2017-2018學年高中物理 第三章 熱力學基礎 第二節(jié) 熱力學第一定律 第三節(jié) 能量守恒定律教學案 -

1、學必求其心得，業(yè)必貴于專精第二節(jié)熱力學第一定律第三節(jié)能量守恒定律目標定位 1.理解熱力學第一定律并會運用于分析和計算。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.知道第一類永動機是不可能造成的一、熱力學第一定律導學探究一根金屬絲經過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是經過做功的方法還是使用了熱傳遞的方法使它的內能增加因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內能既然它們在改變系統(tǒng)內能方面是等效的，那么當外界對系統(tǒng)做功為w，又對系統(tǒng)傳熱為q時,系統(tǒng)內能的增量u應該是多少？答案系統(tǒng)內能的增量uqw.知識梳理1熱力學第一定律:如果物體跟外界同時發(fā)

2、生做功和熱傳遞的過程，那么,物體內能的增加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熱力學第一定律的表達式：uqw.3對公式uqw符號的規(guī)定符號wqu外界對熱力學系統(tǒng)做功熱力學系統(tǒng)吸收熱量內能增加熱力學系統(tǒng)對外界做功熱力學系統(tǒng)放出熱量內能減少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能的增加(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即u0，則wq0或wq，外界對物體做的功等于物體放出的熱量二、熱力學第一定律應用舉例導學探究1理想氣體的內能與什么因素有關？答案由于理想氣體忽

3、略了分子間的作用力，即忽略了分子勢能,所以理想氣體的內能只跟氣體的溫度和物質的量有關，與氣體的體積無關2你能應用熱力學第一定律討論理想氣體在等壓膨脹過程中的能量轉換關系嗎？答案設一定質量的理想氣體，保持壓強不變,由（v1,t1)變?yōu)椋╲2，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),則氣體的內能增加u0。由熱力學第一定律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能，一部分轉化為氣體對外所做的功知識梳理1等壓過程中的能量轉換(1）等壓膨脹：由于w0，u0，則quw0,即氣體吸收的

4、熱量一部分用來增加內能，另一部分轉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能減小量之和2等容過程中的能量轉換（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能的減少量3等溫過程中的能量轉化(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換為氣體傳給外界的熱量三、能量守恒定律導學探究使熱力學系統(tǒng)內能改

5、變的方式是做功和熱傳遞做功的過程是其他形式的能轉化為內能的過程，熱傳遞是把其他物體的內能轉移為系統(tǒng)的內能在能量發(fā)生轉化或轉移時,能量的總量會減少嗎？答案能量的總量保持不變知識梳理1能量守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化成為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體；在轉化和轉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化各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內能，還有諸如電

6、磁能、化學能、原子能等各種形式的能通過某種力做功可以相互轉化4第一類永動機(1)定義：不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機器（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第一定律、機械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現嗎？答案是一、熱力學第一定律例1（多選)關于物體內能的變化情況，下列說法中正確的是(）a吸熱的物體,其內能一定增加b體積膨脹的物體，其內能一定減少c放熱的物體，其內能也可能增加d絕熱壓縮的氣體，其內能一定增加答案cd解析做功和熱傳遞都能改變物體的內能，不能依據一種方式的變化就判斷內能的變化例2空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 j的功,同時空氣的內能增加

7、了1.5105 j,這一過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，根據熱力學第一定律有uwq。由題意可知w2105 j，u1.5105 j，代入上式得：quw1。5105 j2105 j5104 j.負號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、熱力學第一定律與氣體實驗定律的結合例3如圖1所示，倒懸的導熱氣缸中封閉著一定質量的理想氣體輕質活塞可無摩擦地上下移動，活塞的橫截面積為s，活塞的下面吊著一個重為g的物體，大氣壓強恒為p0.起初環(huán)境的熱力學溫度為t0時，活塞到氣缸底面的距離為l.當環(huán)境溫度逐漸升高，導致活塞緩慢下降，該過程中活

8、塞下降了0。1l，氣缸中的氣體吸收的熱量為q。求：圖1（1）氣缸內部氣體內能的增量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pp0（g/s）密封氣體對外做功wps0.1l由熱力學第一定律得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識錯誤的是(）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力而持續(xù)對外做功的機器第一類永動機是不可能制成的d石子從空中落下，最后停止在地面上，說明

9、機械能消失了答案d解析a選項是指不同形式的能量間的轉化，轉化過程中能量是守恒的b選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉移，轉移過程中能量是守恒的,a、b選項正好是能量守恒定律的兩個方面轉化與轉移第一類永動機是不可能制成的,它違背了能量守恒定律所以a、b、c正確；d選項中石子的機械能減少,但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故d錯誤故選d項1(熱力學第一定律)一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 j的功，氣體的內能減少了1.2105 j，則根據熱力學第一定律，下列各式中正確的是（)aw8104 j，u1.2105 j，q4104 jbw8104 j，u1.21

10、05 j,q2105 jcw8104 j，u1。2105 j，q2104 jdw8104 j,u1。2105 j,q4104 j答案b解析因為外界對氣體做功，w取正值，即w8104 j；內能減少,u取負值，即u1。2105 j；根據熱力學第一定律uwq，可知quw1。2105 j8104 j2105 j，即b選項正確2(熱力學第一定律）如圖2所示，某同學將空的薄金屬筒開口向下壓入水中設水溫均勻且恒定，筒內空氣無泄漏，不計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,筒內空氣體積減小,且（）圖2a從外界吸熱b內能增大c向外界放熱d內能減少答案c解析本題考查氣體性質和熱力學第一定律，由

11、于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進行，所以可看成溫度不變，即氣體內能不變,選項b、d均錯根據熱力學第一定律公式uwq，因為在這個過程中氣體體積減小，外界對氣體做功，式中w取正號，u0，所以q為負,即氣體向外放熱，故選項a錯,c對正確答案為c.3(能量守恒定律）下面設想不符合能量守恒定律的是()a利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉動的機械b做一條沒有動力系統(tǒng)的船,在水面上行駛c通過太陽照射飛機,即使飛機不帶燃料也能飛行d利用核動力，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化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉化為內能使轉動停止，故a不符合船能利用水流

12、的能量行駛，飛機可利用光能的可轉化性和電能的可收集性，使光能轉化為飛機的動能，實現飛機不帶燃料也能飛行，故b、c符合；利用反沖理論，以核動力為能源，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4（熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用)如圖3是用導熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置,開始時封閉的氣柱長度為22 cm，現用豎直向下的外力f壓縮氣體,使封閉的氣柱長度變?yōu)? cm,人對活塞做功100 j，大氣壓強為p01105 pa，不計活塞的重力問：圖3（1）若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強多大？(2)若以適當的速度壓縮氣體，向外散失的熱量為20 j，則氣體

13、的內能增加多少?(活塞的橫截面積s1 cm2)答案(1)1。1106 pa（2）82 j解析(1)設壓縮后氣體的壓強為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由熱力學第一定律得uw1w2qq20 j解得u82 j題組一熱力學第一定律1關于物體內能的變化，以下說法中正確的是（）a物體吸收熱量,內能一定增大b物體對外做功，內能一定減少c物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變d物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變答案c解析

14、根據熱力學第一定律uwq，物體內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)兩種因素有關物體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內能有可能不變甚至減小，故a錯；同理，物體對外做功的同時有可能吸熱,故內能不一定減少,b錯；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內能不變，c正確；而放熱與對外做功都使物體內能減少，故d錯2夏天將密閉有空氣的礦泉水瓶放進低溫的冰箱中會變扁，此過程中瓶內空氣（可看成理想氣體）()a內能減小，外界對其做功b內能減小,吸收熱量 c內能增加，對外界做功d內能增加,放出熱量答案a解析此過程中瓶內空氣溫度降低,體積減小,所以內能減小，外界對氣體做功，根

15、據熱力學第一定律uqw可知，u0，w0，quw0,所以空氣放熱，只有選項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可得理想氣體內能變化u1。0104 j2.5104 j1.5104 j0，故溫度升高，a、b兩項均錯因為氣體對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由可知密度變小,故c項錯誤，d項正確4一定質量的氣體在保持壓強恒等于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

16、 j，則氣體內能的變化為（)a增加了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由熱力學第一定律uwq，由于氣體對外做功,w應取負值,則可得u1。0103 j4。0103 j3。0103 j，即氣體內能增加了3103 j故選項c正確題組二能量守恒定律5自由擺動的秋千擺動幅度越來越小,下列說法中正確的是(）a機械能守恒b能量正在消失c只有動能和重力勢能的相互轉化d減少的機械能轉化為內能,但總能量守恒答案d解析自由擺動的秋千擺動幅度越

17、來越小，說明機械能在減少，故a、c項錯誤；而減少的機械能通過摩擦轉化成了內能，故b項錯誤，d項正確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子彈減少的機械能等于木塊增加的機械能b子彈減少的動能等于木塊增加的動能c子彈減少的機械能等于木塊增加的動能與木塊增加的內能之和d子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊增加的內能之和答案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能減小，木塊獲得動能，同時產生熱量，且系統(tǒng)產生的熱量在數值上等于系統(tǒng)機械能的損失a、b項沒有考慮到系統(tǒng)增加的內能，c項中應考慮的是系統(tǒng)減少的機械能等于

18、系統(tǒng)增加的內能故正確答案為d.7“第一類永動機”不可能制成，是因為（)a不符合機械能守恒定律b違背了能量守恒定律c做功產生的熱不符合熱功當量d找不到合適的材料和合理的設計方案答案b8.如圖1所示,一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動下列說法正確的是（)圖1a轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量b轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身c轉動的葉片不斷攪動熱水，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解析輕推轉輪后，葉

19、片開始轉動,由能量守恒定律可知，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正確題組三熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用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內有一定質量的稀薄氣體，b內為真空抽離隔板k后，a內氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)在此過程中()圖2a氣體對外界做功，內能減少b氣體不做功，內能不變c氣體壓強變小，溫度降低d氣體壓強變小,溫度不變答案bd解析抽離隔板k，a內氣體體積變大，由于b內為真空，所以a內氣體不做功,由熱力學第一定律可得b正確內能不變,故溫度不變,體積變大

20、，由玻意耳定律可知壓強變小，所以d正確10高壓鍋加熱到一定程度，高壓水汽會沖開氣閥噴出，高壓水汽噴出的過程()a噴出的水汽體積增大，溫度降低,壓強減小b噴出的水汽壓強減小，大氣對水汽做正功，內能增大c水汽剛噴出的短暫時間里,水汽對外做正功,吸熱，內能增加d水汽剛噴出的短暫時間里，水汽對外做負功，放熱，內能減小答案a解析由于外面壓強小于高壓鍋內部壓強，所以噴出的水汽壓強減小，體積增大，對外做正功，溫度降低，放出熱量，內能減小故選項a正確11如圖3所示，a、b兩點表示一定質量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b時(）圖3a氣體內能一定增加 b氣體壓強變大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，故氣體壓強減小，內能不變，氣體對外做功;由熱力學第一定律可知，氣體一定從外界吸收熱量綜上可知，c對，a、b、d錯12重慶出租車常以天然氣作為燃料加氣站儲氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過程中,若儲氣罐內氣體體積及質量均不變，則罐內氣體(可視為理想氣體）（)a壓強增大,內能減小b吸收熱量，內能增大c壓強減小，分子平均動能增大d對外做功,分子平均動能減小答案b解析儲氣罐中氣體體積不變，氣體