5.1 热力学第一定律 教案

第1节
力学第一定律
●课标要求
知识与技能
1.了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程．2.理解热力学第一定律的内容和数学表达式及物理含义．了解历史上出现的各种第一类永动机及它们不能实现的原因．3.了解热力学第一定律和能量守恒定律在生产、生活中的应用．
过程与方法
1.查阅资料，与同学交流讨论能量守恒定律发现的探索历程，阐述自己的观点．2.体会并尝试科学研究中的发散思维方式．
情感、态度与价值观
1.体会制作永动机的失败对科学发展的重要贡献．2.通过对能量守恒定律的发现历程的学习，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神.
●课标解读
1．理解热力学第一定律及其数学表达式，会用其进行分析和计算．
2．知道第一类永动机违背了热力学第一定律，是不可能实现的．
3．体会制作永动机的失败对科学发展的重要贡献．知道一切违背自然规律的做法都是行不通的科学道理．
4．理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象．
5．体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一，体会自然界的统一性．
●教学地位
热力学第一定律是本章的重点，也是高考的热点．教材在事实的基础上建立起热力学第一定律的数学表达式，又通过实例对表达式中物理量取值的正负意义进行了讨论．能量守恒定律的确立，说明了不同运动形式在相互转化的过程中有量的共同性，从而把各种自然现象用定量的规律联系了起来，具有重大的理论意义，另一方面，它对于制造永动机的设想，给予了科学上的否决，具有实践意义．
●新课导入建议
图教5－1－1中左边为风力发电机，发出的电供给右边的电风扇，电风扇把风吹到发电机上发电，循环往复，不需要消耗其他能量风扇就可以一直工作下去．
图教5－1－1
在能源短缺的现在，这是多么美好的愿望啊！同学们，这种愿望能实现吗？今天我们来研究这些问题．
●教学流程设计
步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式 除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路



步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】
课　标　解　读
重　点　难　点
1.理解热力学第一定律．2.会用ΔU＝W＋Q解决一些简单问题．3.知道第一类永动机不可能制成．4.了解能量守恒定律的发现过程．5.理解能量的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象.
1.用热力学第一定律分析内能改变的问题．(重点)
2.掌握ΔU＝W＋Q的符号法则并熟练应用．(重点)3.各种形式的能量之间的转化及能量守恒定律的重要意义．(重点)4.第一类永动机不可能实现的原因．(难点)5.能量守恒定律的实际应用．(难点)
热力学第一定律
1.基本知识
(1)改变物体内能的两种方式
做功和热传递．
(2)物体内能的改变
①如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．
②如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．
(3)热力学第一定律
①内容：物体内能的增加量ΔU，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．
②表达式：ΔU＝W＋Q.
(4)第一类永动机
①概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．
②结果
17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．
③原因
设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．
④启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．
2．思考判断
(1)热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同．(×)
(2)热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定．(√)
(3)系统内能增加了100
J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100
J，也可能是外界单纯地对系统传热100
J．(√)
3．探究交流
图5－1－1
有一种所谓的“全自动”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呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？
【提示】　不是永动机．能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的.
能量守恒定律的发现历程
1.基本知识
(1)迈尔的发现
体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．
(2)焦耳的研究
①确定了电能向内能转化的定量关系．
②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．
(3)亥姆霍兹的贡献
从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．
(4)内容
能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变．
(5)意义
揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．
(6)应用
①各种形式的能可以转化．但能量在转化过程中总伴有内能的损失．
②各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．
2．思考判断
(1)某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加．(√)
(2)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加．(√)
(3)石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了．(×)
3．探究交流
焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？
【提示】　焦耳是采用严格的定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法.
热力学第一定律的理解及其应用
【问题导思】　
1．如何确定ΔU＝W＋Q中的符号问题？
2．利用热力学第一定律解题的思路和步骤是什么？
1．对热力学第一定律的理解
(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．此定律应用时各量的单位应统一．
(2)对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
(3)判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化．
①若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0；
②若物体体积变小，表明外界对物体做功，W＞0.
2．应用热力学第一定律解题的思路与步骤
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．
(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功．
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．
(4)特别注意的就是物理量的正、负号及其物理意义．
　
应用热力学第一定律解题，一定要弄清热学过程中物理量W、Q、ΔU的正、负号，防止公式ΔU＝W＋Q中因符号不清楚而出错．
　一定量的气体内能增加了3×105
J
(1)若吸收了2×105
J的热量，则是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少焦耳的功？
(2)若气体对外界做了4×105
J的功，则是气体放热还是从外界吸热？放出或吸收的热量是多少？
【审题指导】　解答此题要抓住以下两点：
(1)理解热力学第一定律，做功和热传递两种方式都可以改变内能．
(2)弄清楚发生的物理过程中ΔU、W、Q的符号．
【解析】　(1)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W
得W＝ΔU－Q＝3×105
J－2×105
J＝1×105
J
外界对气体做功．
(2)由ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝3×105
J－(－4×105
J)＝7×105
J
气体从外界吸热．
【答案】　(1)外界对气体做功　1×105
J
(2)气体从外界吸热　7×105
J
1．(2013·福州检测)下列过程，可能发生的是(　　)
A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加
B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少
C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少
D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加
【解析】　根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正错，C错误．
【答案】　ABD
能量守恒定律的理解和应用
【问题导思】　
1．能量守恒定律的意义是什么？
2．利用能量守恒定律的解题思路是什么？
1．对能量守恒定律的理解
(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
(3)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．
(4)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．
2．应用能量守恒定律的思路方法
(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．
(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：
①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．
②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．
　风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为__________．
【审题指导】　―→
【解析】　在时间t内吹在风车上的空气的质量为
m1＝πd2·vt·ρ，
风的动能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ.
根据题意πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，
则＝.
【答案】　
分析这类问题时，要弄清能量转化的关系，增加的能量一定等于减少的能量.
2．(2013·厦门检测)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含的相同的物理过程是(　　)
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的化学能转化为其他形式的能量
【解析】　这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落主要是受到磁场阻力．因而物体都克服阻力做功，A项对．四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，B、C、D错误．
【答案】　A
综合解题方略——热力学第一定律与气体的综合应用
　　
　(2013·六盘水中学检测)如图5－1－2所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态．当气体自状态A变化到状态B时(　　)
图5－1－2
A．体积必然变大
B．不可能经过体积减小的过程
C．外界必然对气体做正功
D．气体必然从外界吸热
【审题指导】　一定质量的理想气体的内能只由温度决定，与体积无关．
【规范解答】　本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题．连接OA、OB，得到两条等容线，故有VB＞VA，所以A正确；由于没有限制自状态A变化到状态B的过程，所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到B状态，故B错误；因为气体体积增大，所以是气体对外做功，C错误；因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D正确．
【答案】　AD
热力学第一定律的应用技巧
1．判断对气体是否做功的方法
一般情况下外界对气体做功与否，需看气体的体积是否变化．
(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0；
(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0.
2．几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程：过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．
(2)等容过程：过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．
(3)等温过程：过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.
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克劳修斯及他对科学的贡献
克劳修斯生在一个多子女的教师家里．他父亲创办了一所私人学校并自任校长，克劳修斯就是在这所学校里接受初等教育的．随后在斯特汀地方中学继续其学业，直到1840年进入柏林大学．克劳修斯曾对历史课很感兴趣，但还是决定在数学和物理方面发挥才能.1847年他在哈雷大学获得主修数学和物理的哲学博士学位．克劳修斯家境清寒，为了抚养弟妹，他在求学期间不得不兼任家庭补习教师．
克劳修斯于1850年发表了关于热的理论的著名论文后，得到了柏林皇家炮兵工程学院的重要教职．从1855年起的12年里，他任苏黎世工业大学教授，讲授物理，并在那里结了婚.1867年返回德国，任维尔茨堡大学教授，为期两年.1869年移居波恩，任波恩大学教授，他在那里一直工作到生命的最后一刻．
克劳修斯为人诚挚、勤奋，但性格孤僻．他对物理学的贡献主要是在去波恩前做出的，去波恩后发生的两个不幸事件对他以后的学术生涯有很大损害．一是在1870年到1871年的普法战争中，他领导一个学生救护队，不幸膝盖受了重伤，长期受伤痛折磨，这使他无法继续担任实验课教学，由此或许还影响了波恩大学实验物理的发展．另一是他的妻子在1875年生第六个孩子时去世，这使他不得不独立承担照顾家庭的责任.
克劳修斯的主要工作领域是热力学和气体分子动理论．他和汤姆孙是热力学理论的奠基者.1850年，克劳修斯发表著名论文“论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律”．他根据热的运动学说，提出一个基本定律：靠热来做功时，所消耗的热与功成正比；反之，消耗的功也会产生同样数量的热．克劳修斯在论文中否定了热质理论的基本前提，与热质说相对立，他认为热量不能看做是物质状态的函数，而与其过程有关．克劳修斯绘出了热力学第一定律的表达式：dQ＝dU－dW，式中，U是物质状态的函数，是克劳修斯首先引入热力学的，U的名称“内能”则是一年后汤姆孙给出的．
此外，他早期曾研究过弹性的数学理论．他还研究过电解问题，提出解释电解的离解观念．他假设，在液体中部分离子处于非结合状态，他们在液体中寻找配偶，很弱的电动势也能对它们起作用．他对电动力学和介质极化理论也很感兴趣，曾经导出介电常数和电介质密度的关系．
克劳修斯一生得到过多种荣誉，他被许多科学团体选为名誉成员，并接受过许多奖赏，其中最引人注目的是1879年获英国皇家学会的Coylcy奖章.