3.2热力学第一定律 教案

3.2热力学第一定律
〖教材分析〗
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 通过分析讨论，自然得出热力学第一定律。通过课本例题的讲解，培养学生运动热力学第一定律分析和解决问题的能力。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶知道热力学第一定律及其符号法则，能从热力学学的视角正确描述和解释生活中的热现象，能灵活应用热力学第一定律解决实际问题。
科学思维∶理解热力学第一定律的公式，并能在新的生活情境中对问题进行分析和推理。
科学探究：通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。
科学态度与责任∶从焦耳的实验到热力学第一定律，认识到我们应该具有实事求是的态度，认识到物理学是人类认识自然的方式之一。
〖教学重难点〗
教学重点：热力学第一定律的公式及其符号法则。
教学难点：热力学第一定律和实际应用。
〖教学准备〗
多媒体课件等。
〖教学过程〗
一、新课引入
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢
分析：压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。
二、新课教学
（一）热力学第一定律
焦耳的实验归总结除了：做功与传热在改变系统内能方面是等价的。之前学过做功和热传递都可以改变物体的内能，回顾一下公式。
在绝热过程中Q=0，系统内能增量等于外界对系统做的功ΔU=W，而当外界对系统做功为零W=0，那系统的内能增量等于吸热ΔU=Q。这两种方式在改变物体内能的结果上是相同的。
思考：如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能又如何变化呢？
既然做功与传热对改变系统的内能是等价的，那么当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是
ΔU=W+Q
热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。
下面具体分析。
①内能的变化量ΔU
它应该等于分子动能ΔEK和分子势能ΔEP的增量之和。对于同一物体而言，分子动能的变化只与温度有关。而分子势能的变化则与温度，状态和体积都有关系。注意，谈论气体的内能时，一般是忽略分子势能的，所以认为气体内能只与温度有关。
如果固体和液体不发生物态变化，那分子势能变化较小，所以你可以认为此时内能的变化也只与温度有关。内能增加时温度上升，反之温度下降。但当固体熔化液体凝固，也就是发生物态变化时，温度不变，但内能改变。
②传递的热量Q
如果Q>0，表示系统吸热；如果Q<0表示系统放热。能进行吸吸放热的条件，一是系统与外界存在温度差，二是能导热。
当系统与外界处于绝热状态时Q=0，所谓绝热的情况有两种，一是系统与外界直接用隔热材料分开。二是内能的改变过程太快，比如之前提到的猛的向下按压活塞，导致棉花燃烧起来。这是因为短时间内做的功远大于放热，所以此情况也可以认为是绝热状态。
③所做的功W
如果W>0，说明外界对系统做功。如果W<0，就是系统对外界做功。
例如，这样一个容器中活塞向下运动，此时活塞对容器中气体的力，还有活塞的位移都是向下的，所以活塞对气体做了正功，此时气体体积减小。反过来如果气体把活塞顶起来，那活塞对气体的力还是向下的，可位移是向上的，活塞就得对气体做负功，此时气体体积膨胀。
总结：对于一般具体而言，体积减小时外界对气体做功，W>0；体积增大时，气体对外界做功，W<0。
思考与讨论
一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功 如果膨胀时气体对外做的功是 135 J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少 内能是增加了还是减少了 请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。
解：气体对外界做功。
系统对外做功所以W<0是负值：W=-135J。系统向外放热，所以Q<0也是负值：Q=-85J。
代入得：ΔU = W + Q
ΔU =-135+（-85）
=-220J
内能变化了220J，减少。
热力学第一定律中各量的正、负号及含义
物理量 符号 意义 符号 意义
W + 外界对系统做功 - 系统对外界做功
Q + 物体吸热 - 物体放热
ΔU + 内能增加 - 内能减少
外界对系统做功，最好的例子就是压燃实验，系统对外界做功就是气体膨胀的过程，就是那个喷雾实验。
（二）热力学第一定律的应用
一般的解题步骤：
①确定研究对象
②根据符号法则写出各已知量（W、Q、 U）的正负。
③代入方程ΔU＝W＋Q 求出未知量。
④再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功和内能增减情况。
课本例题
如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J。
（1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。
（2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。
动图播放汽缸活塞的运动过程，增加学生的学习兴趣。
分析：根据热力学第一定律，在第（1）问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，活塞对气体所做的功 W，为正值。在第（2）问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，气体对外界所做的功W，为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此Q1、Q2均为负值。
解 （1）压缩过程活塞对气体做的功：W1= F1l1= 2×10 ×0.1 J = 200 J
气体内能的变化量ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
（2）气体膨胀过程中气体对外界所做的功：W2= F2L2=-9×10 ×0.1 J =-900 J
气体内能的变化量ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J，在膨胀做功过程中气体内能减少了 930 J。
科学漫步——探索热的本质
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课堂练习
例1：对一定量的气体，下列说法正确的是（ ）
A. 在体积缓慢地不断增大的过程中，气体一定对外界做功
B. 在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功
C. 在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D. 在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变
解析：气体体积缓慢地增大，克服外界阻力而做功，故选项A正确。压强增大，可能是由于吸热升温，气体体积增大、减小，不变都有可能，所以外界对气体不一定做功，故选项B借误。体积不断被压缩的过程中，外界对气体做功，但是传热情况不明，气体的内能变化情况不能确定，所以选项C错误，传热和做功都可以改变内能，仅知没有传热，并不能确定内能不变，故选项D错误。
例2：下列说法正确的（
A.外界对一定质量的理想气体做功，其体积一定减小，内能一定增大
B.一定质量的理想气体从外界吸收热量，其温度一定升高，内能一定增大
C.一定质量的理想气体内能增加，其温度不一定升高
D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移观点来看这两种改变方式是有区别的
解析：A.体积减小时，外界对气体做功，但后面说内能一定增大就不对，因为题目中没有说到系统吸热的情况，所以A不正确。B.只知道系统吸热，但不知道外界对系统做功的情况，所以最后无法判断气体的温度和内能变化，所以B也不对。C.气体内能只与温度有关，所以内能增加，温度一定升高，所以C错。D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观念来看，这两种改变方式是有区别的，的确如此。我们知道做功是能量转化，热传递是能量转移方式，当然有区别，所以D是正确的。
例3：一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程（）
气体从外界吸收热量2.0×105J
气体向外界放出热量2.0×105J
气体从外界吸收热量6.0×104J
Ｄ．气体向外界放出热量6.0×104J
解析：外界对气体做功，W>0，即W为正；气体内能减少，ΔU<0，为负值。由热力学第一定律ΔU = W + Q
把W=7.0×104J，ΔU=-1.3×105J代入得：Q=-2.0×105J。选B。
例4：用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少
解：以被压缩的空气为研究对象
压缩空气W为正值，W=900J，向外传热Q为负值，Q=-210J
代入得：ΔU = W + Q
ΔU =900+（-210）
=690J
内能变化了690J，增加。
〖板书设计〗
3.2热力学第一定律
一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。这就是著名的热力学第一定律。
ΔU=W+Q
物理量 符号 意义 符号 意义
W + 外界对系统做功 - 系统对外界做功
Q + 物体吸热 - 物体放热
ΔU + 内能增加 - 内能减少
〖教学反思〗
这节课的内容比较少，有了上节课的知识作为基础，学生学习起来也相对容易。但是这节课还是有一些不够完善的地方，比如课本习题的讲解，没有能够很好结合功和热量取正负值的含义去解题，再有就是例题中的图像问题也没有进行剖析。从这个例题中，我们还要努力培养学生从生活场景中构建出物理模型的能力。
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