熱力學第一定律能量守恒定律

《熱力學第一定律能量守恒定律》教學設計教學目標知識和技能理解熱力學第一定律。能運用熱力學第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。通過能量守恒定律的學習，認識自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。知道第一類永動機是不能實現(xiàn)的。過程和方法促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考，培養(yǎng)學生的科學探究能力。情感、態(tài)度和價值觀學習眾多科學家孜孜以求探索自然規(guī)律的精神。注重激發(fā)學生學習物理的情趣和社會責任感、使命感的教育。體會能量守恒定律對于人類的指導意義。2教學重點和難點2.1重點熱力學第一定律的理解和應用2.2難點能量守恒定律的理解3設計思路與教學流程3.1設計思路課程標準對本節(jié)內(nèi)容的要求是“能夠從能量轉(zhuǎn)化的觀點理解熱力學第一定律及其公式表達，會用能量守恒的觀點分析物理現(xiàn)象”。本節(jié)知識是在學習了功和內(nèi)能、熱和內(nèi)能之后的一節(jié)內(nèi)容，首先在復習改變內(nèi)能兩種方式的基礎上，給出了熱力學第一定律的表達式^U=陽Q,理解各個字母的含義以及各個量取正、負的意義，對氣體來說，要使學生知道：壓縮氣體時外界對氣體做功，氣體膨脹時氣體對外界做功。對于能量守恒定律，教學中應該使學生掌握這個規(guī)律，理解這個定律的重要意義，特別是要讓學生感知人類對能量守恒定律的認識經(jīng)歷了一個由淺入深、由含糊到清晰的過程，它是在眾多科學家從不同領域研究、總結(jié)發(fā)現(xiàn)的重要規(guī)律，其中，邁爾、焦耳和亥姆霍茲做出了突出的貢獻。永動機不可能制成，是導致能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的一條重要線索，為使學生理解這一點，教材介紹永動機不可能制成時，舉出一個實例來讓學生分析，這個永動機方案是13世紀時法國人亨內(nèi)考提出的，是早期的一個著名方案，教學時通過分析以幫助學生理解永動機不可能制成對能量守恒定律的建立所起的重要作用。3.2復習提問引入新課設問歸納提煉規(guī)律深入理解實踐應用漫步科學感知歷程回顧總結(jié)作業(yè)鞏固圖1教學流程（如圖1）4教學實錄4.1引入新課設問：改變物體內(nèi)能的方式有那些？它們對改變物體的內(nèi)能效果怎樣?分析：做功和熱傳遞，改變內(nèi)能的效果是等效的,設問：這兩種方式的實質(zhì)一樣嗎？如果不一樣分別是什么呢?分析：這兩種方式改變內(nèi)能的實質(zhì)不一樣。做功的過程是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化做功的過程是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化例如：一質(zhì)量為1kg物體從10m高處往下落，到地面的速度為10m/s,物體的機械能減少了多少？減少的機械能到那里去了?熱傳遞是內(nèi)能在物體之間的轉(zhuǎn)移過程。能量的形式?jīng)]有發(fā)生變化。只是熱量從一物體轉(zhuǎn)移到另一物體。這節(jié)課我們具體來研究功、熱量和內(nèi)能之間的關(guān)系。4.2熱力學第一定律設問：一物體，它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，那么：如果外界對它做了W的功，則它的內(nèi)能如何改變？改變了多少？如果它對外界做了W的功，則它的內(nèi)能又如何改變呢？改變的又是多少？分析：外界對它做功，則內(nèi)能增加，做了多少功，內(nèi)能增加多少；它對外界做功，內(nèi)能減少，對外做多少功，內(nèi)能就減少多少。U（外界對物體做功，W/為正；物體對外界做功，W為負；內(nèi)能增加，為正，內(nèi)能減少，為負）設問：-物體，外界沒有對它做功，它也沒有對外界做功，那么：如果它吸收熱量Q,則內(nèi)能如何變化，變化多少？如果它放出熱量Q,貝吶能如何變化，變化多少?分析：物體吸收熱量，則內(nèi)能增力口，吸收了多少，內(nèi)能增加多少；物體放出熱量，則內(nèi)能減少，放出了多少，則內(nèi)能減少多少。Q="U（物體吸收熱量，Q為正；物體放出熱量，Q為負；內(nèi)能增加，為正，內(nèi)能減少,△U為負）探討：如果物體內(nèi)能在改變的過程中既有熱傳遞又有做功，內(nèi)能怎樣改變。探討：如果物體內(nèi)能在改變的過程中既有熱傳遞又有做功，內(nèi)能怎樣改變。外界對物體做了10J的功,同時物體吸熱4J物體內(nèi)能如何變化?外界對物體做了10J的功,同時物體放熱4J物體內(nèi)能如何變化?再如:物體對外界做了10J的功,外界對物體做了10J的功,同時物體吸熱4J物體內(nèi)能如何變化?外界對物體做了10J的功,同時物體放熱4J物體內(nèi)能如何變化?再如:物體對外界做了10J的功,同時物體吸熱4J物體內(nèi)能如何變化?小結(jié):一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這就是熱力學第一定律。數(shù)學表達式：△小結(jié):一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這就是熱力學第一定律。數(shù)學表達式：△U=Q+W思考：說明WQ和的正值、負值各代表什么意義?分析:W為正值，表示外界對物體做功;W為負值表示物體對外做功為正值，表示物體吸收熱量;Q為負值表示物體放出熱量分析:W為正值，表示外界對物體做功;W為負值表示物體對外做功為正值，表示物體吸收熱量;Q為負值表示物體放出熱量△U為正值，表示內(nèi)能增加；為負值表示內(nèi)能減少思考:怎樣通俗理解WQ和的正、負值意義?小結(jié)：得到為正、失去為負小結(jié)：得到為正、失去為負應用：①一定量的氣體從外界吸收了2.6X105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2X應用：①一定量的氣體從外界吸收了2.6X105J的熱量，內(nèi)能增加了問：如果內(nèi)能增加了1.6X105J，這一過程做功情況又怎樣？②一定質(zhì)量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回一開始的狀態(tài)，用W表示外界對氣體做的功，W表示氣體對外界做的功，Q表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個過程中一定有A.Q—Q2=W—WB.Q=QC.W=WD.Q>Q2總結(jié)：熱力學第一定律說明了做功和熱傳遞是內(nèi)能轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的量度。沒有做功和熱傳遞過程，就不可能實現(xiàn)內(nèi)能的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移。而且還揭示了能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中守恒。例如：在摩擦生熱的現(xiàn)象中，物體克服摩擦力做了多少功，就有多少機械能轉(zhuǎn)化成等量的內(nèi)能。一個物體從外界吸收多少熱量，就有多少內(nèi)能從外界轉(zhuǎn)移給物體。在這轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移中能量守恒。4.3能量守恒定律4.3.1各種形式的能量之間可以轉(zhuǎn)化舉例：物體的每一種運動形式都有一種對應的能機械運動機械能機械運動機械能熱運動——內(nèi)能電荷運動電能電荷運動電能化學運動一一化學能生物運動----生物能原子核內(nèi)部的運動一一原子能分析：各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化機械能中的動能和勢能可互相轉(zhuǎn)化（自由落體運動）；機械能可以與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化（摩擦生熱，消耗了機械能通過做功的形式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熱機中的氣體推動活塞做功把氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能）；其它形式有能也可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如電流通過導體時，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱的燈絲發(fā)光，又把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成光能；燃燒時，把化學能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能）。432能量守恒定律結(jié)論：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一為另一種形種形式轉(zhuǎn)化式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。433能量守恒定律的探索過程探索：研究能量守恒定律的先驅(qū)俄國化學家蓋斯（課件照片）第一個提出守恒思想的人德國醫(yī)生J?R.邁爾（課件照片）奠定了牢固實驗基礎的人英國物理學家焦耳（課件照片）理論上作了重要概況的人德國科學家H.亥姆霍茲（課件照片）意義：一個普遍適用的定律（比機械能守恒定律應用更廣）將各種現(xiàn)象聯(lián)系在一起（力學、熱學、電學、光學、化學、生物學指導著人們..?）的生產(chǎn)、科研（預言中微子的存在）19世紀自然科學三大發(fā)現(xiàn)之一（恩格斯稱其為“偉大的運動基本規(guī)律”）434熱力學第一定律的實質(zhì)熱力學第一定律是只研究內(nèi)能與其它形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化時的能量守恒定4.4永動機不可能制成解釋：什么是第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷對外做功的機器。設問：第一類永動機為什么失敗?分析：根據(jù)能量守怛定律可知，任何一部機器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不可能無中生有地制造能量，因此第一類永動機違背了能量守恒定律。是不可能制成的。人類利用自然必須遵循自然規(guī)律，而不是去研制永遠無法實現(xiàn)的永動機。設問：歷史上最早的永動機之一奧恩庫爾（法國人）提出它為什么不能制造成功?分析：雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩小，但球的個數(shù)多，于是輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，最終肯定要停下來。史實：1775年法國科學院宣布“不再審查有關(guān)永動機的一切設計”題1：一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，未從木塊中穿出.對于這一過程，下列說法中正確的評價：建議紀念碑“紀念為實現(xiàn)永動機的奮斗而失敗的人們”4.5課后鞏固練習A.子彈減少的機械能等于木塊增加的機械能B.子彈減少的動量等于木塊增加的動量C?子彈減少的機械能等于木塊增加的動能與木塊增C?子彈減少的機械能等于木塊增加的動能與木塊增加的內(nèi)能之和D.子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊的內(nèi)能增量之題2:如圖所示的容器，A、B中各有一個可自由移動的活塞，活塞下面是水上面是大氣、大氣壓恒定，AB間帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱，開始時A的水面比B高，開啟K,A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡，在這個過程中大氣壓力對水作功，水的內(nèi)能增加B.水克服大氣壓力作功,水的內(nèi)能減少C.大氣壓力對水不作功，水的內(nèi)能不變D.大氣壓力對水不作功，水的內(nèi)能增加理想氣體題3:如圖所示，密閉絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁的摩擦忽略不計，置于真空中的輕彈簧的一端固定于理想氣體容器的底部.另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為EP（彈簧處于自然長度時的彈性勢能為零），現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運動，經(jīng)過多次往復運動后活塞靜止，氣體達到平衡態(tài)，經(jīng)過此過程（A.EP全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能EP一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能EP全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能EP一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能教學反思本節(jié)課按照“復習提問、引入新課一一設問歸納、提煉規(guī)律一一深入理解、實踐應用一一漫步科學感知歷程一一漫步科學、感知歷程一一回顧總結(jié)、作業(yè)鞏固”的模式開展，具體做法是：通過設問復習導入新課，用控制變量的分析方法得到熱力學第一定律，再通過題目練習加深理解，然后通過歷史的回顧感知能量守恒定律的產(chǎn)生過程，最后通過課外練習探究所學知識的應用。本節(jié)課注重體現(xiàn)三維教學目標，知識與技能方面著重體現(xiàn)物理學科的思維特征，學生對概念，規(guī)律及應用的要求能較好完成，在學習探究的過程中重視方法和滲透，避免直接告知學生，延緩了知識的形成，還潛移默化地滲透情感態(tài)度與價值觀的教育，也有利于學