2020-2021学年3 热力学第一定律 能量守恒定律教案设计

 热力学第一定律 能量守恒定律

【教学目的】

1、理解热力学第一定律的形式和内涵，并能用热力学第一定律解决有关问题

2、掌握能量守恒定律，能从能量守恒定律的角度理解热力学第一定律

3、知道什么是第一类永动机，能从不同的角度解释第一类永动机不能做成的原因

【教学重点】

热力学第一定律的内容、符号法则

热力学第一定律的应用

【教学难点】

热力学第一定律的符号法则

【教具】

“第一类永动机”模型

【教学过程】

○、引入

学生答问：1、物体体积缩小，分子势能可不可能增大？

2、热量和内能的区别和联系何在？

3、做功和热传递在改变内能方面，实质有何不同？

请大家回忆教材P79第（4）题，我们已经做过的作业…，如果我们将条件改一下，在热传递的同时，外界也对物体做功（或做功的同时，和外界有热交换），情形又会怎样，我们应该怎样定量处理这类问题呢？——

一、热力学第一定律

我们继续刚才的话题——

续教材P79第（4）题、

请大家在下面的表格中填入适当的结果（提示性表述中可用总公司和分公司的结算关系、国内贸易和对外贸易来类比…）：

以上的穷举讨论可不可以上升到理论的高度，用一个精练的式子表达出来呢？

学生寻找关系…教师提示：符号修正→正式板书——

ΔU = Q + W

符号法则：Q——吸热取“+”，放热取“－”；

W——对物体做功取“+”，物体对外界做功取“－”；

规定了右边的符号法则之后，右边事实上成了一个代数的表达式，根据我们的经验，等式左边也会出现负值。下面我们探讨左边的符号法则，在上表中填加一行——

由这个补充可知，ΔU的符号法则为（补充板书）——

ΔU——增加取“+”，减少取“－”。

我们把以上的结论称之为热力学第一定律，它表征的是内能改变、热传递和做功三者之间的定量关系。

下面介绍一个早就被我们所熟知的、一直把它作为一个重要解题依据的规律——

二、能量守恒定律

学生活动：阅读教材P81的相关内容…

共同阅读结论…

虽然从以往的种种事实我们已经知道了能量守恒定律的正确性，但我们今天学习了一个新的定律——热力学第一定律，大家想一想，从热力学第一定律能不能看出能量守恒定律的正确性？

学生从Q和W的实质认识热力学定律的物理内涵…

能量守恒定律的地位表达：能量守恒定律是经过人类的长期探索后，在19世纪确立的。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本定律”，认为它的发现是“19世纪自然科学的三大发现之一”（另两大发现分别是细胞学说和达尔文的生物进化论）。

既然能量守恒定律是伟大的基本定律，那么违背能量守恒定律的人为努力必然也是失败的——

永动机不可能制成

我们把违背能量守恒定律的机器成为“第一类永动机”，因为它希望达到这样的目的：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。下面是几个永动机的设计方案——

教材P82图11-11方案介绍…

补充介绍右图方案…

永动机虽然失败了，但科学家们的愿望是美好的，探索的精神是可贵的，付出的努力也是由价值的。如果没有他们从反面的角度提供这样的素材，我们也不足以认识能量守恒定律的伟大。

五、小结

本节我们学习热力学第一定律和能量守恒定律，内容比较单纯，知识的主线比较清晰。希望我们能够准确理热力学第一定律，掌握它的符合法则，并能用它解决一些相关问题。至于能量守恒，基本属于复习性质，但“第一类永动机”这个概念还是要大家记一记，以便和后面的“第二类永动机”正确地区分。

六、作业布置

阅读教材；

教材P83第（2）（3）上作业本；

1、“和平号”空间站已于2001年3月23日成功地坠落在南太平洋海域，坠落过程中可简化为从一个近圆轨道（可近似看作圆轨道）开始，经过与大气摩擦，空间站的绝大部分经过升温、熔化，最后汽化而销毁，剩下的残片坠入大海。此过程中，空间站原来的机械能中，除一部分用于销毁和一部分被残片带走外，还有一部分能量Eˊ通过其它方式散失，（不考虑坠落过程中化学反应的能量）。

（1）试导出与下列各物理量的符号表示散失能量 Eˊ的公式。

（2）算出Eˊ的数值（结果保留两位有效数字）

    坠落开始时空间站的质量M = 1.17×105Kg；

    轨道离地面的高度为h = 146Km；

    坠落空间范围内重力加速度可看做g = 10 m / s 2；

    入海残片的质量 m = 1.2×104Kg；

    入海残片的温度升高△T = 3000K；

    入海残片的入海速度为声速v = 340m / s

   空间站材料每1千克升温1K平均所需能量C = 1.0×103J；

   每销毁1千克材料平均所需能量μ = 1.0×107J。

【板书设计】

注意“教学过程”的行楷部分，即是板书计划。

【教后感】

一堂起点很低的课，源于过去高三的学生对热力学第一定律总是理解、使用出现偏差。希望以最朴素的方式、最朴素的语言，使新生建立好定律的第一印象。表格的讨论几乎就象小学生做游戏，在过去，这种“无难度”的推导我是不屑于进行的。表达式、符号法则的展示也是极尽可能地明晰、简捷。这种用心的收效若何，不得而知。

本节的中心就有这一个，其它的，做了一些趣味性的点缀。