2020高中物理第十章熱力學(xué)定律課時(shí)3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)案新人教版選修3-3

1、學(xué)案3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律目標(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.理解并會(huì)運(yùn)用能量守恒定律.3.知道什么是第類永動(dòng)機(jī)及其不可能制成的原因.基礎(chǔ)自學(xué)落實(shí)重點(diǎn)互動(dòng)捋究、熱力學(xué)第一定律 問題設(shè)計(jì)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通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內(nèi)能增加.因?yàn)閱渭兊貙?duì)系統(tǒng)做功和單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能.既然它們?cè)诟淖兿到y(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的，那么當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功為w又對(duì)系統(tǒng)傳熱為 Q時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量 AU應(yīng)該是多少?答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量 AU= Q+ W要點(diǎn)提煉1 .改變內(nèi)能的兩種方式：做功與熱傳遞.兩者在改

2、變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的.2 .熱力學(xué)第一定律：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與夕空對(duì)它所做的功的租3 .熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：AU= Q+ W4 .對(duì)公式 AU= Q+ W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQAU十體積減小,外界對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量?jī)?nèi)能增加一體積增大,熱力學(xué)系統(tǒng)對(duì)外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量?jī)?nèi)能減少5.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)根據(jù)符號(hào)法則寫出各已知量 (W Q A I)的正負(fù)；(2)根據(jù)方程A U= Wb_Q求出未知量；(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況.6.氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的關(guān)系兩者的結(jié)合點(diǎn)是體積 V和溫度T.注意

3、三個(gè)特殊過程的特點(diǎn)：(1)等溫過程：內(nèi)能不變，A U= 0;(2)等容過程：體積不變， W 0;絕熱過程：Q= 0.二、能量守恒定律問題設(shè)計(jì)使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式有做功和熱傳遞.做功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.要點(diǎn)提煉1 .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)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變.2 .對(duì)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.

4、(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(duì)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)力或燃也省能不斷地對(duì)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.典例精析一、熱力學(xué)第一定律【仞11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

5、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.答案 CD2】空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對(duì)空氣做了2X 105 J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5X105J,這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？解析 選擇被壓縮的空氣為研究對(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有A VW Q由題意可知 W= 2X105 J , A U= 1.5X105 J，代入上式得：Q= A U-W 1.5 X 105 J 2X105 J = 5X10 4 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5X104 J.答案 5X104J二、能量守

6、恒定律31下列對(duì)能量守恒定律的認(rèn)識(shí)正確的是()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(duì)外做功的機(jī)器一一第一類永動(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)械能消失了解析 A選項(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，這正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面一一轉(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)械能在變化，比如受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒有消失，能

7、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.答案 ABC三、熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的結(jié)合【例4】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 T)時(shí)，活塞到氣缸底面的距離為L(zhǎng).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0.1 L,氣缸中的氣體吸收的熱量為Q求：(1)氣缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量A U;(2)最終的環(huán)境溫度 T.解析 (1)密封氣體的壓強(qiáng)p= P0 ( G S)密封氣體對(duì)外做功W= pSx 0.1 L由熱力學(xué)第一定律得A U=

8、Q- W得 AU= Q- 0.1 p0SL+ 0.1 LG(2)該過程是等壓變化，由蓋一呂薩克定律有LSL+ 0.1 L S解得 T= 1.1 T0.(1) Q- 0.1 pSL+ 0.1 LG (2)1.1 T0自我檢測(cè)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(duì)氣體做了 8X 104J的功，氣體的內(nèi)能減少了 1.2 X 105J,則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是()A. W 8X104J, A U= 1.2X105 J , Q= 4X104 JB. W 8X104 J , A U= 1.2 X 10 5 J , Q= 2X10 5 JC W 8X104 J , A U=

9、 1.2 X 105 J , Q= 2X104 JD. W 8X104 J , A U= 1.2X105J, Q= 4X104 J答案 B解析 因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，WX正值，即 W 8X 104 J；氣體的內(nèi)能減少，A U取負(fù)值，即 AU= 1.2X105J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律AU= W Q,可知Q= A U- W -1.2 X105J -8X104 J =-2X105 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過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，空氣一定（）圖2A.

10、從外界吸熱 B .內(nèi)能增大C.向外界放熱 D .內(nèi)能減小答案 C解析 由于不計(jì)氣體分子之間的相互作用，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)；由熱力學(xué)第一定律 AU= VWQ因?yàn)樵谙陆颠^程中氣體體積減小，外界對(duì)氣體做了功， 式中W取正號(hào)，AU= 0,所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng) A錯(cuò)，C對(duì).3 .（能量守恒定律）下面設(shè)想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.做一條船，利用流水的能量逆水行舟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 BCD解析 利用磁場(chǎng)能可以使磁鐵所具有的磁場(chǎng)

11、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.讓船先靜止在水中，設(shè)計(jì)一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動(dòng) 能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉(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.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(zhǎng)度為 22 cm,現(xiàn)用豎直向下的外力 F壓縮氣體，使封閉白氣柱長(zhǎng)度變?yōu)? cm,人對(duì)活塞做功100 J,大

12、氣壓強(qiáng)為p°= 1 x 105 Pa ,不計(jì)活塞的重力.問：(1)若用足夠長(zhǎng)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，氣體向外散失的熱量為20 J ,則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫截面積 S= 1 cm?)答案 (1)1.1 X106 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,l0=22 cm, l =2 cm,V>= l 0S,V=IS ,緩慢壓縮,氣體溫度不變 由玻意耳定律得 poV)= pV解得 p= 1.1 x 106 Pa(2)大氣壓力對(duì)活塞做功W= p0s(l 0 l) = 2 J人做功W= 100 J

13、由熱力學(xué)第一定律得A U= W + W+ QQ= 20 J解得AW 82 J電課堂要點(diǎn)小結(jié)研究對(duì)象:熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定津 表達(dá)式；4J=Q+W公式符號(hào)的規(guī)定不同形式的能量之間可鼠相互轉(zhuǎn)化熱力學(xué)弟一定律 族盤守恒定律能量守 恒定律”能量守恒定律內(nèi)容 意義魁急永動(dòng)機(jī)不可能制成原因 結(jié)果熱力學(xué)第一定律與氣悴文蹄定律的節(jié)件40分鐘課時(shí)作業(yè)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(duì)外做功，內(nèi)能一定減少C.物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變D.物體放出熱量，同時(shí)對(duì)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 AU= VW

14、Q物體內(nèi)能的變化與外界對(duì)物體做功 （或物體對(duì)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(duì)外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故AB錯(cuò)；若物體吸收的熱量與對(duì)外做的功相等,D錯(cuò).（不計(jì)分子勢(shì)能的變化）（）溫度降低時(shí)其內(nèi)能減小.塑料瓶變扁時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣錯(cuò)；同理，物體對(duì)外做功的同時(shí)有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少, 則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對(duì)外做功都使物體內(nèi)能減少，故2 .密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶?jī)?nèi)空氣A.內(nèi)能增大，放出熱量 B .內(nèi)能減小，吸收熱量C.內(nèi)能增大，對(duì)外界做功 D .內(nèi)能減小，外界對(duì)其做功答案 D解析 不計(jì)分子勢(shì)能的變化時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣的內(nèi)

15、能只與其溫度有關(guān)，體積減小，外界對(duì)其做功.再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶?jī)?nèi)空氣要放出熱量，故只有選項(xiàng)D正確.3 . 一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量 2.5X104 J ,氣體對(duì)外界做功1.0X104 J ,則該理想氣體的（）A.溫度降低，密度增大B .溫度降低，密度減小C.溫度升高，密度增大D ,溫度升高，密度減小答案 D解析 由AU= W Q可得理想氣體內(nèi)能變化 AU= 1.0 X104 J + 2.5 X104 J = 1.5 X104 J>0,故溫度升高， A B兩項(xiàng)均錯(cuò).因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由 p =m1知密度較小，故 C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確.

16、4 . 一定質(zhì)量的氣體在保持壓強(qiáng)恒等于1.0X105 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4X103J ,則氣體內(nèi)能的變化為（）A.增加了 5X103 J B ,減少了 5X103JC.增加了 3X103 J D ,減少了 3X103 J答案 C解析 氣體等壓膨脹過程對(duì)外做功W= p A V= 1.0 x 10 5 Pax （30 20） x 1 0 3 m3= 1.0 x 10 3 J .這一過程氣體從外界吸熱Q= 4X103 J.由熱力學(xué)第一定律 AU= VW Q由于氣體外做功，V應(yīng)取負(fù)值，則可得 AU= 1.0X10 3 J+ 4.0X103 J=3.0

17、X103J,即氣體內(nèi)能增加了 3X103J.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(shì)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 DA C項(xiàng)錯(cuò)誤；而減少的機(jī)械能通過摩擦轉(zhuǎn)化解析自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小，說明機(jī)械能在減少，故成了內(nèi)能，故B項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確.6.如圖1所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置， 一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定的高度， 則下面有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是（）圖1A.子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B.子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的熱能C.子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)

18、變成了沙箱和子彈的動(dòng)能D.子彈的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能答案 D解析 子彈在射入沙箱瞬間， 要克服摩擦阻力做功， 一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能.7 . “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8 .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2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

19、較長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng).下列說法正確的是（）形狀泥憶介金圖2A.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，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 .如圖3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KB, a內(nèi)氣體進(jìn)入b,最終達(dá)到

20、平衡狀態(tài).在此過程中 （）圖3A.氣體對(duì)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 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 10.用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖 4所示， 交換，則袋內(nèi)氣體（）內(nèi)氣體不做功，由熱力學(xué)第一定律可得 B正確.內(nèi)D正確.充氣袋四周被擠壓時(shí)，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無熱圖4A.體積減小，內(nèi)能增大B.體積減小，壓強(qiáng)減小C.對(duì)外界做負(fù)功，內(nèi)能增大D.對(duì)外界做正功，壓強(qiáng)減小答案 AC解析袋內(nèi)氣體與外界無熱交換即Q= 0,袋四周被擠壓時(shí)，體積 V減小，外界對(duì)氣體做正功，根據(jù)熱力學(xué)第定律PVAl> W Q,氣體內(nèi)能增大，則溫度升高，由 岸=常數(shù)知壓強(qiáng)增大，選項(xiàng) A、C正確，B、D錯(cuò)誤.11.如圖5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)8