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]1．掌握熱力學(xué)第一定律及其表達式。2．學(xué)會運用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。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．理解永動機是不可能制成的。知識點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______與外界對它____________的和。(2)表達式：__________。傳熱等價熱量所做的功ΔU＝Q＋W知識點2熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1．外界對系統(tǒng)做功，W>0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功，也就是外界對系統(tǒng)做負功，W<0，即W為負值；2．外界對系統(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。(

)√×知識點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．焦耳的實驗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驗基礎(chǔ)，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。相同等價3．德國醫(yī)生邁爾通過比對不同地區(qū)人血顏色的差異，認識到食物中化學(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，猜想熱與機械運動的______性。邁爾是公認的第一個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”(動能)的轉(zhuǎn)化。

等效等效永動機不可能制成知識點4能量守恒定律1．內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式______為其他形式，或者從一個物體______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

知識點5永動機不可能制成1．第一類永動機不需要任何動力或燃料，卻能不斷地____________的機器。2．永動機不可能制成的原因違背了____________定律。對外做功能量守恒[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)永動機不能制成，因為它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。(

)×√√1．(對熱力學(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．物體對外做功，內(nèi)能一定減少C．物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少D．物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少√解析：物體放出熱量，若外界對物體做更多的功，則內(nèi)能增加，故A錯誤；物體對外做功，但同時從外界吸收更多的熱量,則內(nèi)能增加，故B錯誤；物體吸收熱量，同時對外做功，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錯誤；物體放出熱量，同時對外做功，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和正常工作的個人密閉裝備。航天員穿著航天服，從地面到達太空時內(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．壓強減小，內(nèi)能不變C.對外界做功，吸收熱量D．壓強減小，分子平均動能增大√√3．(對能量守恒定律的理解)下列對能量守恒定律的認識不正確的是(

)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——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，說明機械能消失了√解析：選項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方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移；選項C中任何永動機都是不可能制成的，它違背了能量守恒定律；選項D中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少,但機械能并沒有消失，只是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量。4．(第一類永動機)(多選)下列關(guān)于永動機的說法正確的是(

)A．永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器B．永動機不能制成的原因是違背了熱力學(xué)第一定律C.永動機不能制成的原因是技術(shù)問題D．永動機不能制成的原因是違背了能量守恒定律√√解析：永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器，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錯誤。探究一熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1．對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法則做功W熱量Q內(nèi)能的改變ΔU取正值“＋”外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負值“－”系統(tǒng)對外界做功系統(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外界做的功)。4．判斷是否做功的方法一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化。(1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W＜0。(2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W＞0。特別提醒：(1)當做功和熱傳遞同時發(fā)生時，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】泉城濟南，以泉聞名。小張同學(xué)在濟南七十二名泉之一的珍珠泉游覽時，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．氣泡對泉水做正功，氣泡吸收熱量B．氣泡對泉水做正功，氣泡放出熱量C．泉水對氣泡做正功，氣泡吸收熱量D．泉水對氣泡做正功，氣泡放出熱量√[解析]

氣泡上升的過程中，外部的壓強逐漸減小，氣泡膨脹對外做功,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，同時對外做功，所以必須從外界吸收熱量,且吸收的熱量等于對外界所做的功。【例2】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？[解析]

(1)氣體從外界吸收的熱量為Q＝4.2×105J氣體對外做功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，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)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加。(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動能一定減少了。[答案]

(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少[針對訓(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，瓶蓋被頂飛的同時瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，則(

)A．擠壓瓶子過程中，瓶內(nèi)氣體分子的平均動能減小B．擠壓瓶子過程中，瓶內(nèi)氣體內(nèi)能不變C．瓶蓋被頂飛過程中，瓶內(nèi)氣體對外做功D．瓶蓋被頂飛過程中，瓶內(nèi)氣體溫度升高√[針對訓(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?，F(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．氣體壓強逐漸減小，內(nèi)能不變C．氣體壓強逐漸增大，放出熱量D．氣體對外界做功，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)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(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，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．能量守恒的兩種表達(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．第一類永動機不可能制成的原因分析如果沒有外界供給熱量而對外做功，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)興時期，意大利的達·芬奇曾設(shè)計過一種轉(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些的地方，并認為這樣可以使輪子不停地轉(zhuǎn)動，如圖所示。下列說法正確的是(

)A．該設(shè)計可以使轉(zhuǎn)輪在無外力作用下順時針轉(zhuǎn)動變快B．該設(shè)計可以使轉(zhuǎn)輪在無外力作用下逆時針轉(zhuǎn)動變快C．該設(shè)計可以在不消耗能源的情況下不斷地對外做功D．該設(shè)計中使轉(zhuǎn)輪成為永動機的設(shè)想是不可能實現(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些的地方，右邊每個重物施加于輪子的力矩雖然較大，但是重物的個數(shù)卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當?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，使輪子達到平衡而靜止下來。不管轉(zhuǎn)輪是順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動，在無外力作用下，只能是轉(zhuǎn)動變慢，最終停下來，A、B錯誤；由選項A、B分析結(jié)合能量守恒定律可知，該設(shè)計在不消耗能源的情況下不斷地對外做功是不可能的，這種設(shè)想不可能實現(xiàn)，C錯誤，D正確。【例4】如圖所示的是沖擊擺實驗裝置，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