高中物理(新教材)選修三課件：3-2-3-3-熱力學(xué)第一定律-能量守恒定律 人教版

3.2-3.3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解熱力學(xué)第一定律，能運用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題；2.理解能量守恒定律，知道能量守恒時自然界普遍遵從的基本規(guī)律；3.知道第一類永動機是不可能實現(xiàn)的；4.通過能量守恒定律的學(xué)習(xí)，認(rèn)識自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性；知識回顧做功(外界對物體做功)(物體對外界做功)熱傳遞內(nèi)能增加內(nèi)能減少改變內(nèi)能的方式有哪兩種？放熱吸熱對內(nèi)對外內(nèi)能增加內(nèi)能減少(物體從外界吸熱)(物體對外界放熱)既然做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，那么，功、熱量跟內(nèi)能的改變之間一定有某種聯(lián)系，我們就來研究這個問題。一、熱力學(xué)第一定律1.內(nèi)容：一個熱力學(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它所做的功的和.2.意義：熱力學(xué)第一定律反映了功、熱量跟系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系.3.數(shù)學(xué)表達式：ΔU=Q+WΔU

：物體內(nèi)能的增加量W：

外界對物體做的功Q：

物體吸收的熱量4.符號法則(1)外界對系統(tǒng)做功，W>0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功，W<0，即W為負(fù)值；(2)外界對系統(tǒng)傳遞熱量，Q>0，即Q為正值；系統(tǒng)對外界傳遞熱量，Q>0，即Q為負(fù)值；(3)系統(tǒng)內(nèi)能增加，?U>0，即?U為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，?U<0，即?U為負(fù)值；5.應(yīng)用注意事項(1)注意分清W、Q的正負(fù)號，以便準(zhǔn)確判斷?U的正、負(fù)。(2)幾種特殊情況①若過程絕熱，則Q=0，?U=W②若過程不做功，則W=0，?U=Q③若過程始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即?U=0，則W+Q=0?！咎貏e提醒】

(1)當(dāng)做功和熱傳遞同時發(fā)生時，物體的內(nèi)能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。(2)物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結(jié)果。7.解題步驟(1)明確研究對象(2)明確W、Q的正負(fù)(3)根據(jù)熱力學(xué)定律列方程求解(4)注意各量的正負(fù)及其物理意義6.判斷氣體是否做功的方法一般情況下外界對系統(tǒng)做功與否，需要看物體的體積是否變化。①若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對外界做功，W＜0；②若系統(tǒng)體積減小，表明外界對系統(tǒng)做功，Ｗ＞0．例1一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時氣體對外做了6×105J的功，問：(1)物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？(2)分子勢能是增加還是減少？(3)分子的平均動能是增加還是減少？解析：(1)氣體從外界吸熱為Q＝4.2×105J，氣體對外做功W＝－6×105J由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105JΔU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8×105J(2)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加了。(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。答案：(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少解析：(1)氣體從外界吸熱為Q＝4.2×105J，氣體對外做功W＝－6×105J由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105JΔU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8×105J(2)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加了。(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。答案：(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少二、探索能量守恒的足跡1.人類對能量的認(rèn)識時間科學(xué)家研究成果1798年倫福德熱的本質(zhì)是運動1820年奧斯特電流的磁效應(yīng)1821年賽貝克溫差電現(xiàn)象1831年法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象1836年蓋斯化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)步驟無關(guān)1841年焦耳電流的熱效應(yīng)1842年邁爾表述了能量守恒定律1843年焦耳測定做功與傳熱的關(guān)系1847年亥姆霍茲在理論上概括和總結(jié)能量守恒定律2.能量守恒觀念的形成(1)俄國化學(xué)家蓋斯的研究發(fā)現(xiàn)，任何一個化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。這表明一個系統(tǒng)存在著一個與熱量相關(guān)的物理量，在一個確定的化學(xué)反應(yīng)中這個量是不變的。(2)焦耳的實驗精確地測量了做功與傳熱之間的等價關(guān)系，從而為能量守恒定律奠定了牢固的實驗基礎(chǔ)，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。(3)德國醫(yī)生邁爾通過對比不同地區(qū)人血顏色的差異，認(rèn)識到食物中化學(xué)能與內(nèi)能的等效性，即生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的。另外，他還通過海水在暴風(fēng)雨中較熱的現(xiàn)象，猜想熱與機械運動的等效性。他在1841年和1842年連續(xù)寫出“論‘自然力’（指能量）”的論文，并推算了多少熱與多少功相當(dāng)。因此，邁爾是公認(rèn)的第一個提出能量守恒思想的人。三、能量守恒定律1.內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，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。機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能2.能量守恒定律的歷史意義(1)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)之一（能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn)、達爾文的進化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)），也莊嚴(yán)宣告了永動機幻想的徹底破滅。(2)能量守恒定律是認(rèn)識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來，使不同領(lǐng)域的科學(xué)工作者有一系列的共同語言。3.說明①自然界存在著多種不同形式的運動，每種運動對應(yīng)著一種形式的能量機械運動——機械能熱運動——內(nèi)能電荷運動——電能化學(xué)運動——化學(xué)能生物運動——生物能原子核內(nèi)部的運動——原子能②不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。③能量守恒定律適用于任何物理現(xiàn)象和物理過程3.說明①自然界存在著多種不同形式的運動，每種運動對應(yīng)著一種形式的能量機械運動——機械能熱運動——內(nèi)能電荷運動——電能化學(xué)運動——化學(xué)能生物運動——生物能原子核內(nèi)部的運動——原子能②不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。③能量守恒定律適用于任何物理現(xiàn)象和物理過程例2如圖所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體(A、B兩部分體積等大)，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并取出隔板使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，則(

)A.ΔU=Q B.ΔU<Q

C.ΔU>Q D.無法比較解析：因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分轉(zhuǎn)化為氣體的重力勢能，另一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。故正確答案為B。B第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。四、永動機不可能制成歷史上一種永動機的設(shè)計從能量守恒的角度看：根據(jù)能量守恒定律，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，而不能無中生有地制造能量，因此第一類永動機是不可能制成的。從熱力學(xué)第一定律的角度看：如果沒有外界熱源供給熱量，則有U1-U2=W

，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的，若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下，是不可能的。為什么永動機不可能制成？例3下列說法正確的是()A.隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的B.太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了C.“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的D.有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產(chǎn)生解析：無論科技多么發(fā)達，違背能量守恒的第一類永動機不可能制成，A錯。能量是不會憑空消失的，也不會憑空產(chǎn)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式，B、D錯誤，故C正確。C備用工具&資料從能量守恒的角度看：根據(jù)能量守恒定律，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，而不能無中生有地制造能量，因此第一類永動機是不可能制成的。從熱力學(xué)第一定律的角度看：如果沒有外界熱源供給熱量，則有U1-U2=W

，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的，若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下，是不可能的。為什么永動機不可能制成？例2如圖所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體(A、B兩部分體積等大)，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并取出隔板使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，則(

)A.ΔU=Q B.ΔU<Q

C.ΔU>Q D.無法比較解析：因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分轉(zhuǎn)化為氣體的重力勢能，另一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。故正確答案為B。B知識回顧做功(外界對物體做功)(物體對外界做功)熱傳遞內(nèi)能增加內(nèi)能減少改變內(nèi)能的方式有哪兩種？放熱吸熱對內(nèi)對外內(nèi)能增加內(nèi)能減少(物體從外界吸熱)(物體對外界放熱)既然做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，那么，功、熱量跟內(nèi)能的改變之間一定有某種聯(lián)系，我們就來研究這個問題。4.符號法則(1)外界對系統(tǒng)做功，W>0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功，W<0，即W為負(fù)值；(2)外界對系統(tǒng)傳遞熱量，Q>0，即Q為正值；系統(tǒng)對外界傳遞熱量，Q>0，即Q為負(fù)值；(3)系統(tǒng)內(nèi)能增加，?U>0，即?U為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，?U<0，即?U為負(fù)值；5.應(yīng)用注意事項(1)注意分清W、Q的正負(fù)號，以便準(zhǔn)確判斷?U的正、負(fù)。(2)幾種特殊情況①若過程絕熱，則Q=0，?U=W②若過程不做功，則W=0，?U=Q③若過程始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即?U=0，則W+Q=0?！咎貏e提醒】

(1)當(dāng)做功和熱傳遞同時發(fā)生時，物體的內(nèi)能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。(2)物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結(jié)果。解析：(1)氣體從外界吸熱為Q＝4.2×105J，氣體對外做功