物體的內能 教學設計
我們知道,溫度這個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動平均動能大小的標志,這是溫度的微觀含義。2.分子勢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位置決定的勢能,這就是分子勢能。如果分子間距離約為10-10m數量級時,分子的作用力的合力為零,此距離為r0。當分子距離小于r0時,分子間的作用力表現為斥力,要減小分子間的距離必須克服斥力做功,因此,分子勢能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮,彈性勢能ep增大。如果分子間距離大于r0時,分子間的相互作用表現為引力,要增大分子間的距離必須克服引力做功,因此,分子勢能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時彈性勢能增大是相似的。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為數值基準,r不論減小或增大,分子勢能都增大。所以說,分子在平衡位置處是分子勢能最低點。如果分子間距離是無限遠時,取分子勢能為零值,分子間距離從無限遠逐漸減少至r0以前過程,分子間的作用力表現為引力,而且距離減少,分子引力做正功,分子勢能不斷減小,其數值將比零還小為負值。當分子間距離到達r0以后再減小,分子作用力表現為斥力,在分子間距離減小過程中,克服斥力做功,使分子勢能增大。其數值將從負值逐漸變大至零,甚至為正值。分子勢能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現出來。從圖中看到分子間距離在r0處,分子勢能最小。
既然分子勢能的大小與分子間距離有關,那么在宏觀上什么物理量能反映分子勢能的大小變化情況呢?如果對于確定的物體,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能變化。所以分子勢能的大小變化可通過宏觀量體積來反映。3.物體的內能(1)物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和,叫做物體的內能。一切物體都是由不停地做無規則熱運動并且相互作用著的分子組成,因此任何物體都是有內能的。提問學生:宏觀量中哪些物理量是分子熱運動的平均動能和分子勢能的標志?根據學生的回答,引導到一個確定的物體,分子總數是固定的,那么這物體的內能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體,那么物體的內能大小是由質量、溫度、體積和物態來決定。課堂討論題:下列各個實例中,比較物體的內能大小,并說明理由。①一塊鐵由15℃升高到55℃,比較內能。②質量是1kg50℃的鐵塊與質量是0.1kg50℃的鐵塊,比較內能。③質量是1kg100℃的水與質量是1kg100℃的水蒸氣,比較內能。(2)物體機械運動對應著機械能,熱運動對應著內能。任何物體都具有內能,同時還可以具有機械能。例如在空中飛行的炮彈,除了具有內能,還具有機械能——動能和重力勢能。提問學生:一輛汽車的車廂內有一氣瓶氧氣,當汽車以 60km/h行駛起來后,氣瓶內氧氣的內能是否增加?通過此問題,讓學生認識內能是所有分子熱運動動能和分子勢能之總和,而不是分子定向移動的動能。另一方面,物體機械能增加,內能不一定增加。4.物體的內能改變的兩種方式(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,可以使物體的內能增加。如果外力對物體做功全部用于物體內能改變的情況下,外力做多少功,物體的內能就改變多少。如果用w表示外界對物體做的功,用δe表示物體內能的變化,那么有w=δe。功的單位是焦耳,內能的單位也是焦耳。