人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：3 2-3 3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第2節(jié)熱力學(xué)第一定律第3節(jié)能量守恒定律一、熱力學(xué)第一定律1.改變內(nèi)能的兩種方法：做功與傳熱。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的。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熱量與外界對它所做的功的和。(2)數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU＝Q＋W?！寂幸慌小?1)系統(tǒng)從外界吸收熱量5J，內(nèi)能可能增加5J。(√)(2)物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大。(×)(3)物體對外做功，內(nèi)能一定減少。(×)二、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1.由ΔU＝U2－U1知，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能增加時，ΔU取正值，內(nèi)能減少時，ΔU取負(fù)值。2.外界對系統(tǒng)做功時，W取正值；而系統(tǒng)對外界做功時，W取負(fù)值。3.外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q取正值；而系統(tǒng)向外界傳遞的熱量Q就取負(fù)值?！寂幸慌小?1)體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少。(×)(2)物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變。(√)(3)物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變。(×)三、能量守恒定律1.能量守恒定律能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(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.永動機(jī)不可能制成(1)第一類永動機(jī)：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機(jī)器。(2)第一類永動機(jī)由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成。探究1熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1.對熱力學(xué)第一定律的理解(1)熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和傳熱這兩種改變內(nèi)能的過程是等價的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與傳熱之間的定量關(guān)系。(2)定律的表達(dá)式ΔU＝Q＋W是標(biāo)量式。(3)應(yīng)用時各量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位焦耳。2.公式ΔU＝Q＋W中符號的規(guī)定符號WQΔU＋外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加－系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少3.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。4.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功，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，外界對物體做的功等于物體放出的熱量?！祭?〗一定量的氣體從外界吸收了2.6×105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105J。(1)是氣體對外界做了功，還是外界對氣體做了功？做了多少焦耳的功？(2)如果氣體吸收的熱量仍為2.6×105J不變，但是內(nèi)能增加了1.6×105J，計算結(jié)果W＝－1.0×105J，是負(fù)值，怎樣解釋這個結(jié)果？(3)在熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W中，W、Q和ΔU的正值、負(fù)值各代表什么物理意義？〖答案〗(1)外界對氣體做了1.6×105J的功。(2)說明氣體對外界做功。(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，氣體內(nèi)能增加；ΔU＜0，氣體內(nèi)能減少。Q＞0，氣體吸熱；Q＜0，氣體放熱。W＞0，外界對氣體做功；W＜0，氣體對外界做功?！冀馕觥?1)由熱力學(xué)第一定律：如果氣體跟外界同時發(fā)生做功和傳熱的過程，那么，外界對氣體所做功W加上氣體從外界吸收的熱量Q等于氣體內(nèi)能的增加ΔU，即ΔU＝W＋Q將Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J代入上式得：W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105JW＞0，說明外界對氣體做了1.6×105J的功。(2)如果吸收的熱量Q＝2.6×105J，內(nèi)能ΔU增加了1.6×105J，計算結(jié)果為W＝－1.0×105J，說明氣體對外界做功。(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，氣體內(nèi)能增加；ΔU＜0，氣體內(nèi)能減少。Q＞0，氣體吸熱；Q＜0，氣體放熱。W＞0，外界對氣體做功；W＜0，氣體對外界做功。〖例2〗如圖，內(nèi)壁光滑的汽缸豎直放置在水平桌面上，汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的氣體。氣體從狀態(tài)A(活塞在A處)變?yōu)闋顟B(tài)B(活塞在B處)時，氣體吸收熱量280J，并對外做功120J。(1)氣體的內(nèi)能改變了多少？是增加還是減少？(2)某人在上一問的基礎(chǔ)上又接著提了后一個問題，說：“有人使氣體從上一問的B狀態(tài)再回到A狀態(tài)，即回到原來A時的體積和溫度，氣體放出的熱量是150J，那么返回過程中氣體對外做的功又是多少？”請你對后一個問題進(jìn)行評價。〖答案〗(1)160J，增加(2)見〖解析〗〖解析〗(1)根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，汽缸內(nèi)封閉氣體的內(nèi)能變化量為ΔU＝Q＋W＝〖280＋(－120)〗J＝160J即內(nèi)能增加了160J。(2)若氣體從B狀態(tài)又返回A狀態(tài)，則氣體的內(nèi)能變化量為ΔU′＝ΔU＝－160J根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體由B狀態(tài)返回A狀態(tài)的過程中有ΔU′＝Q′＋W′則W′＝ΔU′－Q′＝(－160＋150)J＝－10J即氣體從B狀態(tài)返回A狀態(tài)過程中，對外做功為10J但從B狀態(tài)到A狀態(tài)，氣體體積減少，應(yīng)該對氣體做功，顯然與實際情況不符，故該問題題設(shè)有誤，該過程不能發(fā)生。探究2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)動形式都有對應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)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(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(jī)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＝Q＋W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。〖例3〗(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的說法中，正確的是()A.用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B.電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能C.核電站發(fā)電是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D.生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫升高是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能〖答案〗AB〖解析〗用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A正確；電燈發(fā)光是消耗電能，轉(zhuǎn)化為光能，B正確；核電站發(fā)電是核能轉(zhuǎn)化為電能，C錯誤；生石灰放入涼水中，水溫升高是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，D錯誤。〖例4〗(2021·安徽亳州二中高二期末)“第一類永動機(jī)”是不可能制成的，這是因為()A.它不符合機(jī)械能守恒定律B.它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律C.它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量D.暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料〖答案〗B〖解析〗第一類永動機(jī)不可能制成的原因是違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，故B正確，A、C、D錯誤?！坚槍τ?xùn)練〗大約在1670年，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設(shè)計了一種磁力“永動機(jī)”。如圖所示，在斜坡頂上放一塊強(qiáng)有力的磁鐵，斜坡上端有一個小孔，斜面下有一個連接小孔直至底端的彎曲軌道，維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底端放一個小鐵球，那么由于磁鐵的吸引，小鐵球就會向上運(yùn)動，當(dāng)小球運(yùn)動到小孔P處時，它就要掉下，再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以對外做功，然后又被磁鐵吸引回到上端，到小孔P處又掉下。在以后的二百多年里，維爾金斯的永動機(jī)居然改頭換面地出現(xiàn)過多次，其中一次是在1878年，即在能量轉(zhuǎn)化和守恒定律確定20年后，竟在德國取得了專利權(quán)。關(guān)于維爾金斯“永動機(jī)”，正確的認(rèn)識應(yīng)該是()A.符合理論規(guī)律，一定可以實現(xiàn)，只是實現(xiàn)時間早晚的問題B.如果忽略斜面的摩擦，維爾金斯“永動機(jī)”一定可以實現(xiàn)C.如果忽略斜面的摩擦，鐵球質(zhì)量較小，磁鐵磁性又較強(qiáng)，則維爾金斯“永動機(jī)”可以實現(xiàn)D.違背能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，不可能實現(xiàn)〖答案〗D〖解析〗如果忽略摩擦，那么鐵球返回斜坡底端Q時速度為零，無法對外做功，如果在返回的過程中對外做功了，將無法返回到底端Q。所以該“永動機(jī)”不可以實現(xiàn)。D正確。1.(熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用)如圖是封閉的汽缸，內(nèi)部封閉有一定質(zhì)量的理想氣體。外力推動活塞P壓縮氣體，對汽缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，則汽缸內(nèi)氣體的()A.溫度升高，內(nèi)能增加600JB.溫度升高，內(nèi)能減少200JC.溫度降低，內(nèi)能增加600JD.溫度降低，內(nèi)能減少200J〖答案〗A〖解析〗由熱力學(xué)第一定律：ΔU＝Q＋W得ΔU＝－200J＋800J＝600J，一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能大小只與溫度有關(guān)，ΔU＝600J＞0，故溫度一定升高，選項A正確。2.(熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用)北京春秋兩季的晝夜溫差較大，細(xì)心的司機(jī)發(fā)現(xiàn)從早晨到中午，車胎的體積和胎內(nèi)氣體的壓強(qiáng)都會變大。若這段時間胎內(nèi)氣體質(zhì)量不變，且可將其視為理想氣體，那么從早晨到中午這段時間內(nèi)，車胎內(nèi)的氣體()A.對外界做功，內(nèi)能減小B.對外界做功，內(nèi)能不變C.吸收熱量，內(nèi)能不變D.吸收的熱量大于對外所做的功〖答案〗D〖解析〗車胎的體積和胎內(nèi)氣體的壓強(qiáng)都會變大。根據(jù)eq\f(pV,T)＝C，溫度升高，則氣體內(nèi)能增大，且對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體吸熱大于對外所做的功，故選項D正確。3.(能量守恒定律的理解和應(yīng)用)下列關(guān)于能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律的認(rèn)識不正確的是()A.某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加B.某個物體的能減少，必然有其他物體的能增加C.不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機(jī)器——永動機(jī)不可能制成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〖答案〗D〖解析〗根據(jù)能量守恒定律得知，某種形式的能減少，其他形式的能一定增加，故A正確；某個物體的能量減少，根據(jù)能量守恒定律得知，必然有其他物體的能量增加，故B正確；不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機(jī)器—永動機(jī)，違反了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，不可能制成，故C正確；石子在運(yùn)動和碰撞中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為了物體及周圍物體的內(nèi)能，并沒有消失，故D錯誤。4.(能量守恒定律的理解和應(yīng)用)(多選)如圖所示，小朋友坐在滑梯上勻速下滑，在這個過程中()A.小朋友的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，總能量不變B.因為能量是守恒的，