2021学年选修3-3第十章 热力学定律3 热力学第一定律 能量守恒定律教案设计
展开热力学第一定律
教学目标
一、知识目标
１.能够从能量转化的观点理解热力学第一定律及其公式表达，公用Δu=W+Q分析和计算问题.
2.掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义.会用能量守恒的观点分析物理现象.
3.能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析，解决有关问题.
4.了解第一类永动机不可能制成的原因.
二、能力目标
１.会用热力学第一定律Δu＝W＋Ｑ分析和计算问题；
2.会用能量转化和守恒的观点分析物理现象.
3.能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题.
三、德育目标
通过形形色色的永动机设计方案的失败，使学生明白不可能不付出代价就从自然界创造动力，而只有有效地利用自然界提供的各种能源.
教学重点
1.能够从能量转化的观点理解热力学第一定律及其公式表达，会用Δu=W+Q分析和计算问题.
2.学会用能量转化和守恒的观点分析物理现象
3.综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题.
教学难点
如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象，如何综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算、分析、解决有关问题.
教学方法
讲练法、分析归纳法、阅读法
教学用具
投影仪、投影片
课时安排
1课时
教学过程
［投影］本节课的学习目标：
１.掌握热力学第一定律及其公式表达，能够从能量转化的观点理解这个定律；
2.会用公式Δu=W+Q分析和计算问题；
3.掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义，会用能量转化和守恒的观点分析物理现象；
4.能综合运用学过的知识，能用能量守恒定律进行有关计算、分析、解决有关问题.
学习目标完成过程
一、引入
［问］改变物体内能的方式有哪些？
［学生］做功和热传递是改变物体内能的两种方式.
［教师］既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么功，热量跟内能的改变之间一定有某种联系，本节课我们就来研究这个问题.
二、新课教学
（一）热力学第一定律
［投影］
1.一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：
①如果外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？
②如果物体对外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？
2.一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：①如果物体吸收热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？ ②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？
［学生解答思考题］
教师总结
一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少.
如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少.
［问］如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化与热量Ｑ及做的功Ｗ之间又有什么关系呢？
［板书］Δu=W+Q
［介绍］该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.
［投影］定律中各量的正、负号及含义
物理量 | 符号 | 意义 | 符号 | 意义 |
W | + | 外界对物体做功 | － | 物体对外界做功 |
Q | + | 物体吸收热量 | － | 物体放出热量 |
Δu | + | 内能增加 | - | 内能减少 |
［投影］例题
一定质量的气体，在被压缩的过程中外界对气体做功３００ J，但这一过程中气体的内能减少了300 J，问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收（或放出）多少热量？
解：由题意知
Ｗ＝300 J Δu=- 300 J，根据热力学第一定律可得:Q=Δu-W=-300 J-300 J=-600 J
Q为负值表示气体放热，因此气体放出６００ J的热量.
［强化训练］
1.如图所示，用力Ｆ压缩气缸中的空气，力Ｆ对空气做了1800 J的功，同时气缸向外放热2000 J，空气的内能改变了多少？
2.关于物体内能的变化，以下说法中正确的是 .
A.物体吸收热量，内能一定增大
B.物体对外做功，内能一定减少
C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
参考解答：
1.由热力学第一定律：Δu=W+Q
得：＋1800 J+(-2000 )J=Δu ∴Δu=-200 J
即空气内能减少了200 J
2.解析：根据热力学第一定律Δu=W+Q，物体内能的变化与外界对气体做功（或气体对外界做功），气体从外界吸热（或向外界放热）两种因素有关，物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故Ａ错，同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，Ｂ错；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，Ｃ正确.而放热与对外做功是使物体内能减小，所以Ｄ错.
所以本题正确答案为Ｃ
（二）能量守恒定律
［教师］通过前边的学习我们知道：做功改变物体内能的过程是内能和其他形式的能的转化过程，热传递改变物体内能的过程是内能从一个物体转移到另一个物体的过程.
［总结］能量可以由一种形式转化为另一种形式，也可以从一个物体转移到另一个物体. ［教师］做功改变物体的内能时，对物体做多少功就有多少机械能转化为等量的内能，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为等量的机械能；在热传递过程中，物体吸收多少热量，内能就增加多少，物体放出多少热量，内能就减少多少.
热力学第一定律表示，做功和热传递提供给一个物体多少能量，物体的能量就增加多少，能量在转化或转移中守恒.
［投影］能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，这就是能量守恒定律. ［学生阅读课文，并叙述能量守恒定律发现的意义］
（三）永动机不可能制成
［介绍］什么是第一类永动机
永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机.
人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机.
［多媒体展示常见的永动机模型］
［介绍永动不可能制成的原因］
根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的.
［对学生进行思想教育］人类利用自然，必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的永动机.
［强化训练］
１.如图所示，Ａ、Ｂ容器中各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定，Ａ、Ｂ底部由带有阀门Ｋ的管道相连，整个装置与外界绝热，原先Ａ中水面比Ｂ中高，打开阀门，使Ａ中的水逐渐向Ｂ中流，最后达到平衡，则在这个过程中，大气压力对水做功是 ，水的内能增加为 （设水的密度为ρ，活塞面积分别为SA、SB，原来Ａ、Ｂ中高度差为h）
2.如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的Ａ、Ｂ两部分气体，Ａ的密度小，Ｂ的密度大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热Ｑ，气体内能增量为Δu，则 .
A.Δu=Q B.ΔU＜Q C.Δu＞Q D.无法比较
３.光滑的水平桌面上有一块质量M=400 g的木块，被一颗质量m=20 g以水平速度
v=500 m/s飞行的子弹击中，子弹射出木块时的速度v=300 m/s.若子弹击中木块的过程中，系统损失的机械能全部转化为内能，其中η=41.8%部分被子弹吸收使其温度升高，已知子弹的比热c=125 J/kg·℃，试求子弹穿过木块过程中升高的温度.
参考答案：
1.打开阀门Ｋ后，根据连通器原理，最后Ａ、Ｂ两管中的水面将相平，即Ａ中的水面下降，Ｂ中的水面上升，设Ａ中水面下降h1，Ｂ管水面上升的距离为h2，由于水的总体积保持不变，故：SAh1=SBh2
A管中的水受到向下的大气压力，与水面下降的方向相同，所以大气压力对水做正功，设大气压强为p0，对水做的功为Ｗ１，则：
W1=F1h1=p0SAh1
B管中的水也受到向下的大气压力，与水面上升的方向相反，所以大气压力对水做负功，用Ｗ２表示大气压力做的功，有：
Ｗ２＝－Ｆ２h2= -p0SBh2
大气压力对水做的总功为：W=W1+W2=p0S1h1-p0S2h2
又S1h1=S2h2 所以W=0
即大气压力对水不做功
阀门打开后，水从高处流向低处.在这个过程中水的重力做正功，所以水的内能增加量等于水的重力势能的减小量.
2.解：Ａ、Ｂ气体开始的合重心在中线下，混合均匀后重心在中线，所以系统重力势能增大，由能量守恒知，吸收热量一部分增加气体内能，一部分增加重力势能.
3.解：子弹穿过木块过程中，水平方向不受外力，由动量守恒可算出木块获得的速度，根据子弹长一木块系统损失的机械能可算出产生的热能，由此可算出子弹所升高的温度.
设子弹穿出木块后，木块的速度设为V,则mV=mV1+MV
即，子弹与木块系统损失的机械能
据能量守恒定律，子弹穿越过程中系统增加的内能为:Δu=ΔE=1580 J
设子弹升高温度为Δt,则：ηΔu=cmΔt
∴Δt=℃=264 ℃
三、小结
本节课我们主要学习了
（一）热力学第一定律：热力学第一定律是研究功、热量和内能改变之间关系的.
如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所作的功Ｗ加上物体从外界吸收的热量Ｑ等于物体内能的增加Δu.
即Δu=Q+W
该定律既适用于外界对物体做功，物体吸热，内能增加的情况，也适用于物体对外做功.向外界散热和内能减少的情况.
为了区别以上两种情况，在应用Δu=Q+W进行计算时，它们的正负号规定如下：
W＞0,表示外界对系统做功；Ｗ＜0,表示系统对外界做功；Q＞0,表示系统从外界吸热；Ｑ＜0，表示系统向外界放热；Δu＞0,表示系统内能增加；Δu＜0,表示系统内能减少；
（二）能量守恒定律
1.能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，这就是能的转化和守恒定律.
2.能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄严宣告永动机幻想的彻底破灭.
四、作业
课本P43 练习六
五、板书设计
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