高中物理1 功和内能教学设计

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功和内能 扩展资料物体的内能是状态的函数　　早在19世纪，焦耳就通过大量的实验指出，当物体（如水）的状态从确定的状态1（设其温度为 ）改变到确定的状态2（设其温度为 ）时，如不从外界吸热，也不放热，只通过做机械功或电功来改变物体的状态时，实验测得在不同的过程中的功的数值都相等，也就是说，这个功和改变状态的过程无关，只由状态1和状态2决定．我们把这种由物体内部状态决定的能量就叫做物体的内能．物体的状态一定时，它的内能也一定．所以说内能是状态的单值函数．例如一定质量理想气体的内能是温度的函数，可写作 ，实验气体的内能则是温度和体积的函数 ．一定质量的气体的状态参量p、V、T既经确定之后，与这个状态相应的内能只有一个数值．设 分别表示物体在状态1和状态2时的内能，如果物体没有跟外界发生热交换，测出改变物体状态时所消耗的功，就可以确定两个状态的内能差 了．　　在一般的情况下，物体的状态发生变化时，做功和热传递往往是同时存在的，无论物体状态变化经历怎样的过程，只要两个状态确定了，内能的变化也就确定了．实际上我们用到的只是内能的变化．内能的变化可以用做功和传递的热量来量度．物体在某一状态的内能的绝对值是无法测定的．用弹簧小球模型研究分子势能    分子势能是分子间由于相对位置而具有的能，它的变化是由于分子力做功而产生的，因此，单独说某一个分子的分子势能是毫无意义的．为了理解分子势能的特点，我们可以借助于弹簧小球模型．两个小球中间用弹簧相连接，小球分别代表两个分子．当弹簧处于原长时，表示分子间距离 ，分子力的合力为零；当 时，分子力表现为引力，若使距离增大，需克服引力做功，两分子所组成的分子系统的分子势能将增加；当 时，分子力的合力为斥力，当要减小两分子间距离时，需要克服分子斥力做功，系统的分子势能也将增加．可见，当 时，系统的分子势能最小．热量与热能　　业已证明，欲使物体的内能增加，可以通过两种不同的方式来达到。一是直接对物体作宏观机械功。如焦耳当初用以测定热功当量的实验，就是用机械作功的方法搅动水银，使水银的内能增大，从而使水银的温度升高的；又如，把两物体摩擦，两物体的内能都能增大，从而使它们的温度升高，另一种方式是把物体与另一高温物体直接热接触，通过一定时间，低温物体的温度也能升高直至与高温物体温度相同。后者的物理本质是：当低温物体与高温物体接触在一起后，两物体的分子在边界上互相碰撞，交换动量和能量，交换的结果就使得两个物体分子无规则运动剧烈程度趋于一致，平均平动能当然亦相等，这时两物体的温度自然地趋于一致。从能量守恒的观点看，此过程中必定是高温物体中一部分能量通过分子间的无规则碰撞传给了低温物体。能量的这种传递方式在热学中就称作热传递。这里所论的“能量”显然是指物体的内能，而内能中又包含着热能。故热传递结果又必然是高温物体的内能减少，低温物体的内能增加。于是，热学上把热传递过程中物体内能的这种改变量称作为热量。可见，热量并不是物体的内能，更不是物体的热能，而是物体（系统）在热传递过程中内能改变量的量度。或者可以说，热量是在热传递过程中传递的能量。离开物体（系统）状态的变化，即物体（系统）内能的改变，去谈论什么热量是毫无意义的。热量与功一样是个过程量，即热量与具体过程有关系，它既不是状态函数也不是状态参量。    有人认为物体本身就含有热量，高温物体含有的热量多于低温物体含有的热量。所以，当高温物体与低温物体热接触后，高温物体的热量就自动地传给低温物体，直至两者含有相同的热量为止，这时两者就达成了所谓的热平衡。事实上，持有这种热量观的人已不知不觉地陷入了历史上的“热质论”，而“热质论”早已被历史判处“死刑”。    还有一点值得一提。有些物理参考书上把 作为定义热量的依据，实际上，依据此式定义热量也有不妥之处。例如，物体（系统）在等温变化过程中，物体（系统）与外界肯定存在热交换，然而，上式就不能正确地反映出来。    概括以上的讨论，我们可以得出下面的结论：    （1）热能是内能中的一部分，它表达、描述的是物体（系统）所处的某一热力学状态，是一个状态量，而热量反映的是一个热传递过程，它是一个过程量。    （2）热能的大小随温度的变化而变化，而热量只有在特定的热传递过程中才可以把它看成是温度变化的函数（例如 ）。    （3）物体只要在绝对零度以上就存在分子热运动，就有热能和内能，而热量只是在不同物体（或物体的不同部位）之间传递着的能量。所以，没有了过程，热量也就没有意义。    （4）热能的相关物只有一个，而热量的相关物在一般情况下至少要涉及两个。当然，当一个物体内部各处温度不均匀时也存在能量的传递过程，即有热量可论，但这属特殊情况。    （5）热能的相关时间是我们考察它的那个时刻，而热量的相关时间是完成一个热传递过程的那段时间。物体的内能跟机械能的区别    1．能量的形式不同．物体的内能和物体的机械能分别跟两种不同的运动形式相对应，内能是由于组成物体的大量分子的热运动及分子间的相对位置而使物体具有的能．而机械能是由于整个物体的机械运动及其与它物体间相对位置而使物体具有的能．    2．决定能量的因素不同．内能只与（给定）物体的温度和体积有关，而与整个物体的运动速度路物体的相对位置无关．机械能只与物体的运动速度和跟其他物体的相对位置有关，与物体的温度体积无关．    3．一个具有机械能的物体，同时也具有内能；一个具有内能的物体不一定具有机械能．内能与热量的区别内能是一个状态量，一个物体在不同的状态下有不同的内能，而热量是一个过程量，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量．如果没有热传递，就无所谓热量，但此时物体仍有确定的内能．例如，我们只能说“某物体在某温度时具有多少内能”而不能说“某物体在某温度时具有多少热量．”