2024-2025学年高中物理 第十章 热力学定律 3 热力学第一定律 能量守恒定律（4）教案 新人教版选修3-3

2024-2025学年高中物理第十章热力学定律3热力学第一定律能量守恒定律（4）教案新人教版选修3-3课题：科目：班级：课时：计划1课时教师：单位：一、课程基本信息1.课程名称：高中物理第十章热力学定律3热力学第一定律能量守恒定律（4）

2.教学年级和班级：2024-2025学年高中物理，新人教版选修3-3

3.授课时间：本节课的具体上课时间为45分钟

4.教学时数：本节课的教学时数为1课时二、核心素养目标1.能理解并运用能量守恒定律解释生活中的热力学现象。

2.能运用热力学第一定律分析系统内能的变化。

3.培养学生的实验操作能力，通过实验观察和数据分析，加深对热力学定律的理解。

4.培养学生的科学思维能力，通过分析热力学问题，提高逻辑推理和解决问题的能力。

5.培养学生的团队合作能力，通过小组讨论和实验合作，提高沟通协作能力。三、教学难点与重点1.教学重点：

（1）能量守恒定律的内容及其应用。

（2）热力学第一定律的表达式及意义。

（3）系统内能的变化与外界做功和热传递的关系。

2.教学难点：

（1）能量守恒定律在复杂热力学现象中的应用。

举例：如何运用能量守恒定律解释蒸汽机的工作原理。

（2）热力学第一定律在实际问题中的运用。

举例：如何分析一个封闭系统中内能的变化，以及外界做功和热传递对其影响。

（3）理解并掌握系统内能的计算方法。

举例：如何通过实验数据计算系统内能的变化。四、教学方法与手段1.教学方法：

（1）讲授法：通过讲解能量守恒定律和热力学第一定律的基本概念，使学生掌握理论知识。

（2）讨论法：组织学生进行小组讨论，分享对热力学定律的理解和应用，提高学生的科学思维能力。

（3）实验法：引导学生参与实验操作，观察和分析实验结果，加深对热力学定律的理解和运用。

2.教学手段：

（1）多媒体设备：利用PPT、视频等材料，生动展示热力学定律的原理和实例，提高学生的学习兴趣。

（2）教学软件：运用互动式教学软件，引导学生主动探索和解决问题，提高学生的自主学习能力。

（3）实验器材：准备热力学实验所需的器材，让学生亲身体验和观察热力学现象，增强学生的实践操作能力。五、教学过程1.导入新课

同学们，大家好！今天我们将学习高中物理第十章热力学定律的第三节，热力学第一定律——能量守恒定律。这一定律是热力学的基础，对于理解自然界中的能量转化和能量守恒具有重要意义。希望通过本节课的学习，大家能够深入理解并能够运用能量守恒定律分析和解释实际问题。

2.知识讲解

(1)能量守恒定律的基本概念

同学们，能量守恒定律指的是在一个封闭系统中，能量不会凭空产生也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体。这个转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。

(2)热力学第一定律的表达式及意义

热力学第一定律可以用公式表示为：ΔU=Q-W。其中，ΔU代表系统内能的变化，Q代表系统吸收的热量，W代表系统对外做的功。这个公式告诉我们，系统内能的变化等于吸收的热量减去对外做的功。

(3)系统内能的变化与外界做功和热传递的关系

同学们，系统内能的变化取决于外界对系统做的功和系统吸收的热量。如果外界对系统做的功大于系统吸收的热量，系统内能将增加；如果外界对系统做的功小于系统吸收的热量，系统内能将减少；如果外界对系统做的功等于系统吸收的热量，系统内能将保持不变。

3.实例分析

(1)蒸汽机的工作原理

同学们，蒸汽机是一种将热能转化为机械能的装置。在这个过程中，水蒸气吸收热量膨胀做功，然后冷却凝结释放热量。根据能量守恒定律，这个过程中能量的总量保持不变。

(2)分析一个封闭系统中内能的变化

同学们，假设我们有一个封闭的容器，其中有一定量的理想气体。如果我们在容器外部对气体做功，例如压缩气体，气体的内能将增加；如果我们将容器放在热源旁边，气体吸收热量，内能也将增加。相反，如果气体对外做功，例如膨胀推动活塞，气体的内能将减少；如果气体放出热量到冷源，内能也将减少。

4.实验操作与分析

(1)实验目的

同学们，本次实验的目的是通过观察和测量实验数据，验证能量守恒定律。

(2)实验步骤与数据收集

同学们，我们将进行一个简单的实验。首先，将一定量的水放入容器中，并用加热器加热至一定温度。然后，将容器放在冷水中，观察温度的变化，并记录相关数据。

(3)实验结果与分析

同学们，通过实验我们可以发现，加热过程中水的温度升高，放热过程中水的温度降低。根据能量守恒定律，这个过程中能量的总量保持不变。我们可以通过计算实验前后水的内能变化，以及吸收和释放的热量，来验证能量守恒定律的正确性。

5.总结与作业布置

同学们，通过本节课的学习，我们了解了能量守恒定律的基本概念和表达式，并通过实例分析和实验操作验证了能量守恒定律的正确性。希望大家能够通过作业进一步巩固本节课所学内容，并尝试运用能量守恒定律解决实际问题。

同学们，今天的课就到这里。希望大家能够通过本节课的学习，深入理解能量守恒定律，并能够在实际问题中灵活运用。如果有任何疑问，请随时提问。下节课我们将继续学习热力学定律的下一节内容。谢谢大家！六、学生学习效果1.理解并掌握能量守恒定律的基本概念和表达式，能够运用能量守恒定律解释生活中的热力学现象。

2.能够分析系统内能的变化，并理解系统内能的变化与外界做功和热传递的关系。

3.通过实验操作和数据分析，能够验证能量守恒定律的正确性，并提高实验操作能力和数据分析能力。

4.培养科学思维能力，能够运用热力学第一定律分析和解决实际问题。

5.培养团队合作能力，通过小组讨论和实验合作，提高沟通协作能力。

具体表现在：

1.学生们能够在作业和测试中正确应用能量守恒定律，解决相关的热力学问题。

2.学生们能够在实验报告中详细描述实验过程和结果，并能够运用能量守恒定律解释实验现象。

3.学生们能够在课堂上积极参与讨论，分享对热力学定律的理解和应用，提高科学思维能力。

4.学生们能够在团队合作中充分发挥自己的作用，共同分析和解决热力学问题，提高团队合作能力。七、作业布置与反馈1.作业布置

（1）理论知识巩固：要求学生复习本节课所学的能量守恒定律的基本概念和表达式，并能够在纸上清晰地写出热力学第一定律的公式。

（2）实例分析：请学生选取一个生活中的热力学现象，运用能量守恒定律进行分析和解释，并将分析过程和结论写成报告。

（3）实验操作：根据实验步骤和数据，学生需要完成实验报告，报告中应包括实验目的、实验步骤、实验结果和实验分析等内容。

2.作业反馈

（1）理论知识巩固：在批改作业时，重点检查学生对能量守恒定律的基本概念和表达式的理解程度，以及公式书写的准确性。对于错误的地方，需要在作业上做出标记，并提出正确的解释和改正建议。

（2）实例分析：在评价学生的报告时，关注学生能否正确运用能量守恒定律进行分析，结论是否合理，以及报告的条理性和完整性。对于分析不准确或不完整的报告，需要给出具体的改进建议，并鼓励学生重新思考和修改。

（3）实验操作：在批改实验报告时，重点关注学生对实验步骤的掌握情况，实验数据的准确性和可靠性，以及实验分析的合理性。对于存在问题的报告，需要指出问题所在，并提供改进的方法和思路。八、典型例题讲解1.例题一：能量守恒定律的应用

题目：一个物体从高处自由落下，求物体落地时的速度。

解答：根据能量守恒定律，物体在下落过程中，重力势能转化为动能。重力势能的减少等于动能的增加。设物体质量为m，高度为h，重力加速度为g，则重力势能的减少为mgh，动能的增加为1/2mv^2。因此，mgh=1/2mv^2。解得v=√(2gh)。

2.例题二：热力学第一定律的计算

题目：一个封闭容器中的理想气体，在恒压下被加热，求气体温度的变化。

解答：根据热力学第一定律，系统内能的增加等于吸收的热量减去对外做的功。设气体质量为m，比热容为c，加热量为Q，对外做的功为W。则内能的增加为ΔU=Q-W。由于是恒压过程，对外做的功W=PΔV，其中P为气体压强，ΔV为气体体积的变化。根据理想气体状态方程PV=nRT，可以得到ΔV=nRΔT/P。将W的表达式代入ΔU的表达式，得到ΔU=Q-PnRΔT/P=Q-nRΔT。由于内能的变化ΔU与温度变化ΔT成正比，可以得到ΔT=ΔU/(nR)。

3.例题三：系统内能的计算

题目：一个质量为2kg的理想气体，温度为300K，压强为1.0×10^5Pa，求气体的内能。

解答：根据理想气体状态方程PV=nRT，可以得到气体的体积V=nRT/P=(2kg)(8.314J/(mol·K))(300K)/(1.0×10^5Pa)。由于是理想气体，我们假设气体的摩尔质量为28.01g/mol，因此气体的摩尔数n=2kg/28.01g/mol。气体的内能U可以用公式U=(3/2)nRT计算，代入上述数值得到U=(3/2)(2kg)(8.314J/(mol·K))(300K)/(28.01×10^-3kg/mol)=6.8×10^3J。

4.例题四：热力学第一定律在实际问题中的应用

题目：一个热机在工作过程中，吸热Q=1.2×10^5J，对外做功W=4.0×10^4J，求热机的效率。

解答：根据热力学第一定律，系统内能的增加ΔU=Q-W=1.2×10^5J-4.0×10^4J=8.0×10^4J。热机的效率η可以用公式η=W/Q计算，代入上述数值得到η=(4.0×10^4J)/(1.2×10^5J)=0.33，即33%。

5.例题五：能量守恒定律在生活中的应用

题目：一个烧水的过程，水从20℃加热到100℃，求水吸收的热量。

解答：根据能量守恒定律，水吸收的热量等于水温度的升高所对应的能量增加。设水的质量为m，比热容为c，温度变化为ΔT。则水吸收的热量Q=mcΔT。代入水的比热容c=4.18J/(g·℃)，质量m=1kg，温度变化ΔT=100℃-20℃=80℃，得到Q=(1kg)(4.18J/(g·℃))(80℃)=3.34×10^5J。板书设计①能量守恒定律的基本概念和表达式

-能量守恒定律：在一个封闭系统中，能量不会凭空产生也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体。

-表达式：ΔU=Q-W，其中ΔU代表系统内能的变化，Q代表系统吸收的热量，W代表系统对外做的功。

②热力学第一定律的表达式及意义

-表达式：ΔU=Q-W，系统内能的变化等于吸收的热量减去对外做的功。

-意义：热力学第一定律告诉我们，系统内能的变化取决于外界对系统做的功和系统吸收的热量。

③系统内能的变化与外界做功和热传递的关系

-内能增加：外界对系统做的功大于系统吸收的热量。

-内能减少：外界对系统做的功小于系统吸收的热量。

-内能保持不变：外界对系统做的功等于系统吸收的热量。

2.板书设计艺术性和趣味性

①利用颜色和字体变化，突出重点内容，增加视觉效果。

②利用图表和示意图，直观展示能量守恒定律的应用和热力学第一定律的原理。

③引入生活中的实例，激发学生的学习兴趣，如蒸汽机、热机等。

④设计互动环节，鼓励学生积极参与讨论和提问，提高学生的参与度和学习主动性。

⑤利用幽默的语言和比喻，增加板书的趣味性，如将能量守恒定律比作“能量的魔术师”。反思改进措施（1）引入生活中的实例，激发学生的学习兴趣。通过结合生活中的热力学现象，如蒸汽机、热机等，让学生更加直观地理解能量守恒定律和热力学第一定律的原理。

（2）设计互动环节，提高学生的参与度和学习主动性。通过小组讨论、提问等互动方式，鼓励学生积极参与课堂，提高他们的学习兴趣和主动性。

（3）利用幽默的语言和比喻，增加板书的趣味性。通过幽默的语言和比喻，让学生更容易理解和记忆能量守恒定律和热力学第一定律的基本概念和表达式。

2.存在主要问题

（1）部分学生对理论知识的理解不