E的定义进行类比教学。

电荷在电场中要受到电场力作用 电荷在电场中具有电势能

同一试探电荷在不同点受到电场力不同 同一试探电荷在电场中不同点具有的电势能不同

同一点分别放上不同电量的试探电荷，电荷在该点电场力不同，且知F∝q 同一点分别放上不同电量的试探电荷，电荷具有的电势能不同且知 ∝q

定义E= 定义电势 =

①电势定义：我们将试探电荷在电场中某点具有的电势能与电荷电量的比值定义为该点的电势。

②定义式：

③对 的理解：

A、 虽然由电荷具有的电势能 和电荷电量定义的，但 并不由 .q决定，不能说 与 成正比，与q成反比。

B、 是描述电场的能的性质的物理量，仅由电场本身决定，与是否存在试探电荷无关。

C、 是状态量，只有电场中某点才谈电势。

D、 具有相对性，具体的值与零势面选取有关。（因为 具有相对性）。

E、 越高的地方，正电荷具有的电势能越大，负电荷具有的电势能越小。

F、 的合成遵循法则：代数和。

G、 、 有正有负，可比较大小（带符号）。

3、电势差U（又叫电压）

①定义：

②U的值与零势面选取无关。

③UAB的大小反映电场中A、B两点电势的差值。

④UAB大小反映在A、B两点移动电荷作功的多少。（A、B两点UAB越大，在A、B间移动相同电荷电场力作的功越多，反之，作功越少）。

4、电场力作功：

重力作正功，EP减少 电场力作正功， 减少

重力作负功，EP增加 电场力作负功， 增加

重力作功的值与EP变化值相等 电场力作功的值与 变化值相等

①电场力作功与电势能关系：（类比法教学）

A、

B、电场力作功引起 的变化：电场力作正功， 减少；电场力作负功， 增加，量值相等。

C、 的变化仅由电场力作功判定，与电荷是否受其它力，其它力是否作功均无关，与电荷运动状态、运动情况无关。

D、重力、弹簧弹力、分子力、电场力作功会引起相应的势能变化，规律完全相似。

②电场力作功

推证：将一试探电荷从A移到B点；

A、电场力作功只与电荷电量，始、末位置电势差决定，与电荷的具体运动过程无关，即与路径无关。

B、电场力作功特点与重力作功特点完全类似。

C、电场力作功的求法：

（1）WAB=qUAB(适用于一切电场，是电场力作功的定义式)

（2）WAB=-△ε（适用于一切电场， ）

（3）WAB=qE·S· （只适用于匀强电场）

5、电场线与电势

①沿着电场线的方向，电势越来越低。

推证：如图：将一正试探电荷由电场中A点

移动到B点：WAB>0

易证：

（让学生推导将一负电荷由A点移到B点情况，教师指导）

②电场线方向是电势降低的方向，反过来电势降低的方向不一定是电场线的方向。

比如：A→B，A→C，A→D，A→E的方向均为高度降低的方向，

而只有A→B方向为竖直向下方向。

类比于：沿竖直向下的方向高度降低，但并不是高度降低的方向一定是竖直向下的方向。

③电场线的方向为电势降落最快的方向。

类比于：竖直向下的方向为高度降落最快的方向。

④选无穷无处为零势面，易知：真空中孤立的正点电荷形成的电场中各点电势为正，负点电荷周围电势为负。

以上是笔者对这部分教材的处理。笔者认为：能量贯穿于整个高中物理始终，用能量观点来分析、研究问题往往容易抓住物理问题本质，思路清晰、解法便捷，对培养学生思维很有好处，因此对这部分教材的处理，笔者首先从电势能这个概念入手，采用了类比的方法，逐个讲述，一气呵成。学生反响很好，通过讲述，他们对这些概念有了更深、更进一步的掌握。2008年11月

“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”