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热力学第一定律
人教版高中物理
选择性必修3
新知导入
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?
思考：改变物体内能的方式有哪些？
新知讲解
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
（外界对物体做功）
（物体对外界做功）
（物体从外界吸热）
（物体对外界放热）
新知讲解
绝热过程
仅传热过程
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？
新知讲解
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
新知讲解
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。
对外界做功
减少了220J
新知讲解
定律中各量的正、负号及含义
物理量
符号
意义
符号
意义
W
＋
外界对物体做功
－
物体对外界做功
Q
＋
物体吸收热量
－
物体放出热量
ΔU
＋
内能增加
－
内能减少
ΔU
=
W
+
Q
课堂练习
1、一定量的气体，从外界吸收热量2.7×105J,内能增加4.3×105J.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？
Q=+2.7×105J
ΔU=+4.3×105J
﹀
ΔU＝W
+
Q
得：
W=1.6×105J
＞0
即外界对气体做功
新知讲解
例题：如图3.2-1，一台四冲程内燃机，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2x
103
N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图3.2-2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9x103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图3.2-2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。
新知讲解
解：(1)压缩过程活塞对气体做的功W1=
F1l1=
2x103x0.1
J=
200
J
气体内能的变化量ΔU1=W1+Q1=200J-25J=175J
(2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功W2=F2l2=-9x103
x0.1J=-900J
气体内能的变化量ΔU2=
W2+
Q2=-
900J-
30J=-
930J
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。
新知讲解
二、热力学第一定律的应用步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．
(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．
(2)根据方程ΔU＝W＋Q
求出未知量．
课堂练习
2、在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是
（
）
A.外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正
B.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负
C.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正
D.外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负
C
拓展提高
1、下图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( )
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
A
解析：气体体积减小，外界对气体做功，且气体不与外界发生热交换，△U=W，所以内能增加
2、空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量2.0
×105J，同时空气的内能增加了1.5
×105J.
这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？
拓展提高
由热力学第一定律ΔU
=
Q
+
W
知
W=
ΔU－Q
=
+1.5
×105J
-（-
2.0
×105J）
=
+3.5
×105J>0
所以此过程中外界对空气做了3.5
×105J的功
拓展提高
2、(多选)用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸.待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气.下列说法正确的是
（
）
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中，气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
ABD
拓展提高
解析：因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功.根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；
气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，选项E错误.
答案：ABD
课堂总结
1、热力学第一定律：
ΔU
=
W
+
Q
2、应用
ΔU
=0，则
W
=-
Q
W=0，则ΔU
=
Q
Q
=0，则ΔU
=
W
3、方法总结：应用热力学第一定律解题的一般步骤
(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)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
板书设计
1、热力学第一定律：
ΔU
=
W
+
Q
2、热力学第一定律使用步骤
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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人教版高中物理选择性必修3第3章第2节热力学第一定律教学设计
课题
热力学第一定律
单元
3
学科
物理
年级
高二
学习目标
物理观念：知道热力学第一定律及其符号法则，了解能量守恒定律及永动机不可能制成。科学思维：理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算。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：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的严谨的科学态度，培养探究科学的兴趣。
重点
理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算。
难点
理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
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?
思考：改变物体内能的方式有哪些？“做功和热传递。”
回顾上节课所学知识，引入新课。
讲授新课
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2.7×105J,内能增加4.3×105J.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=+2.7×105J；ΔU=+4.3×105J由ΔU＝W
+
Q得：
W=1.6×105J
＞0即外界对气体做功。例题：如图3.2-1，一台四冲程内燃机，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2x
103
N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图3.2-2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9x103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图3.2-2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。解：(1)压缩过程活塞对气体做的功W1=
F1l1=
2x103x0.1
J=
200
J气体内能的变化量ΔU1=W1+Q1=200J-25J=175J(2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功W2=F2l2=-9x103
x0.1J=-900J气体内能的变化量ΔU2=
W2+
Q2=-
900J-
30J=-
930J
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。二、热力学第一定律的应用步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．(2)根据方程ΔU＝W＋Q
求出未知量．(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．课堂练习、2、在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是（
）
A.外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正
B.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负
C.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正
D.外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负
答案：C
回顾上节课所学知识。思考问题。理解热力学第一定律的内容。弄清楚公式中正负号的含义。完成课堂练习。独立完成课本例题，完成后小组讨论解题方法和过程。通过例题总结应用热力学第一定律解决实际问题的步骤，并完成课堂练习2。
温故而知新。提出问题，学生思考并总结改变系统内能的两种方式。通过设计表格，让学生更易理解正负号的含义。采用例题的方式，让学生更加深入的理解热力学第一定律，并能应用热力学第一定律解决实际问题。帮助学生总结解题方法，并加以巩固。
拓展提高
1、下图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( )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：解析：气体体积减小，外界对气体做功，且气体不与外界发生热交换，△U=W，所以内能增加答案：A2、空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量2.0
×105J，同时空气的内能增加了1.5
×105J.
这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？解析：由热力学第一定律ΔU
=
Q
+
W
知W=
ΔU－Q
=
+1.5
×105J
-（-
2.0
×105J）
=
+3.5
×105J>0所以此过程中外界对空气做了3.5
×105J的功。2、(多选)用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸.待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气.下列说法正确的是
（
）A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.在自发扩散过程中，气体对外界做功D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析：因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功.根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，选项E错误.答案：ABD
完成拓展提高。
巩固基础知识，加强能力提升。
课堂小结
1、热力学第一定律：
ΔU
=
W
+
Q
2、应用
ΔU
=0，则
W
=-
Q
W=0，则ΔU
=
Q
Q
=0，则ΔU
=
W
3、方法总结：应用热力学第一定律解题的一般步骤(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)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
总结本节课学习的知识内容。
帮助学生梳理基础知识，建立知识框架。
板书
1、热力学第一定律：
ΔU
=
W
+
Q
2、热力学第一定律使用步骤
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精品试卷·第
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