第三章高中物理解析章節(jié)-第二節(jié)-第三節(jié)

第三章

第二節(jié)熱力學(xué)第一定律第三節(jié)能量守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)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.內(nèi)容索引知識(shí)探究新知探究點(diǎn)點(diǎn)落實(shí)題型探究重點(diǎn)難點(diǎn)

各個(gè)擊破達(dá)標(biāo)檢測(cè)當(dāng)堂檢測(cè)鞏固反饋知識(shí)探究一、熱力學(xué)第一定律導(dǎo)學(xué)探究一根金屬絲經(jīng)過(guò)某一物理過(guò)程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無(wú)法判定是經(jīng)過(guò)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?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)能方面是等效的，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ΔU應(yīng)該是多少？答案答案

系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU＝Q＋W.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(guò)程，那么，物體內(nèi)能的增加ΔU就等于物體

和外界對(duì)物體

之和．2.熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：ΔU＝Q＋W.知識(shí)梳理吸收的熱量Q做的功W符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)

熱量?jī)?nèi)能_____－熱力學(xué)系統(tǒng)對(duì)外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)

熱量?jī)?nèi)能_____3.對(duì)公式ΔU＝Q＋W符號(hào)的規(guī)定吸收放出增加減少4.三種特殊情況(1)若過(guò)程是絕熱的，即Q＝0，則W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加．(2)若過(guò)程中外界沒(méi)有對(duì)物體做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加．(3)若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)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)？答案答案

由于理想氣體忽略了分子間的作用力，即忽略了分子勢(shì)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(wú)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(guò)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V1＜V2.由蓋·呂薩克定律

＝

及V1＜V2知T1＜T2.因氣體膨脹(V1＜V2)，則氣體對(duì)外做功，W＜0.因氣體溫度升高(T1＜T2)，則氣體的內(nèi)能增加ΔU＞0.由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＝ΔU－W＞0.即系統(tǒng)由外界吸收熱量，系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來(lái)增加內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為氣體對(duì)外所做的功.答案1.等壓過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換(1)等壓膨脹：由于W＜0，ΔU＞0，則Q＝ΔU－W＞0，即氣體吸收的熱量一部分用來(lái)

，另一部分轉(zhuǎn)化為氣體對(duì)外

.(2)等壓壓縮：由于W＞0，ΔU＜0，則Q＝ΔU－W＜0，即氣體對(duì)外界放熱，放出的熱量等于外界對(duì)氣體

與氣體

之和.知識(shí)梳理增加內(nèi)能所做的功所做的功內(nèi)能減小量2.等容過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換(1)溫度升高：由于ΔU＞0，W＝0，則Q＝ΔU，即氣體從外界吸收的熱量全部用于增加氣體的

.(2)溫度降低，由于ΔU＜0，W＝0，則Q＝ΔU，即氣體向外界放出的熱量等于氣體

.3.等溫過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化(1)等溫膨脹：由于W＜0，ΔU＝0，則Q＝－W＞0，即氣體從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)換為氣體對(duì)外

.(2)等溫壓縮：由于W＞0，ΔU＝0，則Q＝－W＜0，即外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為氣體傳給外界的

.內(nèi)能內(nèi)能的減少量所做的功熱量導(dǎo)學(xué)探究三、能量守恒定律使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式是做功和熱傳遞.做功的過(guò)程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)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.答案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

成為另一種形式，或者從一個(gè)物體

到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中其總量

.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

.(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

.知識(shí)梳理轉(zhuǎn)化不變相等相等轉(zhuǎn)移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(guò)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

的機(jī)器.(2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律.對(duì)外做功熱力學(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？延伸思考答案

是答案題型探究例1

(多選)關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說(shuō)法中正確的是答案解析一、熱力學(xué)第一定律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(duì)空氣做了2×105J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5×105J，這一過(guò)程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案

5×104J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ΔU＝W＋Q.由題意可知W＝2×105J，ΔU＝1.5×105J，代入上式得：Q＝ΔU－W＝1.5×105J－2×105J＝－5×104J.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5×104J.答案解析例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(wú)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(zhǎng).當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過(guò)程中活塞下降了0.1L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：二、熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的結(jié)合圖1(1)氣缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量ΔU；答案

Q－0.1p0SL＋0.1LG

解析密封氣體的壓強(qiáng)p＝p0－(G/S)密封氣體對(duì)外做功W＝pS×0.1L由熱力學(xué)第一定律得ΔU＝Q－W得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG答案解析(2)最終的環(huán)境溫度T.答案

1.1T0解析

該過(guò)程是等壓變化，由蓋·呂薩克定律有

＝解得T＝1.1T0答案解析例4下列對(duì)能量守恒定律的認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤的是答案解析三、能量守恒定律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——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(shuō)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(guò)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(guò)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(méi)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).課堂要點(diǎn)小結(jié)達(dá)標(biāo)檢測(cè)1.(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是答案解析1234A.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√解析因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W＝8×104J；內(nèi)能減少，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2×105J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B選項(xiàng)正確.12342.(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(kāi)口向下壓入水中.設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無(wú)泄漏，不計(jì)氣體分子間的相互作用，則被淹沒(méi)的金屬筒在緩緩下降的過(guò)程中，筒內(nèi)空氣體積減小，且答案解析1234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√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用，且整個(gè)過(guò)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ΔU＝W＋Q，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功，式中W取正號(hào)，ΔU＝0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯(cuò)，C對(duì).正確答案為C.12343.(能量守恒定律)下面設(shè)想不符合能量守恒定律的是答案解析1234A.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(méi)有動(dòng)力系統(tǒng)的船，在水面上行駛C.通過(guò)太陽(yáng)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(kāi)太陽(yáng)系√解析利用磁場(chǎng)能可以使磁鐵所具有的磁場(chǎng)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(yáng)引力的束縛而離開(kāi)太陽(yáng)系，故D符合.故選A項(xiàng).12344.(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(kāi)始時(shí)封閉的氣柱長(zhǎng)度為22cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的氣柱長(zhǎng)度變?yōu)?cm，人對(duì)活塞做功100J，大氣壓強(qiáng)為p0＝1×105Pa，不計(jì)活塞的重力.問(wèn)：1234圖3(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？答案

1.1×106

Pa

答案解析解析

設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S，l0＝22cm，l＝2cm，V0＝l0S，