教学设计完整版：热力学第一定律 能量守恒定律

热力学第一定律能量守恒定律教学设计●课标要求1．通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程．体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。2．认识热力学第一定律．理解能量守恒定律．用能量守恒观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。●课标解读1．掌握热力学第一定律及表达式，能够从能量转化的观点理解这个定律。2．会应用表达式ΔU＝W＋Q分析和计算有关问题。3．会应用能量守恒的观点分析物理现象。4．了解第一类永动机不可能制成的原因。●教学地位本节学习热力学第一定律和能量守恒定律，这部分内容是历年高考的重点，应引起足够的重视。【教案设计区】●新课导入建议图10－3－1中左边为风力发电机，发出的电供给右边的电风扇，电风扇把风吹到发电机上发电，循环往复，不需要消耗其他能量风扇就可以一直工作下去。图10－3－1在能源短缺的现在，这是多么美好的愿望啊！同学们，这种愿望能实现吗？●教学流程设计eq\x(\a\al(课前预习：,1.看教材；2.填写【课前自主导学】))⇒eq\x(\a\al(步骤1：,导入新课：从永动机无法制成导入))⇒eq\x(\a\al(步骤2：,老师提问，检查预习效果，并组织讨论交流))⇒eq\x(\a\al(步骤3：,师生互动完成“探究1”理解热力学第一定律))⇒eq\x(\a\al(步骤4：,例题讲解总结热力学第一定律的规律方法))⇓eq\x(\a\al(步骤5：,师生互动完成“探究2”理解能量守恒定律))⇐eq\x(\a\al(步骤6：,师生互动完成“探究3”总结解题规律方法))⇐eq\x(\a\al(步骤7：,学生练习，完成【当堂双基达标】))⇐eq\x(\a\al(步骤8：课堂小结,总结本节知识，老师布置作业，课下完成【课时作业】))⇐课标解读重点难点1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式。2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。4.知道第一类永动机是不可能制成的。1.热力学第一定律的定性分析和定量计算。(重点)2.能量守恒定律的理解和综合应用。(重点)3.热力学第一定律的应用。(难点)4.第一类永动机的理解。(难点)【自主学习去】知识1热力学第一定律1．基本知识(1)热力学第一定律是研究功、热量和内能之间关系的规律。(2)热力学第一定律①内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。②表达式：ΔU＝Q＋W。2．思考判断(1)一定数量的功与确定数量的热相对应。(√)(2)一定量的气体，膨胀过程中一定是外界对气体做功。(×)(3)物体向外放热85J，其内能一定减少85J。(×)3．探究交流外界对物体做功10J(绝热过程)，物体内能改变了多少？若外界对物体传递10J的热量(单纯热传递过程)，物体内能改变了多少？能否说明10J的功等于10J的热量？【提示】无论外界对物体做功10J，还是外界给物体传递10J的热量，物体内能都增加了10J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的，不能说10J的功等于10J的热量，因为功与热量具有本质区别。知识2能量守恒定律1．基本知识(1)内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律。(2)意义①各种形式的能可以相互转化。②各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。③第一类永动机a．概念：不消耗或少消耗能量却能源源不断地对外做功的机器。B．原因：违背能量守恒定律。c．结果：无一例外地归于失败。2．思考判断(1)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。(√)(2)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。(×)(3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。(√)3．探究交流图10－3－1有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？【提示】这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。【合作探究区】探究1热力学第一定律的理解和应用问题导思1．气体吸收热量，内能一定增加吗？2．对气体做功，同时气体放出热量，内能一定减少吗？3．公式ΔU＝W＋Q中各物理量的符号是怎样规定的？1．对ΔU＝W＋Q的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。2．对公式ΔU、Q、W符号的规定WQΔU符号外界对物体做功物体吸收热量内能增加正号物体对外界做功物体放出热量内能减少负号特别提醒一般情况下外界对物体特别是气体做功与否，需看物体的体积是否变化。1．若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0。2．若物体体积变小，表明外界对物体做功，W>0。例1(2022·青岛高二检测)一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做多少功？审题指导(1)物体吸收热量，Q为正，放出热量，Q为负。(2)气体对外做功，W为负。(3)内能的改变由做功和热传递两方面的因素决定，即ΔU＝W＋Q。解析(1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J。(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160J。即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以：W′＝ΔU′－Q′＝－160J－(－240J)＝80J即外界对气体做功80J。答案(1)增加了160J。(2)外界对气体做功80J。规律总结应用热力学第一定律解题的思路与步骤1．首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。2．分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。3．根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。4．特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。应用1．(2022·南京高二检测)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功×105J，气体内能减少×106J，则此过程()A．气体从外界吸收热量×106JB．气体向外界放出热量×106JC．气体从外界吸收热量×105JD．气体向外界放出热量×105J解析由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＝ΔU－W＝－×106J－×105J＝－×106J负号表示放出热量，所以B正确，其他选项错误。答案B探究2能量守恒定律的理解和应用问题导思1．能量守恒需要条件吗？2．能量守恒定律对分析物理现象有什么意义？3．第一类永动机不能制成的原因是什么？1．某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。2．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。3．各种形式的能在转化和转移过程中总能量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功。4．能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量。不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。特别提醒在应用能量守恒定律分析问题时，应注意：1．哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加。2．哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加。例2如图10－3－2所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm，现在在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)图10－3－2审题指导(1)封闭气体高度变化的过程，活塞和重物的重力势能减小，外界对气体做功。(2)气体发生绝热过程，不涉及吸热和放热。解析由能的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J。答案20J应用2．(2022·开封市检测)一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是() A.U＝200J，EK＝600JB.U＝600J，Ek＝200JC.U＝600J，Ek＝800JD.U＝800J，Ek＝200J解析由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与地面系统的内能，即：U＝60×10J＝600J．由能量守恒定律可得：Ek＝W总－U＝80×10J－600J＝200J，故B正确。答案B探究3综合解题方略——气体实验定律和热力学第一定律的综合应用例3内壁光滑的导热汽缸竖直浸入在盛有冰水混合物的水槽中，用不计质量的活塞封闭压强为×105Pa，体积为×10－3m3的理想气体，现在活塞上缓慢倒上沙子，使封闭气体的体积变为原来的一半。(1)求汽缸内气体的压强；(2)若封闭气体的内能仅与温度有关，在上述过程中外界对气体做功145J，封闭气体吸收还是放出热量？热量是多少？审题指导(1)冰水混合物温度保持不变，故封闭气体发生等温变化。(2)理想气体的内能只决定于温度的高低，发生等温度变化时，气体的内能不变。规范解答(1)封闭气体做等温变化，由玻意耳定律p1V1＝p2V2，得气体的压强p2＝eq\f(p1V1,V2)＝eq\f×105××10－3,×10－3)Pa＝×105Pa。(2)因为气体做等温变化，所以内能不变，即ΔU＝0根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得热量Q＝－W＝－145J说明封闭气体放出热量，热量为145J。答案(1)×105Pa(2)放出热量145J规律总结应用热力学第一定律的几种情况1．若气体发生绝热过程，即Q＝0，则ΔU＝W，气体内能的增加量等于外界对气体做的功。2．若气体发生等容过程，过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，气体内能的增加量等于气体从外界吸收的热量。3．若气体发生等温过程，过程的始末状态气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对气体做的功等于气体放出的热量(或气体吸收的热量等于气体对外界做的功)。课堂小结【交流学习区】1．(2022·南京高二检测)关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是()A．物体的温度改变时，其内能必定改变B．物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能也不一定改变C．物体对外做功，其内能必定改变．物体向外传出一定热量其内能必定改变D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变解析温度变化时，物体的分子动能变化，但内能可能不变，A错；改变内能有两种方式：做功和热传递．由热力学第一定律可知B正确，C、D错。答案B2．(2022·全国高考)关于一定量的气体，下列叙述正确的是()A．气体吸收的热量可以完全转化为功B．气体体积增大时，其内能一定减少C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加D．外界对气体做功，气体内能可能减少解析如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收的热量全部用来对外做功，A正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量．且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会减少，所以B错误；若气体吸收热量的同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功的同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能减少，所以D正确。答案AD3．一定质量的气体，从状态A变化到另一个状态B的过程中，内能增加了160J，则下列关于内能变化的可能原因的说法中不可能