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2019-2020年高中物理 《熱力學(xué)第一定律》教案 滬科版選修3-3 ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) １.能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解熱力學(xué)第一定律及其公式表達(dá)，公用Δu=W+Q分析和計(jì)算問(wèn)題. 2.能綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，有關(guān)計(jì)算，分析，解決有關(guān)問(wèn)題. 二、能力目標(biāo) １.會(huì)用熱力學(xué)第一定律Δu＝W＋Ｑ分析和計(jì)算問(wèn)題； 2.會(huì)用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象. 三、德育目標(biāo) 通過(guò)形形色色的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的失敗，使學(xué)生明白不可能不付出代價(jià)就從自然界創(chuàng)造動(dòng)力，而只有有效地利用自然界提供的各種能源. ●教學(xué)重點(diǎn) 能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解熱力學(xué)第一定律及其公式表達(dá)，會(huì)用Δu=W+Q分析和計(jì)算問(wèn)題. ●教學(xué)難點(diǎn) 如何用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象，如何綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，用能量守恒定律進(jìn)行有關(guān)計(jì)算、分析、解決有關(guān)問(wèn)題. ●教學(xué)方法 講練法、分析歸納法、閱讀法 ●教學(xué)用具 投影儀、投影片 ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過(guò)程 ［投影］本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)： １.掌握熱力學(xué)第一定律及其公式表達(dá)，能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解這個(gè)定律； 2.會(huì)用公式Δu=W+Q分析和計(jì)算問(wèn)題； ●學(xué)習(xí)目標(biāo)完成過(guò)程 一、引入 ［問(wèn)］改變物體內(nèi)能的方式有哪些？ ［學(xué)生］做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式. ［教師］既然做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，那么功，熱量跟內(nèi)能的改變之間一定有某種聯(lián)系，本節(jié)課我們就來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題. 二、新課教學(xué) （一）熱力學(xué)第一定律 ［投影］ 1.一個(gè)物體，它既沒(méi)有吸收熱量也沒(méi)有放出熱量，那么： ①如果外界做的功為Ｗ，則它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？ ②如果物體對(duì)外界做的功為Ｗ，則它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？ 2.一個(gè)物體，如果外界既沒(méi)有對(duì)物體做功，物體也沒(méi)有對(duì)外界做功，那么：①如果物體吸收熱量Ｑ，它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？ ②如果放出熱量Ｑ，它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？ ［學(xué)生解答思考題］ 教師總結(jié) 一個(gè)物體，如果它既沒(méi)有吸收熱量也沒(méi)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；物體對(duì)外界做多少功，它的內(nèi)能就減少多少. 如果外界既沒(méi)有對(duì)物體做功，物體也沒(méi)有對(duì)外界做功，那么物體吸收了多少熱量，它的內(nèi)能就增加多少，物體放出了多少熱量，它的內(nèi)能就減少多少. ［問(wèn)］如果物體在跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程中，內(nèi)能的變化與熱量Ｑ及做的功Ｗ之間又有什么關(guān)系呢？ ［板書(shū)］Δu=W+Q ［介紹］該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系，在物理學(xué)中叫做熱力學(xué)第一定律. ［投影］定律中各量的正、負(fù)號(hào)及含義 物理量 符號(hào) 意義 符號(hào) 意義 W + 外界對(duì)物體做功 － 物體對(duì)外界做功 Q + 物體吸收熱量 － 物體放出熱量 Δu + 內(nèi)能增加 - 內(nèi)能減少 ［投影］例題 一定質(zhì)量的氣體，在被壓縮的過(guò)程中外界對(duì)氣體做功３００　J，但這一過(guò)程中氣體的內(nèi)能減少了300 J，問(wèn)氣體在此過(guò)程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？ 解：由題意知 Ｗ＝300 J Δu=- 300 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得:Q=Δu-W=-300 J-300 J=-600 J Q為負(fù)值表示氣體放熱，因此氣體放出６００J的熱量. ［強(qiáng)化訓(xùn)練］ 1.如圖所示，用力Ｆ壓縮氣缸中的空氣，力Ｆ對(duì)空氣做了1800 J的功，同時(shí)氣缸向外放熱xx J，空氣的內(nèi)能改變了多少？ 2.關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說(shuō)法中正確的是 . A.物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大 B.物體對(duì)外做功，內(nèi)能一定減少 C.物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變 D.物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變 參考解答： 1.由熱力學(xué)第一定律：Δu=W+Q 得：＋1800 J+(-xx )J=Δu ∴Δu=-200 J 即空氣內(nèi)能減少了200 J 2.解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律Δu=W+Q，物體內(nèi)能的變化與外界對(duì)氣體做功（或氣體對(duì)外界做功），氣體從外界吸熱（或向外界放熱）兩種因素有關(guān)，物體吸收熱量，但有可能同時(shí)對(duì)外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故Ａ錯(cuò)，同理，物體對(duì)外做功的同時(shí)有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減小，Ｂ錯(cuò)；若物體吸收的熱量與對(duì)外做功相等，則內(nèi)能不變，Ｃ正確.而放熱與對(duì)外做功是使物體內(nèi)能減小，所以Ｄ錯(cuò). 所以本題正確答案為Ｃ ［強(qiáng)化訓(xùn)練］ 圖1 １.如圖所示，Ａ、Ｂ容器中各有一個(gè)可自由移動(dòng)的輕活塞，活塞下是水，上為空氣，大氣壓恒定，Ａ、Ｂ底部由帶有閥門Ｋ的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱，原先Ａ中水面比Ｂ中高，打開(kāi)閥門，使Ａ中的水逐漸向Ｂ中流，最后達(dá)到平衡，則在這個(gè)過(guò)程中，大氣壓力對(duì)水做功是 ，水的內(nèi)能增加為 （設(shè)水的密度為ρ，活塞面積分別為SA、SB，原來(lái)Ａ、Ｂ中高度差為h） 2.如圖所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開(kāi)的Ａ、Ｂ兩部分氣體，Ａ的密度小，Ｂ的密度大，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設(shè)在此過(guò)程中氣體吸熱Ｑ，氣體內(nèi)能增量為Δu，則 . A.Δu=Q B.ΔU＜Q C.Δu＞Q D.無(wú)法比較 ３.光滑的水平桌面上有一塊質(zhì)量M=400 g的木塊，被一顆質(zhì)量m=20 g以水平速度 v=500 m/s飛行的子彈擊中，子彈射出木塊時(shí)的速度v=300 m/s.若子彈擊中木塊的過(guò)程中，系統(tǒng)損失的機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，其中η=41.8%部分被子彈吸收使其溫度升高，已知子彈的比熱c=125 J/kg℃，試求子彈穿過(guò)木塊過(guò)程中升高的溫度. 參考答案： 1.打開(kāi)閥門Ｋ后，根據(jù)連通器原理，最后Ａ、Ｂ兩管中的水面將相平，即Ａ中的水面下降，Ｂ中的水面上升，設(shè)Ａ中水面下降h1，Ｂ管水面上升的距離為h2，由于水的總體積保持不變，故：SAh1=SBh2 A管中的水受到向下的大氣壓力，與水面下降的方向相同，所以大氣壓力對(duì)水做正功，設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0，對(duì)水做的功為Ｗ１，則： W1=F1h1=p0SAh1 B管中的水也受到向下的大氣壓力，與水面上升的方向相反，所以大氣壓力對(duì)水做負(fù)功，用Ｗ２表示大氣壓力做的功，有： Ｗ２＝－Ｆ２h2= -p0SBh2 大氣壓力對(duì)水做的總功為：W=W1+W2=p0S1h1-p0S2h2 又S1h1=S2h2 所以W=0 即大氣壓力對(duì)水不做功 閥門打開(kāi)后，水從高處流向低處.在這個(gè)過(guò)程中水的重力做正功，所以水的內(nèi)能增加量等于水的重力勢(shì)能的減小量. 2.解：Ａ、Ｂ氣體開(kāi)始的合重心在中線下，混合均勻后重心在中線，所以系統(tǒng)重力勢(shì)能增大，由能量守恒知，吸收熱量一部分增加氣體內(nèi)能，一部分增加重力勢(shì)能. 3.解：子彈穿過(guò)木塊過(guò)程中，水平方向不受外力，由動(dòng)量守恒可算出木塊獲得的速度，根據(jù)子彈長(zhǎng)一木塊系統(tǒng)損失的機(jī)械能可算出產(chǎn)生的熱能，由此可算出子彈所升高的溫度. 設(shè)子彈穿出木塊后，木塊的速度設(shè)為V,則mV=mV1+MV 即，子彈與木塊系統(tǒng)損失的機(jī)械能 據(jù)能量守恒定律，子彈穿越過(guò)程中系統(tǒng)增加的內(nèi)能為:Δu=ΔE=1580 J 設(shè)子彈升高溫度為Δt,則：ηΔu=cmΔt ∴Δt=℃=264 ℃ 三、小結(jié) 本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了 熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律是研究功、熱量和內(nèi)能改變之間關(guān)系的. 如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程，那么，外界對(duì)物體所作的功Ｗ加上物體從外界吸收的熱量Ｑ等于物體內(nèi)能的增加Δu. 即Δu=Q+W 該定律既適用于外界對(duì)物體做功，物體吸熱，內(nèi)能增加的情況，也適用于物體對(duì)外做功.向外界散熱和內(nèi)能減少的情況. 為了區(qū)別以上兩種情況，在應(yīng)用Δu=Q+W進(jìn)行計(jì)算時(shí)，它們的正負(fù)號(hào)規(guī)定如下： W＞0,表示外界對(duì)系統(tǒng)做功；Ｗ＜0,表示系統(tǒng)對(duì)外界做功；Q＞0,表示系統(tǒng)從外界吸熱；Ｑ＜0，表示系統(tǒng)向外界放熱；Δu＞0,表示系統(tǒng)內(nèi)能增加；Δu＜0,表示系統(tǒng)內(nèi)能減少；