2024-2025学年高中物理 第十章 热力学定律 3 热力学第一定律 能量守恒定律教学实录 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教学实录新人教版选修3-3主备人备课成员设计意图本节课以“热力学第一定律”为主题，旨在帮助学生理解能量守恒定律在热力学中的应用，通过实例分析和实验演示，引导学生掌握能量守恒定律的基本原理和计算方法，提高学生运用所学知识解决实际问题的能力。核心素养目标1.培养学生的科学思维，使其能够运用能量守恒定律分析热力学过程，理解能量转化的规律。

2.增强学生的科学探究能力，通过实验验证热力学第一定律，提升实验设计和数据处理技能。

3.提升学生的科学态度与责任，认识到能量守恒定律在科学研究和工程实践中的重要性，培养节能环保的意识。教学难点与重点1.教学重点：

-热力学第一定律的表述：明确能量守恒定律在热力学中的具体应用，即内能的变化等于热量与做功的代数和。

-热力学第一定律的应用：通过实例分析，让学生掌握如何计算封闭系统的内能变化，理解热量和做功在能量转化中的角色。

-能量转换的计算：学会运用热力学第一定律进行能量转换的计算，如热机效率的计算。

2.教学难点：

-能量转化过程的识别：在复杂的热力学过程中，识别热量和做功的转化形式，理解它们之间的相互关系。

-非理想过程的处理：在真实的热力学过程中，考虑非理想因素对能量守恒的影响，如摩擦、散热等。

-能量守恒定律的数学表达：将能量守恒定律用数学公式表示，理解公式中各个物理量的含义和关系。

-应用实例的复杂性：在解决实际问题时，面对复杂的热力学系统，如何选择合适的公式和计算方法。学具准备多媒体课型新授课教法学法讲授法课时第一课时师生互动设计二次备课教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：系统讲解热力学第一定律的基本概念和原理，帮助学生建立清晰的知识框架。

2.讨论法：组织学生讨论典型例题，引导学生思考能量守恒在具体情境中的应用。

3.实验法：通过实验演示能量守恒定律，让学生直观感受能量转化的过程。

教学手段：

1.多媒体课件：利用PPT展示关键概念和公式，增强视觉效果，提高信息传递效率。

2.视频教学：播放相关实验视频，让学生直观观察热力学过程。

3.在线资源：提供在线练习和模拟实验，方便学生课后复习和巩固知识。教学过程1.导入（约5分钟）

激发兴趣：首先，以一个简单的热力学现象为引子，如热水袋放热后变凉，提问学生这是如何发生的，激发学生对能量转化的兴趣。

回顾旧知：简要回顾热力学第一定律的概念，即能量守恒定律，并强调能量在转化过程中总量保持不变。

2.新课呈现（约20分钟）

讲解新知：详细讲解热力学第一定律的表述，包括内能、热量和做功的概念，以及它们之间的关系。

举例说明：通过几个简单的实例，如理想气体等温膨胀、等压压缩等过程，展示热力学第一定律的具体应用。

互动探究：设置问题，引导学生思考不同热力学过程中能量转化的具体形式，如热量和做功的比例关系。

3.实验演示（约10分钟）

实验一：展示一个封闭系统的热量和做功实验，如使用封闭容器内的气体膨胀实验，让学生观察并记录数据。

实验二：演示热机工作原理，通过模型或动画展示热力学第一定律在热机中的应用。

4.学生活动（约15分钟）

练习一：发放练习题，让学生独立完成，题目包括计算内能变化、热量和做功的实例。

练习二：小组讨论，每组选择一个复杂的热力学过程，应用热力学第一定律进行分析。

5.教师指导（约10分钟）

针对学生在练习中出现的问题，进行个别指导和集体讲解，确保学生理解并掌握热力学第一定律的应用。

6.巩固练习（约15分钟）

练习三：提供一组综合题目，要求学生综合运用热力学第一定律和能量守恒定律解决实际问题。

练习四：设置开放性问题，鼓励学生发挥创造力，设计一个利用能量守恒原理的创新项目。

7.总结与反思（约5分钟）

学生总结：让学生回顾本节课所学内容，总结热力学第一定律的关键点。

教师总结：强调热力学第一定律的重要性，以及在科学研究和技术应用中的广泛影响。

反思与提问：引导学生思考如何将所学知识应用于日常生活和未来的学习中。

8.课后作业（约10分钟）

布置课后作业，包括完成课后练习题、查阅相关资料了解热力学第一定律在现实世界中的应用等。

整个教学过程将持续约60分钟，旨在通过多种教学方法和手段，帮助学生深入理解热力学第一定律，并能够将其应用于解决实际问题。教学资源拓展1.拓展资源：

-热力学第一定律的历史背景：介绍热力学第一定律的发现过程，包括卡诺循环、焦耳实验等关键历史事件。

-热力学第一定律在不同领域的应用：探讨热力学第一定律在工程、环境科学、生物物理学等领域的应用实例。

-能量守恒定律的数学表达：深入研究能量守恒定律的数学形式，包括微分形式和积分形式，以及它们在物理学中的应用。

-热力学第一定律的实验验证：介绍不同类型的实验，如绝热过程、等温过程等，以及如何通过实验验证热力学第一定律。

2.拓展建议：

-阅读相关书籍：推荐阅读《热力学基础》等书籍，以深入了解热力学第一定律的理论基础。

-观看科普视频：推荐观看关于热力学第一定律的科普视频，如TED演讲、科学纪录片等，以增强对知识的直观理解。

-参与科学讨论：鼓励学生参与科学论坛或社交媒体上的讨论，与其他学习者交流对热力学第一定律的理解和看法。

-实验探究：鼓励学生在实验室进行热力学实验，如测量气体膨胀时的做功和热量变化，以加深对能量守恒定律的理解。

-案例分析：分析实际案例，如汽车发动机的热效率、太阳能电池的能量转换效率等，探讨热力学第一定律在实际问题中的应用。

-课题研究：引导学生选择一个与热力学第一定律相关的课题进行深入研究，如能量回收系统、节能技术等，以提升学生的研究能力。

-学术交流：鼓励学生参加学术会议或研讨会，与专家学者交流，了解热力学第一定律的最新研究进展。

-综合应用：将热力学第一定律应用于实际问题，如设计一个简单的节能系统，以培养学生的实践能力和创新思维。典型例题讲解例题一：一定量的理想气体，在等压膨胀过程中，外界对气体做功200J，气体从外界吸收热量300J。求气体内能的增加量和温度的升高值。

解：根据热力学第一定律，ΔU=Q-W

其中ΔU表示内能的增加量，Q表示吸收的热量，W表示对外界做的功。

ΔU=300J-200J=100J

因此，气体的内能增加了100J。

由于气体膨胀，体积增加，温度升高。根据理想气体状态方程PV=nRT，等压过程中，温度T与内能ΔU成正比，所以温度升高值ΔT可以用以下公式计算：

ΔU=(3/2)nRΔT

解得：ΔT=(2/3)ΔU/(nR)=(2/3)*100J/(nR)

例题二：一定量的理想气体，在等容加热过程中，内能增加了1000J。求气体吸收的热量和做功。

解：在等容过程中，体积不变，所以对外界不做功，即W=0。

根据热力学第一定律，ΔU=Q

因此，气体吸收的热量Q=1000J。

例题三：一个绝热容器内有等量的氧气和氮气，初始温度为T1。若容器中的氧气和氮气发生混合反应，放热Q，求混合后的温度变化。

解：绝热过程意味着没有热量交换，即Q=0。但由于放热反应，内能减少，导致温度降低。

假设混合后的温度为T2，根据热力学第一定律，ΔU=Q

由于Q=0，所以ΔU=0，即混合反应后内能不变。

因此，T2=T1

例题四：一定量的理想气体，在等温膨胀过程中，体积从V1增加到V2，气体对外做功W。求气体内能的变化量和温度的变化。

解：在等温过程中，温度不变，根据理想气体状态方程PV=nRT，气体的压强与体积成反比。

由于体积增大，压强减小，但温度不变，内能也不变，即ΔU=0。

因此，内能的变化量为0，温度的变化量为0。

例题五：一个绝热容器内有1kg的水，温度为T1。当水全部转化为同温度的蒸汽时，蒸汽对外做功W。求水转化为蒸汽所需的能量。

解：水转化为蒸汽是一个等压过程，因为水蒸气在标准大气压下生成。

根据热力学第一定律，ΔU=Q-W

其中Q为水转化为蒸汽所需的热量，W为蒸汽对外做的功。

在等压过程中，Q=ΔU+W

由于水转化为蒸汽后体积增大，蒸汽对外做功W，所以Q>W。

假设蒸汽的体积为V2，水的体积为V1，则有Q=p(V2-V1)

其中p为水蒸气的压强。

由于容器是绝热的，Q全部用于克服做功，即Q=W

所以，p(V2-V1)=W

最终，水转化为蒸汽所需的能量等于蒸汽对外做的功W。教学评价与反馈1.课堂表现：

课堂表现评价将关注学生的积极参与度、对知识的理解和应用能力。学生将根据以下标准进行评价：

-积极参与课堂讨论，能够提出问题或观点。

-正确理解和运用热力学第一定律进行计算和分析。

-能够结合实际例子说明能量守恒定律的应用。

2.小组讨论成果展示：

小组讨论成果展示将评价学生的合作能力、沟通技巧和问题解决能力。评价标准包括：

-小组成员之间的有效沟通和分工合作。

-小组能够共同分析问题，提出合理的解决方案。

-小组展示的内容清晰、逻辑性强，能够准确表达热力学第一定律的应用。

3.随堂测试：

随堂测试将评估学生对热力学第一定律知识的掌握程度。测试将包括以下类型的问题：

-计算题：要求学生应用热力学第一定律进行能量守恒的计算。

-应用题：提供实际情境，要求学生运用所学知识解决实际问题。

-选择题：考察学生对基本概念和原理的理解。

4.课后作业反馈：

课后作业将评价学生的自主学习能力和对知识的巩固程度。评价标准包括：

-学生能够独立完成作业，并按时提交。

-作业内容准确，计算过程清晰，解答完整。

-学生能够将所学知识应用于新的问题和情境。