(課改地區(qū)專用)2018-2019學(xué)年高考物理總復(fù)習(xí) 2.3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案.doc
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2.3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)核心提煉1.理解熱力學(xué)第一定律,并掌握其表達(dá)式。2個(gè)定律熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律1種機(jī)器第一類永動(dòng)機(jī)2.能運(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.知道第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。一、熱力學(xué)第一定律1.改變內(nèi)能的兩種方法:做功與熱傳遞。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的。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)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。(2)數(shù)學(xué)表達(dá)式:UQW。思維拓展如圖1所示,快速推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功10 J,氣體內(nèi)能改變了多少?若保持氣體體積不變,外界對(duì)汽缸傳遞10 J的熱量,氣體內(nèi)能改變了多少?能否說明10 J的功等于10 J的熱量?圖1答案無論外界對(duì)氣體做功10 J,還是外界給氣體傳遞10 J的熱量,氣體內(nèi)能都增加了10 J,說明做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的。不能說10 J的功等于10 J的熱量,因?yàn)楣εc熱量具有本質(zhì)區(qū)別。二、能量守恒定律永動(dòng)機(jī)不可能制成1.能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)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.能量守恒定律的意義(1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化。(2)各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起。3.永動(dòng)機(jī)不可能制成(1)第一類永動(dòng)機(jī):人們把設(shè)想的不消耗能量的機(jī)器稱為第一類永動(dòng)機(jī)。(2)第一類永動(dòng)機(jī)由于違背了能量守恒定律,所以不可能制成。思考判斷(1)系統(tǒng)從外界吸收熱量5 J,內(nèi)能可能增加5 J。()(2)用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。()(3)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化,故能量的總量是可以變化的。()(4)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。()對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解要點(diǎn)歸納1.對(duì)公式UQW中U、Q、W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)QWU物體吸收熱量外界對(duì)物體做功內(nèi)能增加物體放出熱量物體對(duì)外界做功內(nèi)能減少2.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的,即Q0,則UW,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W0,則UQ,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U0,則WQ(或QW),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)。3.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,W0。4.對(duì)熱力學(xué)第一定律的進(jìn)一步理解(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)能的方法是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量與做功和傳熱之間的定量關(guān)系。此定律表達(dá)式是標(biāo)量式,應(yīng)用時(shí)各量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。(2)熱力學(xué)第一定律是將單純的絕熱過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達(dá)推廣到一般情況,既有做功又有傳熱的過程,其中U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能量。精典示例例1 空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中,活塞對(duì)空氣做了2105 J的功,同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5105 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(duì)象,根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UWQ。由題意可知W2105 J,U1.5105 J,代入上式得QUW1.5105 J2105 J5104 J。負(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量,即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J。答案5104 J熱力學(xué)第一定律應(yīng)用注意點(diǎn)(1)要明確研究的對(duì)象是哪個(gè)物體或者說是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律計(jì)算時(shí),要依照符號(hào)法則代入數(shù)據(jù)。對(duì)結(jié)果的正、負(fù)也同樣依照符號(hào)法則來解釋其意義。針對(duì)訓(xùn)練1 (多選)如圖2所示,水平放置的密封汽缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分,隔板可在汽缸內(nèi)無摩擦滑動(dòng),右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲。汽缸壁和隔板均絕熱。初始時(shí)隔板靜止,左右兩邊氣體溫度相等?,F(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流,通電一段時(shí)間后切斷電源。當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時(shí),與初始狀態(tài)相比()圖2A.右邊氣體溫度升高,左邊氣體溫度不變B.左右兩邊氣體溫度都升高C.左邊氣體壓強(qiáng)增大D.右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量解析右邊氣體吸收熱量后,溫度升高,壓強(qiáng)增大,隔板不再靜止,向左移動(dòng),右邊氣體對(duì)左邊氣體做功,由于隔板和汽缸均絕熱,則左邊氣體的內(nèi)能增加,溫度升高,A錯(cuò)誤;左邊氣體體積減小,溫度升高,由C,可知壓強(qiáng)增大,B、C均正確;右邊氣體對(duì)左邊氣體做了功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ,得右邊氣體內(nèi)能的增加量小于電熱絲放出的熱量,D錯(cuò)誤。答案BC對(duì)能量守恒定律的理解要點(diǎn)歸納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、原子能等。(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.與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的例如,物體的機(jī)械能守恒,必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功;而能量守恒定律是沒有條件的,它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3.第一類永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析:如果沒有外界熱源供給熱量,則有U2U1W,就是說,如果系統(tǒng)內(nèi)能減少,即U2U1,則W0,要滿足U0,可能有各種情況:W0,Q0;W0,Q0;W0,Q0;W0,Q|Q|;W0,Q|W|。答案BCD2.(多選)如圖1所示,用絕熱活塞把絕熱容器隔成容積相同的兩部分,先把活塞鎖住,將質(zhì)量和溫度都相同的理想氣體氫氣和氧氣分別充入容器的兩部分,然后提起銷子,使活塞可以無摩擦地滑動(dòng),當(dāng)活塞平衡時(shí)()圖1A.氫氣的溫度不變 B.氫氣的壓強(qiáng)減小C.氫氣的體積增大 D.氧氣的溫度升高解析氫氣和氧氣的質(zhì)量雖然相同,但由于氫氣的摩爾質(zhì)量小,故氫氣物質(zhì)的量多,又因?yàn)槌跏紶顟B(tài)下氫氣和氧氣體積和溫度相同,所以氫氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)大,當(dāng)拔掉銷子后,活塞將向氧氣一方移動(dòng),這時(shí)氫氣對(duì)外做功,又無熱傳遞,由UWQ可知,氫氣內(nèi)能減少,溫度降低,對(duì)氧氣而言,外界對(duì)它做功,體積減小,由UWQ,無熱傳遞的情況下,氧氣內(nèi)能增加,溫度升高,壓強(qiáng)增大。答案BCD3.自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小,下列說法正確的是()A.機(jī)械能守恒B.能量正在消失C.只有動(dòng)能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D.減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但總能量守恒解析自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度減小,說明機(jī)械能在減少,減少的機(jī)械能等于克服阻力做的功,增加了內(nèi)能。答案D4.下列說法正確的是()A.隨著科技的發(fā)展,永動(dòng)機(jī)是可以制成的B.太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空間的能量都消失了C.“既要馬兒跑,又要馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,因而是不可能的D.有種“全自動(dòng)”手表,不用上發(fā)條,也不用任何形式的電源,卻能一直走動(dòng),說明能量可以憑空產(chǎn)生解析永動(dòng)機(jī)是指不消耗或少消耗能量,而可以大量對(duì)外做功的裝置,歷史上曾出現(xiàn)過各式各樣的所謂永動(dòng)機(jī)的發(fā)明,結(jié)果都以失敗告終,原因就是違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,即使以后科技再發(fā)達(dá),也要受自然規(guī)律的制約,所以永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)不可能制成的,A錯(cuò)誤;太陽輻射大量的能量,地球只吸收了極小的一部分,就形成了風(fēng)云雨雪,使萬物生長,但輻射到星際空間的能量也沒有消失,而是轉(zhuǎn)化成了別的能量,B錯(cuò)誤;馬和其他動(dòng)物都要運(yùn)動(dòng),必須消耗能量,動(dòng)物的能量來源于食物中儲(chǔ)存的化學(xué)能,C正確;所謂“全自動(dòng)”手表內(nèi)部還是有能量轉(zhuǎn)化裝置的,一般是一個(gè)擺錘,當(dāng)人戴著手表活動(dòng)時(shí),使擺錘不停擺動(dòng),給游絲彈簧補(bǔ)充能量,才會(huì)維持手表的走動(dòng),如果把這種表放在桌面上靜置兩天,它一定會(huì)停擺的,D錯(cuò)誤。答案C5.(多選)下列過程可能發(fā)生的是()A.物體吸收熱量,對(duì)外做功,同時(shí)內(nèi)能增加B.物體吸收熱量,對(duì)外做功,同時(shí)內(nèi)能減少C.外界對(duì)物體做功,同時(shí)物體吸熱,內(nèi)能減少D.外界對(duì)物體做功,同時(shí)物體放熱,內(nèi)能增加解析當(dāng)物體吸收的熱量多于對(duì)外做的功時(shí),物體的內(nèi)能就增加,A正確;當(dāng)物體吸收的熱量少于對(duì)外做的功時(shí),物體的內(nèi)能就減少,B正確;外界對(duì)物體做功,同時(shí)物體吸熱,則物體的內(nèi)能必增加,C錯(cuò)誤;當(dāng)物體放出的熱量少于外界對(duì)物體做的功時(shí),物體的內(nèi)能增加,D正確。答案ABD6.如圖2所示是密閉的汽缸,外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體,對(duì)缸內(nèi)氣體做功800 J,同時(shí)氣體向外界放熱200 J,缸內(nèi)氣體的()圖2A.溫度升高,內(nèi)能增加600 JB.溫度升高,內(nèi)能減少200 JC.溫度降低,內(nèi)能增加600 JD.溫度降低,內(nèi)能減少200 J解析對(duì)一定質(zhì)量的氣體,由熱力學(xué)第一定律UWQ可知,U800 J(200 J)600 J,U為正表示內(nèi)能增加了600 J,對(duì)氣體來說,分子間距較大,分子勢能為零,內(nèi)能等于所有分子動(dòng)能的和,內(nèi)能增加,氣體分子的平均動(dòng)能增加,溫度升高,選項(xiàng)A正確。答案A7.如圖3所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)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(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()圖3A.子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B.子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的勢能C.子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動(dòng)能D.子彈的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能,另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的勢能解析子彈在射入沙箱瞬間,要克服摩擦阻力做功,一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能,另一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的勢能。答案D8.(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷三個(gè)過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其pT圖象如圖4所示。下列判斷正確的是()圖4A.過程ab中氣體一定吸熱B.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱C.過程ca中外界對(duì)氣體所做的功等于氣體所放的熱D.a、b和c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小解析ab過程為等容變化,W0,溫度升高,內(nèi)能增大,U0,由熱力學(xué)第一定律UWQ知Q0,吸熱,A正確;bc過程為等溫變化,U0,體積增大對(duì)外做功,W0,吸熱,B錯(cuò)誤;ca過程溫度降低,內(nèi)能減小,U0。由熱力學(xué)第一定律UWQ得QW,C錯(cuò)誤;溫度為分子平均動(dòng)能的唯一標(biāo)志,TaTbTc,D正確。答案AD能力提升9.如圖5所示,直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體,A的密度小,B的密度大,抽去隔板,加熱氣體使兩部分氣體均勻混合,設(shè)在此過程中氣體吸熱為Q,氣體的內(nèi)能增加量為U,則()圖5A.UQ B.UQ D.無法確定解析A、B兩部分氣體開始的合重心在中線以下,混合均勻后,合重心在中線上,所以系統(tǒng)的重力勢能增大,根據(jù)能量守恒定律可得,吸收的熱量應(yīng)等于增加的重力勢能與增加的內(nèi)能之和,即QEpU,顯然QU。答案B10.如圖6所示,一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成,輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片,輕推轉(zhuǎn)輪后,進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”,推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。離開熱水后,葉片形狀迅速恢復(fù),轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)。下列說法正確的是()圖6A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng),不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)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解析形狀記憶合金從熱水中吸收熱量后,一部分能量在伸展劃水時(shí)轉(zhuǎn)化為水和轉(zhuǎn)輪的動(dòng)能,另一部分釋放到空氣中,根據(jù)能量守恒定律可知只有D項(xiàng)正確。答案D11.如圖7所示,兩個(gè)截面積都為S的圓柱形容器,右邊容器高為H,上端封閉,左邊容器上端是一個(gè)可以在容器內(nèi)無摩擦滑動(dòng)的質(zhì)量為M的活塞。兩容器由裝有閥門的極細(xì)管道相連,容器、活塞和細(xì)管都是絕熱的。開始時(shí)閥門關(guān)閉,左邊容器中裝有理想氣體,平衡時(shí)活塞到容器底的距離為H,右邊容器內(nèi)為真空?,F(xiàn)將閥門緩慢打開,活塞便緩慢下降,直至系統(tǒng)達(dá)到新的平衡,此時(shí)理想氣體的溫度增加為原來的1.4倍,已知外界大氣壓強(qiáng)為p0,求此過程中氣體內(nèi)能的增加量。圖7解析理想氣體發(fā)生等壓變化。設(shè)封閉氣體壓強(qiáng)為p,分析活塞受力有pSMgp0S設(shè)氣體初態(tài)溫度為T,活塞下降的高度為x,系統(tǒng)達(dá)到的新平衡,由蓋呂薩克定律得解得xH又因系統(tǒng)絕熱,即Q0外界對(duì)氣體做功為WpSx根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW所以U(Mgp0S)H答案(Mgp0S)H12.如圖8所示,在AB和DA的過程中,氣體放出的熱量分別為4 J和20 J。在BC和CD的過程中,氣體吸收的熱量分別為20 J和12 J。求氣體完成一次循環(huán)對(duì)外界所做的功。圖8解析完成循環(huán)氣體內(nèi)能不變,即U0,吸收的熱量Q(2012420)J8 J,由熱力學(xué)第一定律UQW得W8 J,即氣體對(duì)外做功為8 J。答案8 J13.如圖9所示,橫截面積S10 cm2的活塞,將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在豎直放置的圓柱形導(dǎo)熱汽缸內(nèi),開始活塞與汽缸底部距離H30 cm。在活塞上放一重物,待整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定后。測得活塞與汽缸底部距離變?yōu)閔25 cm。已知外界大氣壓強(qiáng)始終為p01105Pa,不計(jì)活塞質(zhì)量及其與汽缸之間的摩擦,取g10 m/s2。求:圖9 (1)所放重物的質(zhì)量;(2)在此過程中被封閉氣體與外界交換的熱量。解析(1)封閉氣體發(fā)生等溫變化氣體初狀態(tài)的壓強(qiáng)為p11105pa氣體末狀態(tài)的壓強(qiáng)為p2p0根據(jù)玻意耳定律得p1HSp2hS聯(lián)立式解得m2 kg(2)外界對(duì)氣體做功W(p0Smg)(Hh)根據(jù)熱力學(xué)第一定律知UQW0聯(lián)立式解得Q6 J,即放出6 J熱量。答案(1)2 kg(2)放出6 J熱量- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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