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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律教案及反思
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律教案及反思，共8页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练，教学反思等内容，欢迎下载使用。
物理观念∶知道热力学第一定律及其符号法则，能从热力学学的视角正确描述和解释生活中的热现象，能灵活应用热力学第一定律解决实际问题。
科学思维∶理解热力学第一定律的公式，并能在新的生活情境中对问题进行分析和推理。
科学探究：通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。
科学态度与责任∶从焦耳的实验到热力学第一定律，认识到我们应该具有实事求是的态度，认识到物理学是人类认识自然的方式之一。
教学重难点
教学重点：热力学第一定律的公式及其符号法则。
教学难点：热力学第一定律和实际应用。
教学过程
【新课引入】
单纯做功：ΔU1＝W，单纯传热：ΔU2＝Q
做功和传热这两种方法在改变系统的内能方面是等价的，即一定数量的功与确定数量的热相对应。
那么，当外界既对系统做功又对系统传热时，内能如何变化？
【新知探究】
一、热力学第一定律
既然做功与传热对改变系统的内能是等价的，那么当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是
ΔU=W+Q
热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。
下面具体分析。
①内能的变化量ΔU
它应该等于分子动能ΔEK和分子势能ΔEP的增量之和。对于同一物体而言，分子动能的变化只与温度有关。而分子势能的变化则与温度，状态和体积都有关系。注意，谈论气体的内能时，一般是忽略分子势能的，所以认为气体内能只与温度有关。
如果固体和液体不发生物态变化，那分子势能变化较小，所以你可以认为此时内能的变化也只与温度有关。内能增加时温度上升，反之温度下降。但当固体熔化液体凝固，也就是发生物态变化时，温度不变，但内能改变。
②传递的热量Q
如果Q>0，表示系统吸热；如果Q<0表示系统放热。能进行吸放热的条件，一是系统与外界存在温度差，二是能导热。
当系统与外界处于绝热状态时Q=0，所谓绝热的情况有两种，一是系统与外界直接用隔热材料分开。二是内能的改变过程太快，比如之前提到的猛的向下按压活塞，导致棉花燃烧起来。这是因为短时间内做的功远大于放热，所以此情况也可以认为是绝热状态。
③所做的功W
如果W>0，说明外界对系统做功。如果W<0，就是系统对外界做功。
例如，这样一个容器中活塞向下运动，此时活塞对容器中气体的力，还有活塞的位移都是向下的，所以活塞对气体做了正功，此时气体体积减小。反过来如果气体把活塞顶起来，那活塞对气体的力还是向下的，可位移是向上的，活塞就得对气体做负功，此时气体体积膨胀。
总结：对于一般具体而言，体积减小时外界对气体做功，W>0；体积增大时，气体对外界做功，W<0。
热力学第一定律中各量的正、负号及含义
外界对系统做功，最好的例子就是压燃实验，系统对外界做功就是气体膨胀的过程，就是那个喷雾实验。
热力学第一定律的应用
一般的解题步骤：
①确定研究对象
②根据符号法则写出各已知量（W、Q、∆U）的正负。
③代入方程ΔU＝W＋Q 求出未知量。
④再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功和内能增减情况。
【例1】一定量的气体，从外界吸收热量2.7×105J，内能增加4.3×105J。在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
解析：
Q=+2.7×105J，∆U= +4.3×105J
根据ΔU= Q +W
得：W= +1.6×105J >0
即外界对气体做功
课本例题 如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J。
（1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。
（2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。
动图播放汽缸活塞的运动过程，增加学生的学习兴趣。
分析：根据热力学第一定律，在第（1）问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，活塞对气体所做的功 W，为正值。在第（2）问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，气体对外界所做的功W，为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此Q1、Q2均为负值。
解 （1）压缩过程活塞对气体做的功：W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J
气体内能的变化量ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
（2）气体膨胀过程中气体对外界所做的功：W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J
气体内能的变化量ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J，在膨胀做功过程中气体内能减少了 930 J。
二、热力学第一定律和气态方程的综合应用
1.分析思路
(1)利用体积的变化分析做功情况．
气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．
(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．
理想气体的分子势能为零，气体的内能就是所有分子的动能之和，内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小．
(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．
由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程
【例2】（多选） 一定质量的气体向外界放出了200J的热量，同时气体在一个标准大气压下，被等压压缩了3L，下列说法正确的是（ ）
A．气体的内能减小了500J B．气体的内能增加了100J
C．气体每个分子的动能都增加 D．气体的温度一定升高
解析：
气体的体积减小，外界对气体做功：W=pΔV=300J
气体向外界放出热量，Q=-200J
根据ΔU= Q +W
得：ΔU =100J>0，气体的内能增加了100J
故选BD
2.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：
Q＝0，则ΔU＝W，系统的内能变化量等于外界对系统做的功．
(2)等容过程：
W＝0，则ΔU＝Q，内能的变化等于系统吸收或者放出的热量.
(3)等温过程：
ΔU＝0，则W＝－Q，系统的内能不变，外界对系统做的功等于系统吸收或者放出的热量．
【例3】如图所示，置于水平桌面上的汽缸导热良好，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用水平向右的外力F作用在活塞上，使其缓慢向右移动，汽缸始终静止，外界温度保持不变。在活塞被拉出汽缸前的过程中（ ）
A．气体对外界做功，吸收热量 B．气体温度降低，放出热量
C．气体压强逐渐减小，内能减小 D．气体体积逐渐增大，内能增大
答案 C
【例4】一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，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，则在整个过程中一定有（ ）
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2 C.W2=W1 D.Q1>Q2
解析：由题意知W1>0，W2<0；Q1>0，Q2<0
故W=W1-W2，Q=Q1-Q2，
由于从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，所以∆U=W+Q=0，
即得：（W1-W2）+（Q1-Q2）=0
故选A
【课堂小结】
【随堂演练】
1.对一定量的气体，下列说法正确的是（ ）
A. 在体积缓慢地不断增大的过程中，气体一定对外界做功
B. 在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功
C. 在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D. 在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变
解析：气体体积缓慢地增大，克服外界阻力而做功，故选项A正确。压强增大，可能是由于吸热升温，气体体积增大、减小，不变都有可能，所以外界对气体不一定做功，故选项B借误。体积不断被压缩的过程中，外界对气体做功，但是传热情况不明，气体的内能变化情况不能确定，所以选项C错误，传热和做功都可以改变内能，仅知没有传热，并不能确定内能不变，故选项D错误。
2.下列说法正确的（
A.外界对一定质量的理想气体做功，其体积一定减小，内能一定增大
B.一定质量的理想气体从外界吸收热量，其温度一定升高，内能一定增大
C.一定质量的理想气体内能增加，其温度不一定升高
D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移观点来看这两种改变方式是有区别的
解析：A.体积减小时，外界对气体做功，但后面说内能一定增大就不对，因为题目中没有说到系统吸热的情况，所以A不正确。B.只知道系统吸热，但不知道外界对系统做功的情况，所以最后无法判断气体的温度和内能变化，所以B也不对。C.气体内能只与温度有关，所以内能增加，温度一定升高，所以C错。D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观念来看，这两种改变方式是有区别的，的确如此。我们知道做功是能量转化，热传递是能量转移方式，当然有区别，所以D是正确的。
3.一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程（ ）
气体从外界吸收热量2.0×105J
气体向外界放出热量2.0×105J
气体从外界吸收热量6.0×104J
Ｄ．气体向外界放出热量6.0×104J
解析：外界对气体做功，W>0，即W为正；气体内能减少，ΔU<0，为负值。由热力学第一定律ΔU = W + Q
把W=7.0×104J，ΔU=-1.3×105J代入得：Q=-2.0×105J。选B。
4.用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少?
解：以被压缩的空气为研究对象
压缩空气W为正值，W=900J，向外传热Q为负值，Q=-210J
代入得：ΔU = W + Q
ΔU =900+（-210）
=690J
内能变化了690J，增加。
【教学反思】
这节课的内容比较少，有了上节课的知识作为基础，学生学习起来也相对容易。但是这节课还是有一些不够完善的地方，比如课本习题的讲解，没有能够很好结合功和热量取正负值的含义去解题，再有就是例题中的图像问题也没有进行剖析。从这个例题中，我们还要努力培养学生从生活场景中构建出物理模型的能力。
物理量
符号
意义
符号
意义
W
+
外界对系统做功
-
系统对外界做功
Q
+
物体吸热
-
物体放热
ΔU
+
内能增加
-
内能减少
物理观念∶知道热力学第一定律及其符号法则，能从热力学学的视角正确描述和解释生活中的热现象，能灵活应用热力学第一定律解决实际问题。
科学思维∶理解热力学第一定律的公式，并能在新的生活情境中对问题进行分析和推理。
科学探究：通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。
科学态度与责任∶从焦耳的实验到热力学第一定律，认识到我们应该具有实事求是的态度，认识到物理学是人类认识自然的方式之一。
教学重难点
教学重点：热力学第一定律的公式及其符号法则。
教学难点：热力学第一定律和实际应用。
教学过程
【新课引入】
单纯做功：ΔU1＝W，单纯传热：ΔU2＝Q
做功和传热这两种方法在改变系统的内能方面是等价的，即一定数量的功与确定数量的热相对应。
那么，当外界既对系统做功又对系统传热时，内能如何变化？
【新知探究】
一、热力学第一定律
既然做功与传热对改变系统的内能是等价的，那么当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是
ΔU=W+Q
热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。
下面具体分析。
①内能的变化量ΔU
它应该等于分子动能ΔEK和分子势能ΔEP的增量之和。对于同一物体而言，分子动能的变化只与温度有关。而分子势能的变化则与温度，状态和体积都有关系。注意，谈论气体的内能时，一般是忽略分子势能的，所以认为气体内能只与温度有关。
如果固体和液体不发生物态变化，那分子势能变化较小，所以你可以认为此时内能的变化也只与温度有关。内能增加时温度上升，反之温度下降。但当固体熔化液体凝固，也就是发生物态变化时，温度不变，但内能改变。
②传递的热量Q
如果Q>0，表示系统吸热；如果Q<0表示系统放热。能进行吸放热的条件，一是系统与外界存在温度差，二是能导热。
当系统与外界处于绝热状态时Q=0，所谓绝热的情况有两种，一是系统与外界直接用隔热材料分开。二是内能的改变过程太快，比如之前提到的猛的向下按压活塞，导致棉花燃烧起来。这是因为短时间内做的功远大于放热，所以此情况也可以认为是绝热状态。
③所做的功W
如果W>0，说明外界对系统做功。如果W<0，就是系统对外界做功。
例如，这样一个容器中活塞向下运动，此时活塞对容器中气体的力，还有活塞的位移都是向下的，所以活塞对气体做了正功，此时气体体积减小。反过来如果气体把活塞顶起来，那活塞对气体的力还是向下的，可位移是向上的，活塞就得对气体做负功，此时气体体积膨胀。
总结：对于一般具体而言，体积减小时外界对气体做功，W>0；体积增大时，气体对外界做功，W<0。
热力学第一定律中各量的正、负号及含义
外界对系统做功，最好的例子就是压燃实验，系统对外界做功就是气体膨胀的过程，就是那个喷雾实验。
热力学第一定律的应用
一般的解题步骤：
①确定研究对象
②根据符号法则写出各已知量（W、Q、∆U）的正负。
③代入方程ΔU＝W＋Q 求出未知量。
④再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功和内能增减情况。
【例1】一定量的气体，从外界吸收热量2.7×105J，内能增加4.3×105J。在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
解析：
Q=+2.7×105J，∆U= +4.3×105J
根据ΔU= Q +W
得：W= +1.6×105J >0
即外界对气体做功
课本例题 如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J。
（1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。
（2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。
动图播放汽缸活塞的运动过程，增加学生的学习兴趣。
分析：根据热力学第一定律，在第（1）问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，活塞对气体所做的功 W，为正值。在第（2）问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，气体对外界所做的功W，为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此Q1、Q2均为负值。
解 （1）压缩过程活塞对气体做的功：W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J
气体内能的变化量ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
（2）气体膨胀过程中气体对外界所做的功：W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J
气体内能的变化量ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J，在膨胀做功过程中气体内能减少了 930 J。
二、热力学第一定律和气态方程的综合应用
1.分析思路
(1)利用体积的变化分析做功情况．
气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．
(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．
理想气体的分子势能为零，气体的内能就是所有分子的动能之和，内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小．
(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．
由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程
【例2】（多选） 一定质量的气体向外界放出了200J的热量，同时气体在一个标准大气压下，被等压压缩了3L，下列说法正确的是（ ）
A．气体的内能减小了500J B．气体的内能增加了100J
C．气体每个分子的动能都增加 D．气体的温度一定升高
解析：
气体的体积减小，外界对气体做功：W=pΔV=300J
气体向外界放出热量，Q=-200J
根据ΔU= Q +W
得：ΔU =100J>0，气体的内能增加了100J
故选BD
2.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：
Q＝0，则ΔU＝W，系统的内能变化量等于外界对系统做的功．
(2)等容过程：
W＝0，则ΔU＝Q，内能的变化等于系统吸收或者放出的热量.
(3)等温过程：
ΔU＝0，则W＝－Q，系统的内能不变，外界对系统做的功等于系统吸收或者放出的热量．
【例3】如图所示，置于水平桌面上的汽缸导热良好，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用水平向右的外力F作用在活塞上，使其缓慢向右移动，汽缸始终静止，外界温度保持不变。在活塞被拉出汽缸前的过程中（ ）
A．气体对外界做功，吸收热量 B．气体温度降低，放出热量
C．气体压强逐渐减小，内能减小 D．气体体积逐渐增大，内能增大
答案 C
【例4】一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，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，则在整个过程中一定有（ ）
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2 C.W2=W1 D.Q1>Q2
解析：由题意知W1>0，W2<0；Q1>0，Q2<0
故W=W1-W2，Q=Q1-Q2，
由于从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，所以∆U=W+Q=0，
即得：（W1-W2）+（Q1-Q2）=0
故选A
【课堂小结】
【随堂演练】
1.对一定量的气体，下列说法正确的是（ ）
A. 在体积缓慢地不断增大的过程中，气体一定对外界做功
B. 在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功
C. 在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D. 在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变
解析：气体体积缓慢地增大，克服外界阻力而做功，故选项A正确。压强增大，可能是由于吸热升温，气体体积增大、减小，不变都有可能，所以外界对气体不一定做功，故选项B借误。体积不断被压缩的过程中，外界对气体做功，但是传热情况不明，气体的内能变化情况不能确定，所以选项C错误，传热和做功都可以改变内能，仅知没有传热，并不能确定内能不变，故选项D错误。
2.下列说法正确的（
A.外界对一定质量的理想气体做功，其体积一定减小，内能一定增大
B.一定质量的理想气体从外界吸收热量，其温度一定升高，内能一定增大
C.一定质量的理想气体内能增加，其温度不一定升高
D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移观点来看这两种改变方式是有区别的
解析：A.体积减小时，外界对气体做功，但后面说内能一定增大就不对，因为题目中没有说到系统吸热的情况，所以A不正确。B.只知道系统吸热，但不知道外界对系统做功的情况，所以最后无法判断气体的温度和内能变化，所以B也不对。C.气体内能只与温度有关，所以内能增加，温度一定升高，所以C错。D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观念来看，这两种改变方式是有区别的，的确如此。我们知道做功是能量转化，热传递是能量转移方式，当然有区别，所以D是正确的。
3.一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程（ ）
气体从外界吸收热量2.0×105J
气体向外界放出热量2.0×105J
气体从外界吸收热量6.0×104J
Ｄ．气体向外界放出热量6.0×104J
解析：外界对气体做功，W>0，即W为正；气体内能减少，ΔU<0，为负值。由热力学第一定律ΔU = W + Q
把W=7.0×104J，ΔU=-1.3×105J代入得：Q=-2.0×105J。选B。
4.用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少?
解：以被压缩的空气为研究对象
压缩空气W为正值，W=900J，向外传热Q为负值，Q=-210J
代入得：ΔU = W + Q
ΔU =900+（-210）
=690J
内能变化了690J，增加。
【教学反思】
这节课的内容比较少，有了上节课的知识作为基础，学生学习起来也相对容易。但是这节课还是有一些不够完善的地方，比如课本习题的讲解，没有能够很好结合功和热量取正负值的含义去解题，再有就是例题中的图像问题也没有进行剖析。从这个例题中，我们还要努力培养学生从生活场景中构建出物理模型的能力。
物理量
符号
意义
符号
意义
W
+
外界对系统做功
-
系统对外界做功
Q
+
物体吸热
-
物体放热
ΔU
+
内能增加
-
内能减少
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