高中物理 第三章 熱力學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律 第三節(jié) 能量守恒定律教學(xué)案 粵教版選修3-3

1、第二節(jié)熱力學(xué)第一定律第三節(jié)能量守恒定律目標(biāo)定位 1.理解熱力學(xué)第一定律并會(huì)運(yùn)用于分析和計(jì)算.2.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵從的基本規(guī)律.3.知道第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的一、熱力學(xué)第一定律導(dǎo)學(xué)探究一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是經(jīng)過做功的方法還是使用了熱傳遞的方法使它的內(nèi)能增加因?yàn)閱渭兊貙ο到y(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的，那么當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量U應(yīng)該是多少？答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量UQW.知識(shí)梳理1熱力學(xué)第一定律：如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么

2、，物體內(nèi)能的增加U就等于物體吸收的熱量Q和外界對物體做的功W之和2熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：UQW.3對公式UQW符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQU外界對熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加熱力學(xué)系統(tǒng)對外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少4.三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q0，則WU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加(2)若過程中外界沒有對物體做功，即W0，則QU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ0或WQ，外界對物體做的功等于物體放出的熱量二、熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例導(dǎo)學(xué)探究1理想氣體的內(nèi)能與什么因素有關(guān)？答案由于理想氣體忽略了分子間的作用力，即忽略

3、了分子勢能，所以理想氣體的內(nèi)能只跟氣體的溫度和物質(zhì)的量有關(guān)，與氣體的體積無關(guān)2你能應(yīng)用熱力學(xué)第一定律討論理想氣體在等壓膨脹過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系嗎？答案設(shè)一定質(zhì)量的理想氣體，保持壓強(qiáng)不變，由(V1，T1)變?yōu)?V2，T2)，而且V1V2.由蓋呂薩克定律及V1V2知T1T2.因氣體膨脹(V1V2)，則氣體對外做功，W0.因氣體溫度升高(T1T2)，則氣體的內(nèi)能增加U0.由熱力學(xué)第一定律UWQ可知QUW0.即系統(tǒng)由外界吸收熱量，系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為氣體對外所做的功知識(shí)梳理1等壓過程中的能量轉(zhuǎn)換(1)等壓膨脹：由于W0，U0，則QUW0，即氣體吸收的熱量一部分用來增加內(nèi)能，另

4、一部分轉(zhuǎn)化為氣體對外所做的功(2)等壓壓縮：由于W0，U0，則QUW0，即氣體對外界放熱，放出的熱量等于外界對氣體所做的功與氣體內(nèi)能減小量之和2等容過程中的能量轉(zhuǎn)換(1)溫度升高：由于U0，W0，則QU，即氣體從外界吸收的熱量全部用于增加氣體的內(nèi)能(2)溫度降低，由于U0，W0，則QU，即氣體向外界放出的熱量等于氣體內(nèi)能的減少量3等溫過程中的能量轉(zhuǎn)化(1)等溫膨脹：由于W0，U0，則QW0，即氣體從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)換為氣體對外所做的功(2)等溫壓縮：由于W0，U0，則QW0，即外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為氣體傳給外界的熱量三、能量守恒定律導(dǎo)學(xué)探究使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式是做功和熱傳遞做功

5、的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，熱傳遞是把其他物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)的內(nèi)能在能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時(shí)，能量的總量會(huì)減少嗎？答案能量的總量保持不變知識(shí)梳理1能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變2對能量守恒定律的理解(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等(2)某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等3能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運(yùn)動(dòng)形式都有對應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等各種

6、形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化4第一類永動(dòng)機(jī)(1)定義：不需要任何動(dòng)力或燃料卻能不斷對外做功的機(jī)器(2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律延伸思考熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？答案是一、熱力學(xué)第一定律例1(多選)關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是()A吸熱的物體，其內(nèi)能一定增加B體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少C放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加D絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加答案CD解析做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化例2空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過

7、程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案5104 J解析選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UWQ.由題意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得：QUW1.5105 J2105 J5104 J.負(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.二、熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的結(jié)合例3如圖1所示，倒懸的導(dǎo)熱氣缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動(dòng)，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個(gè)重為G的物體，大氣壓強(qiáng)恒為p0.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時(shí)，活塞到氣缸底面的距離為L.當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，氣缸中的

8、氣體吸收的熱量為Q.求：圖1(1)氣缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量U；(2)最終的環(huán)境溫度T.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T0解析(1)密封氣體的壓強(qiáng)pp0(G/S)密封氣體對外做功WpS0.1L由熱力學(xué)第一定律得UQW得UQ0.1p0SL0.1LG(2)該過程是等壓變化，由蓋呂薩克定律有解得T1.1T0三、能量守恒定律例4下列對能量守恒定律的認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤的是()A某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C不需要任何外界的動(dòng)力而持續(xù)對外做功的機(jī)器第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機(jī)械能消失了答案D解析A選

9、項(xiàng)是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的B選項(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的，A、B選項(xiàng)正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，它違背了能量守恒定律所以A、B、C正確；D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能減少，但機(jī)械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯(cuò)誤故選D項(xiàng)1(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JC

10、W8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B解析因?yàn)橥饨鐚怏w做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B選項(xiàng)正確2(熱力學(xué)第一定律)如圖2所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計(jì)氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降的過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，且()圖2A從外界吸熱B內(nèi)能增大C向外界放熱D內(nèi)能減少答案C解析本題考查氣體性質(zhì)和熱力學(xué)第一定律，由于不計(jì)氣體分子之間的相互作

11、用，且整個(gè)過程緩慢進(jìn)行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項(xiàng)B、D均錯(cuò)根據(jù)熱力學(xué)第一定律公式UWQ，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中氣體體積減小，外界對氣體做功，式中W取正號(hào)，U0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯(cuò)，C對正確答案為C.3(能量守恒定律)下面設(shè)想不符合能量守恒定律的是()A利用永久磁鐵間的作用力，造一臺(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械B做一條沒有動(dòng)力系統(tǒng)的船，在水面上行駛C通過太陽照射飛機(jī)，即使飛機(jī)不帶燃料也能飛行D利用核動(dòng)力，駕駛地球離開太陽系答案A解析利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但由于摩擦力的不可避免性，動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動(dòng)停止，故A不符合船能利用水流的能量行駛，飛機(jī)可利用光能

12、的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)不帶燃料也能飛行，故B、C符合；利用反沖理論，以核動(dòng)力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D符合故選A項(xiàng)4(熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用)如圖3是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開始時(shí)封閉的氣柱長度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的氣柱長度變?yōu)? cm，人對活塞做功100 J，大氣壓強(qiáng)為p01105 Pa，不計(jì)活塞的重力問：圖3(1)若用足夠長的時(shí)間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，向外散失的熱量為20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫

13、截面積S1 cm2)答案(1)1.1106 Pa(2)82 J解析(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得p0V0pV解出p1.1106 Pa(2)大氣壓力對活塞做功W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J由熱力學(xué)第一定律得UW1W2QQ20 J解得U82 J題組一熱力學(xué)第一定律1關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法中正確的是()A物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大B物體對外做功，內(nèi)能一定減少C物體吸收熱量，同時(shí)對外做功，內(nèi)能可能不變D物體放出熱量，同時(shí)對外做功，內(nèi)能可能不變答案C解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，

14、物體內(nèi)能的變化與外界對物體做功(或物體對外界做功)和物體從外界吸熱(或向外界放熱)兩種因素有關(guān)物體吸收熱量，但有可能同時(shí)對外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A錯(cuò)；同理，物體對外做功的同時(shí)有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少，B錯(cuò)；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對外做功都使物體內(nèi)能減少，故D錯(cuò)2夏天將密閉有空氣的礦泉水瓶放進(jìn)低溫的冰箱中會(huì)變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(可看成理想氣體)()A內(nèi)能減小，外界對其做功B內(nèi)能減小，吸收熱量 C內(nèi)能增加，對外界做功D內(nèi)能增加，放出熱量答案A解析此過程中瓶內(nèi)空氣溫度降低，體積減小，所以內(nèi)能減小，外界對氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW可知

15、，U0，QUW0，所以空氣放熱，只有選項(xiàng)A正確3一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5104 J，氣體對外界做功1.0104 J，則該理想氣體的 ()A溫度降低，密度增大 B溫度降低，密謀減小C溫度升高，密度增大 D溫度升高，密度減小答案D解析由UWQ可得理想氣體內(nèi)能變化U1.0104 J2.5104 J1.5104 J0，故溫度升高，A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)因?yàn)闅怏w對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由可知密度變小，故C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確4一定質(zhì)量的氣體在保持壓強(qiáng)恒等于1.0105 Pa的狀況下，體積從20 L膨脹到30 L，這一過程中氣體從外界吸熱4103 J，則氣體內(nèi)能的變化為()A增

16、加了5103 J B減少了5103 JC增加了3103 J D減少了3103 J答案C解析氣體等壓膨脹過程對外做功WpV1.0105 Pa(3020)103 m31.0103 J這一過程氣體從外界吸熱Q4103 J由熱力學(xué)第一定律UWQ，由于氣體對外做功，W應(yīng)取負(fù)值，則可得U1.0103 J4.0103 J3.0103 J，即氣體內(nèi)能增加了3103 J故選項(xiàng)C正確題組二能量守恒定律5自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小，下列說法中正確的是()A機(jī)械能守恒B能量正在消失C只有動(dòng)能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒答案D解析自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小，說明機(jī)械能在減少，故A、

17、C項(xiàng)錯(cuò)誤；而減少的機(jī)械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故B項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確6一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，并從中穿出對于這一過程，下列說法中正確的是()A子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的機(jī)械能B子彈減少的動(dòng)能等于木塊增加的動(dòng)能C子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的動(dòng)能與木塊增加的內(nèi)能之和D子彈減少的動(dòng)能等于木塊增加的動(dòng)能與子彈和木塊增加的內(nèi)能之和答案D解析射穿木塊的過程中，由于相互間摩擦力的作用使得子彈的動(dòng)能減小，木塊獲得動(dòng)能，同時(shí)產(chǎn)生熱量，且系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在數(shù)值上等于系統(tǒng)機(jī)械能的損失A、B項(xiàng)沒有考慮到系統(tǒng)增加的內(nèi)能，C項(xiàng)中應(yīng)考慮的是系統(tǒng)減少的機(jī)械能等于系統(tǒng)增加的內(nèi)能故正確答案為D.7

18、“第一類永動(dòng)機(jī)”不可能制成，是因?yàn)?)A不符合機(jī)械能守恒定律B違背了能量守恒定律C做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量D找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案答案B8.如圖1所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)下列說法正確的是()圖1A轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量B轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身C轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)熱水，水溫升高D葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量答案D解析輕推轉(zhuǎn)輪后，葉片開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由能量守恒定律可知，

19、葉片在熱水中吸收的熱量一部分釋放到空氣中，另一部分使葉片在熱水中伸展做功，所以葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量，D正確題組三熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用9(多選)如圖2所示，一絕熱容器被隔板K隔成a、b兩部分已知a內(nèi)有一定質(zhì)量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空抽離隔板K后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)在此過程中()圖2A氣體對外界做功，內(nèi)能減少B氣體不做功，內(nèi)能不變C氣體壓強(qiáng)變小，溫度降低D氣體壓強(qiáng)變小，溫度不變答案BD解析抽離隔板K，a內(nèi)氣體體積變大，由于b內(nèi)為真空，所以a內(nèi)氣體不做功，由熱力學(xué)第一定律可得B正確內(nèi)能不變，故溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知壓強(qiáng)變小，所以

20、D正確10高壓鍋加熱到一定程度，高壓水汽會(huì)沖開氣閥噴出，高壓水汽噴出的過程()A噴出的水汽體積增大，溫度降低，壓強(qiáng)減小B噴出的水汽壓強(qiáng)減小，大氣對水汽做正功，內(nèi)能增大C水汽剛噴出的短暫時(shí)間里，水汽對外做正功，吸熱，內(nèi)能增加D水汽剛噴出的短暫時(shí)間里，水汽對外做負(fù)功，放熱，內(nèi)能減小答案A解析由于外面壓強(qiáng)小于高壓鍋內(nèi)部壓強(qiáng)，所以噴出的水汽壓強(qiáng)減小，體積增大，對外做正功，溫度降低，放出熱量，內(nèi)能減小故選項(xiàng)A正確11如圖3所示，A、B兩點(diǎn)表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(shí)()圖3A氣體內(nèi)能一定增加 B氣體壓強(qiáng)變大C氣體對外界做功 D氣體對外界放熱答案C解析由圖可知，理想氣體的變化為等溫膨脹，故氣體壓強(qiáng)減小，內(nèi)能不變，氣體對外做功；由熱力學(xué)第一定律可知，氣體一定從外界吸收熱量綜上可知，C對，A、B、D錯(cuò)12重慶出租車常以天然氣作為燃料加氣站儲(chǔ)氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過程中，若儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體體積及質(zhì)量均不變，則罐內(nèi)氣體