高中物理 第5章 热力学定律 第1节 热力学第一定律 第2节 能量的转化与守恒教师用书 鲁科版选修33.docx

1、高中物理 第5章 热力学定律 第1节 热力学第一定律 第2节 能量的转化与守恒教师用书 鲁科版选修33第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒学 习 目 标知 识 脉 络1.理解热力学第一定律(重点)2会用UWQ解决一些简单问题(重点)3知道第一类永动机不可能制成4了解能量守恒定律的发现过程5理解能量的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象(难点)热 力 学 第 一 定 律1改变物体内能的两种方式做功和热传递2物体内能的改变(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的

2、内能增加；物体放出热量时，它的内能减少3热力学第一定律(1)内容：物体内能的增加量U，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和(2)表达式：UWQ4热力学第一定律的定义(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒5第一类永动机(1)概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器(2)结果1718世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终(3)原因设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律(4)启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律1热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同()2热量和功由过程决

3、定，而内能由物体状态决定()3系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J()有一种所谓的“全自动”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呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？图511【提示】不是永动机能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的探讨1：若物体的内能增加，一定是吸收了热量吗？【提示】不一定，因为做功和热传递都能改变物体的内能探讨2：物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？【提示】不能可能是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

4、于物体对外界做的功)1对UWQ的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中U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2对公式U、Q、W符号的规定符号WQU正号外界对物体做功物体吸收热量内能增加负号物体对外界做功物体放出热量内能减少3.应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正、负(3)根据方程UWQ求出未知量(4)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4.判断气体做功正、负的方法(1)若气体体积增大，表明气体对外

5、界做功，W0.5.几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q0，WU，外界对气体做的功等于气体内能的增加(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W0，则QU，气体吸收的热量等于气体内能的增加(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出1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E物体对外界做功，同时物体放热，内能增加【解析】根据热力学第一定律

6、UWQ，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正确，C、E错误【答案】ABD2景颇族祖先发明的点火器如图512所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中 () 【导学号：30110061】图512A气体温度升高，压强不变B气体温度升高，压强变大C气体对外界做正功D外界对气体做正功E气体的内能增加【解析】压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以B、D、E正确【答案】BDE3一定量的气体内能增加了3105 J，(1)若吸收了2105 J的热量，则是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少焦

7、耳的功？(2)若气体对外界做了4105 J的功，则是气体放热还是从外界吸热？放出或吸收的热量是多少？【解析】(1)由热力学第一定律UQW得WUQ3105 J2105 J1105 J外界对气体做功(2)由UQW得QUW3105 J(4105 J)7105 J气体从外界吸热【答案】(1)外界对气体做功1105 J(2)气体从外界吸热7105 J气体状态变化与物理量对应方法(1)绝热过程：气体与外界没有热传递(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同(3)体积减小，外界对气体做功；体积增大(不是对真空膨胀)，气体对外界做功(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少

8、能 量 的 转 化 与 守 恒1能量守恒定律的发现(1)迈尔的发现体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的(2)焦耳的研究确定了电能向内能转化的定量关系用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据(3)亥姆霍兹的贡献从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性2能量守恒定律(1)内容能量既不会消失，也不会创生，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，而能量的总值保持不变

9、(2)意义揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据(3)应用各种形式的能可以转化但能量在转化过程中总伴有内能的损失各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起1某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加()2某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加()3石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了()焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？【提示】焦耳是采用严格的定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法探讨1：能量守恒定律与机械能守恒定律的应用条件有什么不同？【提示】能量转化过程中能量总是守恒的，而机械

10、能守恒的条件是只有重力(或系统内的弹力)做功探讨2：为什么说第一类永动机不能制成？【提示】因为第一类永动机违背了能量守恒定律1对能量守恒定律的理解(1)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功(2)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2第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量

11、，则有U2U1W，就是说，如果系统内能减少，即U2U1，则W0，要满足U0可能有多种情况：W0，Q0；W0，Q0；W0，Q0；W0，Q|Q|；W0，Q|W|.由否定选A；与选项B一致，与选项C一致；与选项D一致，故选项B、C、D正确【答案】BCD4一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104 J，气体对外界做功1.0104 J，则该理想气体的()A密度增大B密度减小C温度降低D温度升高E内能增加【解析】由热力学第一定律UWQ，Q2.5104 J，W1.0104 J可知U大于零，气体内能增加，温度升高，C错，D、E对；气体对外做功，体积增大，密度减小，B对，A错【答案】BDE5下列关

12、于第一类永动机的说法正确的是()A第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C第一类永动机不能制成的原因是技术问题D第一类永动机终究有一天能够实现E第一类永动机不可能制成是因为违背了能量的转化和守恒定律【解析】第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律这也是它不能制成的原因故A、B、E三项正确，C、D两项错误【答案】ABE6密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能) ()A内能增大B内能减小C对外界做功D外界对其做功E放出热量【解析】气体降温则内能减

13、小，变扁则体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律UQW可知，气体一定放出热量故选项B、D、E正确【答案】BDE7空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中空气做功为2105 J，空气的内能增加了1.5105 J，则气体_(选填“吸”或“放”)热为_ J.【解析】由热力学第一定律：UQW得：1.5105 J2105 JQ，所以Q5104 J，故放热【答案】放51048水能是一种清洁能源位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流速达每秒6 000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50 m若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率. 【导学号：30110063】【解析】每秒流下的

14、水量mV6 000103 kg，由能的转化和守恒知mgh50%Pt.式中m取6 000103 kg，t取1 s，h50 m，解得P1.5109 W.【答案】1.5109 W能力提升9如图513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自状态A变化到状态B时()图513A体积必然变大B不可能经过体积减小的过程C外界必然对气体做正功D气体必然从外界吸热E气体必然对外界做功【解析】本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题连接OA、OB，得到两条等容线，故有VBVA，所以A正确；由于没有限制自状态A变化到状态B的过程，所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到B状态，故B

15、错误；因为气体体积增大，所以是气体对外做功，C错误，E正确；因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D正确【答案】ADE10如图514所示，一绝热容器被隔板K隔开a、b两部分已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态在此过程中() 【导学号：30110064】图514A气体对外界做功B气体不做功C气体压强变小，温度降低D气体压强变小，温度不变E内能不变【解析】绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换，Q0.稀薄气体向真空中扩散没有做功，W0.根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变，则温度不变稀薄气体体积增大

16、，压强必减小选项B、D、E正确【答案】BDE11一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？ (2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做多少功？【解析】(1)由热力学第一定律可得UWQ120 J280 J160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160 J即U160 J，又Q240 J，根据热力学第一定律得UW

17、Q，所以WUQ160 J(240 J)80 J，即外界对气体做功80 J.【答案】(1)增加了160 J(2)外界对气体做功80 J12如图515所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22 cm，现在用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭空气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p01105 Pa，不计活塞重力问：图515(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体，求压缩后气体的压强为多大？(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S1 cm2)【解析】(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS缓慢压缩气体温度不变，由玻意耳定律得：p0V0pV，解得：p1.1106 Pa.(2)大气压力对活塞做功：W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J，由热力学第一定律得：UW1W2Q，将Q20 J代入解得U82 J.【答案】(1)1.1106 Pa(2)82 J