人教版高中物理選擇性必修第三冊第三章熱力學(xué)定律第2節(jié)熱力學(xué)第一定律 第3節(jié)能量守恒定律課件

物理第三章熱力學(xué)定律第2節(jié)熱力學(xué)第一定律第3節(jié)能量守恒定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．掌握熱力學(xué)第一定律及其表達(dá)式。2．學(xué)會(huì)運(yùn)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。3．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。4．理解永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。知識(shí)點(diǎn)1熱力學(xué)第一定律1．改變內(nèi)能的兩種方式做功與______。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是______的。2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的______與外界對(duì)它____________的和。(2)表達(dá)式：__________。傳熱等價(jià)熱量所做的功ΔU＝Q＋W知識(shí)點(diǎn)2熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1．外界對(duì)系統(tǒng)做功，W>0，即W為正值；系統(tǒng)對(duì)外界做功，也就是外界對(duì)系統(tǒng)做負(fù)功，W<0，即W為負(fù)值；2．外界對(duì)系統(tǒng)傳遞熱量，也就是系統(tǒng)從外界吸收熱量，Q>0，即Q為正值；外界從系統(tǒng)吸收熱量，也就是系統(tǒng)向外界放出熱量，Q<0，即Q為負(fù)值；3．系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔU>0，即ΔU為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，ΔU<0，即ΔU為負(fù)值。[判一判]1．(1)ΔU＝W＋Q，該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系,在物理學(xué)中叫作熱力學(xué)第一定律。(

)(2)物體吸收熱量，其內(nèi)能必然增加。(

)√×知識(shí)點(diǎn)3探索能量守恒的足跡1．俄國化學(xué)家蓋斯的研究發(fā)現(xiàn)，任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成,還是分幾步完成，放出的總熱量______。2．焦耳的實(shí)驗(yàn)精確地測量了做功與傳熱之間的______關(guān)系，從而為能量守恒定律奠定了牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。相同等價(jià)3．德國醫(yī)生邁爾通過比對(duì)不同地區(qū)人血顏色的差異，認(rèn)識(shí)到食物中化學(xué)能與內(nèi)能的______性，即生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的。另外,他還通過海水在暴風(fēng)雨中較熱的現(xiàn)象，猜想熱與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的______性。邁爾是公認(rèn)的第一個(gè)提出能量守恒思想的人。4．德國科學(xué)家亥姆霍茲在不了解邁爾和焦耳研究的情況下，從________________________這一事實(shí)出發(fā)，考察了自然界不同的“力”(指能量)之間的相互關(guān)系，提出了“張力”(勢能)與“活力”(動(dòng)能)的轉(zhuǎn)化。

等效等效永動(dòng)機(jī)不可能制成知識(shí)點(diǎn)4能量守恒定律1．內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式______為其他形式，或者從一個(gè)物體______到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量____________。2．意義(1)各種形式的能可以____________。(2)互不相關(guān)的物理現(xiàn)象可以用_______________________聯(lián)系在一起。轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變相互轉(zhuǎn)化能量轉(zhuǎn)化和守恒定律

知識(shí)點(diǎn)5永動(dòng)機(jī)不可能制成1．第一類永動(dòng)機(jī)不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地____________的機(jī)器。2．永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因違背了____________定律。對(duì)外做功能量守恒[判一判]2．(1)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能的總量是可以變化的。(

)(2)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。(

)(3)永動(dòng)機(jī)不能制成，因?yàn)樗`背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。(

)×√√1．(對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解)做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能，以下說法正確的是(

)A．物體放出熱量，內(nèi)能一定減少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)能一定減少D．物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能一定減少√解析：物體放出熱量，若外界對(duì)物體做更多的功，則內(nèi)能增加，故A錯(cuò)誤；物體對(duì)外做功，但同時(shí)從外界吸收更多的熱量,則內(nèi)能增加，故B錯(cuò)誤；物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，如二者相等，則內(nèi)能不變，若Q>W，則內(nèi)能增加，若W>Q，則內(nèi)能減少，故C錯(cuò)誤；物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，則內(nèi)能一定減少，故D正確。2．(熱力學(xué)第一定律)(多選)(2024·廣東湛江一模)航天服是保障航天員的生命活動(dòng)和正常工作的個(gè)人密閉裝備。航天員穿著航天服，從地面到達(dá)太空時(shí)內(nèi)部氣體將急劇膨脹。若航天服內(nèi)氣體的溫度不變，視為理想氣體并將航天服視為封閉系統(tǒng)，則關(guān)于航天服內(nèi)的氣體，下列說法正確的是(

)A．體積增大，內(nèi)能減小B．壓強(qiáng)減小，內(nèi)能不變C.對(duì)外界做功，吸收熱量D．壓強(qiáng)減小，分子平均動(dòng)能增大√√3．(對(duì)能量守恒定律的理解)下列對(duì)能量守恒定律的認(rèn)識(shí)不正確的是(

)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——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：選項(xiàng)A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；選項(xiàng)B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——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移；選項(xiàng)C中任何永動(dòng)機(jī)都是不可能制成的，它違背了能量守恒定律；選項(xiàng)D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，只是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量。4．(第一類永動(dòng)機(jī))(多選)下列關(guān)于永動(dòng)機(jī)的說法正確的是(

)A．永動(dòng)機(jī)是不消耗任何能量卻能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器B．永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是違背了熱力學(xué)第一定律C.永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是技術(shù)問題D．永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是違背了能量守恒定律√√解析：永動(dòng)機(jī)是不消耗任何能量卻能源源不斷對(duì)外做功的機(jī)器，這是人們的美好愿望，但它違背了能量守恒定律，這也是它不能制成的原因，故A、D正確，B、C錯(cuò)誤。探究一熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1．對(duì)ΔU＝W＋Q的理解熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內(nèi)能改變的定量表述推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量。2．與熱力學(xué)第一定律相匹配的符號(hào)法則做功W熱量Q內(nèi)能的改變?chǔ)取正值“＋”外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負(fù)值“－”系統(tǒng)對(duì)外界做功系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能減少3.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內(nèi)能的增加量等于外界對(duì)物體做的功。(2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)若過程的始－末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對(duì)外界做的功)。4．判斷是否做功的方法一般情況下外界對(duì)物體做功與否，需看物體的體積是否變化。(1)若物體體積增大，表明物體對(duì)外界做功，W＜0。(2)若物體體積減小，表明外界對(duì)物體做功，W＞0。特別提醒：(1)當(dāng)做功和熱傳遞同時(shí)發(fā)生時(shí)，物體的內(nèi)能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。(2)物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結(jié)果。【例1】泉城濟(jì)南，以泉聞名。小張同學(xué)在濟(jì)南七十二名泉之一的珍珠泉游覽時(shí)，發(fā)現(xiàn)清澈幽深的泉池底部，不斷有氣泡生成，上升至水面破裂。氣泡在泉水中上升過程中，以下判斷正確的是(

)A．氣泡對(duì)泉水做正功，氣泡吸收熱量B．氣泡對(duì)泉水做正功，氣泡放出熱量C．泉水對(duì)氣泡做正功，氣泡吸收熱量D．泉水對(duì)氣泡做正功，氣泡放出熱量√[解析]

氣泡上升的過程中，外部的壓強(qiáng)逐漸減小，氣泡膨脹對(duì)外做功,由于外部恒溫，在上升過程中氣泡內(nèi)空氣的溫度始終等于外界溫度，則內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q知，氣泡內(nèi)能不變，同時(shí)對(duì)外做功，所以必須從外界吸收熱量,且吸收的熱量等于對(duì)外界所做的功?！纠?】一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時(shí)氣體對(duì)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(dòng)能是增加還是減少？[解析]

(1)氣體從外界吸收的熱量為Q＝4.2×105J氣體對(duì)外做功W＝－6×105J由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q＝－6×105J＋4.2×105J＝－1.8×105JΔU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了所以，氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。(2)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加。(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了。[答案]

(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少[針對(duì)訓(xùn)練1]

(2024·吉林一模)某同學(xué)取一裝有少量水的塑料礦泉水瓶，旋緊瓶蓋，雙手快速擰搓擠壓瓶子，然后迅速擰松瓶蓋，瓶蓋被頂飛的同時(shí)瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，則(

)A．?dāng)D壓瓶子過程中，瓶內(nèi)氣體分子的平均動(dòng)能減小B．?dāng)D壓瓶子過程中，瓶內(nèi)氣體內(nèi)能不變C．瓶蓋被頂飛過程中，瓶內(nèi)氣體對(duì)外做功D．瓶蓋被頂飛過程中，瓶內(nèi)氣體溫度升高√[針對(duì)訓(xùn)練2]

(多選)如圖，一開口向上的導(dǎo)熱汽缸內(nèi)，用活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體,活塞與汽缸壁間無摩擦。現(xiàn)用外力作用在活塞上，使其緩慢上升。環(huán)境溫度保持不變，大氣壓不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。在活塞上升過程中(

)A．氣體體積逐漸增大，內(nèi)能增加B．氣體壓強(qiáng)逐漸減小，內(nèi)能不變C．氣體壓強(qiáng)逐漸增大，放出熱量D．氣體對(duì)外界做功，吸收熱量√√解析：活塞上升，體積逐漸增大，理想氣體的內(nèi)能與溫度相關(guān)聯(lián)，溫度保持不變，則內(nèi)能不變，故A錯(cuò)誤；探究二能量守恒定律的理解和應(yīng)用1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)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，還有電磁能、化學(xué)能、核能等。(2)各種形式的能，通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化。例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．能量守恒的兩種表達(dá)(1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，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．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因分析如果沒有外界供給熱量而對(duì)外做功，由ΔU＝W＋Q知,系統(tǒng)內(nèi)能將減小。若想源源不斷地做功，在無外界能量供給的情況下是不可能的?！纠?】文藝復(fù)興時(shí)期，意大利的達(dá)·芬奇曾設(shè)計(jì)過一種轉(zhuǎn)輪，利用隔板的特殊形狀，使一邊重球滾到另一邊距離輪心遠(yuǎn)些的地方，并認(rèn)為這樣可以使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。下列說法正確的是(

)A．該設(shè)計(jì)可以使轉(zhuǎn)輪在無外力作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)變快B．該設(shè)計(jì)可以使轉(zhuǎn)輪在無外力作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)變快C．該設(shè)計(jì)可以在不消耗能源的情況下不斷地對(duì)外做功D．該設(shè)計(jì)中使轉(zhuǎn)輪成為永動(dòng)機(jī)的設(shè)想是不可能實(shí)現(xiàn)的√[解析]

由杠桿平衡原理可知，重球滾到另一邊距離輪心遠(yuǎn)些的地方，右邊每個(gè)重物施加于輪子的力矩雖然較大，但是重物的個(gè)數(shù)卻較少。精確的計(jì)算可以證明，總會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢?，使左右兩?cè)重物施加于輪子的相反方向的旋轉(zhuǎn)作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使輪子達(dá)到平衡而靜止下來。不管轉(zhuǎn)輪是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在無外力作用下，只能是轉(zhuǎn)動(dòng)變慢，最終停下來，A、B錯(cuò)誤；由選項(xiàng)A、B分析結(jié)合能量守恒定律可知，該設(shè)計(jì)在不消耗能源的情況下不斷地對(duì)外做功是不可能的，這種設(shè)想不可能實(shí)現(xiàn)，C錯(cuò)誤，D正確?！纠?】如圖所示的是沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置，一質(zhì)量為m的子彈以v0射入質(zhì)量為M的沙箱后與沙箱合為一體，共同