高中物理人教版 (新课标)选修33 热力学第一定律 能量守恒定律授课ppt课件

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第五节热力学第一定律　能量守恒定律
目标概览学习目标：1.理解和掌握热力学第一定律及其公式，会用ΔU＝W＋Q分析和计算问题．2．理解和掌握能量守恒定律，明确定律的重要意义，并能运用它分析、解决有关问题．3．了解第一类永动机的定义及不可能制成的原因．重点难点：1.重点：能的转化和守恒定律．2．难点：对热力学第一定律的理解和运用．学法指导：通过对热力学第一定律中符号规定的理解感悟体会能量的转化和守恒定律．
一、热力学第一定律1．物体与外界没有热交换时(绝热过程)：外界对物体做功多少，它的内能就______多少，反之物体对外界做功多少，它的内能就______多少．ΔU＝W.其中ΔU表示内能的增量，内能增加，ΔU取______，内能减少，ΔU取_____；W表示功，外界对物体做功，W取_______，物体对外界做功，W取_____．做功的过程，物体的内能必发生变化．
思考气体向真空中膨胀时，气体做功吗？
2．物体与外界间没有做功时(等容过程)：物体从外界吸收多少热量，它的内能就_____多少；物体向外界放出多少热量，它的内能就______多少，ΔU＝Q，其中Q表示热量，物体从外界吸热，Q取______，物体向外界放热，Q取_____．3．热力学第一定律：物体内能的增加等于外界对物体所做的功与从外界吸收的热量之和．(1)热力学第一定律反映了功、热量跟内能变化之间的定量关系．(2)数学表达式：________________.【思考·提示】　气体不做功．
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给另一个物体，在转化或转移过程中__________保持不变．2．意义：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的规律之一，恩格斯称之为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一，能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律把广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言．
三、永动机不可能制成1．第一类永动机：人们把设想中的不消耗任何能量而源源不断对外做功的机器叫做第一类永动机．2．第一类永动机由于违背了____________，所以不可能制成．
一、关于热力学第一定律的正确理解和应用1．意义：揭示了做功、热传递和内能变化之间的定量关系．揭示了能的转化和守恒定律，是能量守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现．
3．几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，此时ΔU＝W，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．(2)无做功过程：W＝0，此时ΔU＝Q，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．(3)内能保持不变的过程：ΔU＝0，此时W＋Q＝0.外界对物体所做的功等于物体放出的热量，或物体吸收的热量等于对外所做的功．
4．应用热力学第一定律解题的步骤(1)确定研究对象就是要明确内能变化的是哪一个物体或哪一个热力学系统．(2)定性分析研究对象的内能变化是由外界哪些物体或系统通过哪种过程引起的．(3)根据符号法则，确定ΔU、Q、W的正负号，代入公式ΔU＝Q＋W进行计算．(4)对结果应根据符号法则解释其物理意义．
特别提醒1．物体的内能变化是由做功和热传递两种方式共同决定的，不能仅用其中的一种方式来判断内能的变化．2．做功过程中，物体的体积一定发生变化，气体膨胀，对外做功；气体压缩，外界对气体做功．　　
即时应用气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量．它的内能的变化是(　　)A．减小20 J　　　　　B．增大20 JC．减小220 J D．增大220 J解析：选B.研究对象为气体，依符号规则，对外做功W＝－100 J，吸收热量Q＝＋120 J．由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J．ΔU>0，说明气体的内能增加．
二、能量守恒定律的理解和应用1．含义(1)自然界存在不同的运动形式，不同的运动形式对应不同的能量形式．如机械运动对应机械能；分子的热运动对应内能；原子核内核子的运动对应核能．(2)不同形式的能量之间可以借助做功相互转化．如用电炉烧水，通过电流做功把电能转化为内能；机车刹车过程通过克服摩擦力做功，把机械能转化为内能．
(3)能量守恒定律是包含各种能量形式在内的一般意义下的守恒定律．各种形式的能量在转化和转移中总能量守恒是无条件的．前面学过的机械能守恒定律和热力学第一定律只不过是它的两个特例，是有条件的．
(4)用能量观点来解题能量守恒定律是自然界中的普遍规律，不少物理问题都要涉及能量的转化和转移的过程，本节中就有一些将能量守恒定律与其他力学规律相结合而构成的力、热综合题．要善于由能量的观点来分析解决问题，从能量的角度入手分析往往会使问题的解决脉络清晰，简单易求．分析求解的基本程序为：①对一个过程分析有哪些形式的能在变化，如何变化．②由某种形式的能量的减少等于另一种形式的能量的增加，即ΔE减＝ΔE增，列方程求解．
2．意义能量守恒定律是19世纪自然科学最重要的三大发现之一，是自然界最普遍的规律之一，是人们认识自然和改造自然的强有力的武器，为我们分析和解决物理问题提供了一种重要途径和方法，它比机械能守恒定律更为普遍．
某物体温度升高了，这说明(　　)A．该物体一定吸收了热量B．该物体可能放出了热量C．外界对物体可能做了功D．物体可能吸收了热量
【解析】　物体的温度升高，表明平均分子动能增大，但不能确定内能是否增大，不能确定是否吸收热量，也不能确定是否对外做功．故B、C、D都有可能．【答案】　BCD
【思维升华】　热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体的表达形式，它揭示了物体的内能与其他形式能量的转化以及与其他物体内能的转移的规律，同时说明了实现这种转化或转移通过的两种方式．
在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将如何变化(　　)A．降低 B．升高C．不变 D．无法确定
【解析】　冰箱通过消耗电能使冰箱内外发生热交换而达到内部致冷目的．把冰箱与房间看作一个系统，打开冰箱门后，冰箱与房间内的热交换发生在系统内，系统内部能量变化不引起总能量的变化．但系统消耗电能增加了系统的总能量，冰箱正常工作，根据能量守恒定律知，增加的系统能量转化为内能使房间的温度升高．【答案】　B【思维升华】　要结合做功理解不同形式的能之间的转化．
水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量达每秒6000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50 m，若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率．
【解析】　本题应根据能量守恒定律求解，水的重力势能减少，其减少量的50%转化成了电能．取每秒流下的水为研究对象，则m0＝ρV＝6000×103 kg，由能量守恒：m0gh×50%＝P·t，t取1 s，h＝50 m，所以P＝6000×103×10×50×50% W＝1.5×109 W.【答案】　1.5×109 W
【思维升华】　水由高处落下时，其重力势能减少，减少的重力势能部分转化成电能，有一部分转化成系统的内能，还有部分机械能保留，故发电效率很低．
质量为m的子弹以水平速率v0射入置于光滑水平面上质量为M的木块中，第一次木块固定，第二次木块不固定，两次入射的初速度相同，两次子弹均未穿出，第一次射入后它们的温度升高Δt1(℃)，第二次射入后它们的温度升高Δt2(℃)，不计其能量损失，求Δt2∶Δt1.
【思维升华】　利用能量守恒分析解决问题，是一种重要的思路和方法．常与动力学知识和动量守恒定律综合考查．