熱力學(xué)第一定律能量守恒定律

熱力學(xué)第一定律能量守恒定律一、教學(xué)目的1．知識(shí)目的：（1）理解和掌握物體跟外界做功和熱傳遞的過程中W、Q、ΔU的物理意義。（2）會(huì)擬定的W、Q、ΔU正負(fù)號(hào)。（3）理解熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q（4）會(huì)用ΔU=W+Q分析和計(jì)算問題。（4）理解能量守恒定律，能列舉出能量守恒定律的實(shí)例；（5）理解“永動(dòng)機(jī)”不能實(shí)現(xiàn)的原理。2．能力目的：在培養(yǎng)學(xué)生能力方面，這節(jié)課中要讓學(xué)生理解熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，并會(huì)用ΔU=W+Q分析和計(jì)算問題，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。3．物理學(xué)辦法教育目的：能量守恒定律是自然科學(xué)的基本定律之一，應(yīng)用能量守恒的觀點(diǎn)來分析物理現(xiàn)象、解決物理問題是很重要的物理思維辦法。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析1．重點(diǎn)內(nèi)容是熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律，強(qiáng)調(diào)能量守恒定律是自然科學(xué)中最基本的定律。學(xué)會(huì)運(yùn)用熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律分析、計(jì)算某些物理習(xí)題。2．運(yùn)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律對(duì)具體的自然現(xiàn)象進(jìn)行分析，闡明能是如何轉(zhuǎn)化的，對(duì)學(xué)生來說是有難度的。三、教學(xué)辦法教師解說，課件演示，指導(dǎo)學(xué)生看書四、教具計(jì)算機(jī)、大屏幕、自制多媒體課件五、教學(xué)過程（－）引入新課上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了變化內(nèi)能的兩種方式，做功和熱傳遞，那么它們之間有什么數(shù)量關(guān)系呢？以前我們還學(xué)習(xí)過電能、化學(xué)能等多個(gè)形式的能，它們?cè)谵D(zhuǎn)化過程中恪守什么規(guī)律呢？這節(jié)課我們就來研究這些問題?！景鍟康诹?jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律（二）進(jìn)行新課【板書】一、做功W、熱傳遞Q、內(nèi)能變化ΔU的物理意義1．做功：做功使物體內(nèi)能發(fā)生變化，實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化，是一種形式的能量向另一種形式的能轉(zhuǎn)化。功是能量轉(zhuǎn)化的量度。2．熱傳遞：是能量的轉(zhuǎn)移，內(nèi)能由一種物體傳遞給給另一種物體，傳遞的能量用Q表達(dá)。3．內(nèi)能的變化：是物體內(nèi)全部分子動(dòng)能和勢(shì)能之和發(fā)生了變化，宏觀體現(xiàn)在溫度和體積上的變化?！景鍟慷?、W、Q、ΔU正負(fù)號(hào)的擬定1．W，外界對(duì)物體做功，W取正值；物體對(duì)外界做功，W取負(fù)值。2．Q，物體吸熱，Q取正值；物體放熱，Q取負(fù)值。3，ΔU，物體內(nèi)能增加，ΔU取正值；物體減少，ΔU取負(fù)值。【板書】三、W、Q、ΔU之間的關(guān)系一種物體，如果它既沒有吸取熱量也沒有放出熱量，那么，外界對(duì)它做多少功，它的內(nèi)能就增加多少．一種物體，如果它既沒有對(duì)外做功，也沒有其它物體對(duì)它做功，那么，它從外界吸取多少熱量，它的內(nèi)能就增加多少．如果外界既向物體傳熱又對(duì)物體做功，那么物體內(nèi)能的增加量就等于物體吸取的熱量和外界對(duì)物體做的功之和．用ΔU表達(dá)物體內(nèi)能的增加量，用Q表達(dá)物體吸取的熱量，用W表達(dá)外界對(duì)物體做的功，那么ΔU=Q+W這個(gè)式子所示的，內(nèi)能的變化量跟功、熱量的定量關(guān)系，在物理學(xué)中叫做熱力學(xué)第一定律．【例題】一定量的氣體從外界吸取了2.6×105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105J．外界對(duì)氣體做了多少功？解由(1)式得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105J外界對(duì)氣體做的功是1.6×105J．思考與討論上題中，如果氣體吸取的熱量仍為2.6×105J，但是內(nèi)能只增加了1.6×105J，計(jì)算成果W將為負(fù)值．如何解釋這個(gè)成果？普通地講，ΔU、Q、W的正值和負(fù)值各代表什么物理意義？【板書】四、能量守恒定律【課件演示】讓學(xué)生先看幾個(gè)能量轉(zhuǎn)化的例子（增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)）1．機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程中能量守恒（1）運(yùn)動(dòng)的汽車緊急剎車，汽車最后停下來。這過程中汽車的動(dòng)能（機(jī)械能）轉(zhuǎn)化為輪胎和路面的內(nèi)能（假定這過程沒有與周邊物體有熱交換，既不散熱也不吸熱）。摩擦力做了多少功，內(nèi)能就增加多少。公式W=ΔE表達(dá)了做功與內(nèi)能變化的關(guān)系，這公式也反映出做功過程中，機(jī)械能的損失數(shù)量正好等于物體內(nèi)能增加的數(shù)量。（2）把一鐵塊放入盛有水的燒杯中，用酒精燈加熱燒杯內(nèi)水，直至水沸騰。在這一過程中，鐵塊從周邊水中吸取了熱量使它溫度升高，內(nèi)能增加。這過程中水的一部分內(nèi)能通過熱量傳遞使鐵塊內(nèi)能增加。鐵塊吸取多少熱量，它內(nèi)能就增加多少。公式Q=ΔE表達(dá)吸取的熱量與內(nèi)能變化量的關(guān)系，也反映出鐵塊增加的內(nèi)能數(shù)量與水轉(zhuǎn)移給鐵塊的內(nèi)能數(shù)量相等。普通狀況下，如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞過程，那么，外界對(duì)物體所做的功W加上物體從外界吸取的熱量Q，等于物體內(nèi)能的增加ΔE，即W+Q=ΔE上式所示的是功、熱量和內(nèi)能之間變化的定量關(guān)系，同時(shí)它也反映了一種物體的內(nèi)能增加量等于物體的機(jī)械能減少量和另外物體內(nèi)能減少量（內(nèi)能轉(zhuǎn)移量）之和。進(jìn)而闡明，內(nèi)能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的。2．其它形式的能也能夠和內(nèi)能互相轉(zhuǎn)化（1）介紹其它形式能：我們學(xué)習(xí)過機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，事實(shí)上自然界存在著許多不同形式的運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)都有一種對(duì)應(yīng)的能量，如電能、磁能、光能、化學(xué)能、原子能等。（2）不僅機(jī)械能和內(nèi)能能夠互相轉(zhuǎn)化，其它形式能也能夠和內(nèi)能互相轉(zhuǎn)化，舉例闡明：（同時(shí)放映幻燈片）①電爐取暖：電能→內(nèi)能②煤燃燒：化學(xué)能→內(nèi)能③火熱燈燈絲發(fā)光：內(nèi)能→光能（3）其它形式的能彼此之間都能夠互相轉(zhuǎn)化。畫出圖表讓學(xué)生回答分析：3．能量守恒定律大量事實(shí)證明：多個(gè)形式的能都能夠互相轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過程中守恒。能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一種物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變．這就是能量守恒定律。在學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)時(shí)，學(xué)習(xí)了機(jī)械能守恒定律。機(jī)械能守恒定律是有條件限制的定律，并且實(shí)際現(xiàn)象中是不可能實(shí)現(xiàn)的。而能量守恒定律是存在于普遍自然現(xiàn)象中的自然規(guī)律。這規(guī)律對(duì)物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的研究，如力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等都有指導(dǎo)意義。它也對(duì)化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)的研究都有指導(dǎo)作用。4．永動(dòng)機(jī)不可能制成歷史上不少人但愿設(shè)計(jì)一種機(jī)器，這種機(jī)器不消耗任何能量，卻能夠源源不停地對(duì)外做功。這種機(jī)器被稱為永動(dòng)機(jī)。即使諸多人，進(jìn)行了諸多嘗試和多個(gè)努力，但無一例外地以失敗告終。失敗的因素是設(shè)計(jì)者完全違反了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，任何機(jī)器運(yùn)行時(shí)其能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。如果它對(duì)外做功必然消耗能量，不消耗能量就無法對(duì)外做功，因而永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)不可能制造成功的。5．運(yùn)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律進(jìn)行物理計(jì)算例題：用鐵錘打擊鐵釘，設(shè)打擊時(shí)有80％的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能的50％用來使鐵釘?shù)臏囟壬?。問打?0次后，鐵釘?shù)臏囟壬叨嗌贁z氏度？已知鐵錘的質(zhì)量為1.2kg，鐵錘打擊鐵釘時(shí)的速度是10m/s，鐵釘質(zhì)量是40g，鐵的比熱是5.0×102J/（kg·℃）。首先讓學(xué)生分析鐵錘打擊鐵釘?shù)倪^程中能量的轉(zhuǎn)化。歸納學(xué)生回答成果，指出鐵錘打擊鐵釘時(shí)，鐵錘的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，并且內(nèi)能中的二分之一被鐵釘吸取，使它的溫度升高。如果用ΔE表達(dá)鐵釘?shù)膬?nèi)能增加量，鐵錘和鐵釘?shù)馁|(zhì)量分別用M和m表達(dá)，鐵錘打擊鐵釘時(shí)的速度用v表達(dá)。根據(jù)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，有鐵釘?shù)膬?nèi)能增加量不能直接計(jì)算鐵釘?shù)臏囟?，我們把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的數(shù)量等效為以熱傳遞方式完畢的，因此等效為計(jì)算打擊過程中鐵釘吸取多少熱量，這熱量就是鐵釘?shù)膬?nèi)能增加量。因此有Q=cmΔt上式中c為鐵釘?shù)谋葻?，Δt表達(dá)鐵釘?shù)臏囟壬吡俊⑸厦鎯蓚€(gè)公式聯(lián)立，得出℃經(jīng)計(jì)算得出鐵釘溫度升高24℃。在這個(gè)物理計(jì)算過程中突出體現(xiàn)了如何應(yīng)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律這一基本原理。應(yīng)當(dāng)注意，有的同窗把上述題目中鐵錘打擊鐵釘過程中的能量轉(zhuǎn)化，說成“鐵錘做功轉(zhuǎn)化為熱量”是不對(duì)的的。只能說做功與熱傳遞在使物體內(nèi)能變化上是等效的。（三）課堂小結(jié)熱力學(xué)第一定律表達(dá)的是功、熱量和內(nèi)能之間變化的定量關(guān)系；自然界多個(gè)形式的能存在著互相轉(zhuǎn)化過程，轉(zhuǎn)化過程中總量是守恒的。能量守恒定律是自然界最基本的物理定律。同窗們要會(huì)分析某些自然現(xiàn)象中能是如何轉(zhuǎn)化的。應(yīng)當(dāng)懂得，根據(jù)能量守恒定律，永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的。通過課上的例題計(jì)算，學(xué)會(huì)運(yùn)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律解決物理問題的辦法。（四）闡明熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律是學(xué)生進(jìn)入高中物理階段后，第一次完整、細(xì)致地學(xué)習(xí)。此定律對(duì)此后學(xué)習(xí)物理是很重要的一種理論鋪墊。教學(xué)上要重視，課堂上解說要細(xì)致和透徹。（五）布置作業(yè)復(fù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，完畢練習(xí)六。課后思考與討論有人設(shè)計(jì)了這樣一臺(tái)“永動(dòng)機(jī)”：距地面一定高度架設(shè)一種水槽，水從槽底的管中流出，沖擊一種水輪機(jī)，水輪機(jī)的軸上安裝一種抽水機(jī)和一種砂輪．他指望抽水機(jī)把地面水槽里的水抽上去，這樣循環(huán)不已，機(jī)器不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，就能夠永久地用砂輪磨制工件做功了(下圖)．請(qǐng)你分析一下，高處水槽中水的勢(shì)能共轉(zhuǎn)變成哪幾個(gè)形式的能，闡明這個(gè)機(jī)器與否能夠永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去．閱讀材料高空的氣溫為什么低研究大氣現(xiàn)象時(shí)常慣用到熱力學(xué)第一定律．普通把溫度、壓強(qiáng)相似的一部分空氣作為研究的對(duì)象，叫做氣團(tuán)，直徑上千米．由于氣團(tuán)很大，邊沿部分和外界的熱交換對(duì)整個(gè)氣團(tuán)沒有明顯的影響，即(1)式中Q=0，因此氣團(tuán)的內(nèi)能的增減只等于外界對(duì)它做功或它對(duì)外界做功的多少：ΔU=W陽(yáng)光烤暖了大地，地面又使得下層的氣團(tuán)溫度升高，密度減小，因而上升．上升時(shí)氣團(tuán)膨脹，推擠周邊的空氣，對(duì)外做功，因此內(nèi)能減小，溫度減少．因此，越高的地方，空氣的溫度越低．