2019-2020年沪科版物理高二上7-A《物体的内能》导学案.doc

2019-2020年沪科版物理高二上7-A物体的内能导学案一、教法建议【抛砖引玉】本单元内容也是非常抽象的，它是分子动理论的发展，要引导学生在分子动理论的基础上利用牛顿力学的知识，利用统计学的初步知识去理解分子的内能，并在此基础上引导学生区分温度、内能、热量、热能、热运动、热现象、热平衡等热学概念的不同含意。在弄清物体的内能后，可通过实验研究物体内能的变化与做功和热传递这两个物理过程间的关系。在此基础上，从能的转化和守恒定律的阐述出发，建立起做功和热传递与内能变化间的转化和守恒定律的规律。本单元重点内容是内能的概念和能的转换和守恒定律。这些内容是比较抽象的，不易掌握，所以要多联系实际，同时能较好地结合初中已学过的热学初步知识、使学生掌握好物体的内能和能的转化和守恒定律。【指点迷津】1. 物体的内能：本部分知识是用物质分子动理论的观点来阐述分子的动能、分子的势能和物体的内能的概念，我们在这里要清楚以下内容：(1) 分子的动能：分子的动能是指分子无规则运动时所具有的能量，也即是分子作热运动是的能量。它不包括由于物体运动所是存的机械能。分子的无规则运动的动能包括分子的平动动能。分子或原子的转动动能和其振动动能。大量分子的平动动能，是一个统计性的规律。在一定温度下，物体分子的平均平动动能具有一定的数值，并且随着温度的升高，平均平动动能都要增大。因此可以说物体温度是分子平均平动动能大小的标志，温度的变化反映了物体内分子平均平动动能的改变。(2) 分子的势能：从分子的动理论可知：分子间存在着引力和斥力，所以由分子间相对位置所决定的势能，叫分子的势能。在分子间的距离rr0时，分子力表现为引力，这时，要增大分子间的距离，必须克服分子间引力做功，分子势能逐渐增大。在分子间距rr0时，分子力表现为斥力，这时在减小分子间距离时，必须克服分子间斥力做功，分子势能也越来越大。在分子间距离r=r0时，分子势能为极小值。(3) 物体的内能：物体的内能是指物体内所有分子的无规则运动的动能和分子势能的总和。其大小是决定于物体状态（温度和体积）的。内能和机械能是两种不同形式的能量，一个物体可以同时是有内能和机械能，而且二者在一定条件下可相互转化。一个物体当状态确定时，内能就一定。但究竟有多少内能，要计算出来是不可能的。重要的是当物体状态发生改变时，我们可以量度物体内能的变化。2.物体内能的变化：(1)通过对物体做功和热传递两种物理过程，可以改变物体的内能。(2)做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，都能表示物体内能的变化，在国际单位制中都是用同一能量单位来度量，焦耳（J）。在实用单位中，热量用卡做单位，功用焦耳做单位，那么卡与焦耳的等效关系由实验得到的结果是1卡热量相当于做4.18焦耳的功。这个数值被称为热功当量。(3) 做功使物体的内能变化，是其它形式的能转化为内能。热传递的过程则是物体间分子无规则运动能量的转移，是物体内能的传递。两个过程是有本质上的区别的。尤其是我们以后在研究气体时，由于采取不同的做功过程和热传递过程，使物体发生同样的内能变化时，所需做的功和传递的热量是不相同的，这说明做功的多少和传递热的多少与发生的过程是密切相关的。3.内能的转化和守恒定律：(1)各种形式的物质运动对应着各种形式的能。(2) 各种形式的能是可以相互转化的，这种转化意味着物质运动可由一种形式转化或其它形式。(3)大量事实证明，任何形式的能转化为别种形式的能时，总的能量都是守恒的。4. 能量的利用和能源的开发。二、学海导航【思维基础】1.要知道物体的分子具有动能和势能。例：组成物质的分子总是处于不断地运动着，因此象一切运动着的物体一样，运动着的分子是有 。由于分子间存在着相互作用力，因此分子又是有由它们的 所决定的势能。答案：动能；相对位置。2.要知道温度是物体分子平均动能的标志。例：我们把物体内 的平均值叫做分子的平均动能，从分子动理论的观点来看 是物体分子平均动能的标志。答案：所有分子的动能；温度。3.要了解分子的势能跟物体分子距离的关系，与物体体积的关系。例：如果分子间的相互作用显引力时，分子势能随着分子间的距离增大而 ；当分子间的相互作用为斥力时，分子势能随分子间的距离减小而 。所以分子势跟物体的 有关系。 答案：增大，增大，体积。 4.要掌握物体内能的定义，并了解内能与哪些因素有关。 例：关于内能的说法，正确的是： (1)温度高的物体内能大； (2)热的物体把温度传给冷的物体，最后两物体的温度相同，它们是有相等的内能； (3)比热大的物体容易吸收内能； (4)质量和温度都相同的物体，不一定具有相同的内能。 分析：这个问题就是让我们必须对内能、温度、比热、热量、热传递等概念要清楚，而后再用内能的知识去分析它。 物体的内能是决定于它本身的状态的，温度高只表明了物体分子的平均动能大、因此不能确定内能大小。 热传递传递的是能量，不能传递温度，所以(2)是错的。 比热大的物体在相同条件下能吸收热量多，不能说吸收内能。 只有(4)是正确的。 5.会辨认物体的内能和物体的机械能之间的区别。 例：一块木块沿着粗糙的曲面滑下，在它下滑的过程中，它的： (1)机械能是守恒的； (2)机械能在逐渐地增加，内能逐渐减少； (3)机械能逐渐减少，内能逐渐增多； (4)总能量是守恒的。 分析：从运动物体的运动条件可看出，机械能是不能守恒的。因为运动着的物体是在粗糙曲面上滑下，势能减小，动能也减小，那么机械能减小，机械能变成了什么呢？变成了物体的内能，物体温度要升高，因此，(3)、(4)正确。 例：下列说法中正确的是： (1)运动着的物体机械能和内能都不为零，而静止着的物体机械能和内能都为零； (2)质量大的物体一定比质量小的物体是有较多的机械能和热能； (3)温度高的物体是有较多的机械能和内能； (4)物体的机械能为零时，它的内能不为零； (5)在一定条件下，物体的内能和机械能可以相互转化； (6)物体的机械减少，同时它的内能也减少。分析：静止的物体，其内能也不能为零；机械能和内能的多少，不止决定于物体的质量的多少；物体机械能的多少不能决定于温度的高低，物体机械能减少，其内能要增大，所以只有(4)、(5)正确。6. 能区分温度、热量、内能、热能、热现象、热平衡等概念的不同含意：例：下列的说法中正确的是：(1)温度高的物体比温度低的物体热量多；(2)温度高的物体不一定比温度低的物体内能多；(3) 温度高的物体比温度低的物体机械能多；(4) 在达到热平衡时，两物体的内能相等。分析：第一个备选答案要弄清物体温度的高低说明什么问题，热量是个什么物理量？第二个备选答案就是要弄清内能是个什么样的物理量？它是由哪些回答确定的？第三个备选答案要明白机械能的大小决定于什么？它与温度有没有关系？第四个备选答案要弄清热平衡的条件是什么？把以上问题都讨论清了，热学的诸概念就都清楚了。本题答案为（2）。7. 会叙述使物体内能改变的两种物理过程：例：关于物体内能的变化，在下列叙述中错误的是：(1) 当物体的温度升高时，它的内能一定随着增加；(2)当物体的机械能不变时，它的内能也保持不变；(3)质量小的物体比质量大的物体内能容易发生变化；(4)在一定条件下物体的内能和机械能之间可相互转化；(5)做功和热传递是改变物体内能的两种方式；(6)做功和热传递是以不同的能量换方式来改变物体的内能；(7)传递相同热量的两个物体，具有相同的内能；(8)若物体从粗糙的斜面滑下，物体的机械能减少，其内能也减少；(9) 若物体从粗糙的斜面滑下，物体的机械能减少，其内能要增加。分析：这个题目关键是要清楚内能的改变，它可以通过两种不同的过程实现，一个是热传递，一个是做功。热传递是由温度高的物体向温度低的物体传递热量而使物体内能发生变化的过程。而做功是由于物体的机械能改变时使物体内能发生变化的过程。可能是二者同时发生，也可能是其一发生，可能是二者发生都是使物体内能增加，也可能二者发生，一使物体内能增加，另一使物体内能减少。所以考虑问题时要进行全面分析。本题(4)、(5)、(6)、(9)是正确的，其余则为错误的。8.对焦耳测定热功当量的实验要了解，明白其工作原理，知道人类探讨热的本质的过程及它在科学史上的重要意义。9. 能熟记热功当量：例：热功当量的数值为 ，它表明功和热量之间存在着确定的“数量关系”，即1卡= ，或者1焦耳= 。答案：4.2J卡；4.2J；0.24卡。10.能说明并区分做功和热传递在改变物体的内能上的区别和联系：例：以下叙述中正确的是：(1)做4.2焦耳的功和传递1卡的热量在改变物体的内能上是等效的；(2)4.2焦耳的功和1卡的热量本质上是相同的；(3)1卡=4.2焦耳；(4) 热就是功，功就是热，所以热功相当。分析：做功和热传递是物体内能改变的两种不同机制。做功是由物体外部的运动来促使物体内部分子的运动，即通过宏观变化来改变内能的。而热传递则是物体通过微观变化来改变物体的内能。所以做功和热传递在改变内能的方式和本质上都是不同的，但它们的效果是一致的。热功当量就是表明二者效果一致的物理量。所以(1)、(3)是正确的。11. 会进行卡和焦耳间的数值换算：例：从高处落下的水，若它的势能全部变成热能，问它应从多高处降落下可使水的温度升高1？（取g=10）。分析：水在高处它具有势能，E=mgh，水温度升高1所需热量Q=Cmt，热和功是等效的，所以mgh=JCmt；其中J=4.2焦耳卡。因此，（米）。这里要特别注意，单位必须按国际单位制所规定的单位，因为水的势能其单位为国际单位制单位，所以等号后面部分的公式也应用相同单位。12. 知道能的转化和守恒定律的内容：例：能量既不能 ，也不能 ，它只能从一种形式 成另一种形式，或者从一个物体 到另外的物体上。这就是能的转化和守恒定律。答案：凭空产生，凭空消失，转化、转移。13. 能通过推理来探讨能的转化和守恒定律。例：水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后，速度越来越慢，最后停止，这一现象符合能的转化和守恒定律吗？如果符合，汽车失去的动能变成了什么？ 分析：汽车发动机熄火后，汽车要克服阻力做功，当所克服阻力做的功等于其熄火时的动能时，汽车即停止运动。在这一过程中，汽车克服阻力做的功要转变或轮胎的内能，所以在这个过程中能量还是守恒的，是机械能转变成内能了。14. 按合“西部大开发”的战略，了解常规能源的利用和新能源的开发。例：“西部大开发”能源开发是重头戏，说说开发能源和节约能源的意义。分析：略。【学法指要】例1 在右图中，容器A、B中各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是空气，大气压稳定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界没有热传递，原先，A中水面比B中水面高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中： (1)大气压对水做功，水的内能增加；(2)水克服大气压做功，水的内能减少；(3)大气压对水不做功，水的内能不变；(4)大气压对水不作功，水的内能增加。 分析：打开阀门后，根据连通器原理，A中水面要下降，B中水面要上升，到二者相平为止，此时，大气压对水A中水作功，设为WA，而B则是水对大气压做功，设为WB。则：WA=P0SAhA，WB=P0SBhB其中：P0为大气压，SA为A活塞的面积、SB为B活塞的面积、hB为B水面上升的高度。由于容器中水的体积不变，因此有：SAhA=SBhB，WA=WB水受到的大气压力所做的功为零。A水面下降，B水面上升，容器中水的重心下降了，所以重力势能减少，水的重力做功，且在这个过程中没有热传递，则重力作功全部转变为水的内能，从以上分析可看出D是正确的。例2：太阳光垂直照射地面时，每平方厘米的面积上每年共获得1.02102千卡的热量，则：(1)用这些热量给水加热，可使多少千克的20水温度升到35？(2)若使这些热量全部用来做功，能做多少焦耳的功？(3)这些热量与完全燃烧多少汽油所产生的热量相等？（汽油燃烧值为11000千卡千克）分析：应弄清获得的总热量为多少？这些热量能使多少千克20的水温度升高到35怎么计算？水的比热？这些热量相当于多少机械功？热功当量为多少？最后要知道燃烧汽油产生热的规律和汽油的燃烧值。解：获得总热量，Q=1.02102千卡 Q=Cmt1. 02102=1m(3520)（m单位为千克）m=6.8千克W=JQ=4.21.02105=428400焦耳Q=mq，q=11000千卡千克1. 02102=m11000 m=0.009千克【思维体操】例：用l=1.6m的长细绳悬吊一质量0.5kg的木块，木块被水平下来的质量为10g的子弹打穿，子弹打穿木块后速度变为200m秒，木块摆起的悬线与竖直方向的最大摆向为60，求(1)子弹打击木块前的初速；(2)有多少机械能转化为内能；(3)若转化内能的60%被子弹吸收,则穿过木块后,子弹的温升为多少？(C子弹=126J/kg，g=10mS2)。分析：此题是个机械能，动量及有是内能的综合性题目。在分析这个题目的(1)问时，可按如下思路分析：子弹初速木块木块速摆起60 子弹速（飞出）我们可以从摆起60求出木块速度，利用木块速度和子弹飞出速度可求子弹的速度。在解的过程中需要机械能守恒和动量守恒的知识。解：设木块质量为M，子弹质量m，子弹初速为0，子弹打击木块后木块获得速度为1，子弹剩余速度为2。木块摆起机械能守恒：1=4mS子弹速2=200mS2，则子弹与木块相互作用过程中：m2m1=m01=4mS子弹速2=200mS2，则子弹与木块相互作用过程中：m2M1=m00=400mS在分析(2)问时：可根据能量守恒定律去分析，内能的产生一定是由于系统机械能的损失造成的，那就顺着这个思路去考察系统的机械能损失多少就行了。系统总机械能在子弹撞击前是子弹的动能，在撞击后，是木块的动能和子弹的动能，要想看机械能损失多少，只要用原来的动能减去后来二者的动能即可。在分析(3)问时，利用热学和知识即可：三、智能显示【心中有数】 分子具有动能：由于分子在不停地做无规则的热运动，因 分子的动能 此运动着的分子是有动能。动能大小与温度有关：分子动 能的大小决定于温度，温度越高分子平均动能越大。 分子具有势能：由于分子之间存在着相互作用，这种相互 分子的势能 作用与分子间的相对位置有关，因而具有由分子间的相对 位置决的能，叫分子势能。分子势能大小与体积有关：分子间距离的大小决定了物体体积。1.物体的内能 定义:物体内所有分子,其动能和势能的总和,叫物体的内能。 说明：严格来说，物体的内能除了分子的动势能外，还包物体的内能、原子、原子核内的能量。但我们当前只把物体内所有分 子的动势能总和称为物体的内能。决定内能的因素： 内能是系统状态的单值函数，状态变内能就变。状态不变内能 就不变。做功可以改变物体的内能。 做功与内能变化：当物体膨胀，物体对外做功，此时内能减少。 当物体压缩，外界对物体做功，此时内能增加。定义：没有作功而使物体内能改变的过程，叫热传递。热传递与内能的变化：当物体温度下降时，物体向外界传递了热量， 即放热过程，内能减少。当物体温度上升时，外界向物体传递了热量， 即吸热过程，内能增加。 对流：依靠液体或气体本身的流动而实现的热传递过程，叫对流。 传导：热由物体高温处传向低温处或由一个高温体传到另一个低温体，而不同时伴随内能的变化物质的流动，这种热传递的方式程叫热传递，其实质是靠分子间的碰撞来变换能量而实现热传递。 辐射：热量的传递既不依靠物质的流动，又不依靠分子的碰撞，而是借助于不同波长的电磁波来实现，这种传热方式就是辐射。 热功当量：做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，如果热、功的单 位不同、就存在一个热功当量的问题。即多少热等于多少功。根据实验， 热功当量J=4.18焦耳卡。若在国际单位制，热量和功的单位都是J，就 没这问题了。3. 能的转化和守恒定律：能量既不能凭白创立，也不含凭白消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一物体上。这个结论称为能的转化和守恒定律。【动手动脑】1.关于温度的说法，以下正确的是：(1)跟温度有关的现象都叫热现象；(2)温度是表示物体冷热程度的物理量；(3)温度高的物体内能多；(4)温度是物质内部分子平均动能的标志。2.达到热平衡的两个物体具有相同的：(1)内能；(2)分子平均的能；(3)比热；(4)分子势能；(5)机械能；(6)温度。3. 物体从高处落下，由于受空气阻力的影响，则它的：(1)机械能减少，内能也减少；(2)机械能减少，内能增加；(3)机械能增加，内能也增加；(4)机械能和内能都不变。4.在测定热功当量的实验中，为了提高实验的精度，下列方法中正确的是：(1)在量热器中注入热水；(2)在量热器中要注入足够量的水；(3)增加重锤的质量，并提高下落的距离；(4)减少量热器的热传递损耗；(5)仔细观察并纪录水的温度变化。5.关于内能的说法：(1)温度高的物体内能大；(2) 热的物体把温度传给冷的物体，最后两物体温度相同，它们是有相等的内能；(3)比热大的物体容易吸收内能；(4)质量和温度都相同的物体，不一定明相等的内能。6.下列说法中，正确的是：(1)物体内能的减少，一定是因为它对外做了功；(2)物体内能不变，可能是因为它对外做功的同时还吸收了热量；(3)物体内能的增加，是因为它温度升高了；(4)不能确定物体内能的变化，是因为不知道它对外所做的功和传热的多少。7.下列说法中正确的是：(1)温度低的物体内能少；(2)温度低的物体内分子运动的平均速度小；(3) 做加速运动的物体，由于物体的速度越来越大，因此物体内分子的平均动能越来越大；(4)外界对物体做功时，物体的内能不一定增加。8.物体对外做功1650J，与此同时它又从外界吸热800J，则它的内能 了 焦，因此它的温度将 。9. 使200克水温度升高10应供热 卡，或对它做 焦的功。【创新思维】1.汽车以15mS的速度匀速行驶，发动机的功率为3.675104w，效率为30%，汽油箱内有燃烧值为4.62104Jkg的汽油10kg，问它能行驶多远？2. 从30米高处射出一粒速度为=200mS的铜质炮弹，炮弹飞行过程中与空气摩擦可生的热60%被炮弹吸收，结果使炮弹温度升高20，求弹着地时的速度。（铜的比热为4.2102Jkg）。答案：【动手动脑】1. (1)、(2)。2.(2)、(6)。3.(2)。4.(2)、(3)、(4)、(6)。5.(2)。6.(4)。7.(4)。8.减少；850；降低。9.2000；8400。【创新思维】 1. 5.66104m；2. 112.2m秒。