物理：第5章第1节第2节《热力学第一定律》《能量的转化与守恒》课件（鲁科版选修3-3）

欢迎进入物理课堂 第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第2节 课前自主学案 课标定位 学习目标 1 了解热力学第一定律 2 会用 U W Q解决一些简单问题 3 知道第一类永动机不可能制成 4 了解能量守恒定律的发现过程 5 理解能的转化与守恒定律 会用能量的观点解释自然现象 课标定位 重点难点 1 应用 U W Q定性分析和定量计算 2 第一类永动机不可能制成的分析及探究过程的理解 3 理解和掌握能量守恒定律 并能应用定律进行分析 解决相关问题 课前自主学案 一 热力学第一定律及其应用1 改变物体内能的两种方式 和 2 物体内能的改变 1 如果物体与外界无热传递 若外界对物体做功 则物体的内能 若物体对外做功 物体的内能 做功 热传递 增加 减少 2 如果物体既不对外做功 外界也不对物体做功 则物体吸收热量时 它的内能 物体放出热量时 它的内能 3 热力学第一定律 1 内容 物体内能的增加量 U 外界对物体所 与物体从外界 之和 2 表达式 U 增加 减少 等于 做的功W 吸收的热量Q W Q 3 符号规则 物体从外界吸热时Q为 即Q 0 物体向外界放热时Q为 值 即Q 0 外界对物体做功时W为 值 即W 0 物体对外界做功时W为 值 即W 0 物体的内能增加时 U为 值 即 U 0 物体的内能减少时 U为 值 即 U 0 正值 负 正 负 正 负 4 意义 一个物体内能增加 必定有其他物体对它 或向它 与此同时 对此物体做功或向它传热的其他物体要 的能量 而系统的总能量保持不变 在一切涉及热现象的宏观过程中 能量可以发生转移或转化 在转移或转化过程中总能量 做功 传递热量 减少等量 守恒 二 第一类永动机1 概念 不消耗任何能量而能永远 的机器 2 结果 17 18世纪 人们提出了许多永动机设计方案 但都以 而告终 3 原因 设想能量能够无中生有地创造出来 违背了 4 启示 人类利用和改造自然时 必须遵循自然规律 对外做功 失败 热力学第一定律 三 能量守恒定律的发现1 迈尔的发现 体力和体热必定来源于食物中的 内能 化学能 机械能都是等价的 是可以 的 如果动物体的能量输入与支出是平衡的 那么 所有这些形式的能在量上必定是 的 2 焦耳的研究 1 确定了电能向内能转化的 关系 2 用了近40年的时间 不懈地钻研 问题 为能量守恒定律提供了无可置疑的证据 化学能 相互转化 守恒 定量 热功转换 3 亥姆霍兹的贡献从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热 光 电 磁 化学反应等过程 揭示了它们之间的 四 能量守恒定律及其应用1 内容 能量既不会 也不会 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 而能量的总值 统一性 消失 创生 转化 转移 保持不变 2 意义 揭示了自然科学各个分支之间的 是自然界内在 的第一个有力证据 3 应用 1 各种形式的能可以相互转化 但能量转化过程中总伴有 的损失 2 各种互不相关的物理现象 可以用 联系在一起 普遍联系 统一性 内能 能量守恒定律 核心要点突破 一 热力学第一定律的理解1 热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的 而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系 此定律应用时各量的单位应统一 2 对公式 U Q W符号的规定 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 特别提醒 1 不是所有的力做功都改变物体的内能 例如自由落体运动 重力对物体做正功 但不改变物体的内能 2 判断对气体是否做功的方法一般情况下外界对气体做功与否 需看气体的体积是否变化 若气体体积增大 表明气体对外界做功 W0 二 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 能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍 它是物理学中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 特别提醒 热力学第一定律实际是其他形式的能量与内能转化时的能量守恒定律 三 应用能量守恒定律分析解决问题的思路方法能量守恒的核心是总能量不变 因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化 是通过哪些力做功实现的 这些能量分别属于哪些物体 然后再寻找合适的守恒方程式 1 某种形式的能量增加 一定存在着其他形式的能量减少 且增加量等于减少量 2 某个物体的能量增加 一定存在着其他物体的能量减少 且增加量等于减少量 用能量的转化和守恒解决物理问题是物理学中的一种重要方法 课堂互动讲练 一定质量的气体 在从一个状态变化到另一个状态的过程中 吸收热量280J 并对外做功120J 试问 1 这些气体的内能发生了怎样的变化 2 如果这些气体又返回原来的状态 并放出了240J热量 那么在返回的过程中是气体对外界做功 还是外界对气体做功 做功多少 思路点拨 根据热力学第一定律进行计算 精讲精析 1 由热力学第一定律可得 U W Q 120J 280J 160J 即气体内能增加了160J 2 由于气体的内能仅与状态有关 所以气体从 状态回到 状态过程中内能的变化应等于从 状态到 状态过程中内能的变化 则从 状态到 状态的内能应减少160J 即 U 160J 又Q 240J 根据热力学第一定律得 U W Q 所以W U Q 160J 240J 80J即外界对气体做功80J 答案 1 内能增加了160J 2 外界对气体做功80J 方法总结 本题考查热力学第一定律的表达式 应首先根据符号法则 判断已知量的正负号 再将其代入热力学第一定律的表达式 U W Q中求第三个量 变式训练1 2011年高考福建卷 一定量的理想气体在某一过程中 从外界吸收热量2 5 104J 气体对外界做功1 0 104J 则该理想气体的 A 温度降低 密度增大B 温度降低 密度减小C 温度升高 密度增大D 温度升高 密度减小解析 选D 由热力学第一定律 U W Q得 U 1 0 104J 2 5 104J 1 5 104J 因此气体的内能增大 故温度升高 又因气体对外做功 体积增大 故密度减小 有上下摆动且摆动高度越来越低的滚摆 则下列关于滚摆能量的说法中 正确的是 A 滚摆的机械能守恒B 能量正在消失C 只有动能和势能的相互转化D 减少的机械能转化为内能 但总能量守恒 精讲精析 滚摆摆动高度越来越低 说明有重力之外的力 阻力 做功 机械能逐渐减小 减少的机械能通过克服阻力做功 转化成了内能 总能量守恒 答案 D 方法总结 机械能守恒是有条件的 只有重力做功 能量守恒是没有条件的 变式训练2 2011年高考江苏卷 如图5 1 1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 图5 1 1 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解析 选D 形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水 由能量守恒知能量来源于热水 故A B C错 由能量守恒知 叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能 一部分释放于空气中 故D对 水能不产生污染物 是一种清洁能源 位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000m3 而且一年四季流量稳定 瀑布落差50m 若利用这一资源发电 设其效率为50 估算发电机的输出功率 g取10N kg 思路点拨 水力发电是水的机械能转为电能 自主解答 每秒钟流下的水的质量为 m V 1 0 103 6000kg 6 0 106kg每秒钟水减少的机械能为 E mgh 6 0 106 10 50J 3 0 109J设发电机的输出功率为P 则由能量守恒定律可得 P E 解得 P 3 0 109 50 W 1 5 109W 答案 1 5 109W 方法总结 能量守恒定律是普遍适用的定律 在解决有关能量转化问题时 注意分析能量转化前后各种形式的能及其相互关系 变式训练3如图5 1 2所示 一个小铁块沿半径为R 0 2m的半球内壁自上端由静止下滑 当滑至半球底部时 速度为1m s 设此过程中损失的机械能全部变为内能 并有40 被铁块吸收 已知铁的比热容c 0 46 103J kg 重力加速度g取10m s2 求铁块升高的温度 图5 1 2 答案 1 3 10 3 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