第十章熱力學(xué)定律單元教材分析本章以焦耳的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)到“第一類永動(dòng)機(jī)”不可能制成，使我們認(rèn)識(shí)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(jià)的，同時(shí)又使我們認(rèn)識(shí)到“第二類永動(dòng)機(jī)”也不可能制成。熵的概念使我們認(rèn)識(shí)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(duì)環(huán)境的破壞，保護(hù)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(diǎn)是要求學(xué)生有較強(qiáng)的理論聯(lián)系實(shí)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(huì)用熱力學(xué)第一定律分析系統(tǒng)內(nèi)能的變化，會(huì)用能量守恒觀點(diǎn)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。第一節(jié)功和內(nèi)能教學(xué)目標(biāo)：（一）知識(shí)與技能1、了解焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，明確實(shí)驗(yàn)原理。2、理解內(nèi)能的概念，并了解功是能量改變的量度。（二）過程與方法通過實(shí)驗(yàn)探究、知識(shí)類比方法分析來理解內(nèi)能與功的實(shí)質(zhì)關(guān)系。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀物質(zhì)之間的變化是萬千的，它們既相互聯(lián)系，又相互影響。通過焦耳熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)我們?nèi)ヌ剿髯匀?、認(rèn)識(shí)自然的興趣。教學(xué)重點(diǎn)：知道功與內(nèi)能改變的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：1.內(nèi)能的改變與做功的方式無關(guān)，僅與做功的數(shù)量有關(guān)。2.內(nèi)能宏觀概念的建立。教學(xué)方法：觀察、實(shí)驗(yàn)、閱讀、討論和講解法教學(xué)用具：壓縮空氣引火儀，電水壺，溫度傳感器，保鮮膜，毛巾，無色飲料瓶，橡膠瓶塞，打氣筒等，投影儀、投影片。教學(xué)過程：（一）提問、演示實(shí)驗(yàn)引入新課提問：冬天搓手可使雙手變暖；向手吹氣也可使雙手變暖，是什么原因使溫度發(fā)生了變化呢？學(xué)生思考并回答：做功和熱傳遞能改變物體的內(nèi)能。［演示實(shí)驗(yàn)］壓縮空氣引火實(shí)驗(yàn)。出示壓縮空氣引火器，簡(jiǎn)單介紹它的構(gòu)造。取一小塊干燥硝化棉，用鑷子把棉花拉得疏松一些，放入玻璃筒底。將活塞涂上少許凡士林（起潤(rùn)滑和密封作用），放入玻璃筒的上口。此時(shí)要提醒學(xué)生注意觀察筒內(nèi)的棉花。迅速地壓下活塞，可看到硝化棉燃燒發(fā)出的火光。實(shí)驗(yàn)后，組織學(xué)生議論“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么”，從而得出壓縮空氣做功，使空氣內(nèi)能增大，溫度升高引起棉花燃燒?？偨Y(jié)：物體的內(nèi)能跟物體的溫度有關(guān)，溫度越高，物體的內(nèi)能越大。也就是說當(dāng)物體的溫度發(fā)生了變化時(shí)，它的內(nèi)能就發(fā)生了變化。如何改變物體的溫度，同學(xué)們能夠從生活實(shí)際上舉出許多的事例。今天我們先研究一種改變內(nèi)能的方法――做功。（二）新課教學(xué)1、焦耳的實(shí)驗(yàn)教師：從19世紀(jì)以來，人們就逐漸認(rèn)識(shí)到通過做功和熱傳遞兩種方式都可以使熱學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變。下面我們就從焦耳的兩個(gè)代表性實(shí)驗(yàn)來看狀態(tài)的改變。實(shí)驗(yàn)一：焦耳熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)教師：（投影教材50頁圖10.1－2）介紹實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程。讓重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升。如圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，容器中安裝著葉片組成的攪拌器。重物下落時(shí)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)只由于外界對(duì)它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程。多次實(shí)驗(yàn)表明：只要所做功相同，系統(tǒng)狀態(tài)的改變就相同，與懸掛物的質(zhì)量和下落的高度無關(guān)。實(shí)驗(yàn)二：電流熱效應(yīng)給水加熱實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)：電水壺給水加熱，用保鮮膜和毛巾隔熱，用溫度傳感器描繪溫度隨水變化的圖像，結(jié)果為溫度變化與時(shí)間成正比例關(guān)系。這表明，對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)，如果過程是絕熱的，那么不管通過電阻絲的電流或大或小、通電時(shí)間或長(zhǎng)或短，只要所做的電功相等，則系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同。結(jié)論：通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，說明，在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變與做功方式無關(guān)，僅與做功數(shù)量有關(guān)。教師：（投影教材51頁圖10.1－3）介紹實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程。通過電流的熱效應(yīng)給水加熱。如圖所示，正在降落的重物使磁電機(jī)發(fā)電，電流通過浸在液體中的電阻絲，引起液體溫度上升。向?qū)W生提問：焦耳為什么要將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為先將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能再對(duì)絕熱容器內(nèi)的液體加熱呢？學(xué)生思考討論回答：為了驗(yàn)證機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)化的。教師：焦耳實(shí)驗(yàn)有重要的物理意義，為能量守恒定律奠定了基礎(chǔ)。2、內(nèi)能教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材61頁有關(guān)內(nèi)容，思考并回答問題。（1）從做功的角度，如何來定義系統(tǒng)的內(nèi)能？（2）在絕熱過程中，怎樣計(jì)算內(nèi)能的增量？學(xué)生：閱讀教材后回答問題。（1）定義：任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把這個(gè)物理量稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。（2）計(jì)算式：當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的增加量就等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，即。教師：從微觀上看，物體發(fā)生宏觀位移時(shí)，其中所有分子將在無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上附加一個(gè)共同的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)。在做功過程中，通過分子間的碰撞將有規(guī)則運(yùn)動(dòng)能量（宏觀上表現(xiàn)為機(jī)械能）轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿訜o規(guī)則運(yùn)動(dòng)能量。3.［師生活動(dòng)］例題1下圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動(dòng)，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動(dòng)的過程中()A．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能減小例題2地面附近有一正在上升的空氣團(tuán)，它與外界的熱交換忽略不計(jì)．已知大氣壓強(qiáng)隨高度增加而降低，則該空氣團(tuán)在上升過程中(不計(jì)氣團(tuán)內(nèi)分子間的勢(shì)能)()A．體積減小，溫度降低B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低D．體積減小，溫度不變演示教材51頁“做一做”中的實(shí)驗(yàn)，觀察瓶塞跳出時(shí)瓶?jī)?nèi)的變化；封住一部分霧，再向瓶?jī)?nèi)打氣時(shí)瓶?jī)?nèi)的變化。思考有關(guān)的問題，體會(huì)做功與系統(tǒng)內(nèi)能變化的關(guān)系。學(xué)生課后交流，形成結(jié)論。課后利用微課對(duì)演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析并進(jìn)行知識(shí)鞏固訓(xùn)練練一練：1.如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動(dòng)的絕熱活塞．今對(duì)活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動(dòng)一段距離后，氣體的體積減小．若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體()A．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少B．溫度降低，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少C．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能增加D．溫度降低，壓強(qiáng)減，內(nèi)能增加2.如圖所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側(cè)裝有氣體，右側(cè)為真空．現(xiàn)將隔板抽掉,使左側(cè)氣體自由膨脹直至達(dá)到平衡，則在此過程中(不計(jì)氣體的分子勢(shì)能)()A．氣體對(duì)外界做功，溫度降低，內(nèi)能減少B．氣體對(duì)外界做功，溫度不變，內(nèi)能減少C．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能不變D．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能減少（三）課堂總結(jié)本節(jié)課我們從宏觀角度學(xué)習(xí)了功與內(nèi)能的關(guān)系，了解了焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，