《2018-2019學年高中物理 第十章 熱力學定律 課時3 熱力學第一定律 能量守恒定律學案 新人教版選修3-3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018-2019學年高中物理 第十章 熱力學定律 課時3 熱力學第一定律 能量守恒定律學案 新人教版選修3-3（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 學案3　熱力學第一定律　能量守恒定律 [目標定位] 1.理解熱力學第一定律，并會運用于分析和計算.2.理解并會運用能量守恒定律.3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因． 一、熱力學第一定律 [問題設計] 一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內能增加．因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內能．既然它們在改變系統(tǒng)內能方面是等價的，那么當外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內能的增量ΔU應該是多少？ 答案　系統(tǒng)內能的增量ΔU＝Q＋W. [要點提煉] 1．改變內能的兩種

2、方式：做功與熱傳遞．兩者在改變系統(tǒng)內能方面是等價的． 2．熱力學第一定律：一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和． 3．熱力學第一定律的表達式：ΔU＝Q＋W. 4．對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定 符號 W Q ΔU ＋ 體積減小，外界對熱力學系統(tǒng)做功 熱力學系統(tǒng)吸收熱量 內能增加 － 體積增大，熱力學系統(tǒng)對外界做功 熱力學系統(tǒng)放出熱量 內能減少 5.應用熱力學第一定律解題的一般步驟 (1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負； (2)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q求出未知量； (3)再根據(jù)未知量結果的正負來確定吸熱、放熱情況或做

3、功情況． 6．氣體實驗定律和熱力學第一定律的關系 兩者的結合點是體積V和溫度T. 注意三個特殊過程的特點： (1)等溫過程：內能不變，ΔU＝0； (2)等容過程：體積不變，W＝0； (3)絕熱過程：Q＝0. 二、能量守恒定律 [問題設計] 使熱力學系統(tǒng)內能改變的方式有做功和熱傳遞．做功的過程是其他形式的能轉化為內能的過程，熱傳遞是把其他物體的內能轉移為系統(tǒng)的內能．在能量發(fā)生轉化或轉移時，能量的總量會減少嗎？ 答案　能量的總量保持不變． [要點提煉] 1．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化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程

4、中，能量的總量保持不變． 2．對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．能量的存在形式及相互轉化 各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等． 各種形式的能通過某種力做功可以相互轉化． 4．第一類永動機 (1)定義：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器． (2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律． [延伸思考] 熱力學第一定律、機械能守恒定律是能量守恒定律的具體體

5、現(xiàn)嗎？ 答案　是． 一、熱力學第一定律 例1　關于物體內能的變化情況，下列說法中正確的是(　　) A．吸熱的物體，其內能一定增加 B．體積膨脹的物體，其內能一定減少 C．放熱的物體，其內能也可能增加 D．絕熱壓縮的氣體，其內能一定增加 解析　做功和熱傳遞都能改變物體的內能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內能的變化． 答案　CD 例2　空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2×105 J的功，同時空氣的內能增加了1.5×105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？ 解析　選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學第一定律有ΔU＝W＋Q. 由題意可知W＝2×105 J，

6、ΔU＝1.5×105 J，代入上式得： Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J. 負號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5×104 J. 答案　5×104 J 二、能量守恒定律 例3　下列對能量守恒定律的認識正確的是(　　) 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——第一類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　A選項是指不同形式的能量間的轉化，轉化過程中能量是守恒的．B選項是指能量在

7、不同的物體間發(fā)生轉移，轉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——轉化與轉移．第一類永動機是不可能制成的，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，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯誤． 答案　ABC 三、熱力學第一定律與氣體實驗定律的結合 例4　如圖1所示，倒懸的導熱氣缸中封閉著一定質量的理想氣體．輕質活塞可無摩擦地上下移動，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物體，大氣壓強恒為p0.起初環(huán)境的熱力學溫度為T0時，活塞到氣缸底面的距離為L.當環(huán)境溫度逐漸升高，導致

8、活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q.求： 圖1 (1)氣缸內部氣體內能的增量ΔU； (2)最終的環(huán)境溫度T. 解析　(1)密封氣體的壓強p＝p0－(G/S) 密封氣體對外做功W＝pS×0.1L 由熱力學第一定律得ΔU＝Q－W 得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)該過程是等壓變化，由蓋—呂薩克定律有 ＝ 解得T＝1.1T0. 答案　(1)Q－0.1p0SL＋0.1LG　(2)1.1T0 1．(熱力學第一定律)一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內能減少了1.2×105 J，則根據(jù)熱力學第一

9、定律，下列各式中正確的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 答案　B 解析　因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；氣體的內能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，即B選項正確． 2．(熱力學

10、第一定律)如圖2所示，某同學將空的薄金屬筒開口向下壓入水中．設水溫均勻且恒定，筒內空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降過程中，筒內空氣體積減小，空氣一定(　　) 圖2 A．從外界吸熱 B．內能增大 C．向外界放熱 D．內能減小 答案　C 解析　由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進行，所以可看成溫度不變，即氣體內能不變，選項B、D均錯；由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，因為在下降過程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，ΔU＝0，所以Q為負，即氣體向外放熱，故選項A錯，C對． 3．(能量守恒定律)下面設想符合能量守恒定律的是(　　

11、) A．利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉動的機械 B．做一條船，利用流水的能量逆水行舟 C．通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行 D．利用核動力，駕駛地球離開太陽系 答案　BCD 解析　利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉化為內能使轉動停止，故A不符合．讓船先靜止在水中，設計一臺水力發(fā)電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉化為船的動能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉化性和電能的可收集性，使光能轉化為飛機的動能，實現(xiàn)飛機不帶燃料 也能飛行，故B、C符合；利用反沖理論，以核動力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離

12、開太陽系，故D符合． 4. (熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用)如圖3是用導熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置，開始時封閉的氣柱長度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的氣柱長度變?yōu)? cm，人對活塞做功100 J，大氣壓強為p0＝1×105 Pa，不計活塞的重力．問： 圖3 (1)若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強多大？ (2)若以適當?shù)乃俣葔嚎s氣體，氣體向外散失的熱量為20 J，則氣體的內能增加多少？(活塞的橫截面積S＝1 cm2) 答案　(1)1.1×106 Pa　(2)82 J 解析　(1)設壓縮后氣體的壓強為p，活塞的橫截面積為S，l0＝

13、22 cm，l＝2 cm，V0＝l0S，V＝lS，緩慢壓縮，氣體溫度不變 由玻意耳定律得p0V0＝pV 解得p＝1.1×106 Pa (2)大氣壓力對活塞做功W1＝p0S(l0－l)＝2 J 人做功W2＝100 J 由熱力學第一定律得ΔU＝W1＋W2＋Q Q＝－20 J 解得ΔU＝82 J 題組一　熱力學第一定律 1．關于物體內能的變化，以下說法中正確的是(　　) A．物體吸收熱量，內能一定增大 B．物體對外做功，內能一定減少 C．物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變 D．物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變 答案　C 解析　根據(jù)熱力學第一定律

14、ΔU＝W＋Q，物體內能的變化與外界對物體做功(或物體對外界做功)和物體從外界吸熱(或向外界放熱)兩種因素有關．物體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內能有可能不變甚至減小，故A錯；同理，物體對外做功的同時有可能吸熱，故內能不一定減少，B錯；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內能不變，C正確；而放熱與對外做功都使物體內能減少，故D錯． 2．密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內空氣(不計分子勢能的變化)(　　) A．內能增大，放出熱量 B．內能減小，吸收熱量 C．內能增大，對外界做功 D．內能減小，外界對其做功 答案　D 解析　不計分子勢能的變化時瓶內空氣的內能只與其溫度

15、有關，溫度降低時其內能減?。芰掀孔儽鈺r瓶內空氣體積減小，外界對其做功．再由熱力學第一定律知此過程中瓶內空氣要放出熱量，故只有選項D正確． 3．一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104 J，氣體對外界做功1.0×104 J，則該理想氣體的(　　) A．溫度降低，密度增大 B．溫度降低，密度減小 C．溫度升高，密度增大 D．溫度升高，密度減小 答案　D 解析　由ΔU＝W＋Q可得理想氣體內能變化ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 J>0，故溫度升高，A、B兩項均錯．因為氣體對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由ρ＝可知密度較小，故C項錯

16、誤，D項正確． 4．一定質量的氣體在保持壓強恒等于1.0×105 Pa的狀況下，體積從20 L膨脹到30 L，這一過程中氣體從外界吸熱4×103 J，則氣體內能的變化為(　　) A．增加了5×103 J B．減少了5×103 J C．增加了3×103 J D．減少了3×103 J 答案　C 解析　氣體等壓膨脹過程對外做功W＝pΔV＝1.0×105 Pa×(30－20)×10－3 m3＝1.0×103 J．這一過程氣體從外界吸熱Q＝4×103 J．由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，由于氣體對外做功，W應取負值，則可得ΔU＝－1.0×103 J＋4.0×103 J＝3.0×103 J，即

17、氣體內能增加了3×103 J．故選項C正確． 題組二　能量守恒定律 5．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法中正確的是(　　) A．機械能守恒 B．能量正在消失 C．只有動能和重力勢能的相互轉化 D．減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒 答案　D 解析　自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，說明機械能在減少，故A、C項錯誤；而減少的機械能通過摩擦轉化成了內能，故B項錯誤，D項正確． 6.如圖1所示為沖擊擺實驗裝置，一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定的高度，則下面有關能量的轉化的說法中正確的是(　　) 圖1 A．子彈的動能轉變成沙箱和子彈的內能 B．子彈的

18、動能轉變成了沙箱和子彈的熱能 C．子彈的動能轉變成了沙箱和子彈的動能 D．子彈的動能一部分轉變成沙箱和子彈的內能，另一部分轉變成沙箱和子彈的機械能 答案　D 解析　子彈在射入沙箱瞬間，要克服摩擦阻力做功，一部分動能轉變成沙箱和子彈的內能，另一部分動能轉變成沙箱和子彈的機械能． 7．“第一類永動機”不可能制成，是因為(　　) A．不符合機械能守恒定律 B．違背了能量守恒定律 C．做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量 D找不到合適的材料和合理的設計方案 答案　B 8.如圖2所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片．輕推轉輪后，進入熱水的

19、葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動．離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動．下列說法正確的是(　　) 圖2 A．轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量 B．轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身 C．轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高 D．葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 答案　D 解析　輕推轉輪后，葉片開始轉動，由能量守恒定律可知，葉片在熱水中吸收的熱量一部分釋放到空氣中，另一部分使葉片在熱水中伸展做功，所以葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量，D正確． 題組三　熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用 9.如圖3所示，一絕熱容器被

20、隔板K隔成a、b兩部分．已知a內有一定質量的稀薄氣體，b內為真空．抽離隔板K后，a內氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)．在此過程中(　　) 圖3 A．氣體對外界做功，內能減少 B．氣體不做功，內能不變 C．氣體壓強變小，溫度降低 D．氣體壓強變小，溫度不變 答案　BD 解析　抽離隔板K，a內氣體體積變大，由于b內為真空，所以a內氣體不做功，由熱力學第一定律可得B正確．內能不變，故溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知壓強變小，所以D正確． 10．用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖4所示，充氣袋四周被擠壓時，假設袋內氣體與外界無熱交換，則袋內氣體(　　) 圖4 A．

21、體積減小，內能增大 B．體積減小，壓強減小 C．對外界做負功，內能增大 D．對外界做正功，壓強減小 答案　AC 解析　袋內氣體與外界無熱交換即Q＝0，袋四周被擠壓時，體積V減小，外界對氣體做正功，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，氣體內能增大，則溫度升高，由＝常數(shù)知壓強增大，選項A、C正確，B、D錯誤． 11.如圖5所示，A、B兩點表示一定質量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(　　) 圖5 A．體積必然變大 B．有可能經(jīng)過體積減小的過程 C．外界必然對氣體做功 D．氣體必然從外界吸熱 答案　ABD 解析　本題是氣體狀態(tài)變化、圖象與熱力學第一定律

22、結合的綜合分析題．連接OA、OB，得到兩條等容線，故有VB>VA，所以A正確．由于沒有限制自狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程，所以可先從A狀態(tài)減小氣體的體積再增大氣體的體積到B狀態(tài)，故B正確．因為氣體體積增大，所以是氣體對外界做功，C錯誤．因為氣體對外界做功，而氣體的溫度又升高，內能增大，由熱力學第一定律知氣體一定從外界吸熱，D正確． 12．如圖6所示，一定質量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，再由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C.已知狀態(tài)A的溫度為300 K．氣體在狀態(tài)B的溫度TB＝________；由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中，氣體是________(吸熱或放熱)． 圖6 答案　1200 K　放熱 解

23、析　從狀態(tài)A到B狀態(tài)，＝得TB＝1200 K，由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C體積不變，壓強減小，溫度降低，內能減小，但W＝0，所以放熱． 13.如圖7所示，一定質量的理想氣體從狀態(tài)A先后經(jīng)過等壓、等容和等溫過程完成一個循環(huán)，A、B、C狀態(tài)參量如圖所示，氣體在狀態(tài)A的溫度為27 ℃，求： 圖7 (1)氣體在狀態(tài)B的溫度TB； (2)氣體從A→B→C狀態(tài)變化過程中與外界交換的總熱量Q. 答案　(1)600 K　(2)2p0V0 解析　(1)A到B過程是等壓變化有＝ 代入數(shù)據(jù)得TB＝600 K (2)根據(jù)熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W 其中W＝－2p0V0 解得Q＝2p0V0(吸熱) 11