高中物理第十章第三节热力学第一定律能量守恒定律名师导航学案新人教选修.docx

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高中物理第十章第三节热力学第一定律能量守恒定律名师导航学案新人教选修

第三节热力学第一定律能量守恒定律

名师导航

知识梳理

1.热力学第一定律

(1)内容:

一个物体内能的变化,决定于_________和_________.

(2)表达式:

ΔU=_________.

(3)符号定义:

上式中W表示_________,Q表示_________,ΔU表示_________.

(4)符号正负意义:

W>0,表示_________,W<0,表示_________;Q>0表示物体_________,Q<0表示物体_________;ΔU>0,表示物体内能_________,ΔU<0,表示物体内能_________.

2.能量守恒定律

(1)内容:

能量既不会_________也不会_________,它只能从_________或者_________,在转化和转移过程中,其总量不变.

(2)意义:

_________说明第一类永动机不可能制成.

疑难突破

怎样理解热力学第一定律是研究功、能量和内能之间的关系的?

剖析:

(1)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ΔU,即

ΔU=Q+W

上式所表示的功、热量跟内能改变之间的关系,叫做热力学第一定律.

(2)对ΔU=Q+W的说明

热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况,因此在使用ΔU=Q+W时,通常有以下规定:

为了区分以上两种情况,在应用ΔU=Q+W进行计算时,它们的正负符号规定:

外界对系统做功,W>0,即W为正值;系统对外界做功,也就是外界对系统做负功,W<0,即W为负值;外界对系统传递热量,也就是系统从外界吸收热量,Q>0,即Q为正值;外界从系统吸收热量,或系统向外界放出热量,Q<0,即Q为负值;系统内能增加,ΔU>0,即ΔU为正值;系统内能减少,ΔU<0,即ΔU为负值.

问题探究

问题:

第一类永动机为什么不能制成?

大家也许听说过“永动机”,这是一种不需要任何能量,自己就能够做功干活,并且永远运动的机器.但是,这种“永动机”是否能制造出来呢?

同永远找不到不吃草的好马一样,不需要能量而永远运动并且能够做功的永动机,也是不可能制造出来的.因为在自然界中物质的任何一种形式的能量,在一定条件下都能够用直接或间接的方式,转化成其他形式的能量,在转化中,总能量保持不变.这就是能量守恒和转化定律.用恩格斯的话来说,这是一条“绝对的自然规律”.

典题精讲

【例1】汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中()

A.汽车的机械能守恒

B.汽车的动能和势能相互转化

C.汽车的机械能转化成内能,汽车的总能量减少

D.汽车的机械能逐渐转化为内能,汽车的总能量守恒

思路解析:

汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能,一部分内能散发出去,汽车的总能量减少.

答案:

C

【例2】某物体温度升高了,这说明()

A.该物体一定吸收了热量B.该物体可能放出了热量

C.外界对物体可能做了功D.物体可能吸收了热量

思路解析:

由ΔU=Q+W来分析,物体温度升高了,一定有物体的内能增加,ΔU>0,要满足ΔU>0可能有各种情况:

①W>0,Q=0;②W=0,Q>0;③W>0,Q>0;④W>0,Q<0,W>|Q|;⑤W<0,Q>0,Q>|W|.由①否定选A;④与选项B一致;①、③、④与选项C一致;②、③、⑤与选项D一致,故选项B、C、D正确.

答案:

BCD

知识导学

1.用热力学第一定律时要明确:

(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的,而且给出了内能的变化量和功的数值,热量和数值之间的定量关系.

(2)应用此定律前应准确理解各物理量的物理含义:

ΔU是物体内能的增量,当物体内能增加时取“+”号,当物体的内能减少时取“-”号,Q是外界与系统之间传递的热量,当外界传递给系统热量(系统吸热)时取“+”号,当系统向外界传递热量(系统放热)时取“-”号.

2.用能的转化和守恒定律时要明确:

(1)能的转化与守恒定律是自然界的普遍规律.

(2)一切违背能的转化与守恒定律的过程是不可能实现的,能的转化与守恒定律表明永动机不可能制成.

疑难导析

做功和热传递都能改变物体的内能,因此物体内能的改变量ΔU,必与功W和热量Q有关:

(1)如果单纯通过做功改变物体的内能,内能的变化可以用做功的多少来量度,这时,物体内能的增加(或减少)量ΔU就等于外界(或物体对外界)所做的功W的数值,即ΔU=W.

(2)如果单纯通过热传递来改变物体的内能,内能的变化便可用传递热量的多少来量度,物体内能的增加(或减少)量ΔU应等于从外界吸收(或向外界放出)热量Q的数值,即ΔU=Q.(3)在做功和热传递同时存在的过程中,物体内能的变化则由做功和所传递的热量共同决定.在这种情况下,物体内能的增加量就应等于外界对物体所做的功W和物体从外界吸收的热量Q之和,即ΔU=Q+W.

问题导思

永动机的诱人前景,曾使许多人致力于永动机的研究,但都以失败告终.

能量守恒定律的发现,使人们进一步认识到,任何一部机器,只要对外界做功,都要消耗能量,都只能使能量从一种形式转化成别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,而不能无中生有地创造能量.不消耗能量,却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的.

典题导考

绿色通道:

解此类问题要用能量转化和能量守恒的观点去考虑,重在理解能量的转化关系和能量的守恒定律.

【典题变式1】(2006重庆理综,16)如图10-3-1,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()

图10-3-1

A.从外界吸热B.内能增大

C.向外界放热D.内能减小

绿色通道:

应用热力学第一定律解题,先要明确研究对象,其次要根据符号的法则判断符号的正负.

【典题变式2】某一定量的气体膨胀对外做功100J,同时从外界吸收了120J的热量,它的内能的变化可能是()

A.减少了20JB.增加了20J

C.减少了220JD.增加了220J

典题变式答案

【典题变式1】解析:

水温恒定且金属筒缓慢下降,则空气的温度始终不变,气体的内能不变,B、D错误.筒内空气体积减小,外界对气体做功,由热力学第一定律,气体必须向外界放热,A错误,所以C正确.

答案:

C

【典题变式2】答案:

B

高考理综物理模拟试卷

注意事项:

1.答题前,考生先将自己的姓名、准考证号填写清楚,将条形码准确粘贴在考生信息条形码粘贴区。

2.选择题必须使用2B铅笔填涂;非选择题必须使用0.5毫米黑色字迹的签字笔书写,字体工整、笔迹清楚。

3.请按照题号顺序在各题目的答题区域内作答,超出答题区域书写的答案无效;在草稿纸、试题卷上答题无效。

4.保持卡面清洁,不要折叠,不要弄破、弄皱,不准使用涂改液、修正带、刮纸刀。

 

一、单项选择题

1.自由下落的物体,在任何相邻的单位时间内下落的距离之差△h和平均速度之差△v,数值上分别等于()

A.

B.

C.

D.

2.两玩具车在两条平行的车道上行驶,t=0时两车都在同一计时线处,它们在四次比赛中的v-t图像如图所示。

在0-5s内哪幅图对应的比赛中两车可再次相遇的是

A.

B.

C.

D.

3.在两固定的竖直挡板间有一表面光滑的重球,球的直径略小于挡板间的距离,用一横截面为直角三角形的楔子抵住

楔子的底角为

,重力不计

设最大静摩擦力等于滑动摩擦力

为使球不下滑,楔子与挡板间的动摩擦因数至少应为

A.

B.

C.

D.

4.假设有一载人宇宙飞船在距地面高度为4200km的赤道上空绕地球做匀速圆周运动,地球半径约为6400km,地球同步卫星距地面高度为36000km,宇宙飞船和地球同步卫星绕地球同向运动,每当二者相距最近时,宇宙飞船就向同步卫星发射信号,然后再由同步卫星将信号发送到地面接收站,某时刻二者相距最远,从此刻开始,在一昼夜的时间内,接收站共接收到信号的次数为

A.4次B.6次C.7次D.8次

5.如图,用橡皮筋将一小球悬挂在小车的架子上,系统处于平衡状态。

现使小车从静止开始向左加速,加速度从零开始逐渐增大到某一值,然后保持此值,小球稳定的偏离竖直方向某一角度(橡皮筋在弹性限度内)。

与稳定在竖直位置时相比,小球高度

A.一定升高B.一定降低

C.保持不变D.升高或降低由橡皮筋的劲度系数决定

6.一个多世纪以前,爱因斯坦发表了广义相对论,而现代物理中的黑洞理论正是建立在该理论的基础上。

2019年4月10日,事件视界望远镜(EHT)国际合作项目的天体物理学家宣布,他们首次捕捉到了黑洞的图像。

物体从地球上的逃逸速度(第二宇宙速度),

,其中G、m、R分别是引力常量、地球的质量和半径,已知

,光速

已知逃逸速度大于真空中光速的天体叫做黑洞,设某一黑洞的质量

,则它的可能最大半径约为()

A.

B.

C.

D.

二、多项选择题

7.图甲为一列简谐横波在t=4s时的波形图,图乙为x=3m处质点P的振动图象,则该波沿x轴________(填“正方向”或“负方向”)传播,波速大小为_______m/s,质点P做简谐运动的位移表达式为_________。

8.如图所示,甲为演示光电效应的实验装置;乙图为a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线;丙图为氢原子的能级图;丁图给出了几种金属的逸出功和极限频率关系。

以下说法正确的是

A.若b光为绿光,c光可能是紫光

B.若a光为绿光,c光可能是紫光

C.若b光光子能量为2.81ev,用它照射由金属铷构成的阴极,所产生的大量具有最大初动能的光电子去撞击大量处于n=3激发态的氢原子,可以产生6种不同频率的光

D.若6光光子能量为2.81ev,用它直接照射大量处于n=2激发态的氢原子,可以产生6种不同频率的光

9.如图所示,质量相等的甲、乙两球分别固定于两轻杆的一端,两杆长度分别为L、2L,且两杆与水平面夹角相等.两杆的另一端分别可绕轴O、

在竖直面内转动,现将两球在图示位置由静止释放,不计一切阻力,则在最低点时

A.甲、乙两球的动能之比为1:

1

B.甲、乙两球的动能之比为1:

2

C.甲、乙两球对杆的拉力之比1:

1

D.甲、乙两球对杆的拉力之比1:

2

10.某小型水电站的电能输送示意图如图所示,发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电。

已知输电线的总电阻为R=10Ω,降压变压器T2原、副线圈匝数之比为4∶1,降压变压器副线圈两端交变电压u=220

sin100πtV,降压变压器的副线圈与滑动变阻器组成闭合电路。

若将变压器视为理想变压器,当负载R0=11Ω时

A.通过R电流的有效值是20A

B.升压变压器的输入功率为4650W

C.当负载R0增大时,发电机的输出功率减小

D.发电机中电流变化的频率为100Hz

三、实验题

11.如图所示,两平行金属导轨间的距离L,金属导轨所在的平面与水平面夹角为θ,在导轨所在平面内,分布着磁感应强度B、方向垂直于导轨所在平面向上的匀强磁场。

金属导轨的一端接有电动势E、内阻r的直流电源,导线电阻不计。

现把一个质量m且电阻R的导体棒ab放在金属导轨上,此时导体棒静止且紧压于导轨上。

导体棒与金属导轨垂直且接触良好,重力加速度取g.求:

(1)画出导体棒ab受力分析图;

(2)通过导体棒ab的电流大小;

(3)导体棒ab所受的安培力大小和方向;

(4)导体棒ab所受的摩擦力大小和方向.

12.在学习了气体性质和规律后,物理兴趣小组同学制作了一个温度计,将一个一端开口,一端带有玻璃泡A的细玻璃管(玻璃泡A内封闭一定量的气体,且导热良好)竖直倒插入水银槽中,利用管内水银面的高度就可以反映玻璃泡A内气体的温度。

然后在管壁上刻度,即可直接读出。

不考虑细B管内液面高度变化引起的气体体积变化。

温度计的构造如图。

①在一个标准大气压(76cm汞柱)下对B管进行刻度,当环境温度为t1=27℃时的刻度线在管内水银柱高度16cm处,在可测量范围内温度t和玻璃细管高出水银槽的水银液面高度h应符合什么刻度规律?

②若大气压降为75cm汞柱时,该温度计读数为27℃时的实际温度为多大?

四、解答题

13.用折射率为

的透明材料做成一个高度为H的长方体,一束宽度为d的平行光束,从真空中以与上表面夹角为45°的方向射入该长方体,从长方体下表面射出.已知真空中光速为c,求:

(ⅰ)平行光束在长方体中的宽度;

(ⅱ)平行光束通过长方体的时间.

14.如图所示,在一足够高的绝缘水平桌面上放置一矩形金属框abcd,金属框质量m=1kg、电阻R=0.1Ω、ab边长l1=1m、bc边长l2=0.6m、与桌面间的动摩擦因数

金属框通过轻质细线绕过定滑轮与质量为m0=2kg的重物相连,细线与桌面平行且靠近,桌面上矩形区域efgh内有垂直于桌面向上、大小为0.5T的匀强磁场,已知ef到gh的距离为0.6m。

现让金属框由静止开始运动(开始时刻,cd与桌面AB边重合),可匀速穿过磁场区域,不计滑轮摩擦,取g=10m/s2。

求:

(1)金属框匀速穿过磁场区域的速度;

(2)金属框从开始运动到ab边刚进入磁场所用的时间;

(3)金属框在穿过匀强磁场过程中产生的焦耳热。

【参考答案】

 

一、单项选择题

题号

1

2

3

4

5

6

答案

C

B

A

C

A

C

二、多项选择题

7.负方向1.5y=0.5sin(

)m

8.BC

9.BC

10.BC

三、实验题

11.

(1)

(2)

;(3)

沿斜面向下;(4)

,沿斜面向上。

12.①t=107-5h②t′=22℃

四、解答题

13.(ⅰ)

;(ⅱ)

14.

(1)7.2m/s

(2)1.2s(3)21.6J

高考理综物理模拟试卷

注意事项:

1.答题前,考生先将自己的姓名、准考证号填写清楚,将条形码准确粘贴在考生信息条形码粘贴区。

2.选择题必须使用2B铅笔填涂;非选择题必须使用0.5毫米黑色字迹的签字笔书写,字体工整、笔迹清楚。

3.请按照题号顺序在各题目的答题区域内作答,超出答题区域书写的答案无效;在草稿纸、试题卷上答题无效。

4.保持卡面清洁,不要折叠,不要弄破、弄皱,不准使用涂改液、修正带、刮纸刀。

 

一、单项选择题

1.m、n两种单色光以相同的入射角和入射点从空气斜射向长方形玻璃砖,其光路如图所示。

关于m、n两种单色光,下列说法正确的是

A.玻璃砖对m光的折射率较小

B.m光的光子能量较小

C.对同一双缝干涉装置,m光的干涉条纹间距较小

D.m光在该玻璃中传播的速度较大

2.甲、乙两个金属球,甲的重量是乙的2倍,从同一高度同时自由下落,下列说法正确的是

A.两球同时落地B.甲球先落地

C.甲球落地时的速度较大D.同一时刻在空中的位置不一定相同

3.研究光电效应现象的实验装置如图(a)所示,用光强相同的黄光和蓝光照射光电管阴极K时,测得相应的遏止电压分别为U1和U2,产生的光电流I随光电管两端电压U的变化规律如图(b)所示。

已知电子的质量为m,电荷量为-e,黄光和蓝光的频率分别为ν1和ν2,且ν1<ν2。

则下列判断正确的是

A.U1>U2

B.图(b)中的乙线是对应黄光照射

C.根据题述条件无法算出阴极K金属的极限频率

D.用蓝光照射时,光电子的最大初动能为eU2

4.质量为m的物体P置于倾角为θ1的固定光滑斜面上,轻细绳跨过光滑定滑轮分别连接着P与小车,P与滑轮间的细绳平行于斜面,小车以速率v水平向右做匀速直线运动.当小车与滑轮间的细绳和水平方向成夹角θ2时(如图),下列判断正确的是()

A.P的速率为v

B.P的速率为vcosθ2

C.绳的拉力等于mgsinθ1

D.绳的拉力小于mgsinθ1

5.如图所示,光滑水平面上放着一长为l质量为M的木块,、一质量为m的子弹从左边以初速度v水平射入木块,恰好没有射穿,则()

A.最终子弹与木块的速度为零

B.在子弹与木块相互作用的过程中,子弹的位移为l

C.在子弹与木块相互作用的过程中,木块的位移一定为l

D.在子弹与木块相互作用的过程中,因摩擦产生的热量为

6.如图所示为甲、乙两质点做直线运动的速度-时间图象,则下列说法中正确的是()

A.在0~t3时间内甲、乙两质点的平均速度相等

B.甲质点在0~t1时间内的加速度与乙质点在t2~t3时间内的加速度相同

C.甲质点在0~t1时间内的平均速度小于乙质点在0~t2时间内的平均速度

D.在t3时刻,甲、乙两质点都回到了出发点

二、多项选择题

7.如图,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①、②、③、④到达状态e。

对此气体,下列说法正确的是()

A.过程①中气体的压强逐渐减小

B.过程②中气体对外界做正功

C.过程④中气体从外界吸收了热量

D.状态c、d的内能相等

E.状态d的压强比状态b的压强小

8.如图所示,甲为一列简谐横波在某一时刻的波形图,乙为介质中x=2m处的质点P以此时刻为计时起点的振动图象.质点Q的平衡位置位于x=3.5m处,下列说法正确的是()

A.这列波的沿x轴正方向传播

B.这列波的传播速度是20m/s

C.在0.3s时间内,质点P向右移动了3m

D.t=0.1s时,质点P的加速度大于质点Q的加速度

E.t=0.25s时,x=3.5m处的质点Q到达波峰位置

9.如图所示,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压均为U的灯泡A和B。

当输入电压为5U时,两灯泡均能正常发光。

下列说法正确的是

A.原、副线图匝数比为1︰4

B.原、副线圈匝数比为4︰1

C.灯泡A、B的额定功率功率之比为1︰4

D.灯泡A、B的额定功率功率之比为4︰1

10.如图甲所示,长为l、倾角为α的斜面固定在水平地面上,一质量为m的小物块从斜面顶端由静止释放并沿斜面向下滑动,已知小物块与斜面间的动摩擦因数μ与下滑距离x的变化图像如图乙所示,则()

A.

B.小物块下滑的加速度逐渐增大

C.小物块下滑到斜面低端的过程中克服摩擦力做的功为

D.小物块下滑到低端时的速度大小为

三、实验题

11.长为1.5m的长木板B静止放在水平冰面上,小物块A以某一初速度从木板B的左端滑上长木板B,直到A、B的速度达到相同,此时A、B的速度为0.4m/s,然后A、B又一起在水平冰面上滑行了8.0cm后停下.若小物块A可视为质点,它与长木板B的质量相同,A、B间的动摩擦因数μ1=0.25.求:

(取g=10m/s2)

(1)木块与冰面的动摩擦因数.

(2)小物块相对于长木板滑行的距离.

12.在用单摆测重力加速度的实验中

(1)为了比较准确地测量出当地的重力加速度值,应选用下列所给器材中的哪些?

(将所选用的器材的字母填在题后的横线上。

(A)长1m左右的细绳;(B)长30m左右的细绳;

(C)直径2cm的铁球;(D)直径2cm的木球;

(E)秒表;(F)时钟;(G)最小刻度是厘米的直尺;

(H)最小刻度是毫米的直尺。

所选择的器材是________。

(填序号)

(2)某同学测出不同摆长时对应的周期T,作出T2~L图线,如图所示,再利用图线上任两点A、B的坐标(x1,y1)、(x2,y2),可求得g=_________。

若该同学测摆长时漏加了小球半径,而其它测量、计算均无误,也不考虑实验误差,则用上述方法算得的g值和真实值相比是_______的(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)。

四、解答题

13.如图所示,在倾角为30°的光滑斜面上放置一质量为m的物块B,B的下端连接一轻质弹簧,弹簧下端与挡板相连接,B平衡时,弹簧的压缩量为x0,O点为弹簧的原长位置。

在斜面顶端另有一质量也为m的物块A,距物块B为3x0,现让A从静止开始沿斜面下滑,A与B相碰后立即一起沿斜面向下运动,但不粘连,它们到达最低点后又一起向上运动,并恰好回到O点(A、B均视为质点),重力加速度为g。

求:

(1)A、B相碰后瞬间的共同速度的大小;

(2)A、B相碰前弹簧具有的弹性势能;

(3)若在斜面顶端再连接一光滑的半径R=x0的半圆轨道PQ,圆弧轨道与斜面相切

于最高点P,现让物块A以初速度v从P点沿斜面下滑,与B碰后返回到P点还具有向上的速度,则v至少为多大时物块A能沿圆弧轨道运动到Q点。

(计算结果可用根式表示)

14.如图所示质量为m的物块A在光滑的水平面上以一定的速度向右滑行,质量为2m的圆弧体静止在光滑水平面上,光滑圆弧面最低点与水平面相切,圆弧的半径为R,圆弧所对的圆心角θ=53°,物块滑上圆弧体后,刚好能滑到圆弧体的最高点,重力加速度为g。

(1)物块在水平面上滑行的速度大小;

(2)若将圆弧体锁定,物块仍以原来的速度向右滑行并滑上圆弧体,则物块从圆弧面上滑出后上升到最高点的速度大小及最高点离地面的高度。

【参考答案】

 

一、单项选择题

题号

1

2

3

4

5

6

答案

C

A

D

B

D

A

二、多项选择题

7.BDE

8.ACD

9.BC

10.BC

三、实验题

11.

(1)

(2)0.96m

12.ACEH

不变

四、解答题

13.

14.

(1)

(2)

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