高二物理第五章 热力学定律鲁教版知识精讲.doc（推荐）

第一篇：高二物理第五章 热力学定律鲁教版知识精讲.doc（推荐）

高二物理第五章 热力学定律鲁教版

【本讲教育信息】

一.教学内容：

§3-3第五章 热力学定律

二、知识重点：

1、掌握热力学第一定律会用△U = W + Q分析和计算问题

2、掌握能量守恒定律的内容和应用

3、了解热力学第二定律的多种表述和应用

4、综合应用热力学定律、能量守恒定律分析物体内能的变化

5、关于能源和可持续发展的部分知识

三、知识难点：

1、热力学第一定律△U = W + Q中各物理量的意义及正负号的确定，这对学生是很困难的，要用收入、支出和结存的观点去分析，要抓住研究对象。

2、能够理解应用能量守恒的观点去分析和解决问题，它的优越性是不管中间过程细节问题，要逐渐培养学生用能量观点解题。

3、对于热力学第二定律的两种表述的内容的理解和等效性

4、综合应用热力学定律解决物体内能变化关系

（一）热力学第一定律及其应用

1、内容：物体内能的增加等于外界对物体所做的功与从外界吸收的热量之和

2、表达式：ΔU= Q + W

符号法则：Q——吸热取“+”，放热取“－”； W——对物体做功取“+”，物体对外界做功取“－”； ΔU——增加取“+”，减少取“－”。

3、第一类永动机：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器。第一类永动机不可能实现，因为它违背了热力学第一定律（也可以说是违背了能量守恒定律）

例1.下列说法中正确的是 A、物体吸热后温度一定升高

B、物体温度升高一定是因为吸收了热量 C、0℃的冰化为0℃的水的过程中内能不变

D、100℃的水变为100℃的水汽的过程中内能增大 解：吸热后物体温度不一定升高，例如冰融化为水或水沸腾时都需要吸热，而温度不变，这时吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加，所以A不正确。做功也可以使物体温度升高，例如用力多次来回弯曲铁丝，铁丝弯曲点的温度会明显升高，这是做功增加了物体的内能，使温度上升，所以B不正确。冰化为水时要吸热，内能中的分子动能不变，但分子势能增加，因此内能增加，所以C不正确。水沸腾时要吸热，内能中的分子动能不变但分子势能增加，所以内能增大，D正确。

55例2.一定量的气体从外界吸收了2.6×10J的热量，内能增加了4.2×10J。是气体对外

用心

爱心

专心 界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？如果气体吸收的热量仍为2.6×5510J不变，但是内能只增加了1.6×10J，这一过程做功情况怎样？

解：根据题意得出：

55Q = 2.6×10J，△U =4.2×10J，求：W = ？

55根据△U = W + Q代入可得：4.2×10J = W + 2.6×10J 5 W = 1.6×10J

5W为正值，外界对气体做功，做了1.6×10J的功。

555 第二问中：Qˊ= 2.6×10J，△Uˊ=1.6×10J，计算结果Wˊ=-1.0×10J。这说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×10J的功。

例3.关于物体的内能变化，以下说法中正确的是： A、物体吸收热量，内能一定增大 B、物体对外做功，内能一定减小

C、物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D、物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

解析：根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，仅知道物体吸热或仅知道物体对外做功，内能的变化无法确定，选项A、B错误。

若物体吸热（Q>0），而对外做功（W<0），当满足条件W＋Q＝0时，ΔU＝0，选项C正确。若物体放热（Q<0），对外做功（W<0），则ΔU肯定小于零，即内能必减小，选项D错误。正确答案为C。

（二）对能量转化与守恒的理解及其应用

1、能量守恒定律：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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中能量总量保持不变。

2、能量守恒定律的地位表达：能量守恒定律是经过人类的长期探索后，在19世纪确立的。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本定律”，认为它的发现是“19世纪自然科学的三大发现之一”（另两大发现分别是细胞学说和达尔文的生物进化论）。

3、对于“热”这一概念的新理解

（1）摩擦生热――表示机械能转化为内能，这里的“热”字指的是内能。

（2）电熨斗通电后很快热起来――这里的“热”字表示的是冷热程度，表示温度升高的意思。

（3）热功当量――这里的“热”字指的是热量，表示热量与功在改变物体内能数量上具有相当的关系。

（4）热与工农业生产、日常生活有紧密联系――这里的“热”字表示的是物体的一切热现象。

例4.“奋进号”航天飞机进行过一次太空飞行，其主要任务是给国际空间站安装太阳能电池板。该太阳能电池板长L=73m，宽d=12m，将太阳能转化为电能的转化率为η=20%，已

2611知太阳的辐射总功率为P0=3.83×10W，地日距离为R0=1.5×10m，国际空间站离地面的高度为h=370km，它绕地球做匀速圆周运动约有一半时间在地球的阴影内，所以在它能发电的时间内将把所发电的一部分储存在蓄电池内。由以上数据，估算这个太阳能电池板能对国际空间站提供的平均功率是多少？

解：由于国际空间站离地面的高度仅为地球半径的约二十分之一，可认为是近地卫星，h远小于R0，因此它离太阳的距离可认为基本不变，就是地日距离R0。太阳的辐射功率应视

用心

爱心

专心 为均匀分布在以太阳为圆心，地日距离为半径的球面上，由此可以算出每平方米接收到的太22阳能功率I0=P0/4πR0=1.35kW/m（该数据被称为太阳常数），再由电池板的面积和转化率，5可求出其发电时的电功率为P=I0Ldη=2.6×10W，由于每天只有一半时间可以发电，所以平均功率只是发电时电功率的一半即130kW。

例5.下面设想符合能量转化和守恒定律的是

A、利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械 B、做成一条船，利用流水的能量逆水行舟

C、通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行 D、利用核动力，驾驶地球离开太阳系 解析：利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A错，让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故BC可选；设计一种利用反冲理论以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D可选。

（三）热力学第二定律及其应用

1、热力学第二定律的两种表述： 表述一（克劳休斯表述）：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化（按照热传递的方向性来表述）

表述二（开尔文表述）：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。（机械能与内能转化具有方向性）

这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。

意义：热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）

2、热力学第二定律的其它表述：

表述三：第二类永动机是不可能制成的。

（能从单一热源吸收热量，然后全部用来做功，而不引起其他变化的机器，称为第二类永动机。第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。）

3、热机：把内能转化为机械能的装置

表述四：热机效率总是小于100％。

4、能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例证明，我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用。这种现象叫做能量的耗散。它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。

5、热力学第二定律的微观解释：

一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行的。能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。

例6.（2004年高考科研测试）图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接使其缓慢的向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，用心

爱心

专心 则下列说法正确的是

A、气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律

B、气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律

C、气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D、ABC三种说法都不对 答案：C

（四）热力学第三定律：绝对零度不可达到

宇宙中存在着温度的下限：－273.15℃，以这个下限为起点的温度叫做热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K，热力学温度T同摄氏温度t的换算关系是：T = t + 273.15K 虽然实验室中的低温已经非常接近热力学零度了（绝对零度）。大量事实表明：热力学零度不可达到；这个结论称做热力学第三定律。

尽管热力学零度不可能达到，但是只要温度不是绝对零度就总有可能降低。因此，热力学第三定律不阻止人们想办法尽可能地接近绝对零度。

（五）综合应用热力学定律、能量守恒定律分析物体内能的变化

例7.对于一定量的理想气体，下列四个论述中正确的是（）

A、当分子热运动变剧烈时，压强必变大 B、当分子热运动变剧烈时，压强可以不变 C、当分子间的平均距离变大时，压强必变小 D、当分子间的平均距离变大时，压强必变大 答案：C

例8.如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动P的过程中（）

A、外力对乙做功；甲的内能不变 B、外力对乙做功；乙的内能不变

用心

爱心

专心 C、乙传递热量给甲；乙的内能增加 D、乙的内能增加；甲的内能不变 答案：C

【知识扩展】

（六）能源与可持续发展：

1、常规能源与新能源；

常规能源有：煤、石油、天然气等

新能源有：风能、潮汐能、太阳能、原子能、沼气等。

2、常规能源的储备与利用间的关系：

3、常规能源的利用与环境污染

环境污染的种类：大气污染、水污染、噪声污染 具体有：温室效应、酸雨、光化学污染

4、环境污染的防止

（1）什么叫常规能源，常规能源在你所了解的工农业生产、生活中有哪些应用？ 答：煤、石油、天然气叫常规能源。火力发电要消耗煤；交通运输工具的工作要燃烧汽油；烧水做饭要燃烧天然气等等

（2）目前人类所使用的能源主要有哪几种？其中哪些是属于可再生能源？哪些属于不可再生能源？

答：煤、石油、天然气、水能、风能、沼气、太阳能、核能等。其中水能、风能属可再 生能源而石油、煤、天然气、核能属不可再生能源，沼气和太阳能具有取之不尽用之不竭，不污染环境的特点。

（3）为什么说现在世界正面临能源危机？

答：世界能源消费主要以煤、石油、天然气为主，每年的消费量大约相当于80亿吨石油，我国的消费量约占世界的10.8%,其中煤的消耗占世界的26.6%，成为全球第一大煤消费国。而这些能源都是非可再生的。都是地质时代生物固定太阳能积累下来的，用一点少一点。据估计按目前的开采速度，石油、天然气可开采40年左右，煤可开采200——300年左右。虽然太阳能具有取之不尽用之不竭的特点，但它的利用受天气的影响较大，还不能大规模利用。因此世界正面临能源危机。

（4）为什么要大力提倡节能？请你谈谈节能的措施。

答：正是由于上面的世界性的能源危机，使得节能成了世界性的发展趋势。就连世界头号超级大国美国也猛然醒悟，推出一系列节能的新举措，因为每获得1美元国民生产总值，消费的能源为同样情况下的日本、德国的两倍。在我国，能源对国民生产总值的产出率是世界平均水平的1/7。据统计，1952年——1987年，国民收入增长8.9 倍，而同期能耗却增长14.9倍，每获取1美元国民生产总值耗能是世界平均水平的2.3倍。这样造成我国每年多消耗标准煤6亿吨。低水平的利用，单位产值的高耗能。使我国能源浪费很大，但同时也蕴藏着节能的潜力。

而问题并不仅仅在此，节能对减少环境的污染也有重要的意义。如每燃烧一吨煤可产生440千克的二氧化碳，20千克的二氧化硫，260千克灰渣，15千克烟尘。而二氧化硫、二氧化碳又是造成酸雨、加剧温室效应的直接原因。我国北方城市几乎100%的大气悬浮粒超标，25%的城市人口饮用不符合卫生标准的水，这是污染所致。随着我国人口的增加，经济的快速发展，能源需求将会进一步加大，如国民经济按每年8%——9%的速度递增，2010年能源将缺口8亿吨——10亿吨标准煤，占全年总需求量的30%。形势严峻，怎么办？办法是有的，那就是厉行节约能源，开发新能源。①要加大宣传力度，教育人们从自身节约1两油、1度

用心

爱心

专心 电做起，牢记能源有限，浪费一点少一点，树立节能光荣，浪费可耻的观念。②要依靠先进的科学技术加强设备更新，降低能耗，提高能源利用率。

【模拟试题】

1、一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相比（）A、气体内能一定增加 B、气体内能一定减小

C、气体内能一定不变 D、气体内能是增是减不能确定

2、如图所示的绝热容器，把隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡（）

A、气体对外做功，内能减少，温度降低 B、气体对外做功，内能不变，温度不变

C、气体不做功，内能不变，温度不变，压强减小 D、气体不做功，内能减少，压强减小

3、关于对永动机的认识，下列说法正确的是：（）

A、第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律，所以都不可能制成

B、第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机没有违背能量守恒定律，因此，随着科学技术的迅猛发展，第二类永动机是可以制成的。

C、第一类永动机违反了热力学第一定律，第二类永动机违反了热力学第二定律，这两类永动机都不可能制成。

D、两类永动机的实质和工作原理是相同的，都是人们的美好设想，是永远不会实现的

4、如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K、P中充满气体，Q为真空，整个系统与外界没有热交换.打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则（）

A、气体体积膨胀，内能增加 B、气体分子势能减少，内能增加 C、气体分子势能增加，压强可能不变 D、Q中气体不可能自发地全部退回到P中

5、下列说法中正确的是（）

A、任何物体的内能就是组成物体的所有分子热运动动能的总和

B、只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 C、做功和热传递在改变内能的方式上是不同的 D、满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行

6、对一定质量的气体，下列说法中正确的是 A、温度升高，压强一定增大

B、温度升高，分子热运动的平均动能一定增大

用心

爱心

专心 C、压强增大，体积一定减小

D、吸收热量，可能使分子热运动加剧、气体体积增大

7、关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是 A、第二类永动机违反能量守恒定律

B、如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C、外界对物体做功，则物体的内能一定增加

D、做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的

8、下图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫致冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中致冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时致冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是

A、热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外

B、电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C、电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 D、电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

9、如图，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小

A、从外界吸热 B、内能增大 C、向外界放热 D、内能减小

10、关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是()A、吸热的物体，其内能一定增加 B、体积膨胀的物体，其内能一定减少 C、放热的物体，其内能也可能增加 D、绝热压缩的物体，其内能一定增加

11、一定量气体可经不同的过程从状态(P1、V1、T1)变到状态(P2、V2、T2)，已知T2＞T1，则在这些过程中()A、气体一定都从外界吸收热量

B、气体和外界交换的热量都是相等的 C、外界对气体所做的功都是相等的 D、气体内能的变化量都是相等的

用心

爱心

专心

12、关于物体的内能，下列说法中正确的是()A、相同质量的两种物体升高相同的温度，内能增量一定相同 B、一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少

C、一定量的气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减小 D、一定质量的气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减小

13、行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流，上述不同现象中所包含的相同物理过程是()A、物体克服阻力做功

B、物体的势能转化为其他形式的能量 C、物体的动能转化为其他形式的能量 D、物体的机械能转化为其他形式的能量

14、太阳直接射到地面上的辐射功率，在与光垂直的平面上，每平方米的功率约为140W，2若面积为2m，且与阳光垂直的某热水器内有10kg的水，若水的初温为20℃，热效率为80%，3需多长时间才能使水沸腾?(C水＝4.2×10J/kg·℃)

5515、一定量的气体从外界吸收了4.2×10J的热量，内能增加了2.6×10J。是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？

用心

爱心

专心

试题答案

1、D

2、C

3、C

4、D

5、C

6、BD

7、D

8、BC

9、C

10、CD

11、D

12、BC

13、AD

14、解：设时间t内太阳辐射到水面的能量为E＝P0S·t，水吸收的能量为E′＝ηE＝80%P0S·t 又∵ Q吸＝cmΔt，且有 Q吸＝E′ ∴ cmΔt＝80%P0St cm△t4.21031080故 t＝＝s＝15000s.0.814020.8p0s15、解析：引起物体内能变化的物理过程有两种，做功和热传递，由于物体内能的增加量

5小于物体从外界吸收的热量，所以一定存在物体对外界做功。Q＝4.2×10J>0，ΔU＝2.6×555510J>0，根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q得W＝2.6×10J－4.2×10J＝－1.6×10J<0，W为负值，表明物体对外界做功。

用心

爱心

专心

第二篇：高二物理库伦定律教案

库仑定律教案

枣庄二中

宋庆华

一、教材分析

库仑定律既是电荷间相互作用的基本规律，又是学习电场强度和电势差概念的基础，也是本章重点，不仅要求学生定性的知道，而且还要求定量的了解和应用。对库仑定律的讲述，教材是从学生已有认识出发，采用了一个定性实验，展示库仑定律的内容和库仑发现这一定律的过程，并强调该定律的条件和意义。

二、学情分析

学生在上一节的学习中掌握了电荷之间存在相互作用力，且同性相斥，异性相吸。掌握了电荷守恒定律，并会简单的运用。在力学的学习中，学会了处理共点力作用下物体的平衡，并会通过偏转角度的变化判断受力的变化，初步掌握了研究多个变量之间关系的常用方法—控制变量法。学生的观察水平不断的提高，能够初步地、独立发现事物的本质及各个主要细节，发现事物的因果关系。具有初步的归纳重点，抓住问题本质的能力。已经初步具备了基本地实验操作和实验观察能力。

三、教学目标

1、知识与技能：

(1)了解定性实验探究与理论探究库伦定律建立的过程。(2)库伦定律的内容及公式及适用条件，掌握库仑定律。

2、过程与方法

(1)通过定性实验,培养学生观察、总结的能力，了解库伦扭秤实验。(2)通过点电荷模型的建立,感悟理想化模型的方法。

3、情感态度与价值观

(1)体验探究自然规律的艰辛与喜悦；培养学生热爱科学的，探究物理的兴趣。

(2)培养学生“发现问题，提出假设，并用实验来验证”的探究物理规律的科学方法与思路。(3)通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。

四、教学重点和难点

教学重点：库仑定律及其理解与应用。教学难点：库仑定律的实验探究。

教学难点的突破措施：定性实验探究与定量实验视频及理论探究相结合。

五、教学用具

多媒体课件、起电机、验电器,带绝缘柄的金属小球,毛皮，橡胶棒，气球，易拉罐，用金属薄纸包裹的泡沫小球，铁架台。

六、教学过程

引入新课

演示实验：让气球摩擦起电，将气球靠近易拉罐，会发生什么现象？（易拉罐被气球吸引滚动起来了。）既然电荷之间存在相互作用，那么电荷之间相互作用力的大小与什么因素有关呢？ 新课教学：

（一）探究电荷间作用力的决定因素 电荷间相互作用力可能与哪些因素有关？(1)你认为实验应采取什么方法？

控制变量法。

(2)你想选取什么形状的带电体？

给出立方体，圆柱体，球形带电体让学生选择。

(3)这种作用力的大小可以通过什么方法直观的显示出来？

学生：比较悬线偏角的大小。(4)你想选取哪些实验器材？

球形导体，两个自制的带细线的用香烟金属纸包裹的泡沫小球，铁架台，感应起电机，橡胶棒，毛皮，(5)实验前先思考：可用什么方法改变带电体的电荷量?(6)实验探究步骤：

引导学生得出实验的具体步骤 细线吊一个小球A（带电），另一个带同种电的小球B，A球受力平衡时，细线偏离竖直方向一个角度θ.①保持距离r一定，研究相互作用力F与距离r的关系.先让塑料球带电，后给球形导体带电并逐渐增加电量，观察偏角； ②保持电量q一定，研究相互作用力F与电荷量Q的关系.将球形导体逐渐靠近减小距离，观察偏角。学生实验、观察记录并得出结论：

先画受力图，如果B对A的力是水平的，则F电=mgtanθ，如果θ越大，则F电越大，这样可以通过θ的变化来判断F电的变化。

定性实验结论：

距离r一定，电量q增加，偏角变大，作用力F电越大：

电量q一定，距离r越小，偏角越大，作用力F电越大。实验条件：保持实验环境的干燥和无流动的空气 播放配套课件

（二）定量实验探究，结合物理学史，得出库仑定律：

提出问题：带电体间的作用力与距离及电荷量有怎样的定量关系呢？

定性实验探究结论：间距增大，作用力减小；电荷量增大，作用力增大。请同学们想一下，我们以前有没有遇到过类似的物理规律呢？ 提示：如果把上面结论中的电荷量换成质量呢？

1、分析问题：万有引力的变化规律与电荷间的作用力变化规律有很大的相似性，这就使我们联想到，既然在变化规律上具有相似性，那么表达公式也应该是类似的,。下面请同学们根据万有引力定律的公式，大胆地猜想一下电荷间作用力的公式。

2、提出猜想（类比）：我们这样猜想的公式是否正确呢？要想验证我们的想法，需要进行实验探究，我们仍然用控制变量法进行探究。

3、定量探究三者的关系：

教师提出库仑在探究三者之间的定量关系时遇到的三大困难：

① 带电体间作用力小，没有足够精密的测量仪器；怎样确定带电体间的作用力的数量

关系？

② 没有电量的单位，无法比较电荷的多少；怎样确定电荷量的数量关系？

③ 带电体上电荷分布不清楚，难测电荷间距离。怎样测定电荷间的距离？

引导学生用类比的方法得出三大困难的对策：

卡文地许扭称实验——库仑扭称实验，对称性——等分电荷法，质点——点电荷

①放大思想：力很小，但力的作用效果（使悬丝扭转）可以比较明显。

②转化思想：力的大小正比于悬丝扭转角，通过测定悬丝扭转角度倍数关系即可得到力的倍数关系。

③均分思想：带电为Q的金属小球与完全相同的不带电金属小球相碰分开，每小球带电Q/2，同理可得Q/

4、Q/

8、Q/16等等电量的倍数关系（电荷在两个相同金属球之间等量分配）。课件演示电荷在相同的两个金属球间的等量分配.④理想化模型思想：把带电金属小球看作点电荷（理想化模型）利用刻度尺间接测量距离。点电荷：当带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看做带电的点，叫点电荷。它是一个理想化模型，实际上点电荷不存在。(与“质点”进行比较)

4、引导学生观看库仑扭秤的实验视频与库仑当时的数据，总结规律。（观看视频）库仑扭称实验，库伦在艰苦的条件下，联想到万有引力定律和卡文地许扭称实验，利用巧妙的库伦扭秤装置和方法，发现了库伦规律。通过刚才的展示过程让学生了解库仑探究的过程、思路、方法。你能用自己的语言总结出规律吗？

学生：电荷间相互作用力与电荷间距离成平方反比关系，与电荷电量乘积成正比。介绍：库仑扭称实验只能定量测出同种电荷间相互作用力，库仑还利用电单摆实验定量测出异种电荷间作用力大小。让学生体会库仑定律的完美。

（三）库仑定律：

1、内容：真空中两个点电荷间的作用力大小与两电荷量的乘积成正比，与电荷间的距离平方成反比；方向在它们的连线上。这个规律叫做库仑定律。电荷间这种相互作用的电力叫做静电力或库仑力。

2、公式：

Q1Q2r2

3、说明：

①k为静电力常量, k=9.0×109N.m2/C2，其大小是用实验方法确定的。其单位是由公式中的F、Q、r的单位确定的，使用库仑定律计算时，各物理量的单位必须是：F：N，Q：C，r：m。

②库仑定律的适用条件：真空中，两个点电荷之间的相互作用。让学生回答实际带电体可以看成点电荷的条件。思考：当r趋向于0时，F趋向于无穷大吗？

③关于点电荷之间相互作用是引力还是斥力的表示方法，使用公式计算时，点电荷电量用绝对值代入公式进行计算，然后根据同性电荷相斥、异性电荷相吸判断方向。Fk④F是Q1与Q2之间的相互作用力，是Q1对Q2的作用力，也是Q2对Q1的作用力的大 小，是一对作用力和反作用力，即大小相等方向相反。

⑤库仑力(静电力)是性质力，与重力，弹力，摩擦力是并列的。

任意带电体可以看成是由许多点电荷组成的，所以，知道带电体上的电荷分布，根据库仑定律和力的合成法则就可以求出带电体间的静电力的大小和方向。

（四）库仑定律与万有引力定律的比较

例题1：

已知氢核（质子）的质量m2=1.67×10-27 kg，电子的质量m1=9.1×10-31kg，电子和质子的电荷量都是1.60×10-19C，在氢原子内电子与质子间的最短距离为5.3×10-11m。试比较氢原子中氢核和电子之间的库伦力和万有引力。(课件播放解题过程)小结：

库仑定律在应用时，可以不代入电性符号，直接代入绝对值，最后判定方向；

计算说明万有引力远远小于库仑力，以后在研究微观带电粒子的相互作用力时,通常可以忽略万有引力。

讨论：比较库仑定律和万有引力定律（相似点与不同点）,你会有什么样的感想？如何认识自然规律的多样性与统一性？

（五）静电力的叠加

对于两个以上的点电荷，其中每一个点电荷所受的总的静电力，等于其他点电荷分别单独存在时对该点电荷的作用力的矢量和。

例题2：

真空中有三个点电荷，它们固定在边长50cm的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷都是+2×10-6C，求他们各自所受的库仑力。（课件播放解题过程）小结：选择研究对象，画出受力图，由库伦定律和平行四边形定则求解。

七、当堂达标：

1、关于点电荷的说法，正确的是（）A、只有体积很小的带电体，才能作为点电荷 B、体积很大的带电体一定不能看作点电荷 C、点电荷一定是电量很小的电荷

D、体积很大的带电体只要距离满足一定条件也可以看成点电荷

2、库仑定律公式中静电力常数k的大小为_______________．在国际单位制中k的单位是________．

3、库仑定律的适用范围是（）A、真空中两个带电球体间的相互作用 B、真空中任意带电体间的相互作用 C、真空中两个点电荷间的相互作用

D、真空中两个带电体的大小远小于它们之间的距离，则可应用库仑定律

4、两个点电荷相距为r，相互作用力为F，则（）A、电荷量不变，距离加倍时，作用力变为F/4 B、其中一个点电荷的电荷量和两点电荷之间的距离都减半时，作用力不变

C、每个点电荷的电荷量和两个点电荷间的距离都增加相同的倍数时，作用力不变

D、将其中一个点电荷的电荷量取走一部分给另一个点电荷，两者的距离不变，作用力可能不变

5、真空中有两个点电荷A、B．其带电量qA=2qB，当二者相距0.01m时，相互作用力为1.8×10-2N，则其带电量分别为qA=_____，qB=_____．

6、真空中有三个同种的点电荷，它们固定在一条直线上，如图所示，它们的电荷量均为4.0×10－12C，求Q2受到静电力的大小和方向。

八、教学反思：

九、教学的资源：

物理选修3-1 物理课程标准

物理教学参考书

物理优秀教案选

十、参考答案：

1、D

2、在真空中两个1C的点电荷相距1m时的相互作用力．N·m2／C23、CD

4、ACD 5、2×108C，1×108C6、1.110

11N，方向向右。

第三篇：热力学及统计物理第二章知识总结

§2.1内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分

热力学函数中的物态方程、内能和熵是基本热力学函数，不仅因为它们对应热力学状态描述第零定律、第一定律和第二定律，而且其它热力学函数也可以由这三个基本热力学函数导出。

焓：自由能：

吉布斯函数：

下面我们由热力学的基本方程(1)即内能的全微分表达式推导焓、自由能和吉布斯函数的全微分

 焓、自由能和吉布斯函数的全微分

o

焓的全微分

由焓的定义式，求微分，得，将（1）式代入上式得o 自由能的全微分

(2)由得

(3)o 吉布斯函数的全微分

(4)从方程（1）（2）（3）（4）我们容易写出内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分dU，dH，dF，和dG独立变量分别是S，V；S，P；T，V和T，P 所以函数U（S，V），H（S，P），F（T，V），G（T，P）就是我们在§2.5将要讲到的特性函数。下面从这几个函数和它们的全微分方程来推出麦氏关系。

二、热力学（Maxwell）关系(麦克斯韦或麦氏)(1)U（S，V）

利用全微分性质（5）

用（1）式相比得（6）

再利用求偏导数的次序可以交换的性质，即

（6）式得（2）H（S，P）

（7）

同（2）式相比有

由得（8）

（3）F（T，V）

同（3）式相比

（9）

（4）G（T，P）

同（4）式相比有

（10）

（7），（8），（9），（10）式给出了热力学量的偏导数之间的关系，称为麦克斯韦（J.C.Maxwell）关系，简称麦氏关系。它是热力学参量偏导数之间的关系，利用麦氏关系，可以从以知的热力学量推导出系统的全部热力学量，可以将不能直接测量的物理量表示出来。例如，只要知道物态方程，就可以利用（9），（10）式求出熵的变化，即可求出熵函数。

§2.2麦氏关系的简单应用

证明

1.求

选T,V为独立变量，则内能U（T,V）的全微分为

（1）

熵函数S(T,V)的全微分为(2)又有热力学基本方程由(2)代入(3)式得

(3)

(4)(4)相比可得(5)(6)由定容热容量的定义得

(7)2.求

选T、P为独立参量，焓的全微分为

（8）

焓的全微分方程为（9）

以T、P为自变量时熵S（T、P）的全微分表达式为

(10)将(10)代入(9)得(11)(8)式和(11)式相比较得(12)

(13)

(14)3求

由(7)(14)式得(15)把熵S看作T,V的函数,再把V看成T,P的函数,即对上式求全微分得

∴代入（15）式得

由麦氏关系得即得证

（16）

4、P，V，T三个变量之间存在偏导数关系

而

可证

（17）

§2.3气体的节流过程和绝热膨胀过程

气体的节流过程(节流膨胀)和绝热膨胀是获得低温的两种常用方法,我们利用热力学函数来分析这两种过程的性质

一,气体的节流(焦耳---汤姆逊效应)

1、定义：如图所示

有一由绝热材料制成的管子,中间用一多孔塞(节流阀)隔开,塞子一边维持较高的压强P,另一边维持较低的压强P,在压力的作用下,气体由高压的一边经过多孔塞流向低压的一边。由于多孔塞对气流的巨大的阻力，气体的宏观流速极小，因而对应的动能可以略去。我们把气体在绝热条件下，气体由稳定的高压经过多孔塞流到稳定的低压一侧的过程称为气体的节流过程。

2、特点：

  它是不可逆的，这是显然的，因为气体通过多孔塞时，要克服阻力作功，这种功转变成热。

初态与末态等焓，证明如下

开始在多孔塞左边取一定量的气体，压强为其压强、体积、内能分别为外界对这部分气体所作的功是一定律有

，，体积为，内能为.气体通过多孔塞后，，气体在节流过程前后，内能增加为，因为过程是绝热的，根据热力学第移项后得

根据焓的定义式得（1）

焓是一个状态量，可见节流前后气体的焓不发生变化，但对于气体在过程中所经历的非平衡态焓是没有定义的。这儿指的是初态和终态气体的焓相等。

 J-Th效应

实验表明：气体经节流后，其温度可能升高，也可能降低，也可能不变，我们称在节流过程中温度随压强改变的现象为焦耳—汤姆逊效应。这个效应用焦汤系数

来表示，它的定义为（2）

上式的右方表示在等焓过程中温度随压强的改变，应当注意的是在节流过程中气体的压强总是降低的（dp<0）,因而 1）当时，表明节流后气体的温度降低了，气体节流后变化了，称为正效应；

2）时，即在节流后气体变热了，叫做负效应；

3）时，气体经节流后温度不变，叫做零效应；

一种气体节流后温度如何变化与状态方程及气体节流前后的状态有关。

3，与态式的关系

取T，P为状态参量，状态函数焓可表为H=H（T，P）。应用数学公式，其偏导数间应存在下述关系：

及定量热容量

得

（3）

又由体胀系数定义代入上式得

（3）（4）给出了焦—汤系数与物态方程及热容量的关系 将1mol理想气体物态方程代入（3）得

∴

说明理想气体在节流过程前后温度不变，理想气体没有焦—汤效应。

 J—Th图

（3）式右边的参量是可以由实验测量的，我们可以画出T—P曲线，如图是的J—Th图，图中实验代表等焓线，可由实验直接测定，等函数的斜线转换温度，虚线处等函数的斜线，使的温度称为焦汤效应的，的曲线称为转换曲线，如图所示虚线即表示转换曲线。虚线左边节流过程降温（正效应），虚线右边流的降温效应使气体降温而液化。

二、气体的绝热膨胀，节流过程升温（负效应）。所以可以利用节另一种使气体降温的有效方法是使气体作准静态的（可逆）绝热膨胀（等熵膨胀），因为绝热过程所以,所以准静态绝热过程系统的熵不变。分析绝热膨胀过程中气体的温度随压强的变化关系，取T，P为状态参量，状态函数熵可表为S=S（T，P）。其全微分方程

由，和麦氏关系

代入上式得（5）

上式右方总是正的，所以，这表示气体在绝热膨胀中随着压强的减小，它的温度总是降低的，也就是气体绝热膨胀变冷了。

§2,4基本热力学函数的确定

我们通过热力学第一和第二定律，态函数的全微分特性及Maxwell关系，导出热力学函数的微积分方程表达式，并通过此函数给出内能和熵的直接测量参数的表达式，即可认为这个热力学函数可被测定了。

1、以T,V为状态参量，基本热力学函数的测定

物态方程为（1）

内能的全微分为

(2)沿一条任意的积分路线求积分，可得

（3）

（3）式既内能的积分表达式。以Ｔ，Ｖ为变量熵的全微分为

（４）

求线积分得此即熵的积分表达式

（５）

由（３），（５）式可知，如果测得物质的和物质方程即可求得内能函数和熵函数．

２、以Ｔ，Ｐ为状态参量，基本热力学函数的确定

物态方程为（６）

以Ｔ，Ｐ为独立参量时，先求Ｈ是很方便的焓的全微分为

（7）求线积分得此即焓的积分表达式

（8）

由即可求得内能

熵的全微分为（9）

上式求线积分，得此即熵的积分表达式。

（10）

由式（8）（10）可知，只要测得物质的和物态方程，就可以求得物质的焓，内能和熵。

同样方法，利用态函数的全微分特性，热力学定律的微分表达式及Maxwell关系，可求得所有热力学函数的表达式。通过这些表达式，利用直接测得的物理量和物态方程，可完全地确定热力学函数。

3、举例，求Van(范)氏气体系统的内能U和熵S 解：范氏气体的物态方程为

得

由麦氏关系得

§2.5特性函数

一、特性函数

1、定义

特性函数：适当选择独立变量（称为自然变量）之后，只要知道一个热力学函数，就可以通过求偏导数求得均匀系统的全部热力学函数，从而把均匀系统的平衡性质完全确定。这个热力学函数称为特性（征）函数。

内能U作为S，V的函数，焓H作为S,P的函数，自由能F做为T,V的函数，吉布斯函数G作为T，P的函数都是特性函数。在应用上最重要的特性函数是自由能F和吉布斯函数G，相应的独立变量分别是T,V和T,P，下面分别说明之。

2、已知自由能F(T,V)以T,V为独立参量，（1）

全微分方程：（2）

可以求得系统的熵及压强为（3）

求出的压强P是以T,V为参量的函数，实际上就是物态方程。

由自由能的定义式，得

内能（4）

称为吉布斯—亥姆霍兹（H.Helmholtz）第一方程。

3、已知吉布斯函数G（T,P）

以T,P为独立参量（5）

G的全微分方程为（6）

可以求系统的熵和体积，（7）

由吉布斯函数定义式得

内能（8）

又（9）

（10）

自由能和焓也可以由吉布斯函数G(T,P)求得 其中（10）称为吉布斯—亥姆霍兹第二方程。

二、求表面系统的热力学函数

表面张力是在液体表面发生的现象，液体表面是液体与其它相的分界面实际上是很薄的一层，其中性质在与表面垂直的方向上有急剧的变化。在理论处理上把这一薄层理想化，作为一个几何面而假设在分界面两方的两相都是均匀的，假设使液相的质量包括全部质量，因此表面作为一个单独相时不包括有液相的质量。

把表面当作一个相时，它有面积A，内能U，熵S，表面张力系数，已知在等温的条件下，使液体表面积增大dA，表面张力的功与自由能的减少有如下关系：

实验表明：表面张力系数则（1）

仅与温度有关，与表面积大小无关，积分上式并取积分常数为0，即表面张力系数等于单位面积的自由能。

写出表面系统的基本方程（自由能的全微分）

（2）

由此得（3）

其中S为表面系统的熵，由于只是温度的函数，所以上式中的就可写为。所以

（4）

由自由能的定义式得

（5）

由（1）（4）（5）可以看出，只要知道了表面张力系数，就能得到表面系统所有的热力学量，在这个意义上，我们说代表了表面系统的特性。

§2.6平衡辐射的热力学

一、平衡辐射

1、定义：

在光学中已经讲过，温度高于0K的任何物体都以电磁波的形式向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内电磁辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等，都取决于物体的温度，因此，这种辐射就称为热辐射。物体作热辐射的同时还吸收外界物体的辐射能，如果物体对电磁波的辐射和吸收达到平衡则称为平衡辐射。

2、空腔辐射 假设有一个封闭的空腔，腔壁保持恒定的温度T，由于腔壁不断发射和吸收辐射能，经过一定的时间后，空腔内的电磁辐射场将与腔壁达到平衡，形成平衡，形成平衡辐射场或空腔辐射，具有共同的温度T。

应用热力学第二定律能够证明：腔内电磁辐射的能量（内能）密度和能量密度按频率的分布只取决于温度，与空腔的其它性质（材料、形状等）无关。用反证法证明：

证明：我们考察用不同材料制成的形状不同的两个空腔A和B，它们有共同的温度，如图所示：

如果能量密度的分布与空腔的材料和形状有关，我们可以假设A的能量密度大于B，这时用细管把A,B连通起来，并在A,B与细管连接处插入一个滤光片，只允许圆频率为

到范围内的电磁波（辐射）通过，能量将从A辐射到B而使A降温，B升温，这样就使温度相同的两个空腔A,B自发地出现了温度差。于是就可以设计一个热机工作于A,B之间，对外作功，两相连的空腔相当于单一热源的热机，这就违背了热力学第二定律的开氏表述（不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化）。

所以假设不正确，即证得空腔辐射的能量按频率的分布只可能是温度的函数，而与腔壁的材料和形状无关，3、平衡辐射的热力学函数

由经典电磁理论得知辐射压强P与辐射能量密度u的关系为：

（1）

将空腔辐射看作热力学系统，我们选温度T和体积V为状态参量。由于空腔辐射的能量密度u仅是温度T的函数，则辐射场的总能量U(T,V)(2)能量U实际上就是平衡辐射场的内能。下面我们讨论它是温度T的函数关系，并找出其它的热力学函数。

利用内能的全微分式和麦氏关系得

（3）由（1）式得（4）

由（2）式得（5）

将（1）（4）（5）代入（3）式得

分离变量得

积分，得

（6）

可以看出，空腔辐射的能量密度u与绝对温度T的四次方成正比。代入（2）式得平衡辐射场的内能为

（7）

由将（1）（6）（7）式代入

积分得 当V=0时，就没有辐射场了得

∴熵的表达式为（8）

（9）

（10）

在统计物理学部分将会看到，G=0的结果是与光子不守恒相联系的。

在可逆绝热过程中，平衡辐射场的熵不变，所以由（8）式得平衡辐射场的绝热方程为（11）

我们在理论上已推出能量密度

二、黑体辐射，有u就有全部的热力学函数。

我们无法利用实验直接测量能量密度u,但是可以测量绝对黑体发射出来的辐射通量密度，通过来求得u的值。

1、绝对黑体

绝对黑体：如果一个物体在任何温度下都能把投射到上面的任何频率的电磁波全部吸收，这个物体称为绝对黑体。黑体.swf 自然界中没有真正的黑体，但可以制造具有绝对黑体的装置。

如果是一人造黑体，空腔开有小孔，通过小孔射入空腔的电磁波，需要经过腔壁多次反射才有可能从小孔射出。由于每一次反射腔壁都要吸收一部分电磁波。经过多次反射后从小孔射出的电磁波将全部被空腔所吸收。因此可以把带有小孔的空腔看作一个绝对黑体。这个空腔中的电磁辐射也称为黑体辐射。

2、辐射通量密度.单位时间通过单位面积向一侧辐射的总能量，称为辐射通量密度。由电动力学可知辐射通量密度与辐射能量密度之间的关系为

（12）

将理论得到的代入(12)式得(13)

称为斯特藩常量，通过黑体的辐射通量密度测出(13)式称为斯特藩——玻耳兹曼定律。

§2.7 磁介质的热力学

一、磁介质的全微分方程

忽略磁介质的体积变化功外，类似定义

二次偏导次序不变

二、热容量

(麦氏关系)（1）

由，得

（2）

定义：磁介质的热容量为（3）

将（1）（3）式代入上式得

假设磁介质遵从居里定律，则

（4）

表明：等式右边大于零，所以绝热条件下减少磁场这个效应称为绝热去磁致冷，也是获得低温的方法。

三、有体积变化功时的磁介质全微分方程

可得：有体积变化功时磁介质的麦氏关系式

第四篇：热力学统计物理

热力学统计物理（目录）

第一章 热力学的基本规律

第二章 均匀物质的热力学性质

第三章 单元系的相变

第四章 多元系的复相变平衡和化学平衡 热力学平衡

第五章 不可逆过程热力学简介

第六章近独立粒子的最概然分布

第七章 波尔茨曼统计

第八章 玻色统计和费米统计

第九章 系宗理论

第十章 涨落理论

第十一章 非平衡态统计理论初步

第五篇：高二物理电阻定律教案3

第三节 电阻定律（2）

教学目的：进一步深化对电阻概念的认识，掌握电阻率的物理意义。教学过程： 复习引入：（1）欧姆定律是如何表述的？

（2）不同导体的电阻大小不同，那么，导体电阻的大小是由哪些因素决定的呢？

我们这堂课就来研究这个问题。

讲授新课：

演示实验：在如图所示的电路中，保持BC间的电压不变

① BC间接入同种材料制成的粗细相同，但长度不相同的导线。现 象：导线越长，电路中电流越小。

计算表明：对同种材料制成的横截面积相同的导线，电阻大小

跟导线的长度成正比。

② BC间接入同种材料制成的长度相同，但粗细不相同的导线。现 象：导线越粗，电路中的电流越大

计算表明：对同种材料制成的长度相同的导线，电阻大小跟导线的横截面种成反比。即：导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比——这就是电阻定律。

R∝L/S

R=ρL/S„„„„„„（1）

（1）式中的ρ是个比例系数.当我们换用不同材料的导线重做上述实验时会发现:不同材料的ρ值是不相同的,可见, ρ是个与材料本身有关的物理量,它直接反映了材料导电性的好坏,我们把它叫做材料的电阻率.ρ＝RS/L„„„„„„（2）

注意: ⑴电阻率ρ的单位由(2)式可知为:欧姆米(Ωm)各种材料的电阻率在数值上等于用该材料制成的长度为1米,横截面积为1平方米的导体的电阻.但电阻率并不由R S和L决定.⑵引导学生阅读P30表格 思考: ①哪些物质电阻率小,哪些物质电阻率大? 纯金属的电阻率小,合金的电阻率较大,橡胶的电阻率最大.②电阻率相差悬殊各有什么用途? 电阻率小用作导电材料,电阻率大的用作绝缘材料.0③表中说明“几种材料在20C时的电阻率”,这意味着什么? 材料的电阻率跟温度有关系.各种材料的电阻率都随温度而变化.a,金属的电阻率随温度的升高而增大,用这一特点可制成电阻温度计(金属铂).b,康铜,锰铜等合金的电阻率随温度变化很小,故常用来制成标准电阻.c,当温度降低到绝对零度附近时,某些材料的电阻率突然减小到零,这种现象叫做超导现象,处于这种状态的物体叫做超导体.综上所述可知:电阻率与材料种类和温度有关.(对某种材料而言,只有温度不变时ρ才是定值,故(1)式成立的条件是温度不变)在温度不变时,导线的电阻跟它的长度成正比,跟它的横截面积成反比——这就是电阻定律。巩固新课：

提出问题1：改变导体的电阻可以通过哪些途径？

回 答：改变电阻可以通过改变导体的长度，改变导体横截面积或是更换导体材料等途径。最简 单的方法是通过改变导体的长度来达到改变电阻的目的。（以P31（5）题为例介绍滑线变阻器的构造及工作原理）

提出问题2:有一个长方体的铜块,边长分别为4米,2米,1米(如图所示),求它的电阻是多大?(铜的-8电阻率为1.7×10欧米).通过本例注意: R=ρL/S 中S和L及在长度L中, 导体的粗细应该是均匀的.提出问题3:一个标有“220V，60W”的白炽灯泡，加上的电压U是由0逐渐增大到220V，在此过程中，电压U和电流I的关系可用图线表示，在下图中的四个图线中，肯定不符合实际的是（ACD）

提出问题4：一根粗细均匀的电阻丝，当加2V电压时，通过的电流强度为4A。现把此电阻丝均匀拉长，然后加1V的电压，这时电流强度为0.5A.求此时电阻丝拉长后的长度应原来长度的几倍?（2倍）

-6提出问题5:一立方体金属块,每边长2cm,具有5×10欧的电阻,现在将其拉伸为100米长的均匀导线,求它的电阻?（125欧）

作 业：1.高二物理课本P30(1)～(4)2.《基础训练》第三节电阻定律