人教版高中物理選擇性必修第三冊第三章教案學案

人教版高中物理選擇性必修第三冊第三章教案學案3.1功、熱和內能的改變【學習目標】一、知識與技能1．知道絕熱過程的含義。2．從熱力學的角度認識內能的概念。3．理解做功與內能改變之間的關系。4．知道熱傳遞過程中，物體吸收（放出）熱量，溫度升高（降低），內能改變。5．了解熱量的概念，熱量的單位是焦耳。二、過程與方法1．通過觀察、思考，知道物體的內能是系統(tǒng)的一個狀態(tài)量。2．通過探究活動，培養(yǎng)實驗探究能力、提高科學思維水平。3．通過類比方法，建立內能的概念。三、情感、態(tài)度與價值觀1．通過主動參與學習活動，激發(fā)學習物理的興趣。2．通過實驗活動，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度?！緦W習重點】1．做功與內能改變關系的探究。2．熱量與內能改變關系的探究。3．內能概念的建立?！緦W習難點】內能概念的建立?！緦W習過程】一、焦耳的實驗1．系統(tǒng)只由于_____________________________而與外界交換能量，它不從外界_________，也不向外界___________，這樣的過程叫做絕熱過程。2．焦耳實驗一（機械做功）重物下落帶動輪葉旋轉，通過攪拌對絕熱容器內的液體做功，使液體升溫，即狀態(tài)發(fā)生變化。結論：只要重力所做的功相同，容器內水溫上升的數(shù)值都是______________，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化是________________。3．焦耳實驗二（電流做功）電流通過_______________使絕熱容器內的液體溫度升高。結論：對同一系統(tǒng)，在絕熱過程中只要______________________相同，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同。4．引導得出實驗結論：對于絕熱系統(tǒng)，從狀態(tài)1到狀態(tài)2，做功的值是_______________________，與具體做功的過程、方式______________。二、功與內能的改變1．內能任何一個熱力學系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于__________________________的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把這個物理量稱為系統(tǒng)的內能。2．功和內能改變關系：當系統(tǒng)從狀態(tài)1經過絕熱過程達到狀態(tài)2時，內能的增加量△??=??2???1就等于________________________________________，即________________。總結：做功可以改變系統(tǒng)的內能。__________是系統(tǒng)內能轉化的量度。（1）外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內能___________。（2）系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內能___________。例題1：下圖為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動，設筒內氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中（）A．外界對氣體做功，氣體內能增大B．外界對氣體做功，氣體內能減小C．氣體對外界做功，氣體內能增大D．氣體對外界做功，氣體內能減小答案：A例題2：地面附近有一正在上升的空氣團，它與外界的熱交換忽略不計。已知大氣壓強隨高度增加而降低，則該空氣團在上升過程中（不計氣團內分子間的勢能）（）A．體積減小，溫度降低B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低D．體積減小，溫度不變答案：C三、熱與內能的改變1．熱傳遞定義：______________________________________________________。2．熱傳遞的方式：_____________________________。3．發(fā)生熱傳遞的條件：當物體之間或物體的不同部分之間______________________時才能發(fā)生熱傳遞。例題3：關于熱傳遞，下列說法正確的是（）A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進行D．物體內能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量答案：C4．熱與內能的改變教師總結：_____________是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內能變化的量度。當系統(tǒng)從狀態(tài)1經過單純的傳熱達到狀態(tài)2，內能的增量△??=??2???1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量??，即______________。當熱量轉移到系統(tǒng)當中，稱為______熱，內能_____________。當熱量從系統(tǒng)轉移出去，稱為______熱，內能_____________。5．內能與熱量的區(qū)別：（1）內能是一個_____________量，一個物體在不同的狀態(tài)下有不同的內能。（2）熱量是一個_____________量，它表示由于熱傳遞而引起的變化過程中轉移的能量，即內能的改變量。（3）如果沒有熱傳遞，就沒有熱量可言，但此時仍有內能?！揪毩曥柟獭?．如圖所示，一定質量的理想氣體密封在絕熱（即與外界不發(fā)生熱交換）容器中，容器內裝有一可以活動的絕熱活塞。今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體（）A．溫度傳感器B．壓力傳感器C．磁傳感器D．光傳感器答案：C2．如圖所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側裝有氣體，右側為真空。現(xiàn)將隔板抽掉，使左側氣體自由膨脹直至達到平衡，則在此過程中（不計氣體的分子勢能）（）A．氣體對外界做功，溫度降低，內能減少B．氣體對外界做功，溫度不變，內能減少C．氣體不做功，溫度不變，內能不變D．氣體不做功，溫度不變，內能減少答案：C3．下列說法正確的是（）A．分子的動能與分子的勢能的和叫做這個分子的內能B．物體的分子勢能由物體的溫度和體積決定C．物體的速度增大時，物體的內能增大D．物體的內能減小時，物體的溫度可能增加答案：D4．一個鐵塊沿斜面勻速滑下，關于物體的機械能和內能的變化，下列判斷中正確的是（）A．物體的機械能和內能都不變B．物體的機械能減少，內能不變C．物體的機械能增加，內能增加D．物體的機械能減少，內能增加答案：D5．如圖所示，絕熱具有一定質量的活塞，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，經過多次往復運動后活塞靜止，氣體達到平衡態(tài)，經過此過程（）A．EP全部轉換為氣體的內能B．EP一部分轉換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能C．EP全部轉換成活塞的重力勢能和氣體的內能D．EP一部分轉換成活塞的重力勢能，一部分轉換為氣體的內能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能答案：D6．一定質量的氣體經歷一緩慢的絕熱膨脹過程。設氣體分子間的勢能可忽略，則在此過程中（）A．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能增加B．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能減少C．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能增加D．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能減少答案：D7．在下述現(xiàn)象中沒有通過做功而使物體內能改變的是（）A．電流通過電爐而使溫度升高B．在陽光照射下，水的溫度升高C．鐵錘打鐵塊，使鐵塊溫度升高D．夏天在室內放幾塊冰，室內會變涼快答案：BD8．對于熱量、功、內能三個量，下列說法中正確的是（）A．熱量、功、內能三個量的物理意義是等同的B．熱量和功二者可作為物體內能大小的量度C．熱量、功和內能的國際單位都相同D．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體的狀態(tài)決定的答案：CD3.2熱力學第一定律【學習目標】1．認識物質的運動形式有多種，對應不同運動形式的運動有不同形式的能，各種形式的能在一定條件下可以相互轉化。2．進一步掌握能的轉化規(guī)律。3．運用公式△U＝W+Q分析有關問題并具體進行計算。【學習重難點】熱力第一定律?！緦W習過程】1．熱力學第一定律：_________________________________________________________________________________________________________________________________________________。其數(shù)學表達式為：__________________2．定律中各量的正、負號及含義物理量符號意義符號意義W+－Q+－ΔU+－例題一定質量的氣體，在被壓縮的過程中外界對氣體做功300J，但這一過程中氣體的內能減少了300J，問氣體在此過程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？解：由題意知W=300JΔU=-300J，根據(jù)熱力學第一定律可得：Q=ΔU-W=-300J-300J=-600JQ為負值表示氣體放熱，因此氣體放出600J的熱量?！緩娀柧殹?．如圖所示，用力F壓縮氣缸中的空氣，力F對空氣做了1800J的功，同時氣缸向外放熱2000J，空氣的內能改變了多少？參考解答：由熱力學第一定律：ΔU=W+Q得：＋1800J+（-2000）J=ΔU∴ΔU=-200J即空氣內能減少了200J2．關于物體內能的變化，以下說法中正確的是（）A．物體吸收熱量，內能一定增大B．物體對外做功，內能一定減少C．物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變D．物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變解析：根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q，物體內能的變化與外界對氣體做功（或氣體對外界做功），氣體從外界吸熱（或向外界放熱）兩種因素有關，物體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內能有可能不變甚至減小，故A錯，同理，物體對外做功的同時有可能吸熱，故內能不一定減小，B錯；若物體吸收的熱量與對外做功相等，則內能不變，C正確。而放熱與對外做功是使物體內能減小，所以D錯。所以本題正確答案為C?？偨Y：運用熱力學第一定律解決問題1．根據(jù)符號法則寫出各已知量的正、負。2．根據(jù)方程求出未知量。3．再根據(jù)未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況?！揪毩曥柟獭?．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900J的功，同時汽缸向外散熱210J，汽缸里空氣的內能改變了多少？2．如圖，在汽缸內活塞左邊封閉著一定量的空氣，壓強與大氣壓相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸內空氣升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1。如果讓活塞可以自由滑動（活塞與汽缸間無摩擦、不漏氣），也使汽缸內空氣溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2。（1）Q1和Q2哪個大些？（2）氣體在定容下的比熱容與在定壓下的比熱容為什么會有不同？3．某風景區(qū)有一處約20層樓高的瀑布，甚為壯觀。請估計：瀑布上、下水潭的水溫因瀑布的機械能轉化成內能而相差多少？水的比熱容c為4.2×103J/。3.3能量守恒定律【學習目標】1．掌握能量守恒定律，理解這個定律的重要意義。會用能量守恒的觀點分析物理現(xiàn)象。2．能綜合運用學過的知識，用能量守恒定律進行有關計算，分析、解決有關問題。【學習重難點】能量轉化和守恒定律的理解及綜合應用?！緦W習過程】一、探索能量守恒的足跡1．不同形式的能描述下圖分別主要描寫的是什么形式的能。（）（）（）（）2．能量之間的轉化判斷下圖分別是哪幾種能量之間的相互轉化。（）（）（）（）3．能量守恒觀念的形成二、能量守恒定律在力學中，當系統(tǒng)只有_____________________________做功時，系統(tǒng)的動能與勢能會發(fā)生相互轉化，而動能與勢能的總量保持不變，這就是______________守恒定律。在熱力學領域內，做功和熱傳遞可以改變系統(tǒng)的內能，即系統(tǒng)內能與系統(tǒng)外的能量會發(fā)生轉化或轉移，但能的總量不會改變。____________________________，實際上就是內能與其他能量發(fā)生轉化時的能量守恒定律。1．能量守恒定律：能量既不會___________________，也不會________________，它只能從一種形式___________另一種形式，或者從一個物體___________另一個物體，而在___________或___________過程中，能量的總量__________________。2．能量守恒定律的意義：（1）能量守恒定律同生物進化論、細胞的發(fā)現(xiàn)被恩格斯譽為19世紀的三個最偉大的科學發(fā)現(xiàn)。（2）能量守恒定律是在無數(shù)實驗事實的基礎上建立起來的，是自然科學的普遍規(guī)律之一。（3）自然界一切已經實現(xiàn)的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過程都是不可能實現(xiàn)的，例如“永動機”只能以失敗而告終。（4）機械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。三、永動機不可能制成1．永動機：_________________________________________，這種機器叫永動機。2．人類對永動機的追求閱讀材料：螺旋永動機：著名科學家達·芬奇早在15世紀就提出過永動機不可能的思想，他曾設計過一種轉輪。在轉輪邊沿安裝一系列的容器，容器中充了一些水銀，他想水銀在容器中移動有可能使轉輪永遠地轉動，但是經過仔細研究之后，得出了否定的結論。他從許多類似的設計方案中認識到永動機的嘗試是注定要失敗的。他寫道：“永恒運動的幻想家們！你們的探索何等徒勞無功！還是去做淘金者吧！”滾球永動機：17世紀，英國有一個被關在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一臺可以轉動的“永動機”，轉輪直徑達4.3米，有40個各重23千克的鋼球沿轉輪輻翼外側運動，使力矩加大，待轉到高處時，鋼球會自動地滾向中心。據(jù)說，他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其實這臺機器是靠慣性來維持短時運動的。軟臂永動機：19世紀有人設計了一種特殊機構，它的臂可以彎曲。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長的臂端，使力矩增大。轉到另一側，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設計者認為這樣可以使機器獲得轉矩。然而，他沒有想到力臂雖然縮短了，阻力卻增大了，轉輪只能停止在原地。磁力永動機：大約在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實現(xiàn)永動機。A是一個磁石，鐵球G受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經曲面BFC返回，復又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運動下去。大概他那時還沒有建立庫侖定律，不知道磁力大小是與距離的平方成反比變化的，只要認真想一想，其荒謬處就一目了然了。3．第一類永動機概念：不需要任何動力或燃料，卻能源源不斷地對外做功。結果：無一例外地歸于失敗。原因：_____________________________________________________。4．永動機給我們的啟示人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律?！揪毩曥柟獭?．判斷（1）各種能量之間可以轉移或轉化，但總量保持不變。（√）（2）第一類永動機因違背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）（3）自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒。（√）2．第一類永動機違反了什么而不能制成（）A．違反了熱力學第一定律B．違反了機械能守恒定律C．違反了能量守恒定律D．以上說法都不對答案：C3．如圖所示容器中，A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下是水，上為空氣，大氣壓恒定。A、B底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。原先A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡。在這個過程中，下面說法正確的是（）A．大氣壓力對水做功，水的內能增加B．水克服大氣壓力做功，水的內能減少C．大氣壓力對水不做功，水的內能不變D．大氣壓力對水不做功，水的內能增加答案：D4．重1000kg的氣錘從2.5m高處落下，打在質量為20kg的鐵塊上，要使鐵塊的溫度升高40℃以上，氣錘至少應落下多少次？（設氣錘撞擊鐵塊時做的功有60%用來升高鐵塊的溫度，g取10m/s2，鐵的比熱容c＝4.62×102J/（kg?℃））答案：25次5．一木箱靜止于水平面上，現(xiàn)在用一個80N的水平推力推動木箱前進10m，木箱受到的摩擦力為60N，則轉化為木箱與地面系統(tǒng)的內能U和轉化為木箱的動能Ek分別是（）A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J答案：B6．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法中正確的是（）A．秋千的機械能守恒B．秋千的能量正在消失C．只有動能和重力勢能的相互轉化D．減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒答案：D7．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它（）A．不符合熱力學第一定律B．做功產生的熱量太少C．由于有摩擦、熱損失等因素的存在D．找不到合適的材料和合理的設計方案答案：A8．行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是（）A．物體克服阻力做功B．物體的動能轉化為其他形式的能量C．物體的勢能轉化為其他形式的能量D．物體的機械能轉化為其他形式的能量答案：AD3.4熱力學第二定律【學習目標】一、知識與技能1．了解熱傳導過程的方向性。2．了解熱力學第二定律的兩種不同表述，以及這兩種表述的物理實質。3．了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。二、過程與方法培養(yǎng)學生通過日常生活現(xiàn)象概括物理規(guī)律的能力。三、情感、態(tài)度與價值觀知道要有效地利用自然界提供的各種能源，必須遵循自然界的規(guī)律?！緦W習重難點】熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質?！緦W習過程】一、熱力學第二定律1．熱力學第二定律的一種表述——克勞修斯表述（熱傳導的方向性）（1）熱力學第二定律（概念）：反映________________過程的___________的定律。（2）克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從________________傳到_______________。即熱傳導的過程具有_________________。2．熱力學第二定律的另一種表述——開爾文表述（機械能與內能轉化的方向性）（1）熱機①熱機工作的兩個階段第一個階段是___________________，把燃料中的化學能變成工作物質的內能。第二個階段是工作物質_____________________，把自己的內能變成機械能。②熱機的效率：熱機輸出的機械功W與燃料產生的熱量Q的比值。用公式表示為______________________。（2）開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。即機械能與內能轉化具有___________________。（3）熱力學第二定律的其他描述①氣體向真空的自由膨脹是_______________的。②一切宏觀自然過程的進行都具有_____________________。3．第二類永動機①定義只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓腳__________。②第二類永動機不可能制成第二類永動機不違背______________________，但違背________________________。4．熱力學第一定律和熱力學第二定律的關系。（1）熱力學第一定律揭示了_________________和_______________對改變物體內能的規(guī)律關系ΔU＝_____________________，指明內能不但可以轉移，而且還能跟其他形式的能相互轉化。熱力學第一定律就是_____________與其他能量發(fā)生轉化時的能量守恒定律，是從能的角度揭示不同物質運動形式相互轉化的可能性。告誡人們：第一類永動機不可能制成。熱力學第一定律只有一種表述形式。（2）熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的___________。如機械能可以全部轉化為內能，內能卻不可能全部轉化為機械能而不引起其他變化，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。告誡人們：第二類永動機不可能制成。熱力學第二定律有_____________表述形式。（3）兩定律的關系：熱力學第一定律是和熱現(xiàn)象有關的物理過程中能量守恒的表達形式，說明功及熱量與內能改變的定量關系，而第二定律指出了能量轉化與守恒能否實現(xiàn)的條件和過程進行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響。所以二者相互獨立，又相互補充。5．兩類永動機的比較分類第一類永動機第二類永動機設計要求_____________任何能量，可以不斷對外做功（或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去）。將內能全部轉化為____________，而不引起其他變化（或只有一個熱庫，實現(xiàn)內能與機械能的轉化）。不可能的原因違背了______________________。違背了______________________。判一判（1）任何物體的內能就是組成該物體的所有分子熱運動動能的總和。（）（2）滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)進行。（）（3）將海水溫度自動下降時釋放的內能可以全部轉化為機械能。（）（4）能夠制成的熱機既不違背能量守恒定律，也不違背熱力學第二定律。（）提示：（1）× （2）× （3）× （4）√二、能源是有限的根據(jù)熱力學第二定律，分散在環(huán)境中的內能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“___________________”。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質下降了。雖然能量總量不會減少，但____________________會逐步減少，因此______________是有限的資源。三、熵與熵增加原理自然界的很多過程是________________的。例如，一個容器被隔板均分為A、B兩部分，一定量的氣體處于容器A中，而B為真空。抽取隔板K，A中的氣體就會擴散到B中，最后整個容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個過程顯然是不可逆的。1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用來表達一個系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在增加。在物理學中，不與外界進行物質和能量交換的系統(tǒng)叫做孤立系統(tǒng)。在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是____________________?！眷柟叹毩暋?．下列說法正確的是（）A．機械能全部變成內能是不可能的B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化成另一種形式C．根據(jù)熱力學第