3.2 热力学第一定律 教案（表格式）

教学设计
课程基本信息
学科 物理 年级 高二年级 学期 春季
课题 热力学第一定律
教学目标
1.能以系统为研究对象，用综合归纳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。
教学内容
教学重点： 1.在理解焦耳实验的基础上运用综合归纳的方法得出热力学第一定律。
2.热力学第一定律的三个物理量正、负符号选取法则及物理含义。
教学难点： 运用热力学第一定律分析自然现象，解决实际问题。
教学过程
新课引入 PPT展示：汽缸压缩气体同时加热的图片 教师讲述：请大家看这样一个问题。如图所示,汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给气缸加热。那么，气体内能的变化会比单一做功或单一传热更加明显。这是为什么呢？ 新课讲授 一、课前回顾 焦耳实验： （1）以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的； 而这个依赖于系统状态的物理量，即为系统的内能。 （2）另一方面焦耳实验也向我们表明，为了改变系统的内能，做功和传热这两种方式其实是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。 二、归纳推理： 结论：（1）绝热过程：即ΔU=W。（2）单纯地传热过程：ΔU＝Q。 教师设问：如果有这样一个过程，外界既对系统做功W，又对系统传热Q，则这个过程中系统内能的变化量ΔU会多大？ 教师讲述：内能的变化量应该是外界对系统所做的功和对系统所传的热量的和。即： ΔU＝Q+ W 这个关系就是热力学第一定律—即一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 物理量物理意义ΔU内能变化量Q外界向它传递的热量W外界对它所做的功
三、符号法则 学生思考与讨论：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 85 J，那么气体内能的变化量是多少 内能是增加了还是减少了 请你通过这个例子讨论总结功和热量取正、负值的物理意义。 ①外界对系统做功、外界向系统传递热量，如何选取W和Q的正负？ PPT视频展示：1.打气时橡胶塞跳出瓶口2.空气压缩引火仪 学生讨论总结： 橡胶塞离开瓶口时，气体膨胀，气体对外做功，气体的内能会迅速减少，使瓶内水蒸气凝结程成白雾。 迅速下压活塞，气体压缩，外界对系统做功，气体内能增加，气体温度升高，达到硝化棉的燃点。 综上，气体膨胀时是系统对外界做功，而气体被压缩时是外界对系统做功。 教师依据学生的回答进行归纳总结： 1.外界对系统做功时有助于内能的增加，那么功W就取正值；而系统对外界做功时，则会使系统内能减少，故功W取负值。所以正负的选取要看该过程是有助于系统内能增加还是会导致系统内能减少。 2.同理，外界对系统传热时有助于系统内能的增加，即系统吸热，此时Q取正值，而系统向外界放热时Q就取负值。 3.对于系统的内能本身，则更好理解，内能增加即取正值，内能减少，则取负值。 具体的符号用法如下表所示。 物理量取正号(+)的意义取负号(-)的意义功W外界对系统做功系统对外界做功热量Q系统吸热系统放热内能的变化量内能增加内能减少
计算过程： ΔU＝Q + W ΔU＝－135J + －85J ΔU＝－220J 气体内能减少了220J 四、热力学第一定律的应用 教师PPT展示例题并讲解： 如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，请分析上浮过程中： （1）小瓶内气体内能如何变化？ （2）是小瓶内气体对外界做功？还是外界对小瓶内气体做功？ （3）小瓶内气体从外界吸热还是向外界放热？ 思维过程： 1.选取小瓶内的气体为研究对象。 2.内能包含分子势能和分子动能，而对于气体而言，气体分子间距较大，分子势能可以忽略不计，故对于小瓶内的气体而言，其内能就是它所拥有的分子动能。小瓶密封良好，气体总量不变，那么它所拥有的分子动能就只由气体的温度来决定。其次、小瓶导热良好，缓慢上升时，有足够的时间与外界进行热量交换。所以越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，小瓶内气体温度升高，内能增加。 3.判断做功要看气体体积变化，小瓶上升过程中，瓶内气体的温度逐渐升高，压强逐渐减小，根据理想气体状态方程 可知气体体积膨胀，瓶内气体对外界做功。 3.由前两问可知，上升时，小瓶内气体内能增加，气体对外做功，根据热力学第一定律： △U＝Q+ W其中△U为正值，W为负值，所以Q一定为正值，因此小瓶内气体从外界吸热。并且可以想到气体吸收的热量要大于气体对外界所做的功。 总结： 对于一定质量的气体而言，温度变化会决定气体的内能变化，体积变化会决定气体的做功情况，然后利用热力学第一定律就可以分析气体的吸放热情况了。 2.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2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图压缩冲程)。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9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图做功冲程)，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。 学生思考：压缩过程中，活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值 学生展示： （1）W1= F1l1= 2×103×0.1 J = 200 J 系统向外放热：Q1=-25J 气体内能的变化量：ΔU1=W1＋Q1=200 J -25 J=175J 学生思考：气体膨胀过程中，气体（系统）对外界所做功，W是负值： 学生展示： （2）W2= F2L2=-9×103×0.1 J=-900 J 系统向外放热：Q2=-30J 气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J 课堂小结 一、热力学第一定律 ΔU＝Q+ W 二、热力学第一定律的符号法则 物理量取正号(+)的意义取负号(-)的意义功W外界对系统做功系统对外界做功热量Q系统吸热系统放热内能的变化量内能增加内能减少
三、热力学第一定律的应用