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2019-2020年高中物理 10.1功和內(nèi)能 教案新人教版選修3-3 本章以焦耳的實驗為基礎(chǔ)，研究了功和內(nèi)能變化、熱和內(nèi)能變化之間的關(guān)系，總結(jié)出做功和熱傳遞是改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種方式，兩種方式對改變物體的內(nèi)能是等效的，但是這兩種方式又存在著重要區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律。能量守恒定律使我們認(rèn)識到“第一類永動機”不可能制成，使我們認(rèn)識到一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的客觀自然過程都是不可逆的，熱力學(xué)第二定律就是反映這種宏觀自然過程的方向性的定律。熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價的，同時又使我們認(rèn)識到“第二類永動機”也不可能制成。熵的概念使我們認(rèn)識到熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)，能量在數(shù)值上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性，因而我們要合理開發(fā)能源，要節(jié)約能源，減小能源利用過程中對環(huán)境的破壞，保護環(huán)境，樹立可持續(xù)發(fā)展的觀念，開發(fā)清潔、高效的新能源。 本章的特點是要求學(xué)生有較強的理論聯(lián)系實際的能力，在學(xué)習(xí)過程中，不斷提高理解能力、分析能力；會用熱力學(xué)第一定律分析系統(tǒng)內(nèi)能的變化，會用能量守恒觀點解釋有關(guān)的自然現(xiàn)象，了解熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量。 第1節(jié) 功和內(nèi)能 目標(biāo)導(dǎo)航 1．知道什么是絕熱過程。 2．從熱力學(xué)的角度認(rèn)識內(nèi)能的概念。 3．理解做功與內(nèi)能改變的數(shù)量關(guān)系。 4．知道內(nèi)能和功的單位是相同的。 誘思導(dǎo)學(xué) 1．絕熱過程：物質(zhì)系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的情況下進(jìn)行的物理過程。 即系統(tǒng)不從外界吸收熱量，也不向外界放出熱量。 2．功與系統(tǒng)內(nèi)能改變的關(guān)系。 做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能。 ①外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加 在絕熱過程中，內(nèi)能的增量就等于外界對系統(tǒng)做的功 即ΔU=U2-U1=W ②系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。 在絕熱過程中，系統(tǒng)對外界做多少功，內(nèi)能就減少多少 即W=-ΔU 3．功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度。 4．在國際單位制中，內(nèi)能和功的單位都是焦耳( J )。 典例探究 例1 下列哪個實例說明做功改變了系統(tǒng)的內(nèi)能 A.用熱水袋取暖 B.用雙手摩擦給手取暖 C.把手放在火爐旁取暖 D.用嘴對手呵氣給手取暖 解析：雙手摩擦做功，使手的內(nèi)能增加，感到暖和；A、C、D都是通過熱傳遞來改變系統(tǒng)的內(nèi)能。選項B正確。 答案：B 友情提示：注意分清做功和熱傳遞兩個過程的不同 例2 一個系統(tǒng)內(nèi)能增加了20J。如果系統(tǒng)與周圍環(huán)境不發(fā)生熱交換，周圍環(huán)境需要對系統(tǒng)做多少功？ 解析：由功與系統(tǒng)內(nèi)能改變的關(guān)系，則W=ΔU=20J 答案：20J 友情提示：注意功與內(nèi)能改變的關(guān)系。 課后問題與練習(xí)點擊 1．解析：在分子動理論中，系統(tǒng)中所有分子熱運動動能和分子間相互作用的分子勢能的總和，叫做系統(tǒng)的內(nèi)能；在熱力學(xué)中，存在一個只與依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，由于這個物理量在兩個狀態(tài)之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，而功是能量轉(zhuǎn)化的量度，我們把這個物理量稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。 由于在絕熱過程中對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的溫度、體積等狀態(tài)就要發(fā)生變化，所有分子熱運動的動能和分子間相互作用的分子勢能就要發(fā)生變化，系統(tǒng)的內(nèi)能就要發(fā)生變化，因此分子動理論是從微觀的角度來定義內(nèi)能，熱力學(xué)是從宏觀的角度來定義內(nèi)能，但兩者是一致的。 2．解析：如鉆木取火；用鐵銼來銼工件，工件和鐵銼都會變熱；用鐵錘來打擊鐵塊，鐵錘和鐵塊都會變熱等都說明做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能。 3．解析：在圖10.1-2中，是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；在圖10.1-3中，是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 4．解析：氣體在真空中絕熱膨脹時對外界不做功。 氣體在空氣中絕熱膨脹時對外界做功。做功所需的能量來源于氣體原來儲存的內(nèi)能 基礎(chǔ)訓(xùn)練 1．下列實例中，屬于做功來增加物體內(nèi)能的是 （ ） A.鐵棒放在爐子里被燒紅 B.鋸條鋸木頭時會發(fā)熱 C.古時候的猿人鉆木取火 D.冬天在陽光下取暖 2．下列現(xiàn)象屬于用做功的方法改變系統(tǒng)內(nèi)能的是 （ ） A.放在火爐邊的物體溫度升高了 B.把一杯熱水放在冷水中冷卻 C.用鐵錘鍛打工件，工件會發(fā)熱 D.拉彎的弓把箭射出去 3．下列過程中，由于做功而使系統(tǒng)內(nèi)能增加的是 （ ） A.把鐵絲反復(fù)彎曲，彎曲處溫度升高 B.燒開水時，蒸汽將壺蓋頂起 C.鐵塊在火爐中被加熱 D.鐵球從空中自由下落（不計空氣阻力） 4．用下列方法改變物體的內(nèi)能，屬于做功方式的是　( ) A.搓搓手會感到手暖和些 B.汽油機氣缸內(nèi)被壓縮的氣體 C.車刀切下的熾熱的鐵屑 D.物體在陽光下被曬熱 多維鏈接 1．用打氣筒打氣時，過一會筒壁會熱起來，這是為什么？ 解析：打氣時活塞壓縮空氣做功，使筒內(nèi)空氣內(nèi)能增加，溫度升高；同時克服活塞與筒壁間的摩擦做功也使筒壁內(nèi)能增加，溫度升高。 2．焦耳與熱力學(xué) 焦耳，英國物理學(xué)家。出身于曼徹斯特附近索爾福一個啤酒廠主家庭。青年時經(jīng)常用業(yè)余時間進(jìn)行有關(guān)電的、化學(xué)的相互作用和機械作用之間聯(lián)系的實驗，并得到化學(xué)家道爾頓的鼓勵和支持。焦耳的貢獻(xiàn)主要有三個方面。①首先研究了電流的熱效應(yīng)，指出導(dǎo)體中一定時間所生成的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流平方之積成正比。由于不久楞次也獨立地發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，所以被稱為焦耳——楞次定律②從1840~1879年用了近40年的時間鉆研和測定了熱量與機械功的當(dāng)量關(guān)系，最后得到的熱功當(dāng)量數(shù)值是1卡=4.2焦耳。焦耳的實驗工作以大量確鑿的證據(jù)否定了熱質(zhì)說，為能量守恒與轉(zhuǎn)化定律奠定了實驗基礎(chǔ)，因此焦耳是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)者之一。③為了研究氣體的內(nèi)能，焦耳于1845年做了焦耳氣體自由膨脹實驗。發(fā)現(xiàn)一般氣體的內(nèi)能是溫度和體積的函數(shù)，而理想氣體的內(nèi)能僅僅是溫度的函數(shù)，與體積無關(guān)。為了紀(jì)念焦耳對科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)，國際計量大會將能量、功、熱量的單位命名為焦耳。 3.課本P62“做一做” 提示：研究對象是瓶內(nèi)被封閉的氣體；在瓶塞跳出的過程中，系統(tǒng)對外界做功；這個過程中系統(tǒng)的內(nèi)能減少；從瓶塞跳出獲得動能可以推斷出它的內(nèi)能減少。 1.解析：鋸條鋸木頭與鉆木取火時都會做功從而使物體的內(nèi)能增加，故B、C正確。 答案：B、C 2.解析：用鐵錘鍛打工件，鐵錘對工件做功，使它的內(nèi)能增加，選C 答案：C 3.解析：選項B是系統(tǒng)對外界做功，內(nèi)能減小，選項C是吸熱使內(nèi)能增加，而選項D內(nèi)能不變。故選A。 答案：A 4.解析：選項D是吸熱使內(nèi)能增加，A、B、C正確。 答案：A、B、C