人教版高中物理选择性必修第三册第三章教案学案

人教版高中物理选择性必修第三册第三章教案学案3.1功、热和内能的改变【学习目标】一、知识与技能1．知道绝热过程的含义。2．从热力学的角度认识内能的概念。3．理解做功与内能改变之间的关系。4．知道热传递过程中，物体吸收（放出）热量，温度升高（降低），内能改变。5．了解热量的概念，热量的单位是焦耳。二、过程与方法1．通过观察、思考，知道物体的内能是系统的一个状态量。2．通过探究活动，培养实验探究能力、提高科学思维水平。3．通过类比方法，建立内能的概念。三、情感、态度与价值观1．通过主动参与学习活动，激发学习物理的兴趣。2．通过实验活动，培养实事求是的科学态度。【学习重点】1．做功与内能改变关系的探究。2．热量与内能改变关系的探究。3．内能概念的建立。【学习难点】内能概念的建立。【学习过程】一、焦耳的实验1．系统只由于_____________________________而与外界交换能量，它不从外界_________，也不向外界___________，这样的过程叫做绝热过程。2．焦耳实验一（机械做功）重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化。结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是______________，即系统状态的变化是________________。3．焦耳实验二（电流做功）电流通过_______________使绝热容器内的液体温度升高。结论：对同一系统，在绝热过程中只要______________________相同，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同。4．引导得出实验结论：对于绝热系统，从状态1到状态2，做功的值是_______________________，与具体做功的过程、方式______________。二、功与内能的改变1．内能任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于__________________________的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能。2．功和内能改变关系：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量△??=??2−??1就等于________________________________________，即________________。总结：做功可以改变系统的内能。__________是系统内能转化的量度。（1）外界对系统做功，系统的内能___________。（2）系统对外界做功，系统的内能___________。例题1：下图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（）A．外界对气体做功，气体内能增大B．外界对气体做功，气体内能减小C．气体对外界做功，气体内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小答案：A例题2：地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中（不计气团内分子间的势能）（）A．体积减小，温度降低B．体积减小，温度不变C．体积增大，温度降低D．体积减小，温度不变答案：C三、热与内能的改变1．热传递定义：______________________________________________________。2．热传递的方式：_____________________________。3．发生热传递的条件：当物体之间或物体的不同部分之间______________________时才能发生热传递。例题3：关于热传递，下列说法正确的是（）A．热传递的实质是温度的传递B．物体间存在温度差，才能发生热传递C．热传递可以在任何情况下进行D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量答案：C4．热与内能的改变教师总结：_____________是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量△??=??2−??1就等于外界向系统传递的热量??，即______________。当热量转移到系统当中，称为______热，内能_____________。当热量从系统转移出去，称为______热，内能_____________。5．内能与热量的区别：（1）内能是一个_____________量，一个物体在不同的状态下有不同的内能。（2）热量是一个_____________量，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量。（3）如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能。【练习巩固】1．如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热（即与外界不发生热交换）容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体（）A．温度传感器B．压力传感器C．磁传感器D．光传感器答案：C2．如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空。现将隔板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中（不计气体的分子势能）（）A．气体对外界做功，温度降低，内能减少B．气体对外界做功，温度不变，内能减少C．气体不做功，温度不变，内能不变D．气体不做功，温度不变，内能减少答案：C3．下列说法正确的是（）A．分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能B．物体的分子势能由物体的温度和体积决定C．物体的速度增大时，物体的内能增大D．物体的内能减小时，物体的温度可能增加答案：D4．一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（）A．物体的机械能和内能都不变B．物体的机械能减少，内能不变C．物体的机械能增加，内能增加D．物体的机械能减少，内能增加答案：D5．如图所示，绝热具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部。另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为EP（弹簧处于自然长度时的弹性势能为零），现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程（）A．EP全部转换为气体的内能B．EP一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能C．EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D．EP一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能答案：D6．一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（）A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少答案：D7．在下述现象中没有通过做功而使物体内能改变的是（）A．电流通过电炉而使温度升高B．在阳光照射下，水的温度升高C．铁锤打铁块，使铁块温度升高D．夏天在室内放几块冰，室内会变凉快答案：BD8．对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是（）A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度C．热量、功和内能的国际单位都相同D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的答案：CD3.2热力学第一定律【学习目标】1．认识物质的运动形式有多种，对应不同运动形式的运动有不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化。2．进一步掌握能的转化规律。3．运用公式△U＝W+Q分析有关问题并具体进行计算。【学习重难点】热力第一定律。【学习过程】1．热力学第一定律：_________________________________________________________________________________________________________________________________________________。其数学表达式为：__________________2．定律中各量的正、负号及含义物理量符号意义符号意义W+－Q+－ΔU+－例题一定质量的气体，在被压缩的过程中外界对气体做功300J，但这一过程中气体的内能减少了300J，问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收（或放出）多少热量？解：由题意知W=300JΔU=-300J，根据热力学第一定律可得：Q=ΔU-W=-300J-300J=-600JQ为负值表示气体放热，因此气体放出600J的热量。【强化训练】1．如图所示，用力F压缩气缸中的空气，力F对空气做了1800J的功，同时气缸向外放热2000J，空气的内能改变了多少？参考解答：由热力学第一定律：ΔU=W+Q得：＋1800J+（-2000）J=ΔU∴ΔU=-200J即空气内能减少了200J2．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是（）A．物体吸收热量，内能一定增大B．物体对外做功，内能一定减少C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变解析：根据热力学第一定律ΔU=W+Q，物体内能的变化与外界对气体做功（或气体对外界做功），气体从外界吸热（或向外界放热）两种因素有关，物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错，同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，B错；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，C正确。而放热与对外做功是使物体内能减小，所以D错。所以本题正确答案为C。总结：运用热力学第一定律解决问题1．根据符号法则写出各已知量的正、负。2．根据方程求出未知量。3．再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。【练习巩固】1．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少？2．如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动（活塞与汽缸间无摩擦、不漏气），也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。（1）Q1和Q2哪个大些？（2）气体在定容下的比热容与在定压下的比热容为什么会有不同？3．某风景区有一处约20层楼高的瀑布，甚为壮观。请估计：瀑布上、下水潭的水温因瀑布的机械能转化成内能而相差多少？水的比热容c为4.2×103J/。3.3能量守恒定律【学习目标】1．掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义。会用能量守恒的观点分析物理现象。2．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。【学习重难点】能量转化和守恒定律的理解及综合应用。【学习过程】一、探索能量守恒的足迹1．不同形式的能描述下图分别主要描写的是什么形式的能。（）（）（）（）2．能量之间的转化判断下图分别是哪几种能量之间的相互转化。（）（）（）（）3．能量守恒观念的形成二、能量守恒定律在力学中，当系统只有_____________________________做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是______________守恒定律。在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。____________________________，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。1．能量守恒定律：能量既不会___________________，也不会________________，它只能从一种形式___________另一种形式，或者从一个物体___________另一个物体，而在___________或___________过程中，能量的总量__________________。2．能量守恒定律的意义：（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。三、永动机不可能制成1．永动机：_________________________________________，这种机器叫永动机。2．人类对永动机的追求阅读材料：螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。3．第一类永动机概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。结果：无一例外地归于失败。原因：_____________________________________________________。4．永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。【练习巩固】1．判断（1）各种能量之间可以转移或转化，但总量保持不变。（√）（2）第一类永动机因违背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）（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。（√）2．第一类永动机违反了什么而不能制成（）A．违反了热力学第一定律B．违反了机械能守恒定律C．违反了能量守恒定律D．以上说法都不对答案：C3．如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡。在这个过程中，下面说法正确的是（）A．大气压力对水做功，水的内能增加B．水克服大气压力做功，水的内能减少C．大气压力对水不做功，水的内能不变D．大气压力对水不做功，水的内能增加答案：D4．重1000kg的气锤从2.5m高处落下，打在质量为20kg的铁块上，要使铁块的温度升高40℃以上，气锤至少应落下多少次？（设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度，g取10m/s2，铁的比热容c＝4.62×102J/（kg•℃））答案：25次5．一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答案：B6．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是（）A．秋千的机械能守恒B．秋千的能量正在消失C．只有动能和重力势能的相互转化D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒答案：D7．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它（）A．不符合热力学第一定律B．做功产生的热量太少C．由于有摩擦、热损失等因素的存在D．找不到合适的材料和合理的设计方案答案：A8．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（）A．物体克服阻力做功B．物体的动能转化为其他形式的能量C．物体的势能转化为其他形式的能量D．物体的机械能转化为其他形式的能量答案：AD3.4热力学第二定律【学习目标】一、知识与技能1．了解热传导过程的方向性。2．了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质。3．了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。二、过程与方法培养学生通过日常生活现象概括物理规律的能力。三、情感、态度与价值观知道要有效地利用自然界提供的各种能源，必须遵循自然界的规律。【学习重难点】热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。【学习过程】一、热力学第二定律1．热力学第二定律的一种表述——克劳修斯表述（热传导的方向性）（1）热力学第二定律（概念）：反映________________过程的___________的定律。（2）克劳修斯表述：热量不能自发地从________________传到_______________。即热传导的过程具有_________________。2．热力学第二定律的另一种表述——开尔文表述（机械能与内能转化的方向性）（1）热机①热机工作的两个阶段第一个阶段是___________________，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质_____________________，把自己的内能变成机械能。②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示为______________________。（2）开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。即机械能与内能转化具有___________________。（3）热力学第二定律的其他描述①气体向真空的自由膨胀是_______________的。②一切宏观自然过程的进行都具有_____________________。3．第二类永动机①定义只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的___________。②第二类永动机不可能制成第二类永动机不违背______________________，但违背________________________。4．热力学第一定律和热力学第二定律的关系。（1）热力学第一定律揭示了_________________和_______________对改变物体内能的规律关系ΔU＝_____________________，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第一定律就是_____________与其他能量发生转化时的能量守恒定律，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。告诫人们：第一类永动机不可能制成。热力学第一定律只有一种表述形式。（2）热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的___________。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。告诫人们：第二类永动机不可能制成。热力学第二定律有_____________表述形式。（3）两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。5．两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机设计要求_____________任何能量，可以不断对外做功（或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去）。将内能全部转化为____________，而不引起其他变化（或只有一个热库，实现内能与机械能的转化）。不可能的原因违背了______________________。违背了______________________。判一判（1）任何物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和。（）（2）满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行。（）（3）将海水温度自动下降时释放的内能可以全部转化为机械能。（）（4）能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。（）提示：（1）× （2）× （3）× （4）√二、能源是有限的根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“___________________”。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少，但____________________会逐步减少，因此______________是有限的资源。三、熵与熵增加原理自然界的很多过程是________________的。例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫做孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是____________________。【巩固练习】1．下列说法正确的是（）A．机械能全部变成内能是不可能的B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式C．根据热力学第