山东省物理高中人教版学案选修3-3：10.3热力学第一定律

10-2热力学第一定律能量守恒定律一、导学（一）热力学第一定律1.功和热:改变系统的状态,_____和_______这两种方法是等效的,即一定数量的功与确定数量的热相对应。

2.热力学第一定律:(1)内容:一个热力学系统的内能_____等于外界向它传递的_____与外界对它所做的___的和。

(2)表达式:________。

（二）能量守恒定律1.能量守恒定律:(1)内容:能量既不会凭空_____,也不会凭空_____,它只能从一种形式_____为另一种形式,或者从一个物体_____到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的_____保持不变。

(2)意义:①各种形式的能可以相互_____。

②各种互不相关的物理现象可以用_________定律联系在一起。

2.第一类永动机不可能制成:(1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地__________的机器。

(2)第一类永动机不可能制成的原因:违背了_________定律。

(3)意义:正是历史上设计永动机的失败,才使后人的思考走上了正确的道路。

二、合作探究探究一、热力学第一定律1.一个物体,它既没有吸收热量也没有放出热量,那么:(1)如果外界对物体做的功为W,则它的内能如何变化?变化了多少?(2)如果物体对外界做的功为W,则它的内能如何变化?变化了多少?2.一个物体,如果外界既没有对它做功,它也没有对外界做功,那么:(1)如果物体从外界吸收热量Q,它的内能如何变化?变化了多少?(2)如果物体向外界放出热量Q,它的内能如何变化?变化了多少?3.一定质量的气体,膨胀时对外做功,同时向外放热,气体的内能增加了还是减少了?若气体对外做功的同时吸收热量呢?探究二、能量守恒定律1.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?2.什么是第一类永动机?它能实现吗?四、课堂训练1、外界对一定质量的气体做了200 J的功,同时气体又向外界放出了80 J的热量,则气体的内能(选填“增加”或“减少”)了J。

热力学第一定律能量守恒定律新课标要求（一）知识与技能1．能够从能量转化的观点理解热力学第一定律及其公式表达，会用ΔU=W+Q 分析和计算问题。

2．掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义。

会用能量守恒的观点分析物理现象。

3．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。

4．了解第一类永动机不可能制成的原因。

（二）过程与方法通过用定量计算的例题讲解及课件展示来加深大家对知识的理解。

（三）情感、态度与价值观1．学习众多科学家孜孜以求、勇于探索自然规律的精神，进一步进行辩证唯物主义教育，为将来能在开发新能源、合理利用能源、发展节能技术的领域内作出贡献而努力。

2．感受英国科学家焦耳勤奋、刻苦，40年如一日研究电流热效应，测定热功当量的顽强意志体现出来的人格美。

教学重点能量转化和守恒定律的理解及综合应用，涉及热力学第一定律的定性分析和定量计算。

教学难点热力学第一定律的正确运用（定性分析和定量计算）及对第一类永动机不可能制成的具体分析探究过程的理解。

教学方法讲练法、分析归纳法、阅读法教学用具：投影仪、投影片。

教学过程（一）引入新课教师：（复习提问）改变物体内能的方式有哪些？学生：做功和热传递是改变物体内能的两种方式。

教师：既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么功，热量跟内能的改变之间一定有某种联系，本节课我们就来研究这个问题。

（二）进行新课1．热力学第一定律［投影］1．一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：①如果外界做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？②如果物体对外界做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？2．一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：①如果物体吸收热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？②如果放出热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？［学生解答思考题］教师总结：一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少。

[目标定位] 1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式.2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律.4.知道第一类永动机是不可能制成的．一、热力学第一定律1．改变内能的两种方法：做功与____________．两者在改变系统内能方面是____________．2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的________与外界对它________________的和．(2)数学表达式：ΔU＝________.3．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定4.(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变．(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果．5．判断是否做功的方法一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化．(1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<0；(2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.深度思考图1快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？例1空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？对热力学第一定律应注意：(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，要依照符号规则代入数据.对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义.例2一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有() A．Q1－Q2＝W2－W1B．Q1＝Q2C．W1＝W2D．Q1＞Q2二、能量守恒定律永动机不可能制成1．能量守恒定律能量既不会凭空________，也不会凭空________，它只能从一种形式__________为另一种形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化和转移的过程中，能量的总量________________．2．能量守恒定律的意义(1)各种形式的能可以____________．(2)各种物理现象可以用________________联系在一起．3．永动机不可能制成(1)第一类永动机：人们把设想的不消耗________的机器称为第一类永动机．(2)第一类永动机由于违背了________________，所以不可能制成．深度思考图2为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？图2例3如图3所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则()图3A．ΔU＝Q B．ΔU<QC．ΔU>Q D．无法比较利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒观点求解.针对训练如图4所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为h.现将阀门打开，最终两管水面相平，则这一过程中()图4A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用热力学第一定律与气体结合问题的解题方法在于综合应用理想气体状态方程和热力学第一定律，两者的结合点是温度和体积．(1)一定质量的理想气体内能的变化要看温度，气体温度升高，内能增大；气体温度降低，内能减小．(2)气体与外界的做功情况要看体积．气体体积膨胀，对外做功；气体体积减小，外界对气体做功；理想气体自由膨胀，不做功．例4如图5所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时()图5A．气体内能一定增加B．气体压强变大C．气体对外界做功D．气体对外界放热例5如图6所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：图6(1)汽缸内部气体内能的增量ΔU；(2)最终的环境温度T.1．(热力学第一定律的理解和应用)关于内能的变化，以下说法正确的是()A．物体吸收热量，内能一定增大B．物体对外做功，内能一定减少C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变2．(能量守恒定律的理解和应用)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是()A．机械能守恒B．能量正在消失C．只有动能和重力势能的相互转化D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒3．(热力学第一定律的理解和应用)一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量，内能增加了4.2×105 J.(1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变，但是内能增加了1.6×105 J，计算结果W＝－1.0×105 J，是负值，怎样解释这个结果？(3)在热力学第一定律ΔU＝W＋Q中，W、Q和ΔU为正值、负值各代表什么物理意义？4．(气体实验定律和热力学第一定律的结合)如图7所示，两个截面积都为S的圆柱形容器，右边容器高为H，上端封闭，左边容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为M的活塞．两容器由装有阀门的极细管道相连，容器、活塞和细管都是绝热的．开始时阀门关闭，左边容器中装有理想气体，平衡时活塞到容器底的距离为H，右边容器内为真空．现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达到新的平衡，此时理想气体的温度增加为原来的1.4倍，已知外界大气压强为p0，求此过程中气体内能的增加量．图7提醒：完成作业第十章 3[答案]精析一、知识梳理1．热传递等效的2．(1)热量所做的功(2)Q＋W3．外界物体吸收增加物体外界放出减少深度思考无论外界对气体做功10 J，还是外界给气体传递10 J的热量，气体内能都增加了10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的．不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别．典例精析例15×104 J[解析]选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.由题意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J，代入上式得Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104 J.例2A[对一定质量的理想气体，经过一系列的状态变化后又回到原状态，表明整个过程中内能的变化为零，即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消，所以A选项正确．当然，若Q1＝Q2，则必定有W1＝W2；若Q1＞Q2，则必定有W1＜W2；若Q1＜Q2，则必定有W1＞W2，所以B、C、D三项都有可能但不一定，故选A.]二、知识梳理1．产生消失转化转移保持不变2．(1)相互转化(2)能量守恒定律3．(1)能量(2)能量守恒定律深度思考这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．典例精析例3B[因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q 有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能．故正确[答案]为B.]针对训练B[由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合力为零，故大气压力不做功；水流动过程中重心下降，重力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转化为内能，故水的内能增大，选项B对，选项A、C、D错．]三、典例精析例4C[由图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C对，A、B、D错．]例5(1)Q －0.1p 0SL ＋0.1LG (2)1.1T 0[解析] (1)密封气体的压强p ＝p 0－G S密封气体对外做功W ＝pS ×0.1L由热力学第一定律ΔU ＝Q －W得ΔU ＝Q －0.1p 0SL ＋0.1LG(2)该过程是等压变化，由盖—吕萨克定律有LS T 0＝(L ＋0.1L )S T解得T ＝1.1T 0对点检测自查自纠1．C 2.D3．见[解析][解析](1)根据ΔU＝W＋Q得W＝ΔU－Q，将Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J代入式中得：W＝1.6×105 J>0，说明外界对气体做了1.6×105 J的功．(2)如果吸收的热量Q＝2.6×105J，内能增加了1.6×105J，即ΔU＝1.6×105J，则W＝－1.0×105 J，说明气体对外界做功．(3)在公式ΔU＝W＋Q中，ΔU>0，物体内能增加；ΔU<0，物体内能减少．Q>0，物体吸热；Q<0，物体放热．W>0，外界对物体做功；W<0，物体对外界做功．4.35(Mg＋p0S)H[解析]理想气体发生等压变化．设封闭气体压强为p，分析活塞受力有pS＝Mg＋p0S设气体初态温度为T，活塞下降的高度为x，系统达到新平衡，由盖—吕萨克定律得HST＝(H－x＋H)S1.4T解得x＝35H又因系统绝热，即Q＝0外界对气体做功为W＝pSx根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W所以ΔU＝35(Mg＋p0S)H。

第三节热力学第一定律能量守恒定律一、教学目标1、知道热力学第一定律的内容及其表达式2、理解能量守恒定律的内容3、了解第一类永动机不可能制成的原因二、教学重点与难点从能量转化的观点理解热力学第一定律，会用ΔU = W + Q 分析和计算有关问题是本节的重点。

热力学第一定律ΔU = W + Q中各物理量的意义及正负号的确定，如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象是本节的难点。

三、教学方法与建议问题讨论法、阅读法四、学情分析通过对上两节课内容的归纳，即做功和热传递都可以改变物体的内能，并且二者是等效的。

在此基础上，提出当外界对物体既做功又热传递时，物体的内能如何改变？学生通过分析讨论，自然得出热力学第一定律。

能量守恒定律的知识，学生一直都有，故不存在什么问题。

永动机学生虽然比较陌生，但通过影片的播放介绍，学生应该能够有所了解。

五、教学过程（一）引入新课[问题]：改变物体内能的方式有哪些？学生回答：做功和热传递。

教师：既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，功、热量跟内能的改变之间一定有某种联系，我们就来研究这个问题。

（二）新课讲授一、热力学第一定律1、思考与讨论（1）一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：①如果外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？②如果物体对外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？学生思考回答：一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少。

（2）一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：①如果物体吸收热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？学生思考回答：如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少.（3）如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化ΔU与热量Ｑ及做的功Ｗ之间又有什么关系呢？学生思考后应该能够得出ΔU = W + Q的结论。