人教版(新教材)高中物理选择性必修3教学设计：3 2-3 3 热力学第一定律 能量守恒定律教案

人教版（新教材）高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE3第2-3节热力学第一定律能量守恒定律一、教学目标1、知道热力学第一定律的内容及其表达式2、理解能量守恒定律的内容3、了解第一类永动机不可能制成的原因二、教学重点与难点从能量转化的观点理解热力学第一定律，会用ΔU=W+Q分析和计算有关问题是本节的重点。热力学第一定律ΔU=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定，如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象是本节的难点。三、教学方法与建议问题讨论法、阅读法四、学情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？学生通过分析讨论，自然得出热力学第一定律。能量守恒定律的知识，学生一直都有，故不存在什么问题。永动机学生虽然比较陌生，但通过影片的播放介绍，学生应该能够有所了解。五、教学过程（一）引入新课〖问题〗：改变物体内能的方式有哪些？学生回答：做功和热传递。教师：既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，功、热量跟内能的改变之间一定有某种联系，我们就来研究这个问题。（二）新课讲授一、热力学第一定律1、思考与讨论（1）一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：①如果外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？②如果物体对外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？学生思考回答：一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少。（2）一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：①如果物体吸收热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？学生思考回答：如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少.（3）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？学生思考后应该能够得出ΔU=W+Q的结论。由此引出对热力学第一定律的学习。2、热力学第一定律（1）内容：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）表达式：ΔU=W+Q（3）ΔU=W+Q中各量的正、负号及含义结合以上问题，讨论不同情况下各量的正、负号及含义，作如下归纳：做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“+”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少（4）应用例题：一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。问：①是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况怎样？解：①根据ΔU=W+Q得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105JW为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J的功。②同理可得：W=ΔU－Q=1.6×105J－2.6×105J=－1.0×105JW为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J的功。教师：热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。二、能量守恒定律首先通过多媒体向学生播放一段关于自然界中能量转化的影片，然后请学生阅读课本，作如下归纳：(1)自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。(2)不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。(3)能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。(4)热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。(5)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。(6)能量守恒定律的重要意义第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。三、永动机不可能制成学生阅读课本，了解第一类永动机的相关知识以及不可能制成的原因。向学生播放一段关于永动机的影片。四、课堂练习1.如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小(C)A．从外界吸热 B．内能增大C．向外界放热 D．内能减小〖解析〗金属筒缓慢下降过程中，外界对筒内气体做功，而筒与水有热交换、水温恒定，所以筒内空气要向外界放热，温度保持不变，从而内能不变．2.带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体．气体开始处于状态a；然后经过过程ab到达状态b，或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(C)A．pb＞pc，Qab＞Qac B．pb＞pc，Qab＜QacC．pb＜pc，Qab＞Qac D．pb＜pc，Qab＜Qac〖解析〗V－T图线的斜率越大，压强p越小，故pb＜pc.由热力学第一定律有：Q＝ΔU－W，因Tb＝Tc，所以ΔUab＝ΔUac，而对外做功Wab＞Wac，故Qab＞Qac.综上可知C项正确．3.如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计．置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)．现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态．经过此过程(D)A．Ep全部转换为气体的内能B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能〖解析〗当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变．设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确4．一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况怎样？〖答案〗外界对气体做功，做功为1.6×105J气体对外界做功，做功为1.0×105J〖解析〗由题意知Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J，根据ΔU＝Q＋W，代入可得W＝1.6×105J，W为正值，外界对气体做功，做功为1.6×105J.同理由题意可知Q′＝2.6×105J，ΔU′＝1.6×105J，利用热力学第一定律得W′＝－1.0×105J，这说明气体对外界做功(气体体积变大)，做功为1.0×105J.五、课堂总结请学生总结本节课所学的内容。六、课后作业第2-3节热力学第一定律能量守恒定律一、教学目标1、知道热力学第一定律的内容及其表达式2、理解能量守恒定律的内容3、了解第一类永动机不可能制成的原因二、教学重点与难点从能量转化的观点理解热力学第一定律，会用ΔU=W+Q分析和计算有关问题是本节的重点。热力学第一定律ΔU=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定，如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象是本节的难点。三、教学方法与建议问题讨论法、阅读法四、学情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？学生通过分析讨论，自然得出热力学第一定律。能量守恒定律的知识，学生一直都有，故不存在什么问题。永动机学生虽然比较陌生，但通过影片的播放介绍，学生应该能够有所了解。五、教学过程（一）引入新课〖问题〗：改变物体内能的方式有哪些？学生回答：做功和热传递。教师：既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，功、热量跟内能的改变之间一定有某种联系，我们就来研究这个问题。（二）新课讲授一、热力学第一定律1、思考与讨论（1）一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：①如果外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？②如果物体对外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？学生思考回答：一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少。（2）一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：①如果物体吸收热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？学生思考回答：如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少.（3）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？学生思考后应该能够得出ΔU=W+Q的结论。由此引出对热力学第一定律的学习。2、热力学第一定律（1）内容：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）表达式：ΔU=W+Q（3）ΔU=W+Q中各量的正、负号及含义结合以上问题，讨论不同情况下各量的正、负号及含义，作如下归纳：做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“+”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少（4）应用例题：一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。问：①是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况怎样？解：①根据ΔU=W+Q得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105JW为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J的功。②同理可得：W=ΔU－Q=1.6×105J－2.6×105J=－1.0×105JW为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J的功。教师：热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。二、能量守恒定律首先通过多媒体向学生播放一段关于自然界中能量转化的影片，然后请学生阅读课本，作如下归纳：(1)自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。(2)不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。(3)能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。(4)热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。(5)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。(6)能量守恒定律的重要意义第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。三、永动机不可能制成学生阅读课本，了解第一类永动机的相关知识以及不可能制成的原因。向学生播放一段关于永动机的影片。四、课堂练习1.如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小(C)A．从外界吸热 B．内能增大C．向外界放热 D．内能减小〖解析〗金属筒缓慢下降过程中，外界对筒内气体做功，而筒与水有热交换、水温恒定，所以筒内空气要向外界放热，温度保持不变，从而内能不变．2.带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体．气体开始处于状态a；然后经过过程ab到达状态b，或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(C)A．pb＞pc，Qab＞Qac B．pb＞pc，Qab＜QacC．pb＜pc，Qab＞Qac D．pb＜pc，Qab＜Qac〖解析〗V－T图线的斜率越大，压强p越小，故pb＜pc.由热力学第一定律有：Q＝ΔU－W，因Tb＝Tc，所以ΔUab＝ΔUac，而对外做功Wab＞Wac，故Qab＞Qac.综上可知C项正确．3.如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计．置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)．现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态．经过此过程(D)A．Ep全部转换为气体的内能B．Ep一部分转