高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律优质教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律优质教学设计，共8页。教案主要包含了热力学第一定律，热力学第一定律的应用，做功与气体体积变化的关系等内容，欢迎下载使用。
备课人
学科
物理
课题
3.2热力学第一定律
教学内容分析
通过对上两节课内容的归纳，即做功和热传递都可以改变物体的内能，并且二者是等效的。在此基础上，提出当外界对物体既做功又热传递时，物体的内能如何改变?通过分析讨论，自然得出热力学第一定律。通过课本例题的讲解，培养学生运动热力学第一定律分析和解决问题的能力。
学情分析
学生在上一节课已经了解了功、热和内能的改变。但还没有得出热力学第一定律。教学设计要利用学生已有的生活经验，将生活经验作为知识生长发展的起点。提出当外界对物体既做功又热传递时，物体的内能如何改变?通过分析讨论，自然得出热力学第一定律。通过课本例题的讲解，培养学生运动热力学第一定律分析和解决问题的能力。
教学目标
物理观念∶知道热力学第一定律及其符号法则，能从热力学学的视角正确描述和解释生活中的热现象，能灵活应用热力学第一定律解决实际问题。
科学思维∶理解热力学第一定律的公式，并能在新的生活情境中对问题进行分析和推理。
科学探究：通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。
科学态度与责任∶从焦耳的实验到热力学第一定律，认识到我们应该具有实事求是的态度，认识到物理学是人类认识自然的方式之一。
教学重难点
教学重点：热力学第一定律的推导与运用
教学难点：运用热力学第一定律公式时各物理量的正、负号的意义及确定
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？PPT课件展示
压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。
一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的；
单纯地对系统做功做功：ΔU=W
另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。
单纯地对系统传热：△U＝Q
当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是：△U＝Q+ W
学生观看课件并思考
引入新课内容，激发学生好奇心
新课教学
一、热力学第一定律
1、内容：一个热力学系统的内能变化量（增量）等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.
2、物理意义：热力学第一定律不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系.
3、表达式：△U＝Q+ W
ΔU ：物体内能的增加量
Q： 物体吸收的热量
W： 外界对物体做的功
推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。但要注意各量的符号
定律中各量的正、负号及含义 ΔU = W + Q.
物理量
符号
意义
符号
意义
W
＋
外界对物体做功
－
物体对外界做功
Q
＋
物体吸收热量
－
物体放出热量
ΔU
＋
内能增加
－
内能减少
5、判断是否做功的方法
一般情况下外界对系统做功与否，需要看物体的体积是否变化。
①若系统体积增大，
表明系统对外界做功，W ＜ 0；
②若系统体积减小，
表明外界对系统做功，Ｗ ＞ 0．
6、几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功（单纯传热），即W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)。
(4)对于理想气体，温度变化，内能一定变化，等温过程ΔU＝0。
【特别提醒】
(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。
(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。
思考与讨论
一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功?如果膨胀时气体对外做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少?内能是增加了还是减少了?请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。
解析：膨胀过程中气体对外界做功
系统对外做功：W=-135J
系统向外放热：Q=-85J
根据热力学第一定律：ΔU = W + Q
代入得：ΔU =-135+（-85）=-220J
内能减少了220J。
小试牛刀
【例题】如图所示，某同学将空的薄金属桶开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，桶内空气无泄漏(不计气体分子间的相互作用)，则被淹没的金属桶在缓慢下降过程中，桶内空气(D)
A．从外界吸热
B．向外界放热
C．内能增大
D．内能减小
【例题】在一个大气压下，1 kg的100 ℃的水变为1 kg的100 ℃的水蒸气的过程，下列说法中正确的是(D)
A．内能不变，对外界做功，一定是吸热过程
B．内能增加，吸收的热量等于内能的增加量
C．内能不变，吸收的热量等于对外界做的功
D．内能增加，从外界吸热，吸收的热量等于对外界做的功和增加的内能之和
理解热力学第一定律的内容及其公式。
理解物理概念。体会物理观念的形成过程。
加深学生对新知识点的理解，强化记忆。
二、热力学第一定律的应用
1.观看视频，用热力学第一定律解释生活中的现象
2.观看视频，热的本质
小试牛刀
【例题】如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。
⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。
分析：①确定研究对象：汽缸中的气体。
②明确气体状态变化过程。
③正确选取W与Q的正负。
解析：
压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值：
W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J
系统向外放热：Q=-25J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
【例题】一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是（B）
A.W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B.W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C.W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
解析：
D.W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确.
【例题】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。问：
①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？
②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：①根据ΔU = W + Q 得
W = ΔU － Q = 4.2 ×105J － 2.6×105J= 1.6×105J
W为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J 的功。
②同理可得：W =ΔU － Q =1.6 ×105J － 2.6×105J= － 1.0×105J
W为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J 的功。
总结
解题的一般步骤
根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负
根据方程ΔU＝W＋Q 求出未知量
(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．
小试牛刀
一个系统内能增加了20 J．如果系统与周围环境不发生热交换，周围环境需要对系统做的功为(D)
A．40 J
B．－40 J
C．－20 J
D．20 J
观看视频，了解更多相关内容。
让同学们做相关例题。
通过例题总结解题步骤，先让同学们进行总结。
通过实视频内容现象让学生更直观的感受。培养科学思维和科学探究的核心素养。
通过例题让学生热力学第一定律的应用。培养科学思维和科学探究的核心素养。
对学生的回答进行改进，使之更准确，帮助学生更好的理解本节课的重难点。培养科学态度与责任的核心素养。
三、做功与气体体积变化的关系
★★★气体的自由膨胀不做功。
计算对气体做功
气体等压变化对外界做功
W=PΔV
P -V 图下方(与坐标轴所围的面积)的“面积” 表示做功多少。
推动活塞缓慢移动，
外力F =pS
活塞发生很小位移Δx，
ΔW=FΔx =pSΔx =pΔV
【例题】20ml氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示(1)沿1→3→2折线；(2)沿1→2直线.试分别求出这两个过程中外界对气体做功.氧气视为理想气体.
解 (1)1→3，不做功
3→2，做功为
W32=20×105×40×10-3J
=8×104J
总功W132 = 8×104J
由面积求：W1→2 =(5+20)×105×40×10-3J/2=5×104J
小试牛刀
【例题】图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密封了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(A)
A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
观察图像现象，总结结论。
根据图像，思考做功多少。
更直观的展示分子间有空隙。培养科学思维和科学探究的核心素养。
引出公式。培养科学态度与责任的核心素养。
提高学生对问题的分析能力，锻炼学生的科学思维。
课堂总结
1、热力学第一定律： ΔU = W + Q
2、应用 ΔU =0，则 W =- Q
W=0，则ΔU = Q
Q =0，则ΔU = W
3、方法总结：应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功。
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 列出方程进行求解。
(4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
学生总结本节课知识点
帮助学生形成知识框架，便于理解记忆。
板书设计
内容：一个热力学系统的内能变化量（增量）等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和
表达式：ΔU＝W + Q
ΔU ：物体内能的增加量
Q： 物体吸收的热量
W： 外界对物体做的功
四．判断是否做功的方法
一般情况下外界对系统做功与否，需要看物体的体积是否变化。
①若系统体积增大，
表明系统对外界做功，W ＜ 0；
②若系统体积减小，
表明外界对系统做功，Ｗ ＞ 0．
五．解题的一般步骤
根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负
根据方程ΔU＝W＋Q 求出未知量
再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中基础知识进行检测，二是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
教材首先以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。
接着通过例题和图像使同学们能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。
这节课还是有一些不够完善的地方，比如课本习题的讲解，没有能够很好结合功和热量取正负值的含义去解题，再有就是例题中的图像问题也没有进行剖析。从这些学习中，我们还要努力培养学生从生活场景中构建出物理模型的能力。