人教版高中物理選修33第十章熱力學(xué)定律10.3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律課件(共29張PPT)

讀一讀·思一思辨一辨·議一議一、熱力學(xué)第一定律閱讀教材第54頁“熱力學(xué)第一定律”部分,知道內(nèi)能的改變有哪兩種方式,知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容和表達(dá)式。1.改變內(nèi)能的方式有幾種?它們有什么區(qū)別和聯(lián)系?答案:改變內(nèi)能的兩種方式:做功與熱傳遞。聯(lián)系:兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的,一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對(duì)應(yīng)。區(qū)別:做功是內(nèi)能與其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化,而熱傳遞只是不同物體(或一個(gè)物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2.熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容是什么?答案:一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。3.熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式:ΔU=Q+W讀一讀·思一思辨一辨·議一議二、能量守恒定律閱讀教材第54頁“能量守恒定律”部分,知道能量守恒定律的內(nèi)容是什么,了解能量守恒定律的意義。1.內(nèi)容:能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)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。2.意義(1)能量守恒定律告訴我們,各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化。(2)各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象——力學(xué)的、熱學(xué)的、電學(xué)的、磁學(xué)的、光學(xué)的、化學(xué)的、生物學(xué)的等可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起。讀一讀·思一思辨一辨·議一議三、永動(dòng)機(jī)不可能制成閱讀教材第55~56頁“永動(dòng)機(jī)不可能制成”部分,知道什么是第一類永動(dòng)機(jī),了解第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因。1.第一類永動(dòng)機(jī):人們?cè)O(shè)想中的不需要任何動(dòng)力或燃料,卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器。2.第一類永動(dòng)機(jī)不可制成的原因:違背了能量守恒定律。讀一讀·思一思辨一辨·議一議1.思考辨析。(1)某個(gè)物體的能量減少,必然有其他物體的能量增加。

(

)解析:能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移,在轉(zhuǎn)移的過程中能量守恒。答案:√(2)石子從空中落下,最后停止在地面上,說明機(jī)械能消失了。

(

)解析:石子在下落過程中,機(jī)械能在轉(zhuǎn)化,但機(jī)械能并沒有消失,而是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量。答案:×讀一讀·思一思辨一辨·議一議(3)自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)的幅度越來越小,減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但總能量守恒。

(

)解析:秋千在擺動(dòng)過程中,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為秋千和周圍空氣的內(nèi)能,但總能量守恒。答案:√(4)違背能量守恒定律的過程是一定不會(huì)發(fā)生的。

(

)解析:能量守恒定律是自然界普遍遵守的法則,在所有能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中,總能量不變。答案:√讀一讀·思一思辨一辨·議一議2.探究討論。(1)氣體膨脹對(duì)外做功120J,同時(shí)從外界吸收100J的熱量,它的內(nèi)能的變化是多少?答案:根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q=-120J+100J=-20J,所以減小20J。(2)下面的永動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)嗎?答案:不能,違反了能量守恒定律。讀一讀·思一思辨一辨·議一議(3)熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律是什么關(guān)系?答案:能量守恒定律是各種形式的能相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程,總能量保持不變,它包括各個(gè)領(lǐng)域,其范圍廣泛。熱力學(xué)第一定律是物體內(nèi)能與其他形式的能之間的相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移,是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。探究一探究二問題導(dǎo)引1.一個(gè)物體,它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量,那么:(1)如果外界對(duì)物體做的功為W,則它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?(2)如果物體對(duì)外界做的功為W,則它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?要點(diǎn)提示(1)一個(gè)物體,如果它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量,那么外界對(duì)它做功為W,它的內(nèi)能就增加W;(2)物體對(duì)外界做功為W,它的內(nèi)能就減少W。探究一探究二2.一個(gè)物體,外界既沒有對(duì)它做功,它也沒有對(duì)外界做功,那么:(1)如果物體從外界吸收熱量Q,它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?(2)如果物體向外界放出熱量Q,它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?要點(diǎn)提示(1)如果外界既沒有對(duì)物體做功,物體也沒有對(duì)外界做功,那么物體從外界吸收熱量Q,它的內(nèi)能就增加Q;(2)物體向外界放出熱量Q,它的內(nèi)能就減少Q(mào)。3.如果某一過程中,物體跟外界同時(shí)發(fā)生了做功和熱傳遞,那么,該物體內(nèi)能的變化ΔU與熱量Q及做的功W之間又滿足怎樣的關(guān)系呢?要點(diǎn)提示ΔU=W+Q。該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系,在物理學(xué)中叫作熱力學(xué)第一定律。探究一探究二名師精講1.熱力學(xué)第一定律的意義熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。此定律是標(biāo)量式,應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。2.熱力學(xué)第一定律的符號(hào)法則探究一探究二3.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的,則Q=0,W=ΔU,外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功,即W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。4.判斷外界是否對(duì)氣體做功的方法一般情況下外界對(duì)氣體做功與否,需看氣體的體積是否變化。(1)若氣體體積增大,表明氣體對(duì)外界做功,W<0;(2)若氣體體積變小,表明外界對(duì)氣體做功,W>0。探究一探究二典例剖析【例題1】

導(dǎo)學(xué)號(hào)60854090若將氣泡內(nèi)的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底緩慢上升到湖面的過程中,對(duì)外界做了0.6J的功,(設(shè)湖水的溫度相等且保持不變)(1)氣泡上升過程中吸收的熱量是多少?(2)氣泡到達(dá)湖面后,由于太陽的照射,在溫度上升的過程中又對(duì)外界做了0.1J的功,同時(shí)吸收了0.3J的熱量,則此過程中,氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了多少?【思考問題】

湖水溫度不變,說明了什么?提示氣泡由湖底上升到水面過程中氣體內(nèi)能不變。探究一探究二解析:(1)氣體溫度不變,內(nèi)能不變,由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,則Q=ΔU-W=0-(-0.6

J)=0.6

J;(2)由熱力學(xué)第一定律得ΔU=Q+W=0.3

J+(-0.1

J)=0.2

J,內(nèi)能增加0.2

J。答案:(1)0.6J

(2)0.2J歸納總結(jié)

應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法(1)首先應(yīng)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng);(2)分別列出物體(或系統(tǒng))吸收或放出的熱量,外界對(duì)物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對(duì)外所做的功;(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W列出方程進(jìn)行求解;(4)特別注意的就是物理量的正負(fù)號(hào)及其物理意義。探究一探究二變式訓(xùn)練1一定量的理想氣體在某一過程中,外界對(duì)氣體做了8×104J的功,氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J,則下列各式中正確的是(

)A.W=8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=4×104JB.W=8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-2×105JC.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=2×104JD.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=-4×104J解析:由符號(hào)法則可知,外界對(duì)氣體做功W取正,氣體內(nèi)能減少,ΔU為負(fù)值,代入熱力學(xué)第一定律表達(dá)式得Q=-2×105

J。故選項(xiàng)B正確。答案:B探究一探究二問題導(dǎo)引1.不耗油的汽車能不能制成,為什么?不消耗能量的汽車呢?要點(diǎn)提示前者能制成而后者不能制成。這是因?yàn)榭梢杂锰柲堋㈦娔艿饶茉创媸湍茉粗圃斐鎏柲芷?、電?dòng)汽車等,但是不消耗任何能量的汽車不可能制成,因?yàn)樗`背能量守恒定律。探究一探究二2.有一種所謂的“全自動(dòng)”機(jī)械手表,既不需要上發(fā)條,也不用任何電源,卻能不停地走下去。這是不是一種永動(dòng)機(jī)?如果不是,維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來的?要點(diǎn)提示這不是永動(dòng)機(jī)。手表戴在手腕上,通過手臂的運(yùn)動(dòng),機(jī)械手表獲得能量,供手表指針走動(dòng)。若將此手表長時(shí)間放置不動(dòng),它就會(huì)停下來。探究一探究二名師精講1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能:機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能,分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能,還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等。各種形式的能,通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化。例如:利用電爐取暖或燒水,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;煤燃燒,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;列車剎車后,輪子溫度升高,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等。2.能量守恒的條件與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的。例如:物體的機(jī)械能守恒,必須是只有重力做功;而能量守恒定律是沒有條件的,它是一切自然現(xiàn)象都普遍遵守的基本規(guī)律。探究一探究二3.能量守恒定律的重要意義(1)找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量,從而把各種自然現(xiàn)象用定量的規(guī)律聯(lián)系起來,揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。(2)突破了人們關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)范圍,從本質(zhì)上表明了各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機(jī)械能守恒定律更普遍,它是物理學(xué)中解決問題的重要思維方法。能量守恒定律與細(xì)胞學(xué)說、生物進(jìn)化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn),其重要意義由此可見。(3)具有重大實(shí)踐意義,即徹底粉碎了永動(dòng)機(jī)的幻想。探究一探究二4.能量守恒定律中的“轉(zhuǎn)化”和“轉(zhuǎn)移”(1)某種形式的能量減少,一定有其他形式的能量增加,且減少量和增加量一定相等。(2)某個(gè)物體的能量減少,一定存在其他物體的能量增加,且減少量和增加量一定相等。探究一探究二典例剖析【例題2】

導(dǎo)學(xué)號(hào)60854091如圖所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置,一質(zhì)量為m的子彈以v0射入質(zhì)量為M的沙箱后與沙箱合為一體,共同擺起一定高度h,則整個(gè)過程中子彈和沙箱由于相互作用所產(chǎn)生的內(nèi)能為多少?(不計(jì)空氣阻力)探究一探究二題后反思能量守恒定律的應(yīng)用方法應(yīng)用能量守恒定律解決問題時(shí),首先應(yīng)明確題目中涉及了哪幾種形式的能量,然后分析哪種形式的能量增加,哪種形式的能量減少,確定了研究的系統(tǒng)后,用能量守恒的觀點(diǎn)即可求解。探究一探究二變式訓(xùn)練2如圖所示,一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置,絕熱活塞的質(zhì)量為5kg,處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50cm,現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體,待穩(wěn)定后,被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm。求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加多少?(g取10m/s2,忽略大氣壓力及摩擦阻力的影響)解析:由能量守恒定律可知,內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢(shì)能的減少,ΔU=ΔE=(M+m)gh=(15+5)×10×(50-40)×10-2

J=20

J。答案:20J123451.(公式ΔU=W+Q的理解)在熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式ΔU=W+Q中,關(guān)于ΔU、W、Q各個(gè)物理量的正、負(fù),下列說法正確的是(

)A.外界對(duì)物體做功時(shí)W為正,吸熱時(shí)Q為負(fù),內(nèi)能增加時(shí)ΔU為正B.物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù),吸熱時(shí)Q為正,內(nèi)能增加時(shí)ΔU為負(fù)C.物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù),吸熱時(shí)Q為正,內(nèi)能增加時(shí)ΔU為正D.外界對(duì)物體做功時(shí)W為負(fù),吸熱時(shí)Q為負(fù),內(nèi)能增加時(shí)ΔU為負(fù)解析:根據(jù)公式ΔU=W+Q中的符號(hào)法則知選項(xiàng)C正確。答案:C123452.(熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用)一定量的氣體膨脹對(duì)外做功100J,同時(shí)對(duì)外放熱40J,氣體內(nèi)能的增量ΔU是(

)A.60J B.-60JC.-140J D.140J解析:由熱力學(xué)第一定律得ΔU=W+Q=-100

J-40

J=-140

J,C項(xiàng)正確。答案:C123453.(第一類永動(dòng)機(jī)