人教版(新教材)高中物理選擇性必修3教學(xué)設(shè)計(jì)：3 2-3 3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律教案

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第2-3節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律一、教學(xué)目標(biāo)1、知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容及其表達(dá)式2、理解能量守恒定律的內(nèi)容3、了解第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解熱力學(xué)第一定律，會(huì)用ΔU=W+Q分析和計(jì)算有關(guān)問題是本節(jié)的重點(diǎn)。熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q中各物理量的意義及正負(fù)號(hào)的確定，如何用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象是本節(jié)的難點(diǎn)。三、教學(xué)方法與建議問題討論法、閱讀法四、學(xué)情分析通過對(duì)上兩節(jié)課內(nèi)容的歸納，即做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，并且二者是等效的。在此基礎(chǔ)上，提出當(dāng)外界對(duì)物體既做功又熱傳遞時(shí)，物體的內(nèi)能如何改變？學(xué)生通過分析討論，自然得出熱力學(xué)第一定律。能量守恒定律的知識(shí)，學(xué)生一直都有，故不存在什么問題。永動(dòng)機(jī)學(xué)生雖然比較陌生，但通過影片的播放介紹，學(xué)生應(yīng)該能夠有所了解。五、教學(xué)過程（一）引入新課〖問題〗：改變物體內(nèi)能的方式有哪些？學(xué)生回答：做功和熱傳遞。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，我們就來研究這個(gè)問題。（二）新課講授一、熱力學(xué)第一定律1、思考與討論（1）一個(gè)物體，它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，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？學(xué)生思考回答：一個(gè)物體，如果它既沒有吸收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；物體對(duì)外界做多少功，它的內(nèi)能就減少多少。（2）一個(gè)物體，如果外界既沒有對(duì)物體做功，物體也沒有對(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)生思考回答：如果外界既沒有對(duì)物體做功，物體也沒有對(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.（3）如果物體在跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，內(nèi)能的變化ΔU與熱量Ｑ及做的功Ｗ之間又有什么關(guān)系呢？學(xué)生思考后應(yīng)該能夠得出ΔU=W+Q的結(jié)論。由此引出對(duì)熱力學(xué)第一定律的學(xué)習(xí)。2、熱力學(xué)第一定律（1）內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。（2）表達(dá)式：ΔU=W+Q（3）ΔU=W+Q中各量的正、負(fù)號(hào)及含義結(jié)合以上問題，討論不同情況下各量的正、負(fù)號(hào)及含義，作如下歸納：做功W熱量Q內(nèi)能的改變?chǔ)取正值“+”外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負(fù)值“－”系統(tǒng)對(duì)外界做功系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能減少（4）應(yīng)用例題：一定量的氣體從外界吸收了2.6×105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105J。問：①是氣體對(duì)外界做了功，還是外界對(duì)氣體做了功？做了多少焦耳的功？②如果氣體吸收的熱量仍為2.6×105J不變，但是內(nèi)能只增加了1.6×105J，這一過程做功情況怎樣？解：①根據(jù)ΔU=W+Q得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105JW為正值，外界對(duì)氣體做功，做了1.6×105J的功。②同理可得：W=ΔU－Q=1.6×105J－2.6×105J=－1.0×105JW為負(fù)值，說明氣體對(duì)外界做功（氣體體積變大），做了1.0×105J的功。教師：熱力學(xué)第一定律說明了做功和熱傳遞是系統(tǒng)內(nèi)能改變的量度，沒有做功和熱傳遞就不可能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，同時(shí)也進(jìn)一步揭示了能量守恒定律。二、能量守恒定律首先通過多媒體向?qū)W生播放一段關(guān)于自然界中能量轉(zhuǎn)化的影片，然后請(qǐng)學(xué)生閱讀課本，作如下歸納：(1)自然界存在著多種不同形式的運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著一種形式的能量。如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械能；分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)內(nèi)能；電磁運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)電磁能。(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。摩擦可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱電燈發(fā)光可以將電能轉(zhuǎn)化為光能。(3)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，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。這就是能量守恒定律。(4)熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律都是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。(5)能量守恒定律適用于任何物理現(xiàn)象和物理過程。(6)能量守恒定律的重要意義第一，能量守恒定律是支配整個(gè)自然界運(yùn)動(dòng)、發(fā)展、變化的普遍規(guī)律，學(xué)習(xí)這個(gè)定律，不能滿足一般理解其內(nèi)容，更重要的是，從能量形式的多樣化及其相互聯(lián)系，互相轉(zhuǎn)化的事實(shí)出發(fā)去認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的多樣性及其普遍聯(lián)系，并切實(shí)樹立能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失的觀點(diǎn)，作為以后學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐中處理一切實(shí)際問題的基本指導(dǎo)思想之一。第二，宣告了第一類永動(dòng)機(jī)的失敗。三、永動(dòng)機(jī)不可能制成學(xué)生閱讀課本，了解第一類永動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)以及不可能制成的原因。向?qū)W生播放一段關(guān)于永動(dòng)機(jī)的影片。四、課堂練習(xí)1.如圖所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中．設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無(wú)泄漏，不計(jì)氣體分子間相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩慢下降過程中，筒內(nèi)空氣體積減小(C)A．從外界吸熱 B．內(nèi)能增大C．向外界放熱 D．內(nèi)能減小〖解析〗金屬筒緩慢下降過程中，外界對(duì)筒內(nèi)氣體做功，而筒與水有熱交換、水溫恒定，所以筒內(nèi)空氣要向外界放熱，溫度保持不變，從而內(nèi)能不變．2.帶有活塞的汽缸內(nèi)封閉一定量的理想氣體．氣體開始處于狀態(tài)a；然后經(jīng)過過程ab到達(dá)狀態(tài)b，或經(jīng)過過程ac到達(dá)狀態(tài)c，b、c狀態(tài)溫度相同，如V－T圖所示．設(shè)氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的壓強(qiáng)分別為pb和pc，在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac，則(C)A．pb＞pc，Qab＞Qac B．pb＞pc，Qab＜QacC．pb＜pc，Qab＞Qac D．pb＜pc，Qab＜Qac〖解析〗V－T圖線的斜率越大，壓強(qiáng)p越小，故pb＜pc.由熱力學(xué)第一定律有：Q＝ΔU－W，因Tb＝Tc，所以ΔUab＝ΔUac，而對(duì)外做功Wab＞W(wǎng)ac，故Qab＞Qac.綜上可知C項(xiàng)正確．3.如圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁間的摩擦忽略不計(jì)．置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為Ep(彈簧處在自然長(zhǎng)度時(shí)的彈性勢(shì)能為零)．現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止，氣體達(dá)到平衡狀態(tài)．經(jīng)過此過程(D)A．Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能B．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能C．Ep全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能D．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能〖解析〗當(dāng)繩子突然斷開時(shí)，活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對(duì)活塞向下的壓力F′共同作用，如圖所示，其合力向上，經(jīng)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止時(shí)，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體積必減小，外力對(duì)氣體做正功，由于絕熱，氣體的內(nèi)能增加，而活塞最終的靜止位置比初始位置高，其重力勢(shì)能增加，最終彈力與另外兩個(gè)力的合力平衡，彈簧仍有形變．設(shè)最終彈簧的彈性勢(shì)能為Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力勢(shì)能＋氣體增加的內(nèi)能，所以D選項(xiàng)正確4．一定量的氣體從外界吸收了2.6×105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105J，是氣體對(duì)外界做了功，還是外界對(duì)氣體做了功？做了多少功？如果氣體吸收的熱量仍為2.6×105J不變，但是內(nèi)能只增加了1.6×105J，這一過程做功情況怎樣？〖答案〗外界對(duì)氣體做功，做功為1.6×105J氣體對(duì)外界做功，做功為1.0×105J〖解析〗由題意知Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×10