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

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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(wèn)題 2 理解物體跟外界做功和熱傳遞的過(guò)程及W Q U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(wèn)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(wú)一例外地歸于失敗 原因 違背 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(guò)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(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(yáng)能 電能等能源代替石油能源 制造太陽(yáng)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(guò)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 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(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(shuō)明10J的功等于10J的熱量 提示 無(wú)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(shuō)明做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的 不能說(shuō)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 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 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(guò)程及方式無(wú)關(guān) 2 做功與內(nèi)能變化的關(guān)系 做功改變物體內(nèi)能的過(guò)程是其他形式的能 如機(jī)械能 與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程 在絕熱過(guò)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 功是過(guò)程量 內(nèi)能是狀態(tài)量 在絕熱過(guò)程中 做功一定能引起內(nèi)能的變化 物體的內(nèi)能大 并不意味著做功多 在絕熱過(guò)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(guò)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(guò)做功和熱傳遞兩種方式來(lái)完成 功和熱量都是過(guò)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(guò)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(méi)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(guò)程 做功或熱傳遞 才有變化 內(nèi)能改變 離開(kāi)過(guò)程 功和熱量將毫無(wú)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(shuō)物體中含有 多少熱量 或 多少功 可以說(shuō)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(guò)程是物體間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過(guò)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(lái)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)程 U W 100J 對(duì)一個(gè)單純熱傳遞過(guò)程 U 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) U W Q的理解 熱力學(xué)第一定律是對(duì)單純的絕熱過(guò)程和單純的熱傳遞過(guò)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(guò)程 其中 U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 U 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(guò)程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加 2 若過(guò)程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加 3 若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 U 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(guò)程 除向真空中自由膨脹外 氣體對(duì)外做功 壓縮過(guò)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 U 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(kāi)口向下壓入水中 設(shè)水溫均勻且恒定 筒內(nèi)空氣無(wú)泄漏 不計(jì)氣體分子間相互作用 則被淹沒(méi)的金屬筒在緩慢下降過(guò)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(guò)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 U 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(guò)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(méi)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(lái) 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(wèn)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(jiàn) 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(méi)有外界熱源供給熱量 則有U2 U1 W 就是說(shuō) 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(wú)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(wú)一例外地宣布失敗 人類制造永動(dòng)機(jī)的企圖是沒(méi)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(kāi)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(guò)程中 下面說(shuō)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(kāi)熱水后 葉片形狀迅速恢復(fù) 轉(zhuǎn)輪因此能較長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng) 下列說(shuō)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(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)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 U 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(shuō)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程表示不吸熱 也不放熱 導(dǎo)熱性能良好且過(guò)程緩慢 表示此過(guò)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 U E 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(shuō)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(guò)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(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全