物理：第1、2節(jié)《能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)》《熱力學第一定律》課件（教科版選修3-3）

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歡迎進入物理課堂 第4章能量守恒與熱力學定律 第1節(jié)能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)第2節(jié)熱力學第一定律 課前自主學案 核心要點突破 課堂互動講練 課標定位 知能優(yōu)化訓練 第1 2節(jié) 課標定位學習目標 1 理解能量守恒定律 會用能量守恒的觀點分析解決有關問題 2 理解物體跟外界做功和熱傳遞的過程及W Q U的物理定義 3 理解熱力學第一定律 并能運用熱力學第一定律分析和計算有關問題 重點難點 1 理解第一類永動機是不可能制成的原因 2 理解 應用熱力學第一定律和能量守恒定律 課前自主學案 一 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)1 能量形式與能量轉化 1 各種能量 自然界存在著多種不同形式的運動 每種運動對應著一種形式的能量 如機械運動對應 分子熱運動對應 電磁運動對應 2 各種能量之間可以互相轉化 不同形式的能量之間可以相互轉化 摩擦可以將 轉化為內能 熾熱電燈發(fā)光可以將 轉化為光能 機械能 內能 電磁能 機械能 電能 2 能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的歷史背景 1 蒸汽技術的發(fā)展 18世紀80年代 蒸汽機的發(fā)展和使用 證明了 可以轉化為 推動了熱力學理論的發(fā)展 2 各種基本運動形式之間普遍聯(lián)系性的發(fā)現(xiàn)17世紀中葉 物理學家提出 運動量 的思想 18世紀未到19世紀初 各種自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系被發(fā)現(xiàn) 的概念被引入 內能 機械能 守恒 能 3 永動機研制的失敗概念 一種不消耗能量卻可源源不斷 的機器叫永動機 并稱為第一類永動機 結果 無一例外地歸于失敗 原因 違背 原理 對外做功 能量守恒 3 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)與確立 1 能量守恒定律內容 能量既不會憑空產(chǎn)生 也不會憑空消失 它只能從一種形式 為另一種形式 或者從一個物體 到另一個物體 在轉化或轉移的過程中 不變 2 意義 各種形式的能可以 各種物理現(xiàn)象可以用 聯(lián)系在一起 轉化 轉移 其總量 相互轉化 能量守恒定律 思考感悟1 不耗油的汽車能不能制成 為什么 提示 能制成 可以用太陽能 電能等能源代替石油能源 制造太陽能汽車 電動汽車等 但是不消耗任何能量的汽車不可能制成 因為它違背能量守恒定律 二 熱力學第一定律1 改變物體內能的兩種方式 與 兩者在改變系統(tǒng)內能方面是等效的 2 熱力學第一定律 1 內容 如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程 那么外界對物體 加上物體從外界 等于物體內能的增加 2 數(shù)學表達式 U 做功 熱傳遞 所做的功 吸收的熱量 Q W 思考感悟2 外界對物體做功10J 物體內能改變了多少 若外界對物體傳遞10J的熱量 物體內能改變了多少 能否說明10J的功等于10J的熱量 提示 無論外界對物體做功10J 還是外界給物體傳遞10J的熱量 物體內能都增加了10J 說明做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的 不能說10J的功等于10J的熱量 因為功與熱量具有本質區(qū)別 核心要點突破 一 功 熱量和內能之間的關系1 功和內能的關系 1 內能與內能變化的關系 物體的內能是指物體內所有分子的動能和勢能之和 因此物體的內能是一個狀態(tài)量 當物體溫度變化時 分子平均動能變化 物體體積變化時 分子勢能發(fā)生變化 因此物體的內能變化只由初 末狀態(tài)決定 與中間過程及方式無關 2 做功與內能變化的關系 做功改變物體內能的過程是其他形式的能 如機械能 與內能相互轉化的過程 在絕熱過程中 外界對物體做多少功 就有多少其他形式的能轉化為內能 物體的內能就增加多少 3 功和內能的區(qū)別 功是過程量 內能是狀態(tài)量 在絕熱過程中 做功一定能引起內能的變化 物體的內能大 并不意味著做功多 在絕熱過程中 只有內能變化較大時 對應著做功較多 特別提醒 在絕熱過程中 外界對系統(tǒng)做功 系統(tǒng)的內能增加 外界對系統(tǒng)做多少功 系統(tǒng)的內能就增加多少 系統(tǒng)對外界做功 系統(tǒng)的內能減少 系統(tǒng)對外界做多少功 系統(tǒng)的內能就減少多少 2 熱量 功和內能之間的關系內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的 狀態(tài)確定了 系統(tǒng)的內能也就隨之確定了 要使內能改變 可以通過做功和熱傳遞兩種方式來完成 功和熱量都是過程量 兩者對改變系統(tǒng)的內能是等效的 但做功是其他形式的能量轉化為內能 功的多少是內能轉化的量度 在絕熱的過程中 對物體做了多少功 內能就增加多少 物體對外做了多少功 內能就減少多少 熱傳遞是內能的轉移 熱量是內能轉移的量度 在沒有做功的情況下 物體吸 收了多少熱量 就增加多少內能 或放出了多少熱量 就減少多少內能 有過程 做功或熱傳遞 才有變化 內能改變 離開過程 功和熱量將毫無意義 就某一狀態(tài)而言 只有 內能 根本不存在 功 和 熱量 因此不能說物體中含有 多少熱量 或 多少功 可以說物體很熱 這指的是物體的溫度很高 特別提醒 熱傳遞改變物體內能的過程是物體間內能轉移的過程 熱傳遞使物體的內能發(fā)生變化時 內能改變的多少可用熱量來量度 物體吸收了多少熱量 物體的內能就增加多少 物體放出了多少熱量 物體的內能就減少多少 即時應用 即時突破 小試牛刀 1 對于熱量 功和內能三者的關系下列說法中正確的是 A 三者單位相同 物理意義相同B 熱量和功是內能的量度C 熱量和功由過程決定 而內能由物體狀態(tài)決定D 系統(tǒng)內能增加了100J 可能是外界采用絕熱方式對系統(tǒng)做功100J 也可能是外界單純地對系統(tǒng)傳熱100J 解析 選CD 熱量 功和內能三者盡管單位相同 但物理意義有本質區(qū)別 A錯 熱量和功由過程決定 內能由物體狀態(tài)決定 熱量和功是內能變化的量度 C對 B錯 對一個絕熱過程 U W 100J 對一個單純熱傳遞過程 U Q 100J D對 二 熱力學第一定律與改變內能的兩種方式1 對熱力學第一定律的理解 1 對 U W Q的理解 熱力學第一定律是對單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內能改變的定量表達推廣到一般情況 既有做功又有熱傳遞的過程 其中 U表示內能改變的數(shù)量 W表示做功的數(shù)量 Q表示外界與物體間傳遞的熱量 2 對公式 U Q W符號的規(guī)定 2 改變內能的兩種方式比較 3 幾種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內能的增加 2 若過程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內能的增加 3 若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對物體做的功等于物體放出的熱量 特別提醒 研究對象為氣體時 膨脹過程 除向真空中自由膨脹外 氣體對外做功 壓縮過程 外界對氣體做功 4 應用熱力學第一定律解題的思路與步驟 1 首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng) 2 分別列出物體 或系統(tǒng) 吸收或放出的熱量 外界對物體 或系統(tǒng) 所做的功或物體 或系統(tǒng) 對外界所做的功 3 根據(jù)熱力學第一定律 U Q W列出方程進行求解 4 特別注意的就是物理量的正負號及其物理意義 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 如圖4 1 1所示 某同學將空的薄金屬筒開口向下壓入水中 設水溫均勻且恒定 筒內空氣無泄漏 不計氣體分子間相互作用 則被淹沒的金屬筒在緩慢下降過程中 筒內空氣體積減小 則空氣 圖4 1 1 A 從外界吸熱B 內能增大C 向外界放熱D 內能減小解析 選C 緩慢下降的過程中 筒內空氣的溫度與水溫始終相同 即空氣溫度不變 由于不計氣體分子間的相互作用 分子勢能始終為零 筒內空氣分子的平均動能不變 所以筒內空氣的內能不變 筒內空氣的體積減小 外界對氣體做功 根據(jù)熱力學第一定律 U W Q 可知筒內空氣向外放熱 三 對能量守恒定律的理解1 能量的存在形式及相互轉化各種運動形式都有對應的能 機械運動有機械能 分子的熱運動有內能 還有諸如電磁能 化學能 原子能等 各種形式的能 通過某種力做功可以相互轉化 例如 利用電爐取暖或燒水 電能轉化為內能 煤燃燒 化學能轉化為內能 列車剎車后 輪子溫度升高 機械能轉化為內能 2 與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的 例如 物體的機械能守恒 必須是只有重力做功 而能量守恒定律是沒有條件的 它是一切自然界現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律 3 能量守恒定律的重要意義 1 找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度 能量 從而把各種自然現(xiàn)象用定量規(guī)律聯(lián)系起來 揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性 2 突破了人們關于物質運動的機械觀念的范圍 從本質上表明了各種運動形式之間相互轉化的可能性 能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍 它是物理學中解決問題的重要思維方法 能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn) 達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中三大發(fā)現(xiàn) 其重要意義由此可見 3 具有重大實踐意義 即徹底粉碎了永動機的幻想 4 第一類永動機失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱量 則有U2 U1 W 就是說 如果系統(tǒng)內能減少 即U2 U1 則W 0 系統(tǒng)對外做功是要以內能減少為代價的 若想源源不斷地做功 就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài) 在無外界能量供給的情況下 是不可能的 特別提醒 層出不窮的永動機設計方案 由于違背了能量守恒定律 無一例外地宣布失敗 人類制造永動機的企圖是沒有任何成功希望的 即時應用 即時突破 小試牛刀 3 2011年浙江金華十校聯(lián)考 如圖4 1 2所示的絕熱容器中 A B各有一個可自由移動的輕活塞 活圖4 1 2塞下面是水 上面是空氣 大氣壓恒定 A B底部由帶有閥門K的管道相連 整個裝置與外界絕熱 原先A中水面比B中高 打開閥門 使A中的水逐漸向B中流動 最后達到平衡 在這個過程中 下面說法正確的是 A 大氣壓力對水做功 水的內能不變B 水克服大氣壓力做功 水的內能減少C 大氣壓力對水不做功 水的內能不變D 大氣壓力對水不做功 水的機械能減少 內能增加解析 選D 水的體積未變 故大氣壓力不做功 故A B錯 該過程中水的重心降低 重力勢能減少 機械能轉化為水的內能 故D對 課堂互動講練 對于熱量 功和內能三者的說法正確的是 A 熱量 功 內能三者的物理意義相同B 熱量 功都可以作為物體內能的量度C 熱量 功 內能的單位不相同D 熱量和功是由過程決定的 而內能是由物體狀態(tài)決定的 精講精析 物體的內能是指物體所有分子的動能和分子勢能的總和 而要改變物體的內能可以通過做功和熱傳遞兩種途徑 這三者的物理意義不同 A項錯 熱量是表示在熱傳遞過程中物體內能變化多少的物理量 而功也是用做功的方式來量度改變物體內能多少的物理量 B項錯 三者單位都是焦耳 C項錯 熱量和功是過程量 內能是狀態(tài)量 D項正確 答案 D 方法總結 區(qū)別熱量 功和內能的技巧 1 就某一狀態(tài)而言 只有 內能 根本談不上 熱量 和 功 2 就某一過程而言 內能 有變化 與 熱量 功 對應 3 一個物體的內能無法計算 但物體的內能變化是可以計算的 2011年高考江蘇卷 1 如圖4 1 3所示 一演示用的 永動機 轉輪由5根輕桿和轉軸構成 輕桿的末端裝有用形狀記憶合金圖4 1 3制成的葉片 輕推轉輪后 進入熱水的葉片因伸展而 劃水 推動轉輪轉動 離開熱水后 葉片形狀迅速恢復 轉輪因此能較長時間轉動 下列說法正確的是 A 轉輪依靠自身慣性轉動 不需要消耗外界能量B 轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C 轉動的葉片不斷攪動熱水 水溫升高D 葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 2 如圖4 1 4所示 內壁光滑的汽缸水平放置 一定質量的理想氣體被活塞密封在汽缸內 外界大氣壓強為p0 現(xiàn)對汽缸緩慢加熱 氣體吸收熱量Q后 體積由V1增大為V2 則在此過程中 氣體分子平均動能 選填 增大 不變 或 減小 氣體內能變化了 圖4 1 4 精講精析 1 該永動機葉片進入水中 吸收熱量而伸展劃水 推動轉輪轉動 離開水面后向空氣中放熱 葉片形狀迅速恢復 所以轉動的能量來自熱水 由于不斷向空氣釋放熱量 所以水溫逐漸降低 A B C錯 D對 2 氣體做等壓變化 體積變大 溫度升高 平均動能增大 內能的變化為 U Q p0 V2 V1 答案 1 D 2 增大Q p0 V2 V1 方法總結 1 要明確研究的對象是哪個物體或者說是哪個熱力學系統(tǒng) 2 應用熱力學第一定律計算時 要依照符號法則代入數(shù)據(jù) 對結果的正 負 也同樣依照符號法則來解釋其意義 2011年德州高二檢測 如圖4 1 5所示 一個質量為20kg的絕熱汽缸豎直放置 絕熱活塞的質量為5kg 處于靜止狀態(tài)時被封閉圖4 1 5氣體的高度為50cm 現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體 待穩(wěn)定后 被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm 求在這一過程中氣體的內能增加了多少 g取10m s2 不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力 思路點撥 1 絕熱過程內能增加 則應為其他形式的能轉化為內能 2 絕熱過程表示不吸熱 也不放熱 導熱性能良好且過程緩慢 表示此過程有熱傳遞發(fā)生且及時充分 保持溫度不變 自主解答 由能的轉化與守恒定律可知 內能的增加等于活塞和物體重力勢能的減少 U E M m gh 15 5 10 50 40 10 2J 20J 答案 20J 變式訓練下列對能量的轉化和守恒定律的認識正確的是 A 某種形式的能量減少 一定存在其他形式能量的增加B 某個物體的能量減少 必然有其他物體的能量增加C 不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器 永動機是不可能制成的D 石子從空中落下 最后停止在地面上 說明機械能消失了 解析 選ABC 能量守恒定律是指能量的總量不變 但更重要的是指轉化和轉移過程中的守恒 在不同形式的能量間發(fā)生轉化 在不同的物體間發(fā)生轉移 不需要任何外界動力而持續(xù)對外做功的機器是違背能量守恒定律的 是永遠不可能制成的 機械能轉化成了其他形式的能量而不能消失 能量是不會消失的 知能優(yōu)化訓練 本部分內容講解結束 點此進入課件目錄 按ESC鍵退出全屏播放 謝謝使用 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全