資源簡(jiǎn)介

教學(xué)設(shè)計(jì)
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級(jí) 高二年級(jí) 學(xué)期 春季
課題 熱力學(xué)第一定律
教學(xué)目標(biāo)
1.能以系統(tǒng)為研究對(duì)象，用綜合歸納的方法推導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律。 2.能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋和計(jì)算能量的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移問(wèn)題。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點(diǎn)： 1.在理解焦耳實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用綜合歸納的方法得出熱力學(xué)第一定律。
2.熱力學(xué)第一定律的三個(gè)物理量正、負(fù)符號(hào)選取法則及物理含義。
教學(xué)難點(diǎn)： 運(yùn)用熱力學(xué)第一定律分析自然現(xiàn)象，解決實(shí)際問(wèn)題。
教學(xué)過(guò)程
新課引入 PPT展示：汽缸壓縮氣體同時(shí)加熱的圖片 教師講述：請(qǐng)大家看這樣一個(gè)問(wèn)題。如圖所示,汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體，壓縮氣體的同時(shí)給氣缸加熱。那么，氣體內(nèi)能的變化會(huì)比單一做功或單一傳熱更加明顯。這是為什么呢？ 新課講授 一、課前回顧 焦耳實(shí)驗(yàn)： （1）以不同的方式對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，只要系統(tǒng)始末兩個(gè)狀態(tài)是確定的，做功的數(shù)量就是確定的； 而這個(gè)依賴于系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，即為系統(tǒng)的內(nèi)能。 （2）另一方面焦耳實(shí)驗(yàn)也向我們表明，為了改變系統(tǒng)的內(nèi)能，做功和傳熱這兩種方式其實(shí)是等價(jià)的。也就是說(shuō)，一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對(duì)應(yīng)。 二、歸納推理： 結(jié)論：（1）絕熱過(guò)程：即ΔU=W。（2）單純地傳熱過(guò)程：ΔU＝Q。 教師設(shè)問(wèn)：如果有這樣一個(gè)過(guò)程，外界既對(duì)系統(tǒng)做功W，又對(duì)系統(tǒng)傳熱Q，則這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能的變化量ΔU會(huì)多大？ 教師講述：內(nèi)能的變化量應(yīng)該是外界對(duì)系統(tǒng)所做的功和對(duì)系統(tǒng)所傳的熱量的和。即： ΔU＝Q+ W 這個(gè)關(guān)系就是熱力學(xué)第一定律—即一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。 物理量物理意義ΔU內(nèi)能變化量Q外界向它傳遞的熱量W外界對(duì)它所做的功
三、符號(hào)法則 學(xué)生思考與討論：一定質(zhì)量的氣體，膨脹過(guò)程中是外界對(duì)氣體做功還是氣體對(duì)外界做功 如果膨脹時(shí)氣體對(duì)外做的功是135 J，同時(shí)向外放熱 85 J，那么氣體內(nèi)能的變化量是多少 內(nèi)能是增加了還是減少了 請(qǐng)你通過(guò)這個(gè)例子討論總結(jié)功和熱量取正、負(fù)值的物理意義。 ①外界對(duì)系統(tǒng)做功、外界向系統(tǒng)傳遞熱量，如何選取W和Q的正負(fù)？ PPT視頻展示：1.打氣時(shí)橡膠塞跳出瓶口2.空氣壓縮引火儀 學(xué)生討論總結(jié)： 橡膠塞離開瓶口時(shí)，氣體膨脹，氣體對(duì)外做功，氣體的內(nèi)能會(huì)迅速減少，使瓶?jī)?nèi)水蒸氣凝結(jié)程成白霧。 迅速下壓活塞，氣體壓縮，外界對(duì)系統(tǒng)做功，氣體內(nèi)能增加，氣體溫度升高，達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn)。 綜上，氣體膨脹時(shí)是系統(tǒng)對(duì)外界做功，而氣體被壓縮時(shí)是外界對(duì)系統(tǒng)做功。 教師依據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)行歸納總結(jié)： 1.外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)有助于內(nèi)能的增加，那么功W就取正值；而系統(tǒng)對(duì)外界做功時(shí)，則會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)能減少，故功W取負(fù)值。所以正負(fù)的選取要看該過(guò)程是有助于系統(tǒng)內(nèi)能增加還是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)能減少。 2.同理，外界對(duì)系統(tǒng)傳熱時(shí)有助于系統(tǒng)內(nèi)能的增加，即系統(tǒng)吸熱，此時(shí)Q取正值，而系統(tǒng)向外界放熱時(shí)Q就取負(fù)值。 3.對(duì)于系統(tǒng)的內(nèi)能本身，則更好理解，內(nèi)能增加即取正值，內(nèi)能減少，則取負(fù)值。 具體的符號(hào)用法如下表所示。 物理量取正號(hào)(+)的意義取負(fù)號(hào)(-)的意義功W外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)對(duì)外界做功熱量Q系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能的變化量?jī)?nèi)能增加內(nèi)能減少
計(jì)算過(guò)程： ΔU＝Q + W ΔU＝－135J + －85J ΔU＝－220J 氣體內(nèi)能減少了220J 四、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用 教師PPT展示例題并講解： 如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導(dǎo)熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮，請(qǐng)分析上浮過(guò)程中： （1）小瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能如何變化？ （2）是小瓶?jī)?nèi)氣體對(duì)外界做功？還是外界對(duì)小瓶?jī)?nèi)氣體做功？ （3）小瓶?jī)?nèi)氣體從外界吸熱還是向外界放熱？ 思維過(guò)程： 1.選取小瓶?jī)?nèi)的氣體為研究對(duì)象。 2.內(nèi)能包含分子勢(shì)能和分子動(dòng)能，而對(duì)于氣體而言，氣體分子間距較大，分子勢(shì)能可以忽略不計(jì)，故對(duì)于小瓶?jī)?nèi)的氣體而言，其內(nèi)能就是它所擁有的分子動(dòng)能。小瓶密封良好，氣體總量不變，那么它所擁有的分子動(dòng)能就只由氣體的溫度來(lái)決定。其次、小瓶導(dǎo)熱良好，緩慢上升時(shí)，有足夠的時(shí)間與外界進(jìn)行熱量交換。所以越接近礦泉水瓶口，水的溫度越高，因此小瓶上浮的過(guò)程中，小瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高，內(nèi)能增加。 3.判斷做功要看氣體體積變化，小瓶上升過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體的溫度逐漸升高，壓強(qiáng)逐漸減小，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程 可知?dú)怏w體積膨脹，瓶?jī)?nèi)氣體對(duì)外界做功。 3.由前兩問(wèn)可知，上升時(shí)，小瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能增加，氣體對(duì)外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律： △U＝Q+ W其中△U為正值，W為負(fù)值，所以Q一定為正值，因此小瓶?jī)?nèi)氣體從外界吸熱。并且可以想到氣體吸收的熱量要大于氣體對(duì)外界所做的功。 總結(jié)： 對(duì)于一定質(zhì)量的氣體而言，溫度變化會(huì)決定氣體的內(nèi)能變化，體積變化會(huì)決定氣體的做功情況，然后利用熱力學(xué)第一定律就可以分析氣體的吸放熱情況了。 2.如圖，一臺(tái)四沖程內(nèi)燃機(jī)，活塞在壓縮沖程某段時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離為0.1 m，這段過(guò)程活塞對(duì)氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當(dāng)于2×103 N的恒力使活塞移動(dòng)相同距離所做的功(圖壓縮沖程)。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)汽缸溫度高于環(huán)境溫度，該過(guò)程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25 J。 (1)求上述壓縮過(guò)程中氣體內(nèi)能的變化量。 (2)燃燒后的高壓氣體對(duì)活塞做功，氣體推動(dòng)活塞移動(dòng)0.1 m，其做的功相當(dāng)于9×103 N的恒力使活塞移動(dòng)相同距離所做的功(圖做功沖程)，該做功過(guò)程氣體傳遞給汽缸的熱量為30J，求此做功過(guò)程氣體內(nèi)能的變化量。 學(xué)生思考：壓縮過(guò)程中，活塞（外界）對(duì)氣體（系統(tǒng)）做功，W是正值 學(xué)生展示： （1）W1= F1l1= 2×103×0.1 J = 200 J 系統(tǒng)向外放熱：Q1=-25J 氣體內(nèi)能的變化量：ΔU1=W1＋Q1=200 J -25 J=175J 學(xué)生思考：氣體膨脹過(guò)程中，氣體（系統(tǒng)）對(duì)外界所做功，W是負(fù)值： 學(xué)生展示： （2）W2= F2L2=-9×103×0.1 J=-900 J 系統(tǒng)向外放熱：Q2=-30J 氣體內(nèi)能的變化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J 課堂小結(jié) 一、熱力學(xué)第一定律 ΔU＝Q+ W 二、熱力學(xué)第一定律的符號(hào)法則 物理量取正號(hào)(+)的意義取負(fù)號(hào)(-)的意義功W外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)對(duì)外界做功熱量Q系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能的變化量?jī)?nèi)能增加內(nèi)能減少
三、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用

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