高中物理-3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律教學(xué)設(shè)計學(xué)情分析教材分析課后反思

2012.4.4PAGE2PAGE3、熱力學(xué)第一定律能量守恒定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]理解熱力學(xué)第一定律。能運用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。通過能量守恒定律的學(xué)習(xí)，認識自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。知道第一類永動機是不能實現(xiàn)的。[自主學(xué)習(xí)]一、熱力學(xué)第一定律。焦耳的實驗表明什么問題？2、寫出熱力學(xué)第一定律的文字表述及數(shù)學(xué)表達式。3、總結(jié)△U，Q，W幾個量取正、負的意義。做功W熱量Q內(nèi)能的改變ΔU取正值“+”取負值“－”二、能量守恒定律。4、認真閱讀教材后，寫出能量守恒定律的內(nèi)容。三、永動機不可能制成5、什么是第一類永動機？6、第一類永動機為什么不能制成？三、例題精選：例1.一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是（）A.W=8×104J，ΔU=1.2×105J，Q=4×104JB.W=8×104J，ΔU=－1.2×105J，Q=－2×105JC.W=－8×104J，ΔU=1.2×105J，Q=2×104JD.W=－8×104J，ΔU=－1.2×105J，Q=－4×104J例2.一定質(zhì)量的氣體，在壓縮過程中外界對氣體做功300J，但這一過程中氣體的內(nèi)能減少了300J，問氣體在此過程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？例3.一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時氣體對外做了6×105J的功，問：（1）物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？（2）分子勢能是增加還是減少？（3）分子的平均動能是增加還是減少？四達標(biāo)訓(xùn)練：1．一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，未從木塊中穿出．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．子彈減少的動量等于木塊增加的動量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(nèi)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的內(nèi)能增量之和2在熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q中，關(guān)于各個物理量的正、負，下列說法中正確的是（）a．外界對物體做功時W為正，吸熱時Q為負，內(nèi)能增加時△U為正b．物體對外界做功時W為負，放熱時Q為負，內(nèi)能減少時△U為負c．物體對外界做功時W為正，吸熱時Q為正，內(nèi)能增加時△U為正d．外界對物體做功時W為負，吸熱時Q為負，內(nèi)能增加時△U為負3、一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)Ⅰ(p1，V1，T1)被壓縮至狀態(tài)Ⅱ(p2，V2，T2)，已知T2＞T1，則該過程中()A．氣體的內(nèi)能一定是增加的B．氣體可能向外界放熱C．氣體一定從外界吸收熱量D．氣體對外界做正功4、永動機是不可制成的，這是因為永動機()A．不符合機械能守恒定律B．違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律C．制造永動機的技術(shù)不過關(guān)D．無法解決機械摩擦問題10.4、熱力學(xué)第二定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1、了解熱力學(xué)第二定律的發(fā)展簡史，2、了解什么是第二類永動機，為什么第二類永動機不可以制成。3、了解熱傳導(dǎo)的方向性，4、了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述方法，以及這兩種表述的物理實質(zhì)，5、了解什么是能量耗散[自主學(xué)習(xí)]一、熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容是什么？二、內(nèi)能的轉(zhuǎn)移內(nèi)能轉(zhuǎn)移實質(zhì)就是熱傳遞。熱傳導(dǎo)的方向性：熱傳導(dǎo)的過程是有方向行，這個過程可以自發(fā)的從一個方向自發(fā)地進行；但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行，必須借助外界的幫助。自然界中所涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。所謂的熱量從高溫物體向低溫物體傳遞是一個自發(fā)的過程，熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移需要其他的物理過程參與。得出熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述：三、內(nèi)能和機械能之間的轉(zhuǎn)化瓦特蒸汽機的發(fā)明說明人們開始了熱機理論的研究，（"熱機"就是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的機械）第二類永動機：能從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化的機械。熱機從高溫?zé)嵩次諢崃縌，其中一部分對外做功W，另一部分被釋放給低溫?zé)嵩?，根?jù)能量守恒定律Q1=Q2+W熱機的效率η=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1如果這一類永動機能夠制成，它就可以從外界諸如空氣、海洋、土壤等單一熱源中不斷地吸取能量，而對外做功。眾所周知在空氣和海洋中內(nèi)能是取之不盡的，這樣的話飛機不用帶油箱，輪船不用帶燃料。人們?yōu)榇俗龀隽嗽S多努力，做了大量的嘗試，但是第二類永動機始終還是沒能制成。伴隨著一次次的失敗，終于認識到第二類永動機是不可能制成的。熱力學(xué)第二定律開爾文表述：熱力學(xué)第二定律兩種表述形式實質(zhì)是一樣的，只是側(cè)重角度不同：1、克勞修斯表述體現(xiàn)熱傳導(dǎo)的方向性2、開爾文表述體現(xiàn)機械能和內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化的方向性四、能量耗散自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，內(nèi)能作為能量發(fā)展的最終形式是沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。舉例：電能轉(zhuǎn)化為光能再轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：烤火時高溫物體的內(nèi)能變?yōu)榈蜏匚矬w的內(nèi)能都是無法將散失的內(nèi)能重新再利用能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性。說明能量耗散不是能量損失，只是可便于利用的能量減少了。五、當(dāng)堂訓(xùn)練：1．下列說法中正確的是（）

A，熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體

B，內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為動能

C，摩擦生熱是動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化

D，熱機的效率最多可以達到100％

2．下列說法正確的是（）

A．第二類永動機與第一類永動機一樣違背了能量守恒定律

B．自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必節(jié)約能源

C．自然界中有的能量便于利用，有的不便于利用

D．不可能讓熱量由低溫物體傳遞給高溫物體而不引起其它任何變化 3．下列說法中，正確的是（）a．一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都具有方向性b．熱量不可能由低溫物體傳給高溫物體c．氣體的擴散過程具有方向性d．.一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有方向性4．下列哪些物理過程具有方向性（）[來源:Zxxk.Com]a．熱傳導(dǎo)過程[來源:Z&xx&k.Com]b．機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程c．氣體的擴散過程d．氣體向真空中膨脹的過程5．下列關(guān)于熱機的說法中，正確的是（）a.熱機是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置b.熱機是把機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的裝置c.只要對內(nèi)燃機不斷進行革新，它可以把氣體的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能d.即使沒有漏氣、也沒有摩擦等能量損失，內(nèi)燃機也不能把內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能桿桿恒溫10-4-16．如圖10-4-1所示，氣缸內(nèi)盛有一定質(zhì)量的理想氣體，氣缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與氣缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣．現(xiàn)通過活塞桿使活塞緩慢地向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并通過對外做功，若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法中正確的是（）A．氣體從單一熱源吸熱，并全部用來對外做功，因此該過程違反熱力學(xué)第二定律B．氣體從單一熱源吸熱，但并未全部用來對外做功，所以該過程違反熱力學(xué)第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，并全部用來對外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律D．以上三種說法都不對高中物理選修3-3同步訓(xùn)練試題解析一、選擇題1．奧運祥云火炬的燃燒系統(tǒng)由燃氣罐(內(nèi)有液態(tài)丙烷)、穩(wěn)壓裝置和燃燒器三部分組成．當(dāng)穩(wěn)壓閥打開以后，燃氣以氣態(tài)從氣罐里出來，經(jīng)過穩(wěn)壓閥后進入燃燒室進行燃燒．則以下說法中正確的是()A．燃氣由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中要對外做功B．燃氣由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中分子的分子勢能減少C．燃氣在燃燒室燃燒的過程是熵增加的過程D．燃氣燃燒后釋放在周圍環(huán)境中的能量很容易被回收再利用解析：燃氣由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中體積膨脹，對外做功，故A選項正確，燃氣在膨脹過程中克服分子間引力做功分子勢能增大，故B選項錯誤，由熵增原理可知C選項A確，D選項錯誤．答案：AC2．如圖，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分．已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空．抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)．在此過程中()A．氣體對外界做功，內(nèi)能減少 B．氣體不做功，內(nèi)能不變C．氣體壓強變小，溫度降低 D．氣體壓強變小，溫度不變解析：a內(nèi)氣體向真空中擴散，體積膨脹，但不做功，A錯誤．由于是絕熱器不從外界吸收熱量，據(jù)熱力學(xué)第一定律Δu＝W＋Q可知氣體內(nèi)能不變，B正確。a內(nèi)氣體為理想氣體，理想氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān)，內(nèi)能不變，氣體的溫度不變，由玻義耳定律知氣體的壓強減小，C錯誤D正確．答案：BD3．如圖所示，一氣缸豎直放置，用一質(zhì)量為m的活塞在缸內(nèi)封閉了一定量的理想氣體，在氣缸的底部安裝有一根電熱絲，用導(dǎo)線和外界電源相連，已知氣缸壁和活塞都是絕熱的，氣缸壁與活塞間光滑接觸且不漏氣．現(xiàn)接通電源，電熱絲對缸內(nèi)氣體緩慢加熱．關(guān)于氣缸內(nèi)氣體，下列說法中正確的是()A．單位時間內(nèi)氣缸單位面積上氣體分子撞擊次數(shù)減少B．所有分子的速率都增加C．分子平均動能增大D．對外做功，內(nèi)能減少答案：AC4．一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)Ⅰ(p1，V1，T1)被壓縮至狀態(tài)Ⅱ(p2，V2，T2)，已知T2>T1，則該過程中()A．氣體的內(nèi)能一定是增加的 B．氣體可能向外界放熱C．氣體一定從外界吸收熱量 D．氣體對外界做正功解析：理想氣體沒有分子勢能，因此溫度升高時，氣體的內(nèi)能增加，故A對；由于不能確定做功情況，因此氣體有可能吸熱，也有可能放熱，應(yīng)選A、B.答案：AB5.如圖所示，a、b、c、d表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標(biāo)軸，ab的延長線過原點，以下說法正確的是()A．從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱B．從狀態(tài)c到b，，氣體放熱C．從狀態(tài)a到d，氣體對外做功D．從狀態(tài)b到a，氣體吸熱解析：從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變，但是由于壓強減小，所以體積增大，對外做功，還要保持內(nèi)能不變，一定要吸收熱量，故答案A錯；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個降壓、降溫過程，同時體積減小，外界對氣體做功，而氣體的內(nèi)能還要減小(降溫)就一定要伴隨放熱的過程．故答案B對；氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個等壓、升溫的過程，同時體積增大，所以氣體要對外做功，答案C正確；氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是個等容變化過程，隨壓強的增大，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，而在這個過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內(nèi)能的增大是因為氣體吸熱的結(jié)果，故答案D對．答案：BCD6．如圖所示的導(dǎo)熱氣缸內(nèi)，用活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，如果迅速向下壓活塞時氣體的溫度會驟然升高(設(shè)為甲過程)．如果緩慢地向下壓活塞時，里面的氣體溫度不變(設(shè)為乙過程)．已知甲、乙兩個過程中氣體初態(tài)和末態(tài)的體積相同，不考慮活塞與氣缸的摩擦，則下列說法正確的是()A．甲過程中氣體的內(nèi)能增加，乙過程中氣體的內(nèi)能不變B．兩過程中外界對氣體做的功一樣多C．乙過程中氣體的壓強不變，甲過程中氣體的壓強不斷增大D．乙過程的末態(tài)氣體壓強比甲過程的末態(tài)氣體壓強小解析：溫度是理想氣體分子平均動能的標(biāo)志，由題意知甲過程中氣體溫度升高，乙過程中氣體溫度不變，所以A項正確．外界對氣體做功W＝eq\x\to(p)·ΔV，體積變化相同，但甲過程平均壓強大于乙過程平均壓強，B項錯；乙過程為等溫壓縮過程，壓強變大，C項錯．可以將兩過程末態(tài)看做一個等容過程，甲過程末態(tài)溫度較高，壓強較大，D項正確．答案：AD7．某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成．開箱時，密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示．在此過程中，若缸內(nèi)氣體與外界無熱交換，忽略氣體分子間相互作用，則缸內(nèi)氣體()A．對外做正功，分子的平均動能減小 B．對外做正功，內(nèi)能增大C．對外做負功，分子的平均動能增大 D．對外做負功，內(nèi)能減小解析：氣體膨脹，氣體對外做正功，又因氣體與外界無熱交換，由熱力學(xué)第一定律可知氣體內(nèi)能減小，因忽略氣體分子間相互作用，沒有分子勢能，所以分子的平均動能減小，選項A正確．答案：A8．如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞．今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減?。艉雎曰钊c容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體()A．溫度升高，壓強增大，內(nèi)能減少 B．溫度降低，壓強增大，內(nèi)能減少C．溫度升高，壓強增大，內(nèi)能增加 D．溫度降低，壓強減小，內(nèi)能增加解析：對理想氣體絕熱壓縮時，外界對氣體做功，由熱力學(xué)第一定律得，氣體的內(nèi)能增加，溫度升高，又因氣體體積減小，分子密度增大，溫度升高，分子平均動能增大，故氣體的壓強增大，C對．答案：C9．一定質(zhì)量的理想氣體的狀態(tài)變化過程表示在如圖所示的p－V圖上，氣體先由a狀態(tài)沿雙曲線經(jīng)等溫過程變化到b狀態(tài)，再沿與橫軸平行的直線變化到c狀態(tài)，a、c兩點位于與縱軸平行的直線上，以下說法中正確的是()A．由a狀態(tài)至b狀態(tài)過程中，氣體放出熱量，內(nèi)能不變B．由b狀態(tài)至c狀態(tài)過程中，氣體對外做功，內(nèi)能增加，平均每個氣體分子在單位時間內(nèi)與器壁碰撞的次數(shù)不變C．c狀態(tài)與a狀態(tài)相比，c狀態(tài)分子平均距離較大，分子平均動能較大D．b狀態(tài)與a狀態(tài)相比，b狀態(tài)分子平均距離較小，分子平均動能相等解析：由a到b的過程是等溫過程，所以內(nèi)能不發(fā)生變化，氣體體積減小，所以外界對氣體做功，放出熱量；由b到c的過程中，是等壓變化，體積增大，溫度升高，內(nèi)能增加，而體積增大，所以氣體對外界做功，應(yīng)該吸收熱量，雖然壓強不變，但是氣體分子熱運動變得劇烈，碰撞次數(shù)改變．答案：AD二、非選擇題10．一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中，外界對氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能減少1.3×105J，則此過程________．(填選項前的編號)①氣體從外界吸收熱量2.0×105J②氣體向外界放出熱量2.0×105J③氣體從外界吸收熱量2.0×104J④氣體向外界放出熱量6.0×104J解析：答案：②11．(1)如圖所示，一演示用的“永動機”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，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動．離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動．下列說法正確的是()A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身C．轉(zhuǎn)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(2)如圖所示，內(nèi)壁光滑的氣缸水平放置，一定質(zhì)量的理想氣體被活塞密封在氣缸內(nèi)，外界大氣壓強為p0.現(xiàn)對氣缸緩慢加熱，氣體吸收熱量Q后，體積由V1增大為V2.則在此過程中，氣體分子平均動能________(選填“增大”、“不變”或“減小”)，氣體內(nèi)能變化了________．解析：(1)形狀記憶合金進入水后受熱形狀發(fā)生改變而攪動熱水，由能量守恒知能量來源于熱水，故A、B、C錯；由能量守恒知，葉片吸收的能量一部分轉(zhuǎn)化成葉片的動能，一部分釋放于空氣中，故D對．(2)加熱后，氣體溫度升高，平均動能增大．ΔU＝Q＋W＝Q－p0S0d＝Q－p0(V2－V1)答案：(1)D(2)增大Q－p0(V2－V1)12．如圖所示，一定質(zhì)