高中物理教科版選修3-3課件：第4章第1、2節(jié)《能量守恒與熱力學(xué)定律》

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,歡迎進(jìn)入物理課堂,第4章能量守恒與熱力學(xué)定律,第1節(jié)能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)第2節(jié)熱力學(xué)第一定律,,,,,,,,,,課前自主學(xué)案,核心要點(diǎn)突破,課堂互動(dòng)講練,,課標(biāo)定位,,,知能優(yōu)化訓(xùn)練,,第1、2節(jié),課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.理解能量守恒定律，會(huì)用能量守恒的觀點(diǎn)分析解決有關(guān)問題．2．理解物體跟外界做功和熱傳遞的過程及W、Q、ΔU的物理定義．3．理解熱力學(xué)第一定律，并能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律分析和計(jì)算有關(guān)問題．重點(diǎn)難點(diǎn)：1.理解第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的原因．2．理解、應(yīng)用熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律．,課前自主學(xué)案,一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)1．能量形式與能量轉(zhuǎn)化(1)各種能量：自然界存在著多種不同形式的運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著一種形式的能量．如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)_________；分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)_______；電磁運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)_________．(2)各種能量之間可以互相轉(zhuǎn)化：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化．摩擦可以將_________轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱電燈發(fā)光可以將_______轉(zhuǎn)化為光能．,機(jī)械能,內(nèi)能,電磁能,機(jī)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(shù)的發(fā)展：18世紀(jì)80年代，蒸汽機(jī)的發(fā)展和使用，證明了______可以轉(zhuǎn)化為_________、推動(dòng)了熱力學(xué)理論的發(fā)展．(2)各種基本運(yùn)動(dòng)形式之間普遍聯(lián)系性的發(fā)現(xiàn)17世紀(jì)中葉：物理學(xué)家提出“運(yùn)動(dòng)量”______的思想．18世紀(jì)未到19世紀(jì)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(nèi)能,機(jī)械能,守恒,能,(3)永動(dòng)機(jī)研制的失敗概念：一種不消耗能量卻可源源不斷___________的機(jī)器叫永動(dòng)機(jī)，并稱為第一類永動(dòng)機(jī)．結(jié)果：無一例外地歸于失?。颍哼`背___________原理．,對(duì)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(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式______為另一種形式，或者從一個(gè)物體______到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中_________不變．(2)意義①各種形式的能可以__________．②各種物理現(xiàn)象可以用_______________聯(lián)系在一起．,轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)移,其總量,相互轉(zhuǎn)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(dòng)汽車等，但是不消耗任何能量的汽車不可能制成，因?yàn)樗`背能量守恒定律．,二、熱力學(xué)第一定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式：______與________．兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的．2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：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__________加上物體從外界______________等于物體內(nèi)能的增加．(2)數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU＝________.,做功,熱傳遞,所做的功,吸收的熱量,Q＋W,思考感悟2．外界對(duì)物體做功10J，物體內(nèi)能改變了多少？若外界對(duì)物體傳遞10J的熱量，物體內(nèi)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(duì)物體做功10J，還是外界給物體傳遞10J的熱量，物體內(nèi)能都增加了10J，說明做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，不能說10J的功等于10J的熱量，因?yàn)楣εc熱量具有本質(zhì)區(qū)別．,核心要點(diǎn)突破,一、功、熱量和內(nèi)能之間的關(guān)系1．功和內(nèi)能的關(guān)系(1)內(nèi)能與內(nèi)能變化的關(guān)系①物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能之和．因此物體的內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量．②當(dāng)物體溫度變化時(shí)，分子平均動(dòng)能變化．物體體積變化時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化，因此物體的內(nèi)能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過程及方式無關(guān)．,(2)做功與內(nèi)能變化的關(guān)系①做功改變物體內(nèi)能的過程是其他形式的能(如機(jī)械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程．②在絕熱過程中，外界對(duì)物體做多少功，就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，物體的內(nèi)能就增加多少．(3)功和內(nèi)能的區(qū)別①功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量．②在絕熱過程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化．③物體的內(nèi)能大,并不意味著做功多．在絕熱過程中,只有內(nèi)能變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)著做功較多．,特別提醒：在絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加，外界對(duì)系統(tǒng)做多少功，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少；系統(tǒng)對(duì)外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少，系統(tǒng)對(duì)外界做多少功，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少．,2．熱量、功和內(nèi)能之間的關(guān)系內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的．狀態(tài)確定了，系統(tǒng)的內(nèi)能也就隨之確定了．要使內(nèi)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(duì)改變系統(tǒng)的內(nèi)能是等效的，但做功是其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，功的多少是內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度，在絕熱的過程中，對(duì)物體做了多少功，內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外做了多少功，內(nèi)能就減少多少．熱傳遞是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)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(nèi)能，或放出了多少熱量，就減少多少內(nèi)能．有過程(做功或熱傳遞)，才有變化(內(nèi)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(nèi)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(nèi)能的過程是物體間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過程．熱傳遞使物體的內(nèi)能發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)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(nèi)能就增加多少；物體放出了多少熱量，物體的內(nèi)能就減少多少．,即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀)1．對(duì)于熱量、功和內(nèi)能三者的關(guān)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(nèi)能的量度C．熱量和功由過程決定，而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定D．系統(tǒng)內(nèi)能增加了100J，可能是外界采用絕熱方式對(duì)系統(tǒng)做功100J，也可能是外界單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱100J,解析：選CD.熱量、功和內(nèi)能三者盡管單位相同，但物理意義有本質(zhì)區(qū)別，A錯(cuò)．熱量和功由過程決定，內(nèi)能由物體狀態(tài)決定，熱量和功是內(nèi)能變化的量度，C對(duì)，B錯(cuò)．對(duì)一個(gè)絕熱過程ΔU＝W＝100J,對(duì)一個(gè)單純熱傳遞過程ΔU＝Q＝100J，D對(duì)．,二、熱力學(xué)第一定律與改變內(nèi)能的兩種方式1．對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解(1)對(duì)ΔU＝W＋Q的理解：熱力學(xué)第一定律是對(duì)單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內(nèi)能改變的定量表達(dá)推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內(nèi)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(duì)公式ΔU＝Q＋W符號(hào)的規(guī)定,2.改變內(nèi)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＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加．(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加．(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0,則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量．,特別提醒：研究對(duì)象為氣體時(shí)，膨脹過程(除向真空中自由膨脹外)，氣體對(duì)外做功，壓縮過程,外界對(duì)氣體做功．,4．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的思路與步驟(1)首先應(yīng)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)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(duì)物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對(duì)外界所做的功．(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進(jìn)行求解．(4)特別注意的就是物理量的正負(fù)號(hào)及其物理意義．,即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀)2.如圖4－1－1所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中．設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計(jì)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(nèi)空氣體積減小，則空氣()圖4－1－1,A．從外界吸熱B．內(nèi)能增大C．向外界放熱D．內(nèi)能減小解析：選C.緩慢下降的過程中，筒內(nèi)空氣的溫度與水溫始終相同，即空氣溫度不變．由于不計(jì)氣體分子間的相互作用，分子勢(shì)能始終為零，筒內(nèi)空氣分子的平均動(dòng)能不變，所以筒內(nèi)空氣的內(nèi)能不變．筒內(nèi)空氣的體積減小，外界對(duì)氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU＝W＋Q，可知筒內(nèi)空氣向外放熱．,三、對(duì)能量守恒定律的理解1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等．各種形式的能，通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化，例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．,2．與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的,例如，物體的機(jī)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(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性．能量守恒定律比機(jī)械能守恒定律更普遍，它是物理學(xué)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(dá)爾文的進(jìn)化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)，其重要意義由此可見．(3)具有重大實(shí)踐意義，即徹底粉碎了永動(dòng)機(jī)的幻想．,4．第一類永動(dòng)機(jī)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(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能減少為代價(jià)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的企圖是沒有任何成功希望的．,即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)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(gè)可自由移動(dòng)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(gè)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(dòng)，最后達(dá)到平衡．在這個(gè)過程中，下面說法正確的是(),A．大氣壓力對(duì)水做功，水的內(nèi)能不變B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C．大氣壓力對(duì)水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對(duì)水不做功，水的機(jī)械能減少，內(nèi)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(cuò)；該過程中水的重心降低，重力勢(shì)能減少，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，故D對(duì)．,課堂互動(dòng)講練,對(duì)于熱量、功和內(nèi)能三者的說法正確的是()A．熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義相同B．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C．熱量、功、內(nèi)能的單位不相同D．熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的,【精講精析】物體的內(nèi)能是指物體所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而要改變物體的內(nèi)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(xiàng)錯(cuò)．熱量是表示在熱傳遞過程中物體內(nèi)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(nèi)能多少的物理量，B項(xiàng)錯(cuò)．三者單位都是焦耳，C項(xiàng)錯(cuò),熱量和功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量，D項(xiàng)正確．【答案】D,【方法總結(jié)】區(qū)別熱量、功和內(nèi)能的技巧(1)就某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本談不上“熱量”和“功”．(2)就某一過程而言，“內(nèi)能”有變化,與“熱量”、“功”對(duì)應(yīng)．(3)一個(gè)物體的內(nèi)能無法計(jì)算，但物體的內(nèi)能變化是可以計(jì)算的．,(2011年高考江蘇卷)(1)如圖4－1－3所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)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(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)．離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)．下列說法正確的是(),A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身C．轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)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(nèi)壁光滑的汽缸水平放置，一定質(zhì)量的理想氣體被活塞密封在汽缸內(nèi)，外界大氣壓強(qiáng)為p0.現(xiàn)對(duì)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(dòng)能______(選填“增大”、“不變”或“減小”)，氣體內(nèi)能變化了________．圖4－1－4,【精講精析】(1)該永動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)入水中，吸收熱量而伸展劃水，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，離開水面后向空氣中放熱，葉片形狀迅速恢復(fù)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)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(cuò)，D對(duì)．(2)氣體做等壓變化，體積變大，溫度升高，平均動(dòng)能增大，內(nèi)能的變化為ΔU＝Q－p0(V2－V1)．,【答案】(1)D(2)增大Q－p0(V2－V1)【方法總結(jié)】(1)要明確研究的對(duì)象是哪個(gè)物體或者說是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)．(2)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律計(jì)算時(shí)，要依照符號(hào)法則代入數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果的正、負(fù)，也同樣依照符號(hào)法則來解釋其意義．,(2011年德州高二檢測(cè))如圖4－1－5所示，一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5kg，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)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(nèi)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(diǎn)撥】(1)絕熱過程內(nèi)能增加，則應(yīng)為其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(2)絕熱過程表示不吸熱，也不放熱；“導(dǎo)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(shí)充分，保持溫度不變．【自主解答】由能的轉(zhuǎn)化與守恒定律可知，內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢(shì)能的減少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)10(50－40)10－2J＝20J.【答案】20J,變式訓(xùn)練下列對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)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(gè)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(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器——永動(dòng)機(jī)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(jī)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(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中的守恒．在不同形式的能量間發(fā)生轉(zhuǎn)化，在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移．不需要任何外界動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器是違背能量守恒定律的，是永遠(yuǎn)不可能制成的．機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量而不能消失，能量是不會(huì)消失的．,知能優(yōu)化訓(xùn)練,本部分內(nèi)容講解結(jié)束,點(diǎn)此進(jìn)入課件目錄,按ESC鍵退出全屏播放,謝謝使用,同學(xué)們,來學(xué)校和回家的路上要注意安全,同學(xué)們,來學(xué)校和回家的路上要注意安全,