2019-2020年高中物理 《熱力學(xué)第一定律》教案 滬科版選修3-3

2019-2020年高中物理熱力學(xué)第一定律教案滬科版選修3-3教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)1. 能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解熱力學(xué)第一定律及其公式表達(dá)，公用u=W+Q分析和計(jì)算問題.2能綜合運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)，有關(guān)計(jì)算，分析，解決有關(guān)問題二、能力目標(biāo)1. 會(huì)用熱力學(xué)第一定律u=W+Q分析和計(jì)算問題；2. 會(huì)用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象.三、德育目標(biāo)通過形形色色的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的失敗，使學(xué)生明白不可能不付出代價(jià)就從自然界創(chuàng)造動(dòng)力，而只有有效地利用自然界提供的各種能源.教學(xué)重點(diǎn)能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解熱力學(xué)第一定律及其公式表達(dá)，會(huì)用u=W+Q分析和計(jì)算問題.教學(xué)難點(diǎn)如何用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象，如何綜合運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)，用能量守恒定律進(jìn)行有關(guān)計(jì)算、分析、解決有關(guān)問題.教學(xué)方法講練法、分析歸納法、閱讀法教學(xué)用具投影儀、投影片課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過程投影本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)：1. 掌握熱力學(xué)第一定律及其公式表達(dá)，能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解這個(gè)定律；2. 會(huì)用公式厶u=W+Q分析和計(jì)算問題；學(xué)習(xí)目標(biāo)完成過程一、引入問改變物體內(nèi)能的方式有哪些？學(xué)生做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式.教師既然做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，那么功，熱量跟內(nèi)能的改變之間一定有某種聯(lián)系，本節(jié)課我們就來研究這個(gè)問題.二、新課教學(xué)（一）熱力學(xué)第一定律投影1. 一個(gè)物體，它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，那么： 如果外界做的功為W,則它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？ 如果物體對(duì)外界做的功為W,則它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？2. 個(gè)物體，如果外界既沒有對(duì)物體做功，物體也沒有對(duì)外界做功，那么：如果物體吸收熱量Q,它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？如果放出熱量Q,它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？學(xué)生解答思考題教師總結(jié)一個(gè)物體，如果它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，那么，外界對(duì)它做多少功，它的內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外界做多少功，它的內(nèi)能就減少多少.如果外界既沒有對(duì)物體做功，物體也沒有對(duì)外界做功，那么物體吸收了多少熱量，它的內(nèi)能就增加多少，物體放出了多少熱量，它的內(nèi)能就減少多少.問如果物體在跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，內(nèi)能的變化與熱量Q及做的功w之間又有什么關(guān)系呢？板書u=W+Q介紹該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系，在物理學(xué)中叫做熱力學(xué)第一定律.投影定律中各量的正、負(fù)號(hào)及含義物理量符號(hào)意義符號(hào)意義W+外界對(duì)物體做功一物體對(duì)外界做功Q+物體吸收熱量一物體放出熱量u+內(nèi)能增加內(nèi)能減少投影例題一定質(zhì)量的氣體，在被壓縮的過程中外界對(duì)氣體做功300J,但這一過程中氣體的內(nèi)能減少了300J,問氣體在此過程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？解：由題意知W=300Ju=-300J,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得:Q=Au-W=-300J-300J=-600JQ為負(fù)值表示氣體放熱，因此氣體放出600J的熱量.強(qiáng)化訓(xùn)練1. 如圖所示，用力F壓縮氣缸中的空氣，力F對(duì)空氣做了1800J的功,同時(shí)氣缸向外放熱xxJ,空氣的內(nèi)能改變了多少？2關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法中正確的.A. 物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大B. 物體對(duì)外做功，內(nèi)能一定減少C. 物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變D. 物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變參考解答：1. 由熱力學(xué)第一定律：u=W+Q得：+1800J+(-xx)=uu=-200J即空氣內(nèi)能減少了200J2解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律厶u=W+Q，物體內(nèi)能的變化與外界對(duì)氣體做功（或氣體對(duì)外界做功），氣體從外界吸熱（或向外界放熱）兩種因素有關(guān)，物體吸收熱量，但有可能同時(shí)對(duì)外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A錯(cuò)，同理，物體對(duì)外做功的同時(shí)有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減小，B錯(cuò)；若物體吸收的熱量與對(duì)外做功相等，則內(nèi)能不變，C正確而放熱與對(duì)外做功是使物體內(nèi)能減小，所以D錯(cuò).所以本題正確答案為C強(qiáng)化訓(xùn)練1如圖所示，A、E容器中各有一個(gè)可自由移動(dòng)的輕活塞，活塞下是水，上為空氣，大氣壓恒定，A、E底部由帶有閥門K的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱，原先A中水面比E中高，打開閥門，使A中的水逐漸向E中流，最后達(dá)到平衡，則在這個(gè)過程中，大氣壓力對(duì)水做功是，水的內(nèi)能增加為（設(shè)水的密度為Q，活塞面積分別為SA、SB，原AB來A、E中高度差為h）圖12如圖所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、E兩部分氣體，A的密度小，E的密度大，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設(shè)在此過程中氣體吸熱Q，氣體內(nèi)能增量為貝.A. Au=QB.AUVQC.Au>QD.無法比較3光滑的水平桌面上有一塊質(zhì)量M=400g的木塊，被一顆質(zhì)量m=20g以水平速度v=500m/s飛行的子彈擊中，子彈射出木塊時(shí)的速度v=300m/s若子彈擊中木塊的過程中，系統(tǒng)損失的機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，其中n=41.8%部分被子彈吸收使其溫度升高，已知子彈的比熱c=125J/kg°C，試求子彈穿過木塊過程中升高的溫度.參考答案：1打開閥門K后，根據(jù)連通器原理，最后A、E兩管中的水面將相平，即A中的水面下降，E中的水面上升，設(shè)A中水面下降h1，E管水面上升的距離為h2，由于水的總體積保持不變，故：SAh=SBh12A1B2A管中的水受到向下的大氣壓力，與水面下降的方向相同，所以大氣壓力對(duì)水做正功，設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0,對(duì)水做的功為wi，貝y：W=Fh=pSh11110A1B管中的水也受到向下的大氣壓力，與水面上升的方向相反，所以大氣壓力對(duì)水做負(fù)功，用w?表示大氣壓力做的功，有：w=-Fh=-pSh2220B2大氣壓力對(duì)水做的總功為：W=W+W二pSh-pSh12011022又Sh=Sh所以W=01122即大氣壓力對(duì)水不做功閥門打開后，水從高處流向低處在這個(gè)過程中水的重力做正功，所以水的內(nèi)能增加量等于水的重力勢(shì)能的減小量.2解：A、E氣體開始的合重心在中線下，混合均勻后重心在中線，所以系統(tǒng)重力勢(shì)能增大，由能量守恒知，吸收熱量一部分增加氣體內(nèi)能，一部分增加重力勢(shì)能3解：子彈穿過木塊過程中，水平方向不受外力，由動(dòng)量守恒可算出木塊獲得的速度，根據(jù)子彈長(zhǎng)一木塊系統(tǒng)損失的機(jī)械能可算出產(chǎn)生的熱能，由此可算出子彈所升高的溫度設(shè)子彈穿出木塊后，木塊的速度設(shè)為V,則mV=mV1+MV即V二巴導(dǎo)丄二2°x（500'"m/s二10m/s，子彈與木塊系統(tǒng)損失的機(jī)械能M400+2MV2)AE=丄mV2一L丄mV2221=-X20X10-3X5002J-(1X20x10-3x3002+-x400x10-3xIO2)J=1580J222據(jù)能量守恒定律，子彈穿越過程中系統(tǒng)增加的內(nèi)能為:Au=AE=1580J設(shè)子彈升高溫度為At,則：nAu=cmAtt=°C=264°C三、小結(jié)本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律是研究功、熱量和內(nèi)能改變之間關(guān)系的如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對(duì)物體所作的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加u.即厶u=Q+W該定律既適用于外界對(duì)物體做功，物體吸熱，內(nèi)能增加的情況，也適用于物體對(duì)外做功向外界散熱和內(nèi)能減少的情況.為了區(qū)別以上兩種情況，在應(yīng)用厶u=Q+W進(jìn)行計(jì)算時(shí)，它們的正負(fù)號(hào)規(guī)定如下：W>0,表示外界對(duì)系統(tǒng)做功；WVO,表示系統(tǒng)對(duì)外界做功；Q>0,表示系統(tǒng)從外界吸熱；QVO,表示系統(tǒng)向外界放熱；u>0,表示系統(tǒng)內(nèi)能增加；uVO,表示系統(tǒng)內(nèi)能減少；2019-2020年高中物理熱力學(xué)第二定律教案滬科版選修3-3一、教學(xué)目標(biāo)1、了解熱傳導(dǎo)過程的方向。2、了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。3、了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同的表述以及這兩種表述的物理實(shí)質(zhì)。4、了解什么是能量耗散。5、知道絕對(duì)零度不可能達(dá)到。6、指導(dǎo)學(xué)生分析事例，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和理論聯(lián)系實(shí)際的能力二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析重點(diǎn)：1、熱力學(xué)第二定律兩種常見的表述2、什么是絕對(duì)零度，知道它是不可達(dá)到的難點(diǎn)：1、熱力學(xué)第二定律表述的物理實(shí)質(zhì)2、自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性三、教學(xué)設(shè)計(jì)引入新課我們?cè)诔踔袑W(xué)過，當(dāng)物體溫度升高時(shí)，就要吸收熱量；當(dāng)物體溫度降低時(shí)，就要放出熱量。而且熱量公式Q=cmt，這里有一個(gè)有趣的問題：地球上有大量的海水它的總質(zhì)量約為1.4X1018t,如果這些海水的溫度降低0.1oC，將要放出多少焦耳的熱量？這是因?yàn)殡姳湎牧穗娔?，?duì)致冷系統(tǒng)做了功。一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了。相反，外界的熱量會(huì)自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高學(xué)生總結(jié)：熱傳導(dǎo)的方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。要實(shí)現(xiàn)相反過程，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。二、第二類永動(dòng)機(jī)前面我們學(xué)習(xí)了第一類永動(dòng)機(jī)，不能制成的原因是什么？（違背了能量守恒），什么是第二類永動(dòng)機(jī)呢？學(xué)生看書，并思考討論下列問題：1、熱機(jī)是一種把什么能轉(zhuǎn)化成什么能的裝置？2、熱機(jī)的效率能否達(dá)到100%？3、第二類永動(dòng)機(jī)模型4、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性然后由各小組代表回答，教師進(jìn)行思路點(diǎn)撥1.熱機(jī)是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置2.熱機(jī)的效率不能達(dá)到100%原因分析：以內(nèi)燃機(jī)為例，氣缸中的氣體得到燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量為Q1,推動(dòng)活塞做工W,然后排出廢氣，同時(shí)把熱量Q2散發(fā)到大氣中，由能量守恒定律可知：Q1=W+Q2我們把熱機(jī)做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫做熱機(jī)的效率，用表示n=W/Q1實(shí)際上熱機(jī)不能把得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱機(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷凝器散熱，不可避免的要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q2，所以有：Q1>W因此，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%,汽車上的汽油機(jī)械效率只有20%30%,蒸汽輪機(jī)的效率比較高，也只能達(dá)到60%，即使是理想熱機(jī)，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百的轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，總要有一部分散發(fā)到冷凝器中能從單一熱源吸收熱量，然后全部用來做功，而不引起其他變化的機(jī)器，稱為第二類永動(dòng)機(jī)。第二類永動(dòng)機(jī)并不違反能量守恒定律，人們?yōu)榱酥圃斐龅诙愑绖?dòng)機(jī)作出了各種努力，但同制造第一類永動(dòng)機(jī)一樣，都失敗了。為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成呢？因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。4.機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化三、熱力學(xué)第二定律再舉實(shí)例，說明有些物理過程具有方向性氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象書上連通器的小實(shí)驗(yàn)（氣體向其中膨脹）熱力學(xué)第二定律的兩種表述表述一：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化（按照熱傳遞的方向性來表述的）表述二：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。也可表述為第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。（機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化具有方向性）這兩種表述是等價(jià)的，可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，所以他們都稱為熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性。（自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性）四、能量耗散（設(shè)疑）既然自然界中的能量是守恒的，為什么還要節(jié)約能源呢？因?yàn)橛械哪芰靠梢岳糜械哪芰坎槐阌诶谩Ｅe例說明：流動(dòng)的水帶動(dòng)水磨做功電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，電能又在燈泡中轉(zhuǎn)變成光能火爐把屋子燒暖等學(xué)生總結(jié)：流散的內(nèi)能無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象，稱為能量耗散能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程具有方向性。五、絕對(duì)零度不可達(dá)到宇宙中存在著溫度的下限：一273.15°C，以這個(gè)下限為起點(diǎn)的溫度叫做熱力學(xué)溫度，用T,單位是開爾文，符號(hào)是K,熱力學(xué)溫度T同攝氏溫度t的換算關(guān)系是：T=t+273.15K一些實(shí)際的溫度值學(xué)生分析此表，并結(jié)合課本可以知道，實(shí)驗(yàn)室中的低溫已經(jīng)非常接近熱力學(xué)零度了（也稱絕對(duì)零度）對(duì)大量事實(shí)的分析表明：熱力學(xué)零度不可達(dá)到。這個(gè)結(jié)論稱做熱力學(xué)第三定律。盡管熱力學(xué)零度不可能達(dá)到，但是只要溫度不是絕對(duì)零度就總有可能降低。因此，熱力學(xué)第三定律不阻止人們想辦法盡可能地接近絕對(duì)零度。隨堂練習(xí)1、熱力學(xué)第二定律使人們認(rèn)識(shí)到，自然界中進(jìn)行的涉及現(xiàn)象的宏觀過程都具有性，例如機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，而不引起其他變化。2、熱傳導(dǎo)的規(guī)律為：（）A、熱量總是從熱量較多的物體傳遞給熱量較少的物體B、熱量總是從溫度較高的物體傳遞給溫度較低的物體C、熱量總是從內(nèi)能較多的物體傳遞給內(nèi)能較少的物體D、熱量總是從比熱容較大的物體傳遞給比熱容較小的物體