2020-2021学年选修3-3第十章 热力学定律3 热力学第一定律 能量守恒定律学案

这是一份2020-2021学年选修3-3第十章 热力学定律3 热力学第一定律 能量守恒定律学案
五、热力学第一定律 能量守恒定律教学目标理解物体跟外界做功和热传递的过程中W、Q、△U的物理意义。会确定W、Q、△U的正负号。理解、掌握热力学第一定律，从能量转化和转移的观点理解热力学第一定律。会用△U = W + Q分析和计算问题。理解、掌握能量守恒定律及其重要性。要有能量意识，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题，明确它的优越性。知道第一类永动机不可能成功的原因。人类对自然规律的认识是不断深入的。重点、难点分析重点：能量守恒定律难点：热力学第一定律△U = W + Q中各物理量的意义及正负号的确定，这对学生是很困难的，要用收入、支出和结存的观点去分析，要抓住研究对象。另一难点是用能量守恒的观点去分析和解决问题，它的优越性是不管中间过程细节问题，要逐渐培养学生用能量观点解题。课时安排：一课时课前准备：教师：柴油机模型、电动机、电炉子、灯泡、电池、打气筒、投影仪、胶片、多媒体学生：电动玩具、利用机械能守恒定律制成的小玩具、植物标本（如玉米粒）教学设计（教学过程）引入新课我们在前面学习了改变内能的两种方式：做功和热传递，即通过对物体做功或者经过热传递的过程都能改变物体内能，那么它们之间有什么数量关系呢？以前我们还学习过电能、化学能等各中形式的能，它们在相互转化的过程中遵守什么样的规律呢？今天我们就来研究这些问题。板书：第六节 热力学第一定律 能量守恒定律同学们带着下列问题看课本，看到△U = W + Q板书：（投影片）1、一个物体，如果它跟外界不发生热交换，那么外界对它做功与物体对外做功，会引起物体内能怎样的变化？2、一个物体，如果外界与物体之间没有做功，那么物体吸热与放热会引起物体内能的怎样的变化？3、如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，W、Q、△U的正负号如何确定？4、W、Q、△U三者都有正负，它们的关系怎样？让同学们前后座四人为一小组，互相交流一下，得出正确结论。让同学举手发言，代表自己小组发言，其他小组补充，老师给以适当点拨。答案：（胶片给出）1、外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少。2、物体吸热，物体的内能增加；物体放热，物体的内能减少。3、外界对物体做功W为正，物体对外做功W为负；物体吸热Q为正，物体放热Q为负；物体内能增加△U为正，物体内能减少△U为负。4、△U = W + Q这就是热力学第一定律，它表示了功、热量跟内能改变之间的定量关系。例：一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况怎样？解：根据题意得出：Q = 2.6×105J，△U =4.2×105J，求：W = ？根据△U = W + Q代入可得：4.2×105J = W + 2.6×105J W = 1.6×105JW为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J功。 第二问中：Qˊ= 2.6×105J，△Uˊ=1.6×105J，计算结果Wˊ= - 1.0×105J。 这说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J。 让同学们观看柴油机模型，用热力学第一定律解释柴油机正常工作时压燃的原理。 活塞压缩气体，活塞对气体做功，由于时间很短，散热可以不计，机械能转化为气体的内能，温度升高，达到柴油燃点，可“点燃”柴油。 做功和热传递都能使物体的内能改变，能量在转化的过程中守恒，不仅机械能，其它形式的能也可以与内能相互转化，如电流通过电炉子发热，电能转化为内能（演示电炉子）；燃料燃烧生热，化学能转化为内能。实验证明：在这些转化过程中，能量都是守恒的。由此引发了我们更深刻的思考。同学们把剩下的课文看完再看一段录象：风力发电，电镀，电动机带动水泵抽水，汽车在公路上行驶，水电站，植物生长，风云雷电等，再观看准备的教具及学生带来的玩具。投影仪再次打出讨论的题目：能量守恒定律的内容是什么？各种机器的作用是什么？风力发电是什么能转化成什么能？化学上电解食盐的过程，是什么能转化成什么能？为什么说能量守恒定律是伟大的运动基本规律？第一类永动机为什么不能成功？举出一些生活中能量守恒的实例让同学们前后座四人为一小组，互相交流一下，得出正确结论。让同学举手发言，代表自己小组发言，其他小组补充，老师给以适当点拨。答案：（胶片给出）见课本。各种机器都是能量转化器。是机械能转化为电能。是电能转化为化学能。能够把各个领域联系起来，具有共同语言。它违背了能量守恒定律。举不胜举。能量守恒定律是自然界最普遍的规律之一。教学设计说明热力学第一定律△U= Q + W中各字母正负值的确定是个难点，难就难在物理意义不清楚，设计的前半部分都是围绕着这一难点展开的。各种能量在一定条件下可以互相转化，转化过程中总能量守恒。这是一个意识的问题，或者说是悟性，从内心深处感觉到总能量不变，这是很重要的物理思想。以前我们学习的机械能守恒定律、动能定理等，还有刚学的热力学第一定律，它们都是能量守恒定律的特例，都可以统一在能量守恒定律之中，比如说，汽车刹车直到停下来的过程中，动能减少，内能增加，也可以说，汽车克服摩擦力做功等于汽车减少的内能。随堂练习：一家庭用高压锅煮饭，当水煮沸时跑气了，大量热气喷到了距离高压锅3米以外的小张手上，但并没有烫伤，为什么？2、一定质量的气体，气体受热膨胀对外界做了2.0×105J功，同时它的内能增加了1.0×105J，气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量为多少？3、如图中ABCD是一条长轨道，其中AB段是倾角为θ的斜面，CD段是水平的。BC是与AB和CD都相切的一小段圆弧，其长度可略去不计。一质量为m 的小滑块在A 点从静止状态释放，沿轨道滑下，最后停在D点，A点和D点的位置如图所示。现用一沿着轨道方向的力推滑块，使它缓慢地由D点推回到A 点时停下。设滑块与轨道间的动摩擦因数为μ，则推力对滑块做的功等于（ ）A DhCBS A、mgh B、2mghC、μmg (s+h / sinθ) D、μmgs+μmghcotθ 4、炮兵打靶时，炮弹在炮膛中加速飞出炮口的过程中，炮膛中的火药气体温度是变化很大还是很小？说明理由。 5、一瀑布，落差30 m，假如在下落过程中机械能的减少量全部转化为水的内能，水的温度升高多少？（水的比热容C =4.2×103J / kgk ） 6、说明下列现象中能量是怎样转化的。 A、 水电站发电时，水轮机被水流冲击转动，带动发电机发电。 B、利用地热发电。 C、化学上的电镀过程。 D、植物生长过程。 7、“和平号”空间站已于2001年3月23日成功地坠落在南太平洋海域，坠落过程中可简化为从一个近圆轨道（可近似看作圆轨道）开始，经过与大气摩擦，空间站的绝大部分经过升温、熔化，最后汽化而销毁，剩下的残片坠入大海。此过程中，空间站原来的机械能中，除一部分用于销毁和一部分被残片带走外，还有一部分能量Eˊ通过其它方式散失，（不考虑坠落过程中化学反应的能量）。（1）试导出与下列各物理量的符号表示散失能量 Eˊ的公式。（2）算出Eˊ的数值（结果保留两位有效数字） 坠落开始时空间站的质量M = 1.17×105Kg； 轨道离地面的高度为h = 146Km； 坠落空间范围内重力加速度可看做g = 10 m / s 2； 入海残片的质量 m = 1.2×104Kg； 入海残片的温度升高△T = 3000K； 入海残片的入海速度为声速v = 340m / s 空间站材料每1千克升温1K平均所需能量C = 1.0×103J； 每销毁1千克材料平均所需能量μ = 1.0×107J。