102《熱和內(nèi)能》教案(新人教版選修3-3)

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1、熱和內(nèi)能?? 教案 一、教學(xué)目標(biāo) 1.在物理知識(shí)方面要求: 〔1〕知道分子的動(dòng)能,分子的平均動(dòng)能,知道物體的溫度是分子平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。 〔2〕知道分子的勢(shì)能跟物體的體積有關(guān),知道分子勢(shì)能隨分子間距離變化而變化的定性規(guī)律。 〔3〕知道什么是物體的內(nèi)能,物體的內(nèi)能與哪個(gè)宏觀量有關(guān),能區(qū)別物體的內(nèi)能和機(jī)械能。 〔4〕知道做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的,知道兩者的區(qū)別,了解熱功參量的意義。 2.在培養(yǎng)學(xué)生能力方面,這節(jié)課中要讓學(xué)生建立:分子動(dòng)能、分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、物體內(nèi)能、熱量等五個(gè)以上物理概念,又要讓學(xué)生初步知道三個(gè)物理規(guī)律:溫度與分子 平均動(dòng)能關(guān)系,分子勢(shì)能與分

2、子間距離關(guān)系,做功與熱傳遞在改變物體內(nèi)能上的關(guān)系。因此, 教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解能力。 3.滲透物理學(xué)方法的教育:在分子平均動(dòng)能與溫度關(guān)系的講授中,滲透統(tǒng)計(jì)的方法。在分子間勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系上和做功與熱傳遞關(guān)系上都要滲透歸納推理方法。 二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析 1.教學(xué)重點(diǎn)是使學(xué)生掌握三個(gè)概念〔分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、物體內(nèi)能〕,掌握三個(gè)物理規(guī)律〔溫度與分子平均動(dòng)能關(guān)系、分子勢(shì)能與分子之間距離關(guān)系、熱傳遞與功的關(guān)系〕。 2.區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量三個(gè)物理量是教學(xué)上的一個(gè)難點(diǎn);分子勢(shì)能隨分子間距離變化的勢(shì)能曲線是教學(xué)上的另一難點(diǎn)。 三、教具 1.壓縮氣體做功,氣體內(nèi)能

3、增加的演示實(shí)驗(yàn): 圓形玻璃筒、活塞、硝化棉。 2.幻燈及幻燈片,展示分子間勢(shì)能隨分子間距離變化而變化的曲線。 四、主要教學(xué)過程 〔一〕引入新課 我們知道做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體具有機(jī)械能,那么熱現(xiàn)象發(fā)生過程中,也有相應(yīng)的能量變化。另一方面,我們又知道熱現(xiàn)象是大量分子做無規(guī)律熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。那么熱運(yùn)動(dòng)的能量與大量的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系呢這是今天學(xué)習(xí)的問題。 〔二〕教學(xué)過程的設(shè)計(jì) 1.分子的動(dòng)能、溫度 物體內(nèi)大量分子不停息地做無規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng),對(duì)于每個(gè)分子來說都有無規(guī)那么運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。由于物體內(nèi)各個(gè)分子的速率大小不同,因此,各個(gè)分子的動(dòng)能大小不同。由于熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)那么運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,所以研究

4、個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能是沒有意義的。而研究大量分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,需要將所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的平均值求出來,這個(gè)平均值叫做分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。 學(xué)習(xí)布朗運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散現(xiàn)象時(shí),我們知道布朗運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散現(xiàn)象都與溫度有關(guān)系,溫度越高,布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈,擴(kuò)散也加快。依照分子動(dòng)理論,這說明溫度升高后分子無規(guī)那么運(yùn)動(dòng)加劇。用上述分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能來說明,就是溫度升高,分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大。如果溫度降低,說明分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減小。因此從分子動(dòng)理論觀點(diǎn)來看,溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志?!皹?biāo)志〞的含義是指物體溫度升高或降低,表示了物體內(nèi)部大量分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大或減小。溫度不變,就表示了分子熱運(yùn)動(dòng)的

5、平均動(dòng)能不變。其他宏觀物理量如時(shí)間、質(zhì)量、物質(zhì)種類都不是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。但是,溫度不是直接等于分子的平均動(dòng)能。 另一方面,溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)意義上的平均動(dòng)能相對(duì)應(yīng),對(duì)于個(gè)別分子或幾十個(gè)、幾百個(gè)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大小與溫度是沒有關(guān)系的。 我們知道,溫度這個(gè)物理量在宏觀上的意義是表示物體冷熱程度,而它又是大量分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志,這是溫度的微觀含義。 2.分子勢(shì)能 分子間存在著相互作用力,因此分子間具有由它們的相對(duì)位置決定的勢(shì)能,這就是分子勢(shì)能。 如果分子間距離約為10-10m數(shù)量級(jí)時(shí),分子的作用力的合力為零,此距離為r0。 當(dāng)分子距離小于r0時(shí),分子間

6、的作用力表現(xiàn)為斥力,要減小分子間的距離必須克服斥力做功,因此,分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時(shí)彈性勢(shì)能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮,彈性勢(shì)能Ep增大。 如果分子間距離大于r0時(shí),分子間的相互作用表現(xiàn)為引力,要增大分子間的距離必須克服引力做功,因此,分子勢(shì)能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時(shí)彈性勢(shì)能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸,Ep增大。 從以上兩種情況綜合分析,分子間距離以r0為數(shù)值基準(zhǔn),r不管減小或增大,分子勢(shì)能都增大。所以說,分子在平衡位置處是分子勢(shì)能最低點(diǎn)。如果分子間距離是無限遠(yuǎn)時(shí),取分子勢(shì)能為零值,分子間距離從無限遠(yuǎn)逐漸減少至r0以前過程,

7、分子間的作用力表現(xiàn)為引力,而且距離減少,分子引力做正功,分子勢(shì)能不斷減小,其數(shù)值將比零還小為負(fù)值。當(dāng)分子間距離到達(dá)r0以后再減小,分子作用力表現(xiàn)為斥力,在分子間距離減小過程中,克服斥力做功,使分子勢(shì)能增大。其數(shù)值將從負(fù)值逐漸變大至零,甚至為正值。分子勢(shì)能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現(xiàn)出來。從圖中看到分子間距離在r0處,分子勢(shì)能最小。 既然分子勢(shì)能的大小與分子間距離有關(guān),那么在宏觀上什么物理量能反映分子勢(shì)能的大小變化情況呢如果對(duì)于確定的物體,它的體積變化,直接反映了分子間的距離,也就反映了分子間的勢(shì)能變化。所以分子勢(shì)能的大小變化可通過宏觀量體積來反映。 3.物體的內(nèi)能 〔1

8、〕物體中所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和,叫做物體的內(nèi)能。一切物體都是由不停地做無規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)并且相互作用著的分子組成,因此任何物體都是有內(nèi)能的。 提問學(xué)生:宏觀量中哪些物理量是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能和分子勢(shì)能的標(biāo)志 根據(jù)學(xué)生的答復(fù),引導(dǎo)到一個(gè)確定的物體,分子總數(shù)是固定的,那么這物體的內(nèi)能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體,那么物體的內(nèi)能大小是由質(zhì)量、溫度、體積和物態(tài)來決定。 課堂討論題:以下各個(gè)實(shí)例中,比較物體的內(nèi)能大小,并說明理由。 ①一塊鐵由15℃升高到55℃,比較內(nèi)能。 ②質(zhì)量是1kg50℃的鐵塊與質(zhì)量是0.1kg50℃的鐵塊,比較內(nèi)能。 ③質(zhì)量是1k

9、g100℃的水與質(zhì)量是1kg100℃的水蒸氣,比較內(nèi)能。 〔2〕物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著機(jī)械能,熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著內(nèi)能。任何物體都具有內(nèi)能,同時(shí)還可以具有機(jī)械能。例如在空中飛行的炮彈,除了具有內(nèi)能,還具有機(jī)械能——?jiǎng)幽芎椭亓?shì)能。 提問學(xué)生:一輛汽車的車廂內(nèi)有一氣瓶氧氣,當(dāng)汽車以 60km/h行駛起來后,氣瓶?jī)?nèi)氧氣的內(nèi)能是否增加 通過此問題,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)內(nèi)能是所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子勢(shì)能之總和,而不是分子定向移動(dòng)的動(dòng)能。另一方面,物體機(jī)械能增加,內(nèi)能不一定增加。 4.物體的內(nèi)能改變的兩種方式 〔1〕列舉鋸木頭和用砂輪磨刀具,鋸條、木頭和刀具溫度升高,說明克服摩擦力做功,可以使物體的內(nèi)能增加。如果外

10、力對(duì)物體做功全部用于物體內(nèi)能改變的情況下,外力做多少功,物體的內(nèi)能就改變多少。如果用W表示外界對(duì)物體做的功,用ΔE表示物體內(nèi)能的變化,那么有W=ΔE。功的單位是焦耳,內(nèi)能的單位也是焦耳。 演示壓縮空氣,硝化棉燃燒。說明外力壓縮空氣過程,對(duì)氣體做功,使氣體的內(nèi)能增加,溫度升高到棉花的燃點(diǎn)而使其燃燒。 以上實(shí)例說明做功可以改變物體的內(nèi)能。 〔2〕在爐灶上燒熱水,火爐烤熱周圍物體,這些物體溫度升高內(nèi)能增加。這些實(shí)例說明依靠熱傳遞方式也可以使物體的內(nèi)能改變。物體吸收熱量,內(nèi)能增加。物體放出熱量,物體的內(nèi)能減少。如果傳遞給物體的熱量用Q表示,物體內(nèi)能的變化量是ΔE,那么,Q=ΔE。 熱量的計(jì)算公

11、式有:Q=mcΔt,Q=ML,Q=mλ〔后面的兩個(gè)公式分別是物質(zhì)熔解和汽化時(shí)熱量的計(jì)算式〕。熱量的單位是焦耳,過去的單位是卡。 所以做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式。 〔3〕做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。 一杯水可以用加熱的方法〔即熱傳遞方式〕傳遞給它一定的熱量,使它從某一溫度升高到另一溫度。這過程中這杯水的內(nèi)能有一定量的變化。也可以采取做功的方式,比方用攪拌器在水中不斷攪拌,也可以使這杯水從相同的初溫度升高到同一高溫度,這樣,水的內(nèi)能會(huì)有相同的變化量。兩種方式不同,得到的結(jié)果是相同的。除非事先知道,否那么我們無法區(qū)別是哪種方式使這杯水的內(nèi)能增加的。 因此,做功和熱傳遞對(duì)改

12、變物體的內(nèi)能是等效的。 〔4〕雖然做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的,但是這兩種方式的物理過程有本質(zhì)的區(qū)別。做功使物體內(nèi)能改變的過程是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。而熱傳遞的過程只是物體之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。 課上練習(xí): 1.判斷下面各結(jié)論是否正確 〔1〕溫度高的物體,內(nèi)能不一定大。 〔2〕同樣質(zhì)量的水在100℃時(shí)的內(nèi)能比60℃時(shí)的內(nèi)能大。 〔3〕內(nèi)能大的物體,溫度一定高。 〔4〕內(nèi)能相同的物體,溫度一定相同。 〔5〕熱傳遞過程一定是從內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體傳遞熱量。 〔6〕溫度高的物體,含有的熱量多,或者說內(nèi)能大的物體含有的熱量多。 〔7〕摩擦鐵絲發(fā)熱,說明功可以轉(zhuǎn)化為熱量。 參考答案:〔1〕、〔2〕是對(duì)的。 2.在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,100℃的水吸收熱量變成同溫度的水蒸氣的過程,下面的說法是否正確 〔1〕分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能不變,因而物體的內(nèi)能不變。 〔2〕分子的平均動(dòng)能增加,因而物體的內(nèi)能增加。 〔3〕所吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。 〔4〕分子的內(nèi)能不變。 參考答案:以上四個(gè)結(jié)論都不對(duì)。 〔三〕課堂小結(jié) 〔2〕要掌握三個(gè)物理規(guī)律:分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度的關(guān)系、分子間的相互作用力與分子間距離的關(guān)系、做功與熱傳遞在使物體內(nèi)能改變上的關(guān)系。 〔四〕說明

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