2022-2023版高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 1 能量守恒定律的发现 2 热力学第一定律学案 教科版选修3-3

2022-2023版高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 1 能量守恒定律的发现 2 热力学第一定律学案 教科版选修3-3学习目标1.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵循的基本规律.2.知道第一类永动机是不可能实现的.3.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解这两种方式对改变系统内能是等效的.4.理解热力学第一定律，能运用它解释自然界的能量转化、转移问题一、能量守恒定律的发现1常见的能量形式自然界中能量形式很多，常见的能量形式有：机械能、内能、核能及太阳能等各种形式的能在一定条件下，可以相互转化，且转化过程中遵循一定规律2能量守恒定律的内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量不变3第一类永动机(1)定义：不需要任何动力和燃料，却能不断地对外做功的机器(2)不可能制成的原因：违背了能量守恒定律二、改变物体内能的两种方式1改变物体内能的两种方式：做功和热传递2做功其他形式的能与内能之间的转化外界对物体做功，物体的内能增加物体对外界做功，物体的内能减少3热传递不同物体之间或同一物体不同部分之间内能的转移物体吸收热量，内能增加物体放出热量，内能减少4做功和热传递对物体内能的改变是等效的，但本质不同三、热力学第一定律1热力学第一定律：功、热量跟内能改变之间的定量关系2热力学第一定律的表达式：UQW.即学即用1判断下列说法的正误(1)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了()(2)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的()(3)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体()(4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的()(5)系统从外界吸收热量5J，内能可能增加5J()(6)系统内能减少，一定是系统对外界做了功()2各种方法使物体的内能发生改变：a.电炉通电后发热；b.一杯开水放在桌面上冷却；c.阳光照射下冰块融化；d.锯木头时，锯片发烫；e.人坐在火炉旁取暖；f.用打气筒给自行车打气后，打气筒变热其中属于做功使物体内能改变的是_；属于热传递使物体内能改变的是_答案adfbce一、能量守恒定律的发现导学探究1图1为有一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？图1答案这不是永动机手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动若将此手表长时间放置不动，它就会停下来2观察课本中的“几种重要的能量形式及相互之间的转化”图，试着说明汽车把汽油的化学能转化为机械能的过程在这些能量转化过程中，遵守的规律是什么？答案汽车通过燃烧汽油，把化学能转化为内能，再通过发动机做功把内能转化为机械能能量守恒定律知识深化1能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁辐射能、化学能、核能等(2)各种形式的能可以相互转化机械能中的动能和势能可以相互转化(如：自由落体运动)机械能可以与内能相互转化(如：摩擦生热，消耗了机械能，通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功，把气体内能转化为机械能)其他形式的能也可以转化为内能(如：电流通过导体时，把电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化为光能；燃料燃烧时，把化学能转化成内能)2对能量守恒定律的理解(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等3能量守恒定律的意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量4第一类永动机不可能制成：任何机器运转时不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的例1(多选)一物体获得一定初速度后，沿着一粗糙斜面上滑，在上滑过程中，物体和斜面组成的系统()A机械能守恒B总能量守恒C机械能和内能增加D机械能减少，内能增加答案BD解析物体沿斜面上滑过程中，有摩擦力对物体做负功，所以物体的机械能减少由能量守恒定律知，内能应增加，能量总量不变利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒观点求解.二、改变物体内能的两种方式导学探究1(1)如图2，小孩沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热，这是为什么？图2(2)用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在碳火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？答案(1)小孩沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加(2)说明做功和热传递都能改变物体的内能2在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个实验是通过电流的热效应给水加热焦耳的这两个实验说明了什么问题？答案做功和热传递对改变物体的内能是等效的知识深化1功和内能(1)做功与内能变化的关系做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少(2)功与内能的区别功是过程量，内能是状态量在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化物体的内能大，并不意味着做功多在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多2热和内能(1)在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少即UU2U1Q.(2)传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程3热量、功是过程量，内能是状态量内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的有过程，才有变化，离开过程则毫无意义就某一状态而言，只有“内能”，不能谈到“热量”或“功”例2(多选)关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是()A吸热的物体，其内能一定增加B体积膨胀的物体，其内能一定减少C放热的物体，其内能也可能增加D绝热压缩的气体，其内能一定增加答案CD解析做功和热传递都能改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化例3关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是()A同一物体温度高时，含有的热量多B物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高C外界对系统做功W，内能必定增加D发生热传递的条件是两物体之间存在温度差答案D解析热量是物体间进行热传递时内能的转移，不能说物体含有多少热量，故A、B错；由于做功和热传递都可引起物体内能的变化，只根据做功无法准确判断物体内能的变化，故C错；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D对温度、内能和热量的区别与联系1内能与热量内能是状态量，可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说传递了多少热量2热量与温度热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是热量，不是温度3热量与功热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别三、热力学第一定律导学探究(1)如图3所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10J的热量，气体内能改变了多少？图3(2)一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本无法判定是通过做功的方法，还是使用了传热的方法使它的内能增加因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能既然它们在改变系统内能方面是等价的，那么当外界对系统做功为W，又对系统传热为Q时，系统内能的增量U应该是多少？答案(1)都增加了10J.(2)系统内能的增量UQW.知识深化1对公式UQW符号的规定符号WQU体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少2.几种特殊情况(1)绝热过程：Q0，则UW，物体内能的增加量等于外界对物体做的功(2)等容过程：过程中不做功，即W0，则UQ，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量(3)等温过程：过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则WQ(或QW)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)3判断是否做功的方法一般情况下看物体的体积是否变化若物体体积增大，表明物体对外界做功，W0.特别提醒热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中U表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量例4一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104J的功，气体的内能减少了1.2105J，则下列各式中正确的是()AW8104J，U1.2105J，Q4104JBW8104J，U1.2105J，Q2105JCW8104J，U1.2105J，Q2104JDW8104J，U1.2105J，Q4104J答案B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W8104J；内能减少，U取负值，即U1.2105J；根据热力学第一定律UWQ，可知QUW1.2105J8104J2105J，B选项正确应用热力学第一定律解题的一般步骤1根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正负；2根据方程UWQ求出未知量；3再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况针对训练空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2105J的功，同时空气的内能增加了1.5105J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？答案5104J解析选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有UWQ.由题意可知W2105J，U1.5105J，代入上式得QUW1.5105J2105J5104J.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5104J.四、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用导学探究如图4所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：图4(1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？答案(1)由a状态变化到b状态，气体体积变大，因此气体对外界做功，即W0.由UWQ得Q0，即气体吸热，内能增加知识深化对于理想气体，常把热力学第一定律与气体实验定律结合起来分析其状态变化规律，常见的分析思路如下：(1)利用体积的变化分析做功问题气体体积增大，气体对外做功；气体体积减小，外界对气体做功(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热由热力学第一定律UWQ，则QUW，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程例5(多选)如图5所示，一定质量的理想气体从状态a经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是()图5A在过程ab中气体的内能增加B在过程ca中外界对气体做功C在过程ab中气体对外界做功D在过程bc中气体从外界吸收热量E在过程ca中气体从外界吸收热量答案ABD解析在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确1(能量守恒定律的理解和应用)(多选)细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为m的小球，如图6所示使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动下列说法中正确的是()图6A小球机械能不守恒B小球能量正在消失C小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化D总能量守恒，但小球的机械能减少答案AD解析小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动，说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能，即机械能不守恒，故A正确；小球的机械能转化为内能，能量的种类变了，但能量不会消失，故B错误；小球长时间摆动过程中，重力势能和动能相互转化的同时，机械能不断地转化为内能，故摆动的幅度越来越小，但总能量守恒，故C错误，D正确2(改变物体内能的两种方式)关于温度、内能和热量，下列说法中正确的是()A物体的温度升高时，一定吸收热量B物体沿斜面下滑时，内能将增大C物体沿斜面匀速下滑时，内能可能增大D内能总是从高温物体传递给低温物体，当内能相等时热传递停止答案C解析改变物体内能的两种方法：做功和热传递温度升高，内能增加，但不一定是吸收热量，A错误；物体沿斜面下滑时，可能不受摩擦力，内能可能不变，B错误；物体沿斜面匀速下滑时，物体克服摩擦力做功，摩擦生热，内能可能增大，C正确；热传递的条件是物体间存在温度差，热量从温度高的物体传递给温度低的物体，温度相同后热传递停止，D错误3(热力学第一定律的理解和应用)一定质量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104J，气体对外界做功1.0104J，则该理想气体的()A温度降低，密度增大B温度降低，密度减小C温度升高，密度增大D温度升高，密度减小答案D解析由热力学第一定律UWQ得：U1.0104J2.5104J1.5104J，因此气体的内能增大，故温度升高，又因气体对外做功，体积增大，故密度减小4(气体实验定律和热力学第一定律的综合应用)(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其VT图像如图7所示下列说法正确的有()图7AAB的过程中，气体对外界做功BAB的过程中，气体放出热量CBC的过程中，气体压强不变DABC的过程中，气体内能增加答案BC解析由VT图像知，从A到B的过程中，气体被等温压缩，外界对气体做正功，气体的内能不变由热力学第一定律知，气体放出热量，A项错误，B项正确；从B到C的过程中气体做等压变化，温度降低，气体内能减少，故C正确，D错误一、选择题考点一能量守恒定律的理解和应用1一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出对于这一过程，下列说法中正确的是()A子弹减少的机械能等于木块增加的机械能B子弹减少的动能等于木块增加的动能C子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和D子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和答案D2“第一类永动机”不可能制成，是因为()A不符合机械能守恒定律B违背了能量守恒定律C做功产生的热不符合热功当量D找不到合适的材料和合理的设计方案答案B3.如图1所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动下列说法正确的是()图1A转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C转动的叶片不断搅动热水，水温升高D叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量答案D解析轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知，叶片在热水中吸收的热量一部分释放到空气中，另一部分使叶片在热水中伸展做功，所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，D正确考点二热力学第一定律的理解和应用4(多选)二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计温度的变化，二氧化碳气体可视为理想气体，则此过程中()A封闭气体对外界做正功B封闭气体向外界传递热量C封闭气体分子的平均动能不变D封闭气体从外界吸收热量答案BC解析因为不计气体的温度变化，气体分子的平均动能不变，即U0，选项C正确；因为气体体积减半，故外界对气体做功，即W0，选项A错误；根据热力学第一定律：UWQ，可知Q0，即气体向外界传递热量，选项B正确，D错误5如图2所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()图2A温度升高，内能增加600JB温度升高，内能减少200JC温度降低，内能增加600JD温度降低，内能减少200J答案A解析对一定质量的气体，由热力学第一定律UWQ可知，U800J(200J)600J内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确6(多选)下列过程可能发生的是()A物体吸收热量，对外做功，同时内能增加B物体吸收热量，对外做功，同时内能减少C外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少D外界对物体做功，同时物体放热，内能增加答案ABD解析当物体吸收的热量多于物体对外做的功时，物体的内能就增加，A正确；当物体吸收的热量少于物体对外做的功时，物体的内能就减少，B正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C错误；当物体放出的热量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D正确7一定质量的气体在保持压强恒等于1.0105Pa的状况下，体积从20L膨胀到30L，这一过程中气体从外界吸热4103J，则气体内能的变化为()A增加了5103JB减少了5103JC增加了3103JD减少了3103J答案C解析气体等压膨胀过程对外做功WpV1.0105Pa(3020)103m31.0103J这一过程气体从外界吸热Q4103J由热力学第一定律UWQ，由于气体对外做功，W应取负值，则可得U1.0103J4103J3103J，即气体内能增加了3103J故选项C正确8图3为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中()图3A外界对气体做功，气体内能增大B外界对气体做功，气体内能减小C气体对外界做功，气体内能增大D气体对外界做功，气体内能减小答案A解析在M向下滑动的过程中，气体体积缩小，外界对气体做功，再根据热力学第一定律知，气体不与外界发生热交换，气体内能增大，故正确答案为A.考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用9(多选)如图4所示为简易测温装置，玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体，当温度升高时()图4A瓶内气体的密度增大B瓶内气体分子的平均动能增加C外界对瓶内气体做正功D热传递使瓶内气体的内能增加答案BD解析由题图可知，当温度升高时容器内气体的变化为等压膨胀，故瓶内气体的密度减小，气体分子的平均动能增加，瓶内气体对外做正功，选项B正确，A、C错误；由热力学第一定律UWQ可知，瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量，故选项D正确10如图5所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时()图5A气体内能一定增加B气体压强变大C气体对外界做功D气体对外界放热答案C解析由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，故气体压强减小，内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量综上可知，C对，A、B、D错二、非选择题11(气体实验定律与热力学第一定律的综合应用)如图6所示，一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环，A、B、C状态参量如图所示，气体在状态A的温度为27，求：图6(1)气体在状态B的温度TB；(2)气体从ABC状态变化过程中与外界交换的总热量Q.答案(1)600K(2)2p0V0解析(1)A到B过程是等压变化，由盖吕萨克定律得代入数据得TB600K(2)根据热力学第一定律有UQW其中U0，W2p0V0解得Q2p0V0(吸热)12(气体实验定律与热力学第一定律的综合应用)如图7所示，导热材料制成的截面积相等、长度均为45cm的汽缸A、B通过带有阀门的管道连接初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧，在A内充满压强pA2.8105Pa的理想气体，B内充满压强pB1.4105Pa的理想气体，忽略连接汽缸的管道体积，室温不变，现打开阀门，求：图7(1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强；(2)自打开阀门到平衡，B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)答案(1)15cm2.1105Pa(2)放热，理由见解析解析(1)设平衡后活塞向右移动的距离为x，活塞向右移动达到稳定后，对A气体，有pALSp(Lx)S对B气体，有pBLSp(Lx)S得x15cmp2.1105Pa(2)活塞C向右移动，对B中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律可知B内气体放热13(气体实验定律与热力学第一定律的综合应用)(1)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是_A若气体的内能不变，其状态也一定不变B若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大C气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关D当气体温度升高时，内能一定增大(2)如图8所示的汽缸中封闭着一定质量的理想气体，活塞和汽缸导热性能良好，活塞与汽缸间无摩擦，汽缸开口始终向上在室温为27时，活塞距汽缸底部距离h110cm，之后将汽缸放置在冰水混合物中，此时外界大气压强为1atm，则：图8在冰水混合物中，活塞距汽缸底部的距离h2为多少？此过程中气体的内能如何变化，气体是吸收热量还是放出热量？答案(1)CD(2)9.1减小放热解析(1)当气体的内能不变时，气体可能在发生等温变化，故状态可能变化，选项A错误；由理想气体状态方程C可知，当气体的温度不断升高时，压强可能升高，也可能降低，还可能保持不变，选项B错误；气体温度每升高1K，内能的增量相同，但气体做功情况不同时气体所吸收的热量也不同，选项C正确；当气体温度升高时，气体的内能一定增大，选项D正确(2)由题意可知，汽缸内气体的变化为等压变化，由盖吕萨克定律可得，解得h29.1cm.放入冰水混合物后缸内气体温度降低，故内能减小；由于温度降低，气体体积减小，故外界对气体做正功；由热力学第一定律UWQ可知，汽缸内气体内能减小是由于气体向外放出热量引起的