热力学第必然律能量守恒定律.docx

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热力学第必然律能量守恒定律

《热力学第必然律能量守恒定律》教学设计

1        教学目标

       知识和技术

（1）理解热力学第必然律。

（2）能运用热力学第必然律解释自然界能量的转化、转移问题。

（3）理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的大体规律。

（4）通过能量守恒定律的学习，熟悉自然规律的多样性和统一性。

（5）知道第一类永动机是不能实现的。

 进程和方式

   增进学生自主学习，让学生踊跃参与、乐于探讨、勇于实验、勤于思考，培育学生的科学探讨能力。

 情感、态度和价值观

（1）学习众多科学家孜孜以求探索自然规律的精神。

（2）注重激发学生学习物理的情趣和社会责任感、使命感的教育。

 （3）体会能量守恒定律对于人类的指导意义。

2 教学重点和难点 

 重点

   热力学第必然律的理解和应用

 难点

能量守恒定律的理解

3 设计思路与教学流程

 设计思路

课程标准对本节内容的要求是“能够从能量转化的观点理解热力学第必然律及其公式表达，会用能量守恒的观点分析物理现象”。

本节知识是在学习了功和内能、热和内能以后的一节内容，首先在温习改变内能两种方式的基础上，给出了热力学第必然律的表达式△U＝W＋Q，理解各个字母的含义和各个量取正、负的意义，对气体来讲，要使学生知道：

紧缩气体时外界对气体做功，气体膨胀时气体对外界做功。

对于能量守恒定律，教学中应该使学生掌握这个规律，理解这个定律的重要意义，特别是要让学生感知人类对能量守恒定律的熟悉经历了一个由浅入深、由含糊到清楚的进程，它是在众多科学家从不同领域研究、总结发现的重要规律，其中，迈尔、焦耳和亥姆霍兹做出了突出的贡献。

永动机不可能制成，是致使能量守恒定律发现的一条重要线索，为使学生理解这一点，教材介绍永动机不可能制成时，举出一个实例来让学生分析，这个永动机方案是13世纪时法国人亨内考提出的，是初期的一个著名方案，教学时通过度析以帮忙学生理解永动机不可能制成对能量守恒定律的成立所起的重要作用。

复习提问 引入新课

设问归纳 提炼规律

深入理解 实践应用

漫步科学 感知历程

回顾总结 作业巩固

图1

教学流程（如图1）

4 教学实录

 引入新课

设问：

改变物体内能的方式有那些？

它们对改变物体的内能效果如何？

分析：

做功和热传递，改变内能的效果是等效的，

设问：

这两种方式的实质一样吗？

若是不一样别离是什么呢？

分析：

这两种方式改变内能的实质不一样。

做功的进程是其他形式的能和内能之间的转化

     例如：

一质量为1kg物体从10m高处往下落，到地面的速度为10m/s,物体的机械能减少了多少？

减少的机械能到那里去了？

热传递是内能在物体之间的转移进程。

能量的形式没有发生转变。

只是热量从一物体转移到另一物体。

     这节课咱们具体来研究功、热量和内能之间的关系。

     热力学第必然律

设问：

一物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：

若是外界对它做了W的功，则它的内能如何改变？

改变了多少？

若是它对外界做了W的功，则它的内能又如何改变呢？

改变的又是多少？

分析：

外界对它做功，则内能增加，做了多少功，内能增加多少；它对外界做功，内能减少，对外做多少功，内能就减少多少。

W=△U（外界对物体做功，W为正；物体对外界做功，W为负；内能增加，△U为正，内能减少，△U为负）

设问：

一物体，外界没有对它做功，它也没有对外界做功，那么：

若是它吸收热量Q,则内能如何转变，转变多少？

若是它放出热量Q，则内能如何转变，转变多少？

分析：

物体吸收热量，则内能增加，吸收了多少，内能增加多少；物体放出热量，则内能减少，放出了多少，则内能减少多少。

Q=△U（物体吸收热量，Q为正；物体放出热量，Q为负；内能增加，△U为正，内能减少，△U为负）

探讨：

若是物体内能在改变的进程中，既有热传递又有做功，内能如何改变。

例如：

外界对物体做了10J的功，同时物体吸热4J，物体内能如何转变？

又如：

外界对物体做了10J的功，同时物体放热4J，物体内能如何转变？

再如：

物体对外界做了10J的功，同时物体吸热4J，物体内能如何转变？

小结：

一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

这就是热力学第必然律。

数学表达式：

△U＝Q+W

 思考：

说明W、Q、和△U的正值、负值各代表什么意义？

分析：

W为正值，表示外界对物体做功；W为负值表示物体对外做功

      Q为正值，表示物体吸收热量；Q为负值表示物体放出热量

      △U为正值，表示内能增加；△U为负值表示内能减少

思考：

如何通俗理解W、Q、和△U的正、负值意义？

小结：

取得为正、失去为负

应用：

①必然量的气体从外界吸收了×105J的热量，内能增加了×105J。

问：

是气体对外界做了功，仍是外界对气体做了功？

做了多少焦耳的功？

问：

若是内能增加了×105J，这一进程做功情况又如何？

②必然质量的理想气体，从某一状态开始，通过一系列转变后又回一开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个进程中必然有（       ）

A．Q1—Q2=W2—W1       B．Q1=Q2    C．W1=W2     D．Q1>Q2

总结：

热力学第必然律说明了做功和热传递是内能转化或转移的量度。

没有做功和热传递进程，就不可能实现内能的转化或转移。

而且还揭露了能量在转化或转移进程中守恒。

例如：

在摩擦生热的现象中，物体克服摩擦力做了多少功，就有多少机械能转化成等量的内能。

一个物体从外界吸收多少热量，就有多少内能从外界转移给物体。

在这转化或转移中能量守恒。

 能量守恒定律

4.3.1各类形式的能量之间可以转化

举例：

物体的每一种运动形式都有一种对应的能

机械运动――机械能　　　　热运动――内能

电荷运动――电能　　　　　化学运动――能　　

生物运动――能　　　　原子核内部的运动――原子能

分析：

各类形式的能可以彼此转化

机械能中的动能和势能可彼此转化（自由落体运动）；机械能可以与内能彼此转化（摩擦生热，消耗了机械能通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功把气体内能转化为机械能）；其它形式有能也可以转化为内能，如电流通过导体时，把电能转化为内能；灼热的灯丝发光，又把内能转化成光能；燃烧时，把化学能转化成内能）。

4.3.2能量守恒定律

结论：

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，或从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的进程中，能量的总量维持不变。

4.3.3能量守恒定律的探索进程

探索：

研究能量守恒定律的前驱

------俄国化学家 盖斯（课件 照片）

第一个提出守恒思想的人

------德国医生 .迈尔（课件 照片）

奠定了牢固实验基础的人

------英国物理学家 焦耳（课件 照片）

理论上作了重要概况的人

------德国科学家 H.亥姆霍兹（课件 照片）

 意义：

一个普遍适用的定律（比机械能守恒定律应用更广）

将各类现象联系在一路（力学、热学、电学、光学、化学、生物学...）

指导着人们的生产、科研（预言中微子的存在）

19世纪自然科学三大发现之一（恩格斯称其为“伟大的运动大体规律”）

4.3.4热力学第必然律的实质

热力学第必然律是只研究内能与其它形式的能发生转化时的能量守恒定律

 永动机不可能制成

解释：

什么是第一类永动机：

不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功的机械。

设问：

第一类永动机为何失败？

分析：

按照能量守恒定律可知，任何一部机械，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地制造能量，因此第一类永动机违背了能量守恒定律。

是不可能制成的。

人类利用自然必需遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的永动机。

设问：

历史上最先的永动机之一------奥恩库尔（法国人）提出

     它为何不能制造成功？

分析：

虽然右边每一个球产生的力矩大，但球的个数少，左侧每一个球产生的力矩小，但球的个数多，于是轮子不会持续转动下去而对外做功，最终肯定要停下来。

史实：

1775年法国科学院宣布“再也不审查有关永动机的一切设计”

评价：

建议纪念碑“纪念为实现永动机的奋斗而失败的人们”

 课后巩固练习

题1：

一颗子弹以某一水平速度击中了静止在滑腻水平面上的木块，未从木块中穿出．对于这一进程，下列说法中正确的是                               （　　　）

   A．子弹减少的机械能等于木块增加的机械能

   B．子弹减少的动量等于木块增加的动量

   C．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和

   D．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块的内能增量之和

题2：

如图所示的容器，A、B中各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水上面是大气、大气压恒定，A、B间带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热，开始时A的水面比B高，开启K，A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个进程中   （      ）

   A.大气压力对水作功，水的内能增加     B.水克服大气压力作功，水的内能减少

   C.大气压力对水不作功，水的内能不变   D.大气压力对水不作功，水的内能增加

理想气体

题3：

如图所示,密闭绝热的具有必然质量的活塞,活塞的上部封锁着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被紧缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP（弹簧处于自然长度时的弹性势能为零）,现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,通过量次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,通过此进程（       ）

A．EP全数转换为气体的内能

B.  EP一部份转换成活塞的重力势能,其余部份仍

      为弹簧的弹性势能

C．EP全数转换成活塞的重力势能和气体的内能

D．EP一部份转换成活塞的重力势能,一部份转换

     为气体的内能,其余部份仍为弹簧的弹性势能

教学反思

    本节课依照“温习提问、引入新课——设问归纳、提炼规律——深切理解、实践应用——漫步科学感知历程——漫步科学、感知历程——回顾总结、作业巩固”的模式开展，具体做法是：

通过设问温习导入新课，用控制变量的分析方式取得热力学第必然律，再通过题目练习加深理解，然后通过历史的回顾感知能量守恒定律的产生进程，最后通过课外练习探讨所学知识的应用。

本节课注重表现三维教学目标，知识与技术方面着重表现物理学科的思维特征，学生对概念，规律及应用的要求能较好完成，在学习探讨的进程中重视方式和渗透，避免直接告知学生，延缓了知识的形成，还潜移默化地渗透情感态度与价值观的教育，也有利于学生树立严谨的科学探讨观点。

    本节课在理顺思维逻辑关系方面作了合理的设计：

以学生已有知识为基础引入新课，在教学的方式上始终以问题为中心采用合作学习的方式，而且让学生提前在网上准备相关资料，充分调动学生的踊跃性参与到交流学习中，学生的主体地位能取得很好的表现，设计也注重学生情感素养和科学素养的培育，将自主、探讨、合作等融入教学进程，同时也强调对学生学习方式的指导，能做到“知识序、教学序、认知序”的三序合一。

学生也在互动学习中拾级而上，收获知识，感受成功。