2019-2020年高中物理 《熱力學第一定律》教案 滬科版選修3-3

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1、2019-2020年高中物理《熱力學第一定律》教案滬科版選修3-3 ?教學目標 一、知識目標 1. 能夠從能量轉化的觀點理解熱力學第一定律及其公式表達，公用△u=W+Q分析和計算問題. 2?能綜合運用學過的知識，有關計算，分析，解決有關問題 二、能力目標 1. 會用熱力學第一定律△u=W+Q分析和計算問題； 2. 會用能量轉化和守恒的觀點分析物理現象. 三、德育目標 通過形形色色的永動機設計方案的失敗，使學生明白不可能不付出代價就從自然界創(chuàng)造動力，而只有有效地利用自然界提供的各種能源. ?教學重點 能夠從能量轉化的觀點理解熱力學第一定律及其公式表達，會用△u=W+Q分析和

2、計算問題. ?教學難點 如何用能量轉化和守恒的觀點分析物理現象，如何綜合運用學過的知識，用能量守恒定律進行有關計算、分析、解決有關問題. ?教學方法 講練法、分析歸納法、閱讀法 ?教學用具 投影儀、投影片 ?課時安排 1課時 ?教學過程 ［投影］本節(jié)課的學習目標： 1. 掌握熱力學第一定律及其公式表達，能夠從能量轉化的觀點理解這個定律； 2. 會用公式厶u=W+Q分析和計算問題； ?學習目標完成過程 一、引入 ［問］改變物體內能的方式有哪些？ ［學生］做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式. ［教師］既然做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，那么功，熱量跟內能的改變

3、之間一定有某種聯系，本節(jié)課我們就來研究這個問題. 二、新課教學 （一）熱力學第一定律 ［投影］ 1. 一個物體，它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，那么： ① 如果外界做的功為W,則它的內能如何變化？變化了多少？ ② 如果物體對外界做的功為W,則它的內能如何變化？變化了多少？ 2. —個物體，如果外界既沒有對物體做功，物體也沒有對外界做功，那么：①如果物體吸收熱量Q,它的內能如何變化？變化了多少？②如果放出熱量Q,它的內能如何變化？變化了多少？ ［學生解答思考題］ 教師總結 一個物體，如果它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，那么，外界對它做多少功，它的內能就增加多少；物體對外界做多

4、少功，它的內能就減少多少. 如果外界既沒有對物體做功，物體也沒有對外界做功，那么物體吸收了多少熱量，它的內能就增加多少，物體放出了多少熱量，它的內能就減少多少. ［問］如果物體在跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，內能的變化與熱量Q及做的功w之間又有什么關系呢？ ［板書］△u=W+Q ［介紹］該式表示的是功、熱量跟內能改變之間的定量關系，在物理學中叫做熱力學第一定律. 投影］定律中各量的正、負號及含義 物理量 符號 意義 符號 意義 W + 外界對物體做功 一 物體對外界做功 Q + 物體吸收熱量 一 物體放出熱量 △u + 內能增加 — 內能

5、減少 ［投影］例題 一定質量的氣體，在被壓縮的過程中外界對氣體做功300J,但這一過程中氣體的內能減少了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=300J△u=-300J,根據熱力學第一定律可得:Q=Au-W=-300J-300J=-600J Q為負值表示氣體放熱，因此氣體放出600J的熱量.強化訓練］ 1. 如圖所示，用力F壓縮氣缸中的空氣，力F對空氣做了1800J的功,同時氣缸向外放熱xxJ,空氣的內能改變了多少？ 2?關于物體內能的變化，以下說法中正確的. A. 物體吸收熱量，內能一定增大 B. 物體對外做功，內能一定減少

6、 C. 物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變 D. 物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變參考解答： 1. 由熱力學第一定律：△u=W+Q 得：+1800J+(-xx)〕=△u???△u=-200J即空氣內能減少了200J 2?解析：根據熱力學第一定律厶u=W+Q，物體內能的變化與外界對氣體做功（或氣體對外界做功），氣體從外界吸熱（或向外界放熱）兩種因素有關，物體吸收熱量，但有可能同時對 外做功，故內能有可能不變甚至減小，故A錯，同理，物體對外做功的同時有可能吸熱，故 內能不一定減小，B錯；若物體吸收的熱量與對外做功相等，則內能不變，C正確而放熱與對外做功是使物體內能減小，

7、所以D錯. 所以本題正確答案為C ［強化訓練］ 1?如圖所示，A、E容器中各有一個可自由移動的輕活塞，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，最后達到平衡，則在這個過程中，大氣壓力對 水做功是，水的內能增加為（設水的密度為Q，活塞面積分別為SA、SB，原 AB 來A、E中高度差為h） 圖1 2?如圖所示，直立容器內部有被隔板隔開的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，設在此過程中氣體吸熱Q，氣體內能增量為貝］. A. Au=QB

8、.AUVQC.Au>QD.無法比較 3?光滑的水平桌面上有一塊質量M=400g的木塊，被一顆質量m=20g以水平速度v=500m/s飛行的子彈擊中，子彈射出木塊時的速度v=300m/s?若子彈擊中木塊的過程中，系統損失的機械能全部轉化為內能，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=SBh12 A1B2 A管中的水受

9、到向下的大氣壓力，與水面下降的方向相同，所以大氣壓力對水做正功，設大氣壓強為p0,對水做的功為wi，貝y： W=Fh=pSh1 1110A1 B管中的水也受到向下的大氣壓力，與水面上升的方向相反，所以大氣壓力對水做負功，用w?表示大氣壓力做的功，有： w=-Fh=-pSh 2220B2 大氣壓力對水做的總功為：W=W+W二pSh-pSh 12011022 又Sh=Sh所以W=0 1122 即大氣壓力對水不做功 閥門打開后，水從高處流向低處?在這個過程中水的重力做正功，所以水的內能增加量等于水的重力勢能的減小量. 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

10、線，所以系統重力勢能增大，由能量守恒知，吸收熱量一部分增加氣體內能，一部分增加重力勢能 3?解：子彈穿過木塊過程中，水平方向不受外力，由動量守恒可算出木塊獲得的速度，根據子彈長一木塊系統損失的機械能可算出產生的熱能，由此可算出子彈所升高的溫度 設子彈穿出木塊后，木塊的速度設為V,則mV=mV1+MV 即V二巴導丄二2°x（500—'"m/s二10m/s，子彈與木塊系統損失的機械能 M400 +2MV2) AE=丄mV2一L丄mV2 221 =-X20X10-3X5002J-(1X20x10-3x3002+-x400x10-3xIO2)J=1580J 222 據能量守恒定律，

11、子彈穿越過程中系統增加的內能為:Au=AE=1580J設子彈升高溫度為At,則：nAu=cmAt ???△t=°C=264°C 三、小結 本節(jié)課我們主要學習了 熱力學第一定律：熱力學第一定律是研究功、熱量和內能改變之間關系的 如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對物體所作的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內能的增加△u. 即厶u=Q+W 該定律既適用于外界對物體做功，物體吸熱，內能增加的情況，也適用于物體對外做功向外界散熱和內能減少的情況. 為了區(qū)別以上兩種情況，在應用厶u=Q+W進行計算時，它們的正負號規(guī)定如下： W>0,表示外界對系統做功；WVO,表

12、示系統對外界做功；Q>0,表示系統從外界吸熱；QVO,表示系統向外界放熱；△u>0,表示系統內能增加；△uVO,表示系統內能減少； 2019-2020年高中物理《熱力學第二定律》教案滬科版選修3-3 一、教學目標 1、了解熱傳導過程的方向。 2、了解什么是第二類永動機，為什么第二類永動機不可能制成。 3、了解熱力學第二定律的兩種不同的表述以及這兩種表述的物理實質。 4、了解什么是能量耗散。 5、知道絕對零度不可能達到。 6、指導學生分析事例，培養(yǎng)學生分析問題和理論聯系實際的能力 二、重點、難點分析 重點：1、熱力學第二定律兩種常見的表述 2、什么是絕對零度，知道它是不可達

13、到的 難點：1、熱力學第二定律表述的物理實質 2、自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性 三、教學設計 引入新課我們在初中學過，當物體溫度升高時，就要吸收熱量；當物體溫度降低時，就要放出熱量。而且熱量公式Q=cm△t，這里有一個有趣的問題：地球上有大量的海水它的總質量約為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？ 這是因為電冰箱消耗了電能，對致冷系統做了功。一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內部的熱量傳給外界的空氣了。相反，外界的熱量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高 學生總結：熱傳導的方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高

14、溫物體傳給低溫物體。要實現相反過程，必須借助外界的幫助，因而產生其他影響或引起其他變化。 二、第二類永動機前面我們學習了第一類永動機，不能制成的原因是什么？（違背了能量守恒），什么是第二類永動機呢？ 學生看書，并思考討論下列問題： 1、熱機是一種把什么能轉化成什么能的裝置？2、熱機的效率能否達到100%？ 3、第二類永動機模型 4、機械能和內能轉化的方向性然后由各小組代表回答，教師進行思路點撥1.熱機是一種把內能轉化成機械能的裝置2.熱機的效率不能達到100% 原因分析： 以內燃機為例，氣缸中的氣體得到燃燒時產生的熱量為Q1,推動活塞做工W,然后排出廢氣，同時把熱量Q2散發(fā)到大氣

15、中， 由能量守恒定律可知：Q1=W+Q2 我們把熱機做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫做熱機的效率，用表示n=W/Q1 實際上熱機不能把得到的全部內能轉化為機械能，熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作 時，總要向冷凝器散熱，不可避免的要由工作物質帶走一部分熱量Q2，所以有：Q1>W因此，熱機的效率不可能達到100%,汽車上的汽油機械效率只有20%?30%,蒸汽輪機的效率比較高，也只能達到60%，即使是理想熱機，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化成機械能，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器，稱為

16、第二類永動機。 第二類永動機并不違反能量守恒定律，人們?yōu)榱酥圃斐龅诙愑绖訖C作出了各種努力，但同制造第一類永動機一樣，都失敗了。 為什么第二類永動機不可能制成呢？因為機械能和內能的轉化過程具有方向性。 4.機械能全部轉化成內能，內能卻不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化 三、熱力學第二定律 再舉實例，說明有些物理過程具有方向性 氣體的擴散現象 書上連通器的小實驗（氣體向其中膨脹）熱力學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

17、述為第二類永動機是不可能制成的。（機械能與內能轉化具有方向性） 這兩種表述是等價的，可以從一種表述導出另一種表述，所以他們都稱為熱力學第二定律。 熱力學第二定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性。（自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性） 四、能量耗散（設疑）既然自然界中的能量是守恒的，為什么還要節(jié)約能源呢？因為有的能量可以利 用有的能量不便于利用。 舉例說明：流動的水帶動水磨做功電池中的化學能轉變成電能，電能又在燈泡中轉變成光能火爐把屋子燒暖等 學生總結：流散的內能無法重新收集起來加以利用的現象，稱為能量耗散能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中宏觀過程具有方向性。

18、 五、絕對零度不可達到 宇宙中存在著溫度的下限：一273.15°C，以這個下限為起點的溫度叫做熱力學溫度，用T,單位是開爾文，符號是K,熱力學溫度T同攝氏溫度t的換算關系是：T=t+273.15K 一些實際的溫度值學生分析此表，并結合課本可以知道，實驗室中的低溫已經非常接近熱力學零度了（也稱絕對零度） 對大量事實的分析表明：熱力學零度不可達到。這個結論稱做熱力學第三定律。盡管熱力學零度不可能達到，但是只要溫度不是絕對零度就總有可能降低。因此，熱力學第三定律不阻止人們想辦法盡可能地接近絕對零度。 隨堂練習 1、熱力學第二定律使人們認識到，自然界中進行的涉及現象的宏觀過程都具 有性，例如機械能可以轉化為內能，但內能全部轉化成機械能， 而不引起其他變化。 2、熱傳導的規(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、熱量總是從內能較多的物體傳遞給內能較少的物體 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