高中物理选修3--3第十章第一节《功和内能》新课教学课件.ppt

1、选修选修3 33 3 第十章第十章热力学定律热力学定律10.1功和内能功和内能复习回忆复习回忆问题：问题：做功的两个必要因素是做功的两个必要因素是什么？什么？力与沿力方向上力与沿力方向上通过的位移通过的位移问题：问题：从微观角度来看，什么从微观角度来看，什么叫做物体的内能？从宏观角度叫做物体的内能？从宏观角度来看，内能由什么因素决定？来看，内能由什么因素决定？系统中所有分子热运动的动能与分子势能的总和叫做系系统中所有分子热运动的动能与分子势能的总和叫做系统的内能。宏观上由系统的温度与体积决定。统的内能。宏观上由系统的温度与体积决定。问题：问题：观察动态图，这是一种什么现象？这种现象说明了什观察

2、动态图，这是一种什么现象？这种现象说明了什么？么？摩擦生热，说明摩擦生热，说明“做功能够改变物体的内能，提高物体做功能够改变物体的内能，提高物体的温度的温度”。在现实生活中，钻木取火难度比较大，我们可以在实在现实生活中，钻木取火难度比较大，我们可以在实验室里采用压缩空气的办法来使物体燃烧。验室里采用压缩空气的办法来使物体燃烧。开始开始演示实验：演示实验：在有机玻璃筒底放置少量在有机玻璃筒底放置少量易燃的蓬松的棉花，迅速压下易燃的蓬松的棉花，迅速压下筒中的活塞，你看到了什么现筒中的活塞，你看到了什么现象？象？棉花发生燃烧。棉花发生燃烧。问题：问题：这种现象说明了什么？这种现象说明了什么？做功使得

3、物体温度升做功使得物体温度升高，改变了物体的内能。高，改变了物体的内能。问题：问题：既然做功能够改变系既然做功能够改变系统的内能，那么功与内能之间有统的内能，那么功与内能之间有什么样的数值关系呢？什么样的数值关系呢？英国物理学家英国物理学家-焦耳，通焦耳，通过对一个过对一个绝热性能良好绝热性能良好的热力的热力学系统做功，测量了热量与功学系统做功，测量了热量与功之间的数值（也就是当量）关之间的数值（也就是当量）关系系-热功当量，为热力学第一热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。定了实验基础。焦耳的热功当量实验：焦耳的热功当量实验：系统绝热系统绝热

4、英英.焦耳焦耳 指系统只由于外界对它做功而与外界交指系统只由于外界对它做功而与外界交换能量它不从外界吸热，也不向外界放热的状态变换能量它不从外界吸热，也不向外界放热的状态变化过程。化过程。一、绝热过程：一、绝热过程：1.定义：定义：2.注意：注意：如果对系统变化过程的描述有如果对系统变化过程的描述有“迅速迅速”或或“立即立即”等字眼，则意味着这个系统来不及与外等字眼，则意味着这个系统来不及与外界进行热交换，可近似认为是绝热过程。界进行热交换，可近似认为是绝热过程。温度计始末状态的温度，重温度计始末状态的温度，重物的质量与下落的高度。物的质量与下落的高度。热功当量实验热功当量实验 用绝热性能良好

5、的材料制用绝热性能良好的材料制作的容器内安装有由叶片组成的搅拌器。让重物匀速下降作的容器内安装有由叶片组成的搅拌器。让重物匀速下降带动叶片搅拌容器中的水，叶片与水摩擦引起水温上升。带动叶片搅拌容器中的水，叶片与水摩擦引起水温上升。2.2.实验条件：实验条件：机械量热法：机械量热法：1.1.实验装置与过程：实验装置与过程：容器与水容器与水组成组成的系统与外界绝热。的系统与外界绝热。3.3.测量的物理量：测量的物理量：只要重力所只要重力所做的功相同，容器内水温上做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。统状态的变化是相同的。4 4实验结论：实验结

6、论：容器与水容器与水组成组成的系统与外界绝热。的系统与外界绝热。温度计始末状态的温度，电温度计始末状态的温度，电阻丝中的电流与两端电压，阻丝中的电流与两端电压，通电时间。通电时间。热功当量实验热功当量实验2.2.实验条件：实验条件：机械量热法：机械量热法：1.1.实验装置与过程：实验装置与过程：3.3.测量的物理量：测量的物理量：只要所做的只要所做的电功相同，容器内水温上升电功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。状态的变化是相同的。4 4实验结论：实验结论：用绝热性能良好的材料制用绝热性能良好的材料制作容器。让重物匀速下降带动电动机发电，电流

7、通过浸在作容器。让重物匀速下降带动电动机发电，电流通过浸在水中的电阻丝，使水温上升。水中的电阻丝，使水温上升。发电机A AV VT2二、焦耳热功当量实验：二、焦耳热功当量实验：1.实验结论：实验结论：2.实验意义：实验意义：测出了热功当量（热与功之间的数量关测出了热功当量（热与功之间的数量关系），为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠系），为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。定了实验基础。在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，与做功的具体过程功仅由过程的始末两个状态决定，与做功的具体过程和方式无关。和方

8、式无关。思考：思考：哪些力做功仅由物体的始末两个位置决定，与物体的运哪些力做功仅由物体的始末两个位置决定，与物体的运动路径无关？动路径无关？由于功是能量转化的量由于功是能量转化的量度，那么必定存在一种度，那么必定存在一种依赖于物体所处位置依赖于物体所处位置（或状态）的能量（或状态）的能量重力做功重力做功电场力做功电场力做功做功的数量由始末两做功的数量由始末两个位置（或状态）决个位置（或状态）决定，与具体过程无关。定，与具体过程无关。电势能电势能绝热过程，外绝热过程，外界对系统做功界对系统做功重力势能重力势能内能内能1.1.宏观定义：宏观定义：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系任何一个热

9、力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量就叫做系统的内能。统自身状态的物理量，这个物理量就叫做系统的内能。绝热过程中，系统内能的增加量绝热过程中，系统内能的增加量U UU U2 2U U1 1等于等于外界对系统所做的功外界对系统所做的功W.W.UW三、内能：三、内能：2.2.微观定义：微观定义：系统中所有分子热运动的动能和分子势能的总和系统中所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫做系统的内能。叫做系统的内能。3.3.注意：注意：分子平均动能宏观上由温度决定，分子势能由分分子平均动能宏观上由温度决定，分子势能由分子间距离决定，宏观上由体积决定，也就是内能由系子间距离决定，宏

10、观上由体积决定，也就是内能由系统自身状态决定，因此，两种内能的定义是一致的，统自身状态决定，因此，两种内能的定义是一致的，只是从微观与宏观两个不同角度分析得到。只是从微观与宏观两个不同角度分析得到。4.4.表达式：表达式：W W指外界对系统所做的功指外界对系统所做的功.四、关于四、关于W W（符号指外界对系统做的功）的理解：（符号指外界对系统做的功）的理解：1.当气体体积减小时，外界对气体做功，当气体体积减小时，外界对气体做功，W0.2.当气体体积增大时，气体对外界做功，即外当气体体积增大时，气体对外界做功，即外界对气体做负功，界对气体做负功，W0.3.3.当外界为真空，气体体积增大时，我们将

11、这当外界为真空，气体体积增大时，我们将这种种气体向真空的膨胀过程叫做自由膨胀气体向真空的膨胀过程叫做自由膨胀，此时，此时，气体体积虽然增大，由于没有做功的对象，因气体体积虽然增大，由于没有做功的对象，因此在自由膨胀过程中，气体不做功，此在自由膨胀过程中，气体不做功，W=0W=0。【例题】【例题】下列说法正确的是（下列说法正确的是（）A A 分子的动能与分子的势能的和叫做这个分分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能子的内能B B 物体的分子势能由物体的温度和体积决定物体的分子势能由物体的温度和体积决定C C 物体的速度增大时，物体的内能增大物体的速度增大时，物体的内能增大D D 物体的内能

12、减小时，物体的温度可能增加物体的内能减小时，物体的温度可能增加D【例题】【例题】一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（）A A 物体的机械能和内能都不变物体的机械能和内能都不变B B 物体的机械能减少，内能不变物体的机械能减少，内能不变 C C 物体的机械能增加，内能增加物体的机械能增加，内能增加D D 物体的机械能减少，内能增加物体的机械能减少，内能增加D【例题】【例题】如图所示如图所示,绝热具有一定质量的活塞绝热具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭活塞的上部封闭着气体着气体,下部为真空

13、下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部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另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为此时弹簧的弹性势能为E EP P(弹簧处于自弹簧处于自然长度时的弹性势能为零然长度时的弹性势能为零),),现绳突然断开现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运弹簧推动活塞向上运动动,经过多次往复运动后活塞静止经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态气体达到平衡态,经过此过程经过此过程（）A AE EP P全部转换为气体的内能全部转换为气体的内能

14、B.EB.EP P一部分转换成活塞的重力势能一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍其余部分仍 为弹簧的弹性势能为弹簧的弹性势能C CE EP P全部转换成活塞的重力势能和气体的内能全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D DE EP P一部分转换成活塞的重力势能一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换一部分转换 为气体的内能为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能其余部分仍为弹簧的弹性势能理想理想气体气体 D【例题】【例题】一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（过程中（）A A外界对气

15、体做功，气体分子的平均动能增加外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B B外界对气体做功，气体分子的平均动能减少外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C C气体对外界做功，气体分子的平均动能增加气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D D气体对外界做功，气体分子的平均动能减少气体对外界做功，气体分子的平均动能减少D【例题】金属筒内装有与外界温度相同的压金属筒内装有与外界温度相同的压缩气体，打开筒的开关，筒内高压气体迅速缩气体，打开筒的开关，筒内高压气体迅速向外逸出。待筒内外压强相等时，立即关闭向外逸出。待筒内外压强相等时，立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下，经过一段开关。在外界保持恒温的条件

16、下，经过一段较长的时间后，再打开开关，这时出现的现较长的时间后，再打开开关，这时出现的现象是（象是（）A.A.筒外空气流向筒内筒外空气流向筒内B.B.筒内空气流向筒外筒内空气流向筒外C.C.筒内外空气互相交换筒内外空气互相交换,筒内空气质量不变筒内空气质量不变D.D.筒内外无空气交换筒内外无空气交换B【例题】【例题】如图所示，两个相通的容器如图所示，两个相通的容器P P、Q Q间装有阀间装有阀门门K K，P P中充满理想气体，中充满理想气体，Q Q内为真空，整个系统与外内为真空，整个系统与外界没有热交换打开阀门界没有热交换打开阀门K K后，后，P P中的气体进入中的气体进入Q Q中，中，最终达

17、到平衡，则（）最终达到平衡，则（）A A气体体积膨胀对外做功，内能减小，温度降低气体体积膨胀对外做功，内能减小，温度降低B B气体对外做功，内能不变，温度不变气体对外做功，内能不变，温度不变C C气体不做功，内能不变，温度不变，压强减小气体不做功，内能不变，温度不变，压强减小D D气体分子势能增加，压强可能不变气体分子势能增加，压强可能不变C课堂小课堂小 结结 指系统只由于外界对它做功而与外界交指系统只由于外界对它做功而与外界交换能量它不从外界吸热，也不向外界放热的状态变换能量它不从外界吸热，也不向外界放热的状态变化过程。化过程。一、绝热过程：一、绝热过程：1.定义：定义：2.注意：注意：如果

18、对系统变化过程的描述有如果对系统变化过程的描述有“迅速迅速”或或“立即立即”等字眼，则意味着这个系统来不及与外等字眼，则意味着这个系统来不及与外界进行热交换，可近似认为是绝热过程。界进行热交换，可近似认为是绝热过程。课堂小课堂小 结结二、焦耳热功当量实验：二、焦耳热功当量实验：1.实验结论：实验结论：2.实验意义：实验意义：测出了热功当量（热与功之间的数量关测出了热功当量（热与功之间的数量关系），为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠系），为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。定了实验基础。在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由

19、过程的始末两个状态决定，与做功的具体过程功仅由过程的始末两个状态决定，与做功的具体过程和方式无关。和方式无关。课堂小课堂小 结结1.1.宏观定义：宏观定义：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量就叫做系统的内能。统自身状态的物理量，这个物理量就叫做系统的内能。绝热过程中，系统内能的增加量绝热过程中，系统内能的增加量U UU U2 2U U1 1等于等于外界对系统所做的功外界对系统所做的功W.W.UW三、内能：三、内能：2.2.微观定义：微观定义：系统中所有分子热运动的动能和分子势能的总和系统中所有分子热运动的动能和分子

20、势能的总和叫做系统的内能。叫做系统的内能。3.3.注意：注意：分子平均动能宏观上由温度决定，分子势能由分分子平均动能宏观上由温度决定，分子势能由分子间距离决定，宏观上由体积决定，也就是内能由系子间距离决定，宏观上由体积决定，也就是内能由系统自身状态决定，因此，两种内能的定义是一致的，统自身状态决定，因此，两种内能的定义是一致的，只是从微观与宏观两个不同角度分析得到。只是从微观与宏观两个不同角度分析得到。4.4.表达式：表达式：W W指外界对系统所做的功指外界对系统所做的功.课堂小课堂小 结结四、关于四、关于W W（符号指外界对系统做的功）的理解：（符号指外界对系统做的功）的理解：1.当气体体积减小时，外界对气体做功，当气体体积减小时，外界对气体做功，W0.2.当气体体积增大时，气体对外界做功，即外当气体体积增大时，气体对外界做功，即外界对气体做负功，界对气体做负功，W0.3.3.当外界为真空，气体体积增大时，我们将这当外界为真空，气体体积增大时，我们将这种种气体向真空的膨胀过程叫做自由膨胀气体向真空的膨胀过程叫做自由膨胀，此时，此时，气体体积虽然增大，由于没有做功的对象，因气体体积虽然增大，由于没有做功的对象，因此在自由膨胀过程中，气体不做功，此在自由膨胀过程中，气体不做功，W=0W=0。