【核心素养】3.2热力学第一定律教案-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

3.2热力学第一定律 教案
【教材分析】
（一）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】
（一）教学目标
1．理解物体跟外界做功和热传递的过程及W、Q、ΔU的物理意义。
2．理解热力学第一定律ΔU＝W＋Q，会用ΔU＝W＋Q分析和计算有关问题。
3．掌握能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。
【教学重难点】
（一）教学重难点
学习重点 热力学第一定律的推导与运用
学习难点 运用热力学第一定律公式时各物理量的正、负号的意义及确定
【新课导入】
（一）新课导入
汽缸内有一定质量的气体，压编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
【新课讲解】
（一）热力学第一定律
改变内能的两种方式
1、做功
（外界对物体做功）内能增加
（物体对外界做功）内能减少
2、热传递
（物体从外界吸热）内能增加
（物体对外界放热）内能减少
思考：
如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又有什么关系呢？
一、热力学第一定律及其应用
1、表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.
2、意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系.
3、数学表达式： ΔU= Q +W
思考讨论：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功是135J，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。
定律中各量的正、负号及含义
课堂练习1
一定量的气体，从外界吸收热量2.7×J,内能增加4.3×J.在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
解析：Q=+2.7×J；ΔU=+4.3×J由ΔU＝W + Q得： W=1.6× ＞0即外界对气体做功。
（一）热力学第一定律的应用
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。
【板书】
（一）板书
3.2热力学第一定律
1. 气体体积增大，气体对外做功。
2. 一定质量的理想气体的内能仅与温度有关
3. 等压变化气体膨胀对外做功：W=PΔV
4. ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，Q的正负判断是吸热还是放热
【课后反思】
（一）课后反思
1. 能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。
2.能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。
3.归纳法的教育。