高中物理 2.1-2.2能量守恒定律 热力学第一定律课件 新人教版选修1-2

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1、第二章 能量的守恒与耗散 一、能量守恒定律 二、热力学第一定律 情境导入 课程目标 有一种全自动手表 , 既不需要上发条 , 也不用任何电池 , 却能不停地走下去 , 这是不是一种永动机 ? 如果不是 , 你知道维持指针走动的能量是哪儿来的吗 ? 你能设法验证吗 ? 提示 : 全自动手表是通过一种机械装置把人体活动时的能量储存起来 , 连续地向外释放 , 所以它不是永动机。如果将这种手表长时间放在一个无振动的地方 , 不再有动能向弹性势能的积累 , 指针就会停止走动。 1 . 知道各种形式的能量可以相互转化 , 理解能量守恒定律的基本内容。 2 . 知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律

2、, 了解第一类永动机不可能实现的道理。 3 . 知道热力学第一定律的内容及表达式 , 明确表达式中各物理量及其正、负值所代表的物理意义。 4 . 能用热力学第一定律分析和计算与热现象有关的一些简单问题。 一 二 三 一、能量守恒定律 1 . 自然界中存在各种形式的能量 自然界中的物质做着各种形式的运动 , 每一种运动都有一种形式的 能与它对应 :与机械运动对应的是 机械 能 , 与物体中分子热运动对应的是 内 能 ,与电磁运动对应的是 电磁 能 2 . 各种形式的能都可以相互转化 由于自然界中物体的各种运动形式都有 联系 , 所以各种形式的能量都可以相互转化。例如 : “ 摩擦生热 ” 现象中

3、 机械 能转化为 内 能 , 电流通过电热器做功时将 电 能转化为 内 能等。 一 二 三 3 . 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 到别的物体 , 在转化和转移的过程中 , 能量的 总量 保持不变。这就是能量守恒定律。 ( 2 ) 意义 能量守恒定律把各种自然现象统一起来 , 描绘出一幅自然界普遍 联系的清晰图景。 一 二 三 二、永动机 1 . 概念 :不需要动力 , 却可以源源不断地对外 做功 的机器叫永动机。 2 . 不可制成的原因 任何一部机器 , 只能使能量从一种形式转化为另一

4、种形式 , 而不能无中生有地 制造 能量 , 因此 , 根本不能造出永动机。 一 二 三 思考 不耗油的汽车能不能制成 , 为什么 ? 不消耗能量的汽车呢 ? 提示 :前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等 ,但是不消耗任何能量的汽车不可能制成 ,因为它违背能量守恒定律。 一 二 三 三、热力学第一定律 ( 1 ) 内容 物体内能的增加等于物体从外界 吸收 的热量与 外界 对 物体 所做的功的总和 , 这就是热力学第一定律。 一 二 三 ( 2 ) 表达式 : U= Q + W 。 ( 3 ) W 、 Q 、 U 正负号的确定 W :

5、 外界对系统做功 , W 取 正 值 ; 系统对外界做功 , W 取 负 值。 Q :系统从外界吸热 , Q 取 正 值 ; 系统向外界放热 , Q 取 负 值。 U :系统内能增加 , U 取 正 值 ; 系统内能减少 , U 取 负 值。 一 二 三 思考 打气筒是日常生活中的一种工具 , 当我们用打气筒给自行车打气的时候 , 就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳 , 有什么感觉 ? 这是怎么回事 ? 提示 :打气筒的温度升高了 ,这是由于给自行车打气时 ,压缩空气做功使得系统的内能增加 ,所以温度升高。 探究 一 探究 二 对能量守恒定律的理解 问

6、题导引大约在 1570 年 , 意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯 , 提出用磁石的吸力可以实现制造永动机。他的设计如图所示 , A 是一个磁石 , 铁球 G 受磁力吸引可沿斜面滚上去 , 滚到上端的 E 处 , 从小洞 B 落下 , 经曲面 B F C 返回 , 而后又被磁石吸引 , 铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。请问 , 它真会那样吗 ? 探究 一 探究 二 提示 :不会 ,因为只要铁球能滚到上端的 E 处 ,就不可能从小洞 B 落下。另外 ,从能量守恒定律的角度考虑 ,铁球也不可能连续运动 ,原因是摩擦力做功最终会将机械能转化为内能。 探究 一 探究 二 名师精讲 1 . 能量守恒定律 (

7、 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到另一个物体 , 在转化和转移过程中其总量保持不变。 探究 一 探究 二 ( 2 ) 重要意义 找到了各种自然现象的公共量度 能量 , 从而把各种自然现象用定量规律联系起来 , 揭示了自然规律的多样性和统一性。 突破了人们关于物质运动的机械观念的范围 , 从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍 ,它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称 19 世纪自然科学中三大发现 , 其重要意义由此可见。 具有

8、重大实践意义 , 即彻底粉碎了永动机的幻想。 探究 一 探究 二 ( 3 ) 应用思路 在应用能量守恒定律处理问题时 , 首先要分清系统有多少种能量 ( 如动能、势能、内能、电能 ) 在互相转化 , 哪种形式的能量增加了 , 哪种形式的能量减少了 , 总之应准确把握以下两点 : 某种形式的能减少 , 一定有 其他形式的能增加 , 且减少量和增加量一定相等。 某一物体的能量减少 , 一定存在其他物体的能量增加 , 且减少量和增加量一定相等。 探究 一 探究 二 2 . 第一类永动机 ( 1 ) 概念 :不需要动力 , 不消耗能量 , 却能源源不断地对外做功的机器。 ( 2 ) 结果 :无一例外归

9、于失败。 ( 3 ) 原因 :第一类永动机违背了能量守恒定律。 ( 4 ) 启示 :人们利用和改造自然 , 必须遵循自然规律。 探究 一 探究 二 【例题 1 】 一铁块沿斜面释放后滑下 , 恰好做匀速运动 , 那么在下滑过程中 ( ) A. 铁块机械能减少 , 内能增加 B. 铁块机械能守恒 , 内能不变 C. 铁块具有的总能量不变 D. 铁块具有的总能量增加 解析 :铁块下滑时 ,由于摩擦力做功 ,机械能减少 ,而摩擦生热 ,使斜面及铁块内能增加。铁块的总能量减少了 ,斜面和铁块组成的系统的能量的总量不变。故正确选项为 A 。 答案 : A 探究 一 探究 二 题后反思 能量不会凭空产生

10、, 也不会凭空消失 , 所以如果某种形式的能量在减少 , 那么一定是别的形式的能量在增加 , 这是自然界中普遍遵循的规律。 探究 一 探究 二 对热力学第一定律的理解 问题导引如图所示 , 大口玻璃瓶内有一些水 , 水的上方有水蒸气 , 向瓶内打气 , 在瓶塞跳出的过程中 , 会观察到什么现象 ? 这个过程是外界对系统做功还是系统对外界做功 ? 该过程系统的内能如何变化 ? 探究 一 探究 二 提示 :当瓶塞跳出时 ,我们会发现瓶内的瓶口处有 “ 白雾 ” 产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气 ,在瓶塞跳出的过程中 ,是系统膨胀对外界做功 ,系统的内能减少 ,温度降低。瓶内和瓶口处的

11、 “ 白雾 ” 实际上是瓶内的水蒸气遇冷液化形成的小液滴。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 做功和热传递在改变物体内能上的关系 ( 1 ) 两种方式的区别 做功 :其他形式的能和内能之间的转化。当机械能转化为内能时 , 必须通过物体的宏观运动才能实现。热传递 :物体间内能的转移 , 即内能从物体的一部分传到另一部分 , 或从一个物体传递给另一个物体。它是在分子相互作用下 , 通过分子的微观运动来达到内能的改变的。物体间发生热传递的必要条件是存在温度差。在热传递过程中 , 内能从高温物体传递给低温物体 ,使高温物体内能减少、低温物体内能增加 , 最后达到温度相等。 ( 2 ) 两种方式的联系

12、 做功和热传递都可以改变物体的内能 , 从它们改变内能的最终结果看 ,两者是等效的。 探究 一 探究 二 2 . 对热力学第一定律的理解 ( 1 ) 热力学第一定律的研究对象 研究功、热量跟内能的变化之间的定量关系。 ( 2 ) 热力学第一定律的表达式 我们知道 , 做 功和热传递都可以改变物体的内能。在一般情况下 , 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程 , 那么 , 外界对物体所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于物体内能的增加 U , 即 U = Q + W 。 上式所表示的功、热量跟内能改变之间的关系 , 叫作热力学第一定律。 探究 一 探究 二 ( 3 ) 热力学第一定

13、律的符号法则 做功 W 热量 Q 内能的改变 U 取正 值 “ + ” 外界对系统做功 系统从外界吸收热量 系统的内能增加 取负 值 “ - ” 系统对外界做功 系统向外界放出热量 系统的内能减少 探究 一 探究 二 ( 4 ) 热力学第一定律的物理意义 热力学第一定律就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。不同形式的能与物质的不同运动形式相对应。如机械能与机械运动相对应 , 内能与分子热运动相对应 , 电能与电荷的运动相对应 , 原子能与原子核运动相对应等等。能量的转化是物质运动形式相互转化的反映 ,在一切涉及热现象的宏观过程中 , 能量可以发生转移或转化 , 在转移或转化过

14、程中总能量守恒。 探究 一 探究 二 ( 5 ) 热力学第一定律应用时的几种特殊情况 若系统是绝热的 , 即 Q= 0 , 则 W= U , 外界对系统做的功等于系统内能的增量。 若过程中不做功 , 即 W= 0 , 则 Q= U , 系统吸收的热量等于系统内能的增量。 若过程的始末状态系统的内能不变 , 即 U= 0 , 则 W + Q = 0 , W= - Q , 外界对系统做的功等于系统放出的热量。 3 . 外界对系统或系统对外界做功的确定方法 ( 1 ) 对于某一系统 , 一般来说系统对外界做功 , 表现出系统体积膨胀 ; 外界对系统做功 , 系统体积则被压缩。所以 , 若系统的体积增

15、大 , 则系统对外界做功 , W 0 。 ( 2 ) 气体自由膨胀 ( 外界为真空 ) 时 , 气体没有克服外力做功 , 即不对外做功 , 此时 W= 0 。 探究 一 探究 二 【例题 2 】 一定量的气体在某一过程中 , 外界对气 体做了 8 104J 的功 ,气体的内能减少了 1 . 2 105J , 则下列各式中正确的是 ( ) A. W= 8 104J , U= 1 . 2 105J , Q= 4 104J B. W= 8 104J , U= - 1 . 2 105J , Q= - 2 105J C. W= - 8 104J , U= 1 . 2 105J , Q= 2 104J D. W= - 8 104J , U= - 1 . 2 105J , Q= - 4 104J 解析 :因为外界对气体做功 , W 取正值 ,即 W= 8 104J ;内能减少 , U 取负值 ,即 U= - 1