高中物理选修3课堂学案第四章 12.docx

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高中物理选修3课堂学案第四章12

1　能量守恒定律的发现

2　热力学第一定律

[学习目标]　1.理解能量守恒定律,知道能量守恒是自然界普遍遵循的基本规律.2.知道第一类永动机是不可能实现的.3.知道做功和热传递是改变内能的两种方式,理解这两种方式对改变系统内能是等效的.4.理解热力学第一定律,能运用它解释自然界的能量转化、转移问题.

一、能量守恒定律的发现

1.常见的能量形式

自然界中能量形式很多,常见的能量形式有：

机械能、内能、核能及太阳能等.各种形式的能在一定条件下,可以相互转化,且转化过程中遵循一定规律.

2.能量守恒定律的内容

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另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中其总量不变.

3.第一类永动机

（1）定义：

不需要任何动力和燃料,却能不断地对外做功的机器.

（2）不可能制成的原因：

违背了能量守恒定律.

二、改变物体内能的两种方式

1.改变物体内能的两种方式：

做功和热传递.

2.做功——其他形式的能与内能之间的转化.

外界对物体做功,物体的内能增加.

物体对外界做功,物体的内能减少.

3.热传递——不同物体之间或同一物体不同部分之间内能的转移.

物体吸收热量,内能增加.

物体放出热量,内能减少.

4.做功和热传递对物体内能的改变是等效的,但本质不同.

三、热力学第一定律

1.热力学第一定律：

功、热量跟内能改变之间的定量关系.

2.热力学第一定律的表达式：

ΔU＝Q＋W.

[即学即用]

1.判断下列说法的正误.

（1）石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了.（×）

（2）能量既可以转移又可以转化,故能的总量是可以变化的.（×）

（3）热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体.（×）

（4）做功和热传递都可改变物体的内能,从效果上是等效的.（√）

（5）系统从外界吸收热量5J,内能可能增加5J.（√）

（6）系统内能减少,一定是系统对外界做了功.（×）

2.各种方法使物体的内能发生改变：

a.电炉通电后发热；b.一杯开水放在桌面上冷却；c.阳光照射下冰块融化；d.锯木头时,锯片发烫；e.人坐在火炉旁取暖；f.用打气筒给自行车打气后,打气筒变热.其中属于做功使物体内能改变的是________；属于热传递使物体内能改变的是________.

答案　adf　bce

一、能量守恒定律的发现

[导学探究]

1.图1为有一种所谓“全自动”的机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去.这是不是一种永动机？

如果不是,维持表针走动的能量是从哪儿来的？

图1

答案　这不是永动机.手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表指针走动.若将此手表长时间放置不动,它就会停下来.

2.观察课本中的“几种重要的能量形式及相互之间的转化”图,试着说明汽车把汽油的化学能转化为机械能的过程.在这些能量转化过程中,遵守的规律是什么？

答案　汽车通过燃烧汽油,把化学能转化为内能,再通过发动机做功把内能转化为机械能.能量守恒定律.

[知识深化]

1.能量的存在形式及相互转化

（1）各种运动形式都有对应的能：

机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有诸如电磁辐射能、化学能、核能等.

（2）各种形式的能可以相互转化

①机械能中的动能和势能可以相互转化（如：

自由落体运动）.

②机械能可以与内能相互转化（如：

摩擦生热,消耗了机械能,通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功,把气体内能转化为机械能）.

③其他形式的能也可以转化为内能（如：

电流通过导体时,把电能转化为内能；炽热的灯丝发光,又把内能转化为光能；燃料燃烧时,把化学能转化成内能）.

2.对能量守恒定律的理解

（1）某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加,且减少量和增加量一定相等.

（2）某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等.

3.能量守恒定律的意义：

能量守恒定律的发现,使人们进一步认识到,任何一部机器,只要对外做功,都要消耗能量,都只能使能量从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,而不能无中生有地创造能量.

4.第一类永动机不可能制成：

任何机器运转时不可能无中生有地创造能量,即第一类永动机是不可能制造出来的.

例1

　（多选）一物体获得一定初速度后,沿着一粗糙斜面上滑,在上滑过程中,物体和斜面组成的系统（　　）

A.机械能守恒

B.总能量守恒

C.机械能和内能增加

D.机械能减少,内能增加

答案　BD

解析　物体沿斜面上滑过程中,有摩擦力对物体做负功,所以物体的机械能减少.由能量守恒定律知,内能应增加,能量总量不变.

利用能量守恒定律解决问题时,首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量,其次分析哪种能量增加了,哪种能量减少了,确定研究的系统后,用能量守恒观点求解.

二、改变物体内能的两种方式

[导学探究]

1.

（1）如图2,小孩沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热,这是为什么？

图2

（2）用铁锤反复敲击铁棒,铁棒的温度会升高,把铁棒放在碳火上烧,铁棒的温度也会升高,这说明了什么问题？

答案　

（1）小孩沿滑梯下滑时克服摩擦力做功,内能增加.

（2）说明做功和热传递都能改变物体的内能.

2.在焦耳的许多实验中,有两个最具有代表性：

一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升；另一个实验是通过电流的热效应给水加热.焦耳的这两个实验说明了什么问题？

答案　做功和热传递对改变物体的内能是等效的.

[知识深化]

1.功和内能

（1）做功与内能变化的关系

①做功改变物体内能的过程是其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程.

②在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内能就增加多少.

（2）功与内能的区别

①功是过程量,内能是状态量.

②在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化.

③物体的内能大,并不意味着做功多.在绝热过程中,只有内能变化越大时,相应地做功才越多.

2.热和内能

（1）在单纯传热中,系统从外界吸收多少热量,系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量,系统的内能就减少多少.即ΔU＝U2－U1＝Q.

（2）传热改变物体内能的过程是不同物体之间（或同一物体不同部分之间）内能转移的过程.

3.热量、功是过程量,内能是状态量

内能是由系统的状态决定的,状态确定,系统的内能也随之确定.要使系统的内能发生变化,可以通过热传递或做功两种方式来完成.热量是热传递过程中的特征物理量,和功一样,热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量,是用来衡量物体内能变化的.有过程,才有变化,离开过程则毫无意义.就某一状态而言,只有“内能”,不能谈到“热量”或“功”.

例2

　（多选）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.绝热压缩的气体,其内能一定增加

答案　CD

解析　做功和热传递都能改变物体的内能,不能依据一种方式的变化就判断内能的变化.

例3

　关于温度、热量、功和内能,以下说法正确的是（　　）

A.同一物体温度高时,含有的热量多

B.物体的内能越大,含有的热量就越多,温度也越高

C.外界对系统做功W,内能必定增加

D.发生热传递的条件是两物体之间存在温度差

答案　D

解析　热量是物体间进行热传递时内能的转移,不能说物体含有多少热量,故A、B错；由于做功和热传递都可引起物体内能的变化,只根据做功无法准确判断物体内能的变化,故C错；物体间发生热传递的条件是存在温度差,故D对.

温度、内能和热量的区别与联系

1.内能与热量

内能是状态量,可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；热量是过程量,不能说系统具有多少热量,只能说传递了多少热量.

2.热量与温度

热量是系统的内能变化的量度,而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志.虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差,但是传递的是热量,不是温度.

3.热量与功

热量和功,都是系统内能变化的量度,都是过程量,一定量的热量与一定量的功相当,功是能量变化的量度,但它们之间有着本质的区别.

三、热力学第一定律

[导学探究]　

（1）如图3所示,快速推动活塞对汽缸内气体做功10J,气体内能改变了多少？

若保持气体体积不变,外界对汽缸传递10J的热量,气体内能改变了多少？

图3

（2）一根金属丝经过某一物理过程,温度升高了,除非事先知道,否则根本无法判定是通过做功的方法,还是使用了传热的方法使它的内能增加.因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能.既然它们在改变系统内能方面是等价的,那么当外界对系统做功为W,又对系统传热为Q时,系统内能的增量ΔU应该是多少？

答案　

（1）都增加了10J.

（2）系统内能的增量ΔU＝Q＋W.

[知识深化]

1.对公式ΔU＝Q＋W符号的规定

符号

W

Q

ΔU

＋

体积减小,外界对热力学系统做功

热力学系统吸收热量

内能增加

－

体积增大,热力学系统对外界做功

热力学系统放出热量

内能减少

2.几种特殊情况

（1）绝热过程：

Q＝0,则ΔU＝W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功.

（2）等容过程：

过程中不做功,即W＝0,则ΔU＝Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量.

（3）等温过程：

过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU＝0,则W＝－Q（或Q＝－W）,外界对物体做的功等于物体放出的热量（或物体吸收的热量等于物体对外界做的功）.

3.判断是否做功的方法

一般情况下看物体的体积是否变化.

①若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0.

②若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>0.

特别提醒　热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况,既有做功又有传热的过程,其中ΔU表示内能改变的数量,W表示做功的数量,Q表示外界与物体间传递的热量.

例4

　一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104J的功,气体的内能减少了1.2×105J,则下列各式中正确的是（　　）

A.W＝8×104J,ΔU＝1.2×105J,Q＝4×104J

B.W＝8×104J,ΔU＝－1.2×105J,Q＝－2×105J

C.W＝－8×104J,ΔU＝1.2×105J,Q＝2×104J

D.W＝－8×104J,ΔU＝－1.2×105J,Q＝－4×104J

答案　B

解析　因为外界对气体做功,W取正值,即W＝8×104J；内能减少,ΔU取负值,即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q,可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J,B选项正确.

应用热力学第一定律解题的一般步骤

1.根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）的正负；

2.根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；

3.再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况.

针对训练　空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105J的功,同时空气的内能增加了1.5×105J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少？

答案　5×104J

解析　选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.

由题意可知W＝2×105J,ΔU＝1.5×105J,代入上式得

Q＝ΔU－W＝1.5×105J－2×105J＝－5×104J.

负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104J.

四、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用

[导学探究]　如图4所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题：

图4

（1）在变化过程中是气体对外做功,还是外界对气体做功？

（2）在变化过程中气体吸热,还是向外放热？

气体内能增加了,还是减少了？

答案　

（1）由a状态变化到b状态,气体体积变大,因此气体对外界做功,即W<0.

（2）由p－V图像知从a状态变化到b状态,温度升高,故ΔU>0.

由ΔU＝W＋Q得Q>0,即气体吸热,内能增加.

[知识深化]

对于理想气体,常把热力学第一定律与气体实验定律结合起来分析其状态变化规律,常见的分析思路如下：

（1）利用体积的变化分析做功问题.气体体积增大,气体

对外做功；气体体积减小,外界对气体做功.

（2）利用温度的变化分析理想气体内能的变化.一定质量的理想气体的内能仅与温度有关,温度升高,内能增加；温度降低,内能减小.

（3）利用热力学第一定律判断是吸热还是放热.

由热力学第一定律ΔU＝W＋Q,则Q＝ΔU－W,若已知气体的做功情况和内能的变化情况,即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程.

例5

　（多选）如图5所示,一定质量的理想气体从状态a经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是（　　）

图5

A.在过程ab中气体的内能增加

B.在过程ca中外界对气体做功

C.在过程ab中气体对外界做功

D.在过程bc中气体从外界吸收热量

E.在过程ca中气体从外界吸收热量

答案　ABD

解析　在过程ab中,体积不变,气体对外界不做功,压强增大,温度升高,内能增加,故选项A正确,C错误；在过程ca中,气体的体积缩小,外界对气体做功,压强不变,温度降低,内能变小,气体向外界放出热量,故选项B正确,E错误；在过程bc中,温度不变,内能不变,体积增大,气体对外界做功,由热力学第一定律可知,气体要从外界吸收热量,故选项D正确.

1.（能量守恒定律的理解和应用）（多选）细绳一端固定在天花板上,另一端拴一质量为m的小球,如图6所示.使小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动.下列说法中正确的是（　　）

图6

A.小球机械能不守恒

B.小球能量正在消失

C.小球摆动过程中,只有动能和重力势能在相互转化

D.总能量守恒,但小球的机械能减少

答案　AD

解析　小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动,说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能,即机械能不守恒,故A正确；小球的机械能转化为内能,能量的种类变了,但能量不会消失,故B错误；小球长时间摆动过程中,重力势能和动能相互转化的同时,机械能不断地转化为内能,故摆动的幅度越来越小,但总能量守恒,故C错误,D正确.

2.（改变物体内能的两种方式）关于温度、内能和热量,下列说法中正确的是（　　）

A.物体的温度升高时,一定吸收热量

B.物体沿斜面下滑时,内能将增大

C.物体沿斜面匀速下滑时,内能可能增大

D.内能总是从高温物体传递给低温物体,当内能相等时热传递停止

答案　C

解析　改变物体内能的两种方法：

做功和热传递.温度升高,内能增加,但不一定是吸收热量,A错误；物体沿斜面下滑时,可能不受摩擦力,内能可能不变,B错误；物体沿斜面匀速下滑时,物体克服摩擦力做功,摩擦生热,内能可能增大,C正确；热传递的条件是物体间存在温度差,热量从温度高的物体传递给温度低的物体,温度相同后热传递停止,D错误.

3.（热力学第一定律的理解和应用）一定质量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104J,气体对外界做功1.0×104J,则该理想气体的（　　）

A.温度降低,密度增大

B.温度降低,密度减小

C.温度升高,密度增大

D.温度升高,密度减小

答案　D

解析　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得：

ΔU＝－1.0×104J＋2.5×104J＝1.5×104J,因此气体的内能增大,故温度升高,又因气体对外做功,体积增大,故密度减小.

4.（气体实验定律和热力学第一定律的综合应用）（多选）一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V－T图像如图7所示.下列说法正确的有（　　）

图7

A.A→B的过程中,气体对外界做功

B.A→B的过程中,气体放出热量

C.B→C的过程中,气体压强不变

D.A→B→C的过程中,气体内能增加

答案　BC

解析　由V－T图像知,从A到B的过程中,气体被等温压缩,外界对气体做正功,气体的内能不变.由热力学第一定律知,气体放出热量,A项错误,B项正确；从B到C的过程中气体做等压变化,温度降低,气体内能减少,故C正确,D错误.

一、选择题

考点一　能量守恒定律的理解和应用

1.一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块,并从中穿出.对于这一过程,下列说法中正确的是（　　）

A.子弹减少的机械能等于木块增加的机械能

B.子弹减少的动能等于木块增加的动能

C.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和

D.子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和

答案　D

2.“第一类永动机”不可能制成,是因为（　　）

A.不符合机械能守恒定律

B.违背了能量守恒定律

C.做功产生的热不符合热功当量

D.找不到合适的材料和合理的设计方案

答案　B

3.如图1所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片.轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动.离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动.下列说法正确的是（　　）

图1

A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量

B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高

D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量

答案　D

解析　轻推转轮后,叶片开始转动,由能量守恒定律可知,叶片在热水中吸收的热量一部分释放到空气中,另一部分使叶片在热水中伸展做功,所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量,D正确.

考点二　热力学第一定律的理解和应用

4.（多选）二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一,目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术.在某次实验中,将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中,将容器缓慢移到海水某深处,气体体积减为原来的一半,不计温度的变化,二氧化碳气体可视为理想气体,则此过程中（　　）

A.封闭气体对外界做正功

B.封闭气体向外界传递热量

C.封闭气体分子的平均动能不变

D.封闭气体从外界吸收热量

答案　BC

解析　因为不计气体的温度变化,气体分子的平均动能不变,即ΔU＝0,选项C正确；因为气体体积减半,故外界对气体做功,即W>0,选项A错误；根据热力学第一定律：

ΔU＝W＋Q,可知Q<0,即气体向外界传递热量,选项B正确,D错误.

5.如图2所示是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体,对缸内气体做功800J,同时气体向外界放热200J,缸内气体的（　　）

图2

A.温度升高,内能增加600J

B.温度升高,内能减少200J

C.温度降低,内能增加600J

D.温度降低,内能减少200J

答案　A

解析　对一定质量的气体,由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知,ΔU＝800J＋（－200J）＝600J.内能增加,气体分子的平均动能增加,温度升高,选项A正确.

6.（多选）下列过程可能发生的是（　　）

A.物体吸收热量,对外做功,同时内能增加

B.物体吸收热量,对外做功,同时内能减少

C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少

D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加

答案　ABD

解析　当物体吸收的热量多于物体对外做的功时,物体的内能就增加,A正确；当物体吸收的热量少于物体对外做的功时,物体的内能就减少,B正确；外界对物体做功,同时物体吸热,则物体的内能必增加,C错误；当物体放出的热量少于外界对物体做的功时,物体的内能增加,D正确.

7.一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105Pa的状况下,体积从20L膨胀到30L,这一过程中气体从外界吸热4×103J,则气体内能的变化为（　　）

A.增加了5×103J　　　　　B.减少了5×103J

C.增加了3×103JD.减少了3×103J

答案　C

解析　气体等压膨胀过程对外做功W＝pΔV＝1.0×105Pa×（30－20）×10－3m3＝1.0×103J.这一过程气体从外界吸热Q＝4×103J.由热力学第一定律ΔU＝W＋Q,由于气体对外做功,W应取负值,则可得ΔU＝－1.0×103J＋4×103J＝3×103J,即气体内能增加了3×103J.故选项C正确.

8.图3为某种椅子与其升降部分的结构示意图,M、N两筒间密闭了一定质量的气体,M可沿N的内壁上下滑动,设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中（　　）

图3

A.外界对气体做功,气体内能增大

B.外界对气体做功,气体内能减小

C.气体对外界做功,气体内能增大

D.气体对外界做功,气体内能减小

答案　A

解析　在M向下滑动的过程中,气体体积缩小,外界对气体做功,再根据热力学第一定律知,气体不与外界发生热交换,气体内能增大,故正确答案为A.

考点三　气体实验定律与热力学第一定律的综合应用

9.（多选）如图4所示为简易测温装置,玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体,当温度升高时（　　）

图4

A.瓶内气体的密度增大

B.瓶内气体分子的平均动能增加

C.外界对瓶内气体做正功

D.热传递使瓶内气体的内能增加

答案　BD

解析　由题图可知,当温度升高时容器内气体的变化为等压膨胀,故瓶内气体的密度减小,气体分子的平均动能增加,瓶内气体对外做正功,选项B正确,A、C错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知,瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量,故选项D正确.

10.如图5所示,A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态,当气体从状态A变化到状态B时（　　）

图5

A.气体内能一定增加

B.气体压强变大

C.气体对外界做功

D.气体对外界放热

答案　C

解析　由题图可知,理想气体的变化为等温膨胀,故气体压强减小,内能不变,气体对外做功；由热力学第一定律可知,气体一定从外界吸收热量.综上可知,C对,A、B、D错.

二、非选择题

11.（气体实验定律与热力学第一定律的综合应用）如图6所示,一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环,A、B、C状态参量如图所示,气体在状态A的温度为27℃,求：

图6

（1）气体在状态B的温度TB；

（2）气体从A→B→C状态变化过程中与外界交换的总热量Q.

答案　

（1）600K　

（2）2p0V0

解析　

（1）A到B过程是等压变化,由盖—吕萨克定律得

＝

代入数据得TB＝600K

（2）根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W

其中ΔU＝0,W＝－2p0V0

解得Q＝2p0V0（吸热）.

12.（气体实验定律与热力学第一定律的综合应用）如图7所示,导热材料制成的截面积相等、长度均为45cm的汽缸A、B通过带有阀门的管道连接.初始时阀门关闭,厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧,在A内充满压强pA＝2.8×105Pa的理想气体,B内充满压强pB＝1.4×105Pa的理想气体,忽略连接汽缸的管道体积,室温不变,现打开阀门,求：

图7

（1）平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强；

（2）自打开阀门到平衡,B内气体是吸热还是放热（简要说明理由）.

答案　

（1）15cm　2.1×105