【2012 精品课件】沪科版物理选修3-3 4．1　热力学第一定律和4．2　能量守恒定律的发现历程

(共37张PPT)
【2012 精品课件】沪科版物理选修3-3 4．1　热力学第一定律和4．2　能量守恒定律的发现历程
4．1　热力学第一定律

4．2　能量守恒定律的发现历程
课标定位
学习目标：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．
重点难点：1.理解热力学第一定律，能量守恒定律的应用．
2．理解第一类永动机不可能制成的原因．
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
4.2　
能量守恒定律的发现历程
课前自主学案
课前自主学案
一、做功和内能的改变
1．系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做______过程．
2．当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量ΔU＝U2－U1就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝____.这就是说在绝热过程中内能的改变用____来量度，外界对物体做多少功，物体的内能就______多少；物体对外界做多少功，物体的内能就______多少．
绝热
W
功
增加
减少
二、热传递和内能的改变
1．两个______不同的物体相互接触时，热量从______物体传到______物体．这样的过程叫做________．
2．热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度.当系统由状态1经过单纯的传热过程达到状态2，内能的增量ΔU＝U2－U1就等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝____.
系统吸收了多少热量，系统的内能就______多少；系统放出了多少热量，系统的内能就______多少．
3．做功和热传递对改变物体的内能是______的．
温度
高温
低温
热传递
Q
增加
减少
等效
三、热力学第一定律
1．当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的增量应该是ΔU＝________.也就是说，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．这个关系叫做热力学第一定律．
2．W、Q、ΔU正负号确定
(1)外界对系统做功,W取____值；系统对外界做功，W取负值．
(2)系统吸热，Q取____值，系统放热，Q取负值．
(3)系统内能增加，ΔU取____值；系统内能减少，ΔU取负值．
Q＋W
正
正
正
四、能量守恒定律
1．能量守恒定律可以表述为：能量既不能_____ ______，也不能__________，它只能从一种形式______为另一种形式，或者从一个系统(物体) ______到别的系统(物体)，在转化或转移的过程中其总量不变．
凭空
产生
凭空消失
转化
转移
2．能的转化和守恒定律的发现是科学史上的重大事件．恩格斯把它与细胞学说、____________一起列为19世纪的三大发现．能量守恒定律是自然界的普遍规律，是人们认识自然，改造自然的有力武器，在20世纪30年代初，W·泡利和E·费米根据能量守恒定律预言了_________的存在并在后来得到证实．
生物进化论
中微子
思考感悟
请仔细分析这些永动机的设想，指出它们不可能实现的原因，并与同学讨论交流．
图4－1－1
提示：违背了能量转化与守恒．
核心要点突破
一、对内能改变的理解
1．做功和热传递在改变内能上的关系
比较项目 做功 热传递
内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加
物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加．物体放出热量，内能减少
比较项目 做功 热传递
物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互联系 做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的
2.功、热量和内能
(1)功和内能的区别
功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量，做功过程中，能量一定会发生转化而内能不一定变化，但内能变化时，不一定有力做功，也可能是由热传递改变物体的内能．物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变化大，才可能做功多．
(2)热量和内能
内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成．而热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的．有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
1.对于热量、功和内能三者的说法正确的是(　　)
A．热量、功、内能三者的物理意义等同
B．热量、功都可以作为物体内能的量度
C．热量、功、内能的单位不相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
解析：选D.物体的内能是指物体的所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错．热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的物理量，而功也是用做功的方式来量度改变物体内能多少的物理量，B项错．三者单位都是焦耳，C项错．热量和功是过程量，内能是状态量，D项正确．
二、对热力学第一定律的理解
1．热力学第—定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，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．此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳．
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
外界对系统做功，W>0，即W为正值；
系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0，即W为负值；
外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；
外界对系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q<0，即Q为负值；
系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；
系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值．归纳列表记为：热力学第一定律是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现.
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
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
2.(2011年高考广东理综卷)图4－1－2为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动,设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中(　　)
图4－1－2
A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
解析：选A.M向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大．
三、能量守恒定律的理解
1．能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．
各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如；利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律．
3．能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法．能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
3.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光；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．物体的机械能转化为其他形式的能量
解析：选AD.这四个现象中物体都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落时受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，故A正确；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，故D正确．
如图4－1－3所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙．现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高．则在移动P的过程中(　　)
图4－1－3
课堂互动讲练
改变内能两种方式的理解
例1
A．外力对乙做功；甲的内能不变
B．外力对乙做功；乙的内能不变
C．乙传递热量给甲；乙的内能增加
D．乙的内能增加；甲的内能不变
【精讲精析】　将活塞P缓慢地向B移动的过程中,外力对乙做功，乙的内能增加，温度升高，由于固定隔板B导热，所以乙将传递热量给甲，甲、乙两部分气体的温度最终相同，均高于初态温度，所以甲、乙内能均增加．故选C项．
【答案】　C
【方法总结】　内能的改变与做功和热传递均有关系，判断内能如何变化，主要是搞清物体对外界做功还是外界对物体做功，以及物体是吸热还是放热．
在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水汽，其体积由1.043 cm3变为1676 cm3.已知水的汽化热为2263.8 J/g.求：
(1)体积膨胀时气体对外界做的功W；
(2)气体吸收的热量Q；
(3)气体增加的内能ΔU.
热力学第一定律的应用
例2
【精讲精析】　取1 g水为研究系统,把大气视作外界.1 g沸腾的水变成同温度的水汽需要吸收热量，同时由于体积膨胀，系统要对外做功，所以有ΔU(1)气体在等压(大气压)下膨胀做功：
W＝p(V2－V1)＝[1.013×105×(1676－1.043)×10－6]J＝169.7 J.
(2)气体吸热：Q＝mL＝(1×2263.8) J＝2263.8 J.
(3)根据热力学第一定律：
ΔU＝Q＋W＝2263.8 J＋(－169.7)J＝2094.1 J.
【答案】　见精讲精析
【方法总结】　对热力学第一定律的理解应注意：
(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，Q、W这两个量只要有助于增加系统内能均取正值，如吸热、受压压缩，Q、W就取正值；反之就取负值．
水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达到每秒6000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50m，若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率．(g取 10m/s2)
【思路点拨】　水下落过程重力势能转化为电能，求解时可取单位时间内的水为研究对象．
能量转化过程的分析与计算
例3
【自主解答】　水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能．
每秒钟流下的水的质量为：
m＝ρV＝1×103×6000 kg＝6×106kg.
每秒钟水减少的机械能为：
E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109J.
设发电机的输出功率为P，则由能量定律可得：
Eη＝P.
解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109W.
【答案】　1.5×109W
变式训练　如图4－1－4所示，一个小铁块沿半径为R＝0.2 m的半球形内壁自上端由静止下滑，当滑至半球底部时，速度为1 m/s，设此过程中损失的机械能全部变为内能，并有40%被铁块吸收．已知铁的比热容c＝0.46×103J/(kg·℃)，重力加速度g取10 m/s2.求铁块升高的温度．
图4－1－4
答案：1.3×10－3℃