第3.2 3.3节 热力学第一定律 能量守恒定律（同步课件）-【上好课】2024-2025学年高二物理同步精品课堂（人教版2019选择性必修第三册）

3.2 热力学第一定律 3.3 能量守恒定律 壹 素养目标 热力学第一定律 （1）能以系统为研究对象，用综合分析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。 能量守恒定律 （1）知道人类对能量概念的逐步认识过程，并理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 （2）理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。 （3）知道第一类永动机是不可能实现的。 conclusion 课堂导入 ONE 汽缸内有一定质量的气体，压缩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？ 课堂导入 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，内能的变化与热量及做的功之间又有什么关系呢？ 课程目录 知识点讲解、探索新知 壹 总结与归纳 贰 课堂检测 叁 课后作业 肆 conclusion 知识点讲解 ONE 知识点讲解 一、热力学第一定律 1.内容：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。 2.公式： 3.物理意义：不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系。 ΔU=W+Q ΔU ：物体内能的变化量 W： 外界对物体做的功 Q： 物体吸收的热量 ΔU=U2-U1 知识点讲解 4.定律中各量的正、负号及含义 物理量 符号 意义 符号 意义 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 ΔU= Q +W 课堂检测 例1：一定质量的气体，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。 解析： 膨胀过程中气体对外界做功 系统对外做功：W=-135J 系统向外放热：Q=-85J 根据热力学第一定律：ΔU = W + Q 代入得：ΔU =-135+（-85）=-220J 内能减少了220J。 知识点讲解 二 、热力学第一定律的应用 运用热力学第一定律解决问题的一般步骤： 1.确定研究对象. 4.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.明确气体状态变化过程。 3.根据符号法则写出各已知量（𝑊、𝑄、Δ𝑈）的正、负。根据方程求出未知量。 课堂检测 例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2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。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25J。 ⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。 课堂检测 ①确定研究对象：汽缸中的气体。 （1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值： W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J 系统向外放热：Q=-25J 气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J ③正确选取W与Q的正负。 ②明确气体状态变化过程。 分析： 解析： 课堂检测 例2： ⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），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。 解析： （2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值： W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J 系统向外放热：Q=-30J 气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J 总结与归纳 一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。这就是著名的热力学第一定律。 ΔU=W+Q 物理量 符号 意义 符号 意义 W + 外界对系统做功 － 系统对外界做功 Q + 物体吸热 － 物体放热 ΔU + 内能增加 － 内能减少 知识点讲解 一、探索能量守恒的足迹 1.不同形式的能：能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。所有自然现象都涉及能量，不同形式的运动都可以用能量来描述。 内能 机械能 光能 电能 知识点讲解 一、探索能量守恒的足迹 2.能量之间的转化：要用联系的观点去观察自然，我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。各种能量之间是可以相互转化的。 风能转化为电能 电能转化为内能 太阳能转化为电能 化学能转化为电能 知识点讲解 一、探索能量守恒的足迹 3.能量守恒观念的形成： 1836年 盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关 1842年 迈尔表述了能量守恒定律 1841年 焦耳发现电流的热效应 1831年 法拉第发现电磁感应现象 1820年 奥斯特发现电流的磁效应 1843年 焦耳测定做功与传热的关系 1798年 伦福德的实验表明热的本质是运动 1821年 塞贝克发现温差电现象 1847年 亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律 知识点讲解 二、能量守恒定律 1.内容： 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另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。 2.说明： 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。 ②不同形式的能量之间可以相互转化。 ③能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 知识点讲解 二、能量守恒定律 3.能量守恒定律的意义： 1.能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。 2.能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。 3.自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。 4.机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。 知识点讲解 ①热力学领域：ΔU=Q+W 热传递：能量的转移 做功：机械能和内能的转化 5.热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热学中的体现 ②在力学中：机械能守恒定律 ③在电学中：闭合电路欧姆定律 ④在电磁学中：楞次定律 能量守恒定律的具体体现 知识点讲解 三、永动机不可能制成 1.揭秘小鸭饮水 让“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来。直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复...... 这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗？ 知识点讲解 三、永动机不可能制成 正是因为小鸭头部"饮水"后水不断蒸发，吸收了察觉不到的空气的热量，重心不断的转移，才使小鸭能够持续工作下去。 1.揭秘小鸭饮水 知识点讲解 不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。 （人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）。 2.永动机 知识点讲解 三、永动机不可能制成 2.永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。 1.第一类永动机 概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。 结果：无一例外地归于失败。 原因：违背了能量守恒定律。 课堂检测 例3：关于能量转化的说法中正确的是（ ） A.举重运动员把重物举起来，体内的一部分化学能转化为重力势能 B.电流通过电阻丝使电能转化为内能 C.内燃机做功的过程是内能转化为机被能的过程 D.做功过程是能量转化过程，某过程做了10J的功，一定有10 J的能量发生了传递 ABC 总结与归纳 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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 1、能量守恒定律： ⑴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。 ⑵不同形式的能量之间可以相互转化。 ⑶能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 2、永动机不可能制成，违背了能量守恒定律。 conclusion 课堂检测 THREE 课堂检测 1.用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了 900 J 的功，同时汽缸向外散热210 J，汽缸里空气的内能改变了多少？ 课堂检测 2.如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1 。如果让活塞可以自由滑动 （活塞与汽缸间无摩擦、不漏气），也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。 （1）Q1 和Q2 哪个大些？ （2）气体在定容下的比热容与在定压下的比热容为什么会有不同？ 课堂检测 3.某风景区有一处约20 层楼高的瀑布，甚为壮观。请估计：瀑布上、下水潭的水温因瀑布的机械能转化成内能而相差多少？水的比热容c 为4.2×103 J/（kg ·℃)。 课堂检测 4. 奶牛的心脏停止跳动后，大约在1 h内体温由37.0 ℃ 降低到33.5 ℃。请你由此估算，在这种环境下饲养奶牛，要维持一个体重400 kg 奶牛的内能不变，每天喂养奶牛的食物至少要能为它提供多少热量？计算时，可以认为奶牛体内绝大部分是水。水的比热容c 为4.2×103 J/（kg ·℃)。 课堂检测 5. 下面的设想符合能量守恒定律吗？请简述理由。 （1）利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械。 （2）造一条没有动力系统的船在水面上行驶。 （3）通过太阳照射飞机，使飞机不带燃料也能飞行。 课堂检测 6. 有一瓶盛500 mL的饮料罐，其标签上注 有“180 kJ/100 mL”的能量参考值。请你估算这瓶饮料的能量相当于一个成年人爬多少层楼所做的功。 课堂检测 7. 为测算太阳射到地面的辐射能，某校科技实验小组的同学把一个横截面积是300 cm2 的矮圆筒的内壁涂黑，外壁用保温材料包裹，内装水0.6 kg。让阳光垂直圆筒口照射2 min 后，水的温度升高了 1℃。请由此估算在阳光直射时地面上每平方米每分钟接收的太阳能量。水的比热容c 为4.2×103 J/（kg ·℃)。 conclusion 总结与归纳 THREE 总结与归纳 一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。这就是著名的热力学第一定律。 ΔU=W+Q 物理量 符号 意义 符号 意义 W + 外界对系统做功 － 系统对外界做功 Q + 物体吸热 － 物体放热 ΔU + 内能增加 － 内能减少 总结与归纳 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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 1、能量守恒定律： ⑴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。 ⑵不同形式的能量之间可以相互转化。 ⑶能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 2、永动机不可能制成，违背了能量守恒定律。 conclusion 课后作业 FOUR 课后作业 添加分层作业链接 Teaching 演示结束 谢谢观看 The top "Start" panel allows you to modify the font, size, color, line spacing, and more. It is recommended that the text be 8 to 18 characters with 1.3 times the space between the characters. 授课人： 教师说课│公开课│示范课│教师授课 $$