物理：第1、2节《能量守恒定律的发现》《热力学第一定律》课件（教科版选修3-3）

欢迎进入物理课堂 第4章能量守恒与热力学定律 第1节能量守恒定律的发现第2节热力学第一定律 课前自主学案 核心要点突破 课堂互动讲练 课标定位 知能优化训练 第1 2节 课标定位学习目标 1 理解能量守恒定律 会用能量守恒的观点分析解决有关问题 2 理解物体跟外界做功和热传递的过程及W Q U的物理定义 3 理解热力学第一定律 并能运用热力学第一定律分析和计算有关问题 重点难点 1 理解第一类永动机是不可能制成的原因 2 理解 应用热力学第一定律和能量守恒定律 课前自主学案 一 能量守恒定律的发现1 能量形式与能量转化 1 各种能量 自然界存在着多种不同形式的运动 每种运动对应着一种形式的能量 如机械运动对应 分子热运动对应 电磁运动对应 2 各种能量之间可以互相转化 不同形式的能量之间可以相互转化 摩擦可以将 转化为内能 炽热电灯发光可以将 转化为光能 机械能 内能 电磁能 机械能 电能 2 能量守恒定律发现的历史背景 1 蒸汽技术的发展 18世纪80年代 蒸汽机的发展和使用 证明了 可以转化为 推动了热力学理论的发展 2 各种基本运动形式之间普遍联系性的发现17世纪中叶 物理学家提出 运动量 的思想 18世纪未到19世纪初 各种自然现象之间的普遍联系被发现 的概念被引入 内能 机械能 守恒 能 3 永动机研制的失败概念 一种不消耗能量却可源源不断 的机器叫永动机 并称为第一类永动机 结果 无一例外地归于失败 原因 违背 原理 对外做功 能量守恒 3 能量守恒定律的发现与确立 1 能量守恒定律内容 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式 为另一种形式 或者从一个物体 到另一个物体 在转化或转移的过程中 不变 2 意义 各种形式的能可以 各种物理现象可以用 联系在一起 转化 转移 其总量 相互转化 能量守恒定律 思考感悟1 不耗油的汽车能不能制成 为什么 提示 能制成 可以用太阳能 电能等能源代替石油能源 制造太阳能汽车 电动汽车等 但是不消耗任何能量的汽车不可能制成 因为它违背能量守恒定律 二 热力学第一定律1 改变物体内能的两种方式 与 两者在改变系统内能方面是等效的 2 热力学第一定律 1 内容 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程 那么外界对物体 加上物体从外界 等于物体内能的增加 2 数学表达式 U 做功 热传递 所做的功 吸收的热量 Q W 思考感悟2 外界对物体做功10J 物体内能改变了多少 若外界对物体传递10J的热量 物体内能改变了多少 能否说明10J的功等于10J的热量 提示 无论外界对物体做功10J 还是外界给物体传递10J的热量 物体内能都增加了10J 说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的 不能说10J的功等于10J的热量 因为功与热量具有本质区别 核心要点突破 一 功 热量和内能之间的关系1 功和内能的关系 1 内能与内能变化的关系 物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和 因此物体的内能是一个状态量 当物体温度变化时 分子平均动能变化 物体体积变化时 分子势能发生变化 因此物体的内能变化只由初 末状态决定 与中间过程及方式无关 2 做功与内能变化的关系 做功改变物体内能的过程是其他形式的能 如机械能 与内能相互转化的过程 在绝热过程中 外界对物体做多少功 就有多少其他形式的能转化为内能 物体的内能就增加多少 3 功和内能的区别 功是过程量 内能是状态量 在绝热过程中 做功一定能引起内能的变化 物体的内能大 并不意味着做功多 在绝热过程中 只有内能变化较大时 对应着做功较多 特别提醒 在绝热过程中 外界对系统做功 系统的内能增加 外界对系统做多少功 系统的内能就增加多少 系统对外界做功 系统的内能减少 系统对外界做多少功 系统的内能就减少多少 2 热量 功和内能之间的关系内能是由系统的状态决定的 状态确定了 系统的内能也就随之确定了 要使内能改变 可以通过做功和热传递两种方式来完成 功和热量都是过程量 两者对改变系统的内能是等效的 但做功是其他形式的能量转化为内能 功的多少是内能转化的量度 在绝热的过程中 对物体做了多少功 内能就增加多少 物体对外做了多少功 内能就减少多少 热传递是内能的转移 热量是内能转移的量度 在没有做功的情况下 物体吸 收了多少热量 就增加多少内能 或放出了多少热量 就减少多少内能 有过程 做功或热传递 才有变化 内能改变 离开过程 功和热量将毫无意义 就某一状态而言 只有 内能 根本不存在 功 和 热量 因此不能说物体中含有 多少热量 或 多少功 可以说物体很热 这指的是物体的温度很高 特别提醒 热传递改变物体内能的过程是物体间内能转移的过程 热传递使物体的内能发生变化时 内能改变的多少可用热量来量度 物体吸收了多少热量 物体的内能就增加多少 物体放出了多少热量 物体的内能就减少多少 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 对于热量 功和内能三者的关系下列说法中正确的是 A 三者单位相同 物理意义相同B 热量和功是内能的量度C 热量和功由过程决定 而内能由物体状态决定D 系统内能增加了100J 可能是外界采用绝热方式对系统做功100J 也可能是外界单纯地对系统传热100J 解析 选CD 热量 功和内能三者尽管单位相同 但物理意义有本质区别 A错 热量和功由过程决定 内能由物体状态决定 热量和功是内能变化的量度 C对 B错 对一个绝热过程 U W 100J 对一个单纯热传递过程 U Q 100J D对 二 热力学第一定律与改变内能的两种方式1 对热力学第一定律的理解 1 对 U W Q的理解 热力学第一定律是对单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表达推广到一般情况 既有做功又有热传递的过程 其中 U表示内能改变的数量 W表示做功的数量 Q表示外界与物体间传递的热量 2 对公式 U Q W符号的规定 2 改变内能的两种方式比较 3 几种特殊情况 1 若过程是绝热的 则Q 0 W U 外界对物体做的功等于物体内能的增加 2 若过程中不做功 即W 0 则Q U 物体吸收的热量等于物体内能的增加 3 若过程的始末状态物体的内能不变 即 U 0 则W Q 0或W Q 外界对物体做的功等于物体放出的热量 特别提醒 研究对象为气体时 膨胀过程 除向真空中自由膨胀外 气体对外做功 压缩过程 外界对气体做功 4 应用热力学第一定律解题的思路与步骤 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 对外界所做的功 3 根据热力学第一定律 U Q W列出方程进行求解 4 特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 如图4 1 1所示 某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中 设水温均匀且恒定 筒内空气无泄漏 不计气体分子间相互作用 则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中 筒内空气体积减小 则空气 图4 1 1 A 从外界吸热B 内能增大C 向外界放热D 内能减小解析 选C 缓慢下降的过程中 筒内空气的温度与水温始终相同 即空气温度不变 由于不计气体分子间的相互作用 分子势能始终为零 筒内空气分子的平均动能不变 所以筒内空气的内能不变 筒内空气的体积减小 外界对气体做功 根据热力学第一定律 U W Q 可知筒内空气向外放热 三 对能量守恒定律的理解1 能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能 机械运动有机械能 分子的热运动有内能 还有诸如电磁能 化学能 原子能等 各种形式的能 通过某种力做功可以相互转化 例如 利用电炉取暖或烧水 电能转化为内能 煤燃烧 化学能转化为内能 列车刹车后 轮子温度升高 机械能转化为内能 2 与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的 例如 物体的机械能守恒 必须是只有重力做功 而能量守恒定律是没有条件的 它是一切自然界现象都遵守的基本规律 3 能量守恒定律的重要意义 1 找到了各种自然现象的公共量度 能量 从而把各种自然现象用定量规律联系起来 揭示了自然规律的多样性和统一性 2 突破了人们关于物质运动的机械观念的范围 从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性 能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍 它是物理学中解决问题的重要思维方法 能量守恒定律与电子的发现 达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现 其重要意义由此可见 3 具有重大实践意义 即彻底粉碎了永动机的幻想 4 第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热源供给热量 则有U2 U1 W 就是说 如果系统内能减少 即U2 U1 则W 0 系统对外做功是要以内能减少为代价的 若想源源不断地做功 就必须使系统不断回到初始状态 在无外界能量供给的情况下 是不可能的 特别提醒 层出不穷的永动机设计方案 由于违背了能量守恒定律 无一例外地宣布失败 人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 2011年浙江金华十校联考 如图4 1 2所示的绝热容器中 A B各有一个可自由移动的轻活塞 活图4 1 2塞下面是水 上面是空气 大气压恒定 A B底部由带有阀门K的管道相连 整个装置与外界绝热 原先A中水面比B中高 打开阀门 使A中的水逐渐向B中流动 最后达到平衡 在这个过程中 下面说法正确的是 A 大气压力对水做功 水的内能不变B 水克服大气压力做功 水的内能减少C 大气压力对水不做功 水的内能不变D 大气压力对水不做功 水的机械能减少 内能增加解析 选D 水的体积未变 故大气压力不做功 故A B错 该过程中水的重心降低 重力势能减少 机械能转化为水的内能 故D对 课堂互动讲练 对于热量 功和内能三者的说法正确的是 A 热量 功 内能三者的物理意义相同B 热量 功都可以作为物体内能的量度C 热量 功 内能的单位不相同D 热量和功是由过程决定的 而内能是由物体状态决定的 精讲精析 物体的内能是指物体所有分子的动能和分子势能的总和 而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径 这三者的物理意义不同 A项错 热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的物理量 而功也是用做功的方式来量度改变物体内能多少的物理量 B项错 三者单位都是焦耳 C项错 热量和功是过程量 内能是状态量 D项正确 答案 D 方法总结 区别热量 功和内能的技巧 1 就某一状态而言 只有 内能 根本谈不上 热量 和 功 2 就某一过程而言 内能 有变化 与 热量 功 对应 3 一个物体的内能无法计算 但物体的内能变化是可以计算的 2011年高考江苏卷 1 如图4 1 3所示 一演示用的 永动机 转轮由5根轻杆和转轴构成 轻杆的末端装有用形状记忆合金图4 1 3制成的叶片 轻推转轮后 进入热水的叶片因伸展而 划水 推动转轮转动 离开热水后 叶片形状迅速恢复 转轮因此能较长时间转动 下列说法正确的是 A 转轮依靠自身惯性转动 不需要消耗外界能量B 转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C 转动的叶片不断搅动热水 水温升高D 叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 2 如图4 1 4所示 内壁光滑的汽缸水平放置 一定质量的理想气体被活塞密封在汽缸内 外界大气压强为p0 现对汽缸缓慢加热 气体吸收热量Q后 体积由V1增大为V2 则在此过程中 气体分子平均动能 选填 增大 不变 或 减小 气体内能变化了 图4 1 4 精讲精析 1 该永动机叶片进入水中 吸收热量而伸展划水 推动转轮转动 离开水面后向空气中放热 叶片形状迅速恢复 所以转动的能量来自热水 由于不断向空气释放热量 所以水温逐渐降低 A B C错 D对 2 气体做等压变化 体积变大 温度升高 平均动能增大 内能的变化为 U Q p0 V2 V1 答案 1 D 2 增大Q p0 V2 V1 方法总结 1 要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统 2 应用热力学第一定律计算时 要依照符号法则代入数据 对结果的正 负 也同样依照符号法则来解释其意义 2011年德州高二检测 如图4 1 5所示 一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置 绝热活塞的质量为5kg 处于静止状态时被封闭图4 1 5气体的高度为50cm 现在在活塞上方加一15kg的物体 待稳定后 被封闭气体的高度变为40cm 求在这一过程中气体的内能增加了多少 g取10m s2 不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力 思路点拨 1 绝热过程内能增加 则应为其他形式的能转化为内能 2 绝热过程表示不吸热 也不放热 导热性能良好且过程缓慢 表示此过程有热传递发生且及时充分 保持温度不变 自主解答 由能的转化与守恒定律可知 内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少 U E M m gh 15 5 10 50 40 10 2J 20J 答案 20J 变式训练下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是 A 某种形式的能量减少 一定存在其他形式能量的增加B 某个物体的能量减少 必然有其他物体的能量增加C 不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器 永动机是不可能制成的D 石子从空中落下 最后停止在地面上 说明机械能消失了 解析 选ABC 能量守恒定律是指能量的总量不变 但更重要的是指转化和转移过程中的守恒 在不同形式的能量间发生转化 在不同的物体间发生转移 不需要任何外界动力而持续对外做功的机器是违背能量守恒定律的 是永远不可能制成的 机械能转化成了其他形式的能量而不能消失 能量是不会消失的 知能优化训练 本部分内容讲解结束 点此进入课件目录 按ESC键退出全屏播放 谢谢使用 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全