高中物理 第三章 热力学基础 第二节 热力学第一定律 第三节 能量守恒定律教学案 粤教版选修

我带领班子成员及全体职工，积极参加县委、政府和农牧局组织的政治理论学习，同时认真学习业务知识，全面提高了自身素质，增强职工工作积极性，杜绝了纪律松散第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律目标定位 1.理解热力学第一定律并会运用于分析和计算.2.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律.3.知道第一类永动机是不可能造成的一、热力学第一定律导学探究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经过做功的方法还是使用了热传递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效的，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？答案系统内能的增量UQW.知识梳理1热力学第一定律：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，物体内能的增加U就等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和2热力学第一定律的表达式：UQW.3对公式UQW符号的规定符号WQU外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少4.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q0，则WU，外界对物体做的功等于物体内能的增加(2)若过程中外界没有对物体做功，即W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量二、热力学第一定律应用举例导学探究1理想气体的内能与什么因素有关？答案由于理想气体忽略了分子间的作用力，即忽略了分子势能，所以理想气体的内能只跟气体的温度和物质的量有关，与气体的体积无关2你能应用热力学第一定律讨论理想气体在等压膨胀过程中的能量转换关系吗？答案设一定质量的理想气体，保持压强不变，由(V1，T1)变为(V2，T2)，而且V1V2.由盖吕萨克定律及V1V2知T1T2.因气体膨胀(V1V2)，则气体对外做功，W0.因气体温度升高(T1T2)，则气体的内能增加U0.由热力学第一定律UWQ可知QUW0.即系统由外界吸收热量，系统吸收的热量一部分用来增加内能，一部分转化为气体对外所做的功知识梳理1等压过程中的能量转换(1)等压膨胀：由于W0，U0，则QUW0，即气体吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分转化为气体对外所做的功(2)等压压缩：由于W0，U0，则QUW0，即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量之和2等容过程中的能量转换(1)温度升高：由于U0，W0，则QU，即气体从外界吸收的热量全部用于增加气体的内能(2)温度降低，由于U0，W0，则QU，即气体向外界放出的热量等于气体内能的减少量3等温过程中的能量转化(1)等温膨胀：由于W0，U0，则QW0，即气体从外界吸收的热量全部转换为气体对外所做的功(2)等温压缩：由于W0，U0，则QW0，即外界对气体所做的功全部转换为气体传给外界的热量三、能量守恒定律导学探究使热力学系统内能改变的方式是做功和热传递做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？答案能量的总量保持不变知识梳理1能量守恒定律：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成为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变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能量的存在形式及相互转化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，还有诸如电磁能、化学能、原子能等各种形式的能通过某种力做功可以相互转化4第一类永动机(1)定义：不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器(2)不可能制成的原因：违背了能量守恒定律延伸思考热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？答案是一、热力学第一定律例1(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2空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2105 J的功，同时空气的内能增加了1.5105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？答案5104 J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W2105 J，U1.5105 J，代入上式得：QUW1.5105 J2105 J5104 J.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5104 J.二、热力学第一定律与气体实验定律的结合例3如图1所示，倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0.起初环境的热力学温度为T0时，活塞到气缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：图1(1)气缸内部气体内能的增量U；(2)最终的环境温度T.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T0解析(1)密封气体的压强pp0(G/S)密封气体对外做功WpS0.1L由热力学第一定律得UQW得UQ0.1p0SL0.1LG(2)该过程是等压变化，由盖吕萨克定律有解得T1.1T0三、能量守恒定律例4下列对能量守恒定律的认识错误的是()A某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器第一类永动机是不可能制成的D石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了答案D解析A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，A、B选项正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律所以A、B、C正确；D选项中石子的机械能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误故选D项1(热力学第一定律)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了1.2105 J，则根据热力学第一定律，下列各式中正确的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W8104 J；内能减少，U取负值，即U1.2105 J；根据热力学第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B选项正确2(热力学第一定律)如图2所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降的过程中，筒内空气体积减小，且()图2A从外界吸热B内能增大C向外界放热D内能减少答案C解析本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项B、D均错根据热力学第一定律公式UWQ，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做功，式中W取正号，U0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对正确答案为C.3(能量守恒定律)下面设想不符合能量守恒定律的是()A利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械B做一条没有动力系统的船，在水面上行驶C通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行D利用核动力，驾驶地球离开太阳系答案A解析利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A不符合船能利用水流的能量行驶，飞机可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C符合；利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合故选A项4(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)如图3是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的气柱长度为22 cm，现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p01105 Pa，不计活塞的重力问：图3(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S1 cm2)答案(1)1.1106 Pa(2)82 J解析(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS，缓慢压缩，气体温度不变由玻意耳定律得p0V0pV解出p1.1106 Pa(2)大气压力对活塞做功W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J由热力学第一定律得UW1W2QQ20 J解得U82 J题组一热力学第一定律1关于物体内能的变化，以下说法中正确的是()A物体吸收热量，内能一定增大B物体对外做功，内能一定减少C物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变答案C解析根据热力学第一定律UWQ，物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)和物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减少，B错；若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能不变，C正确；而放热与对外做功都使物体内能减少，故D错2夏天将密闭有空气的矿泉水瓶放进低温的冰箱中会变扁，此过程中瓶内空气(可看成理想气体)()A内能减小，外界对其做功B内能减小，吸收热量 C内能增加，对外界做功D内能增加，放出热量答案A解析此过程中瓶内空气温度降低，体积减小，所以内能减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律UQW可知，U0，QUW0，所以空气放热，只有选项A正确3一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104 J，气体对外界做功1.0104 J，则该理想气体的 ()A温度降低，密度增大 B温度降低，密谋减小C温度升高，密度增大 D温度升高，密度减小答案D解析由UWQ可得理想气体内能变化U1.0104 J2.5104 J1.5104 J0，故温度升高，A、B两项均错因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体积变大，由可知密度变小，故C项错误，D项正确4一定质量的气体在保持压强恒等于1.0105 Pa的状况下，体积从20 L膨胀到30 L，这一过程中气体从外界吸热4103 J，则气体内能的变化为()A增加了5103 J B减少了5103 JC增加了3103 J D减少了3103 J答案C解析气体等压膨胀过程对外做功WpV1.0105 Pa(3020)103 m31.0103 J这一过程气体从外界吸热Q4103 J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U1.0103 J4.0103 J3.0103 J，即气体内能增加了3103 J故选项C正确题组二能量守恒定律5自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是()A机械能守恒B能量正在消失C只有动能和重力势能的相互转化D减少的机械能转化为内能，但总能量守恒答案D解析自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，故A、C项错误；而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B项错误，D项正确6一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D解析射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减小，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失A、B项没有考虑到系统增加的内能，C项中应考虑的是系统减少的机械能等于系统增加的内能故正确答案为D.7“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B8.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正确题组三热力学第一定律与气体实验定律的综合应用9(多选)如图2所示，一绝热容器被隔板K隔成a、b两部分已知a内有一定质量的稀薄气体，b内为真空抽离隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态在此过程中()图2A气体对外界做功，内能减少B气体不做功，内能不变C气体压强变小，温度降低D气体压强变小，温度不变答案BD解析抽离隔板K，a内气体体积变大，由于b内为真空，所以a内气体不做功，由热力学第一定律可得B正确内能不变，故温度不变，体积变大，由玻意耳定律可知压强变小，所以D正确10高压锅加热到一定程度，高压水汽会冲开气阀喷出，高压水汽喷出的过程()A喷出的水汽体积增大，温度降低，压强减小B喷出的水汽压强减小，大气对水汽做正功，内能增大C水汽刚喷出的短暂时间里，水汽对外做正功，吸热，内能增加D水汽刚喷出的短暂时间里，水汽对外做负功，放热，内能减小答案A解析由于外面压强小于高压锅内部压强，所以喷出的水汽压强减小，体积增大，对外做正功，温度降低，放出热量，内能减小故选项A正确11如图3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3A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12重庆出租车常以天然气作为燃料加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)()A压强增大，内能减小B吸收热量，内能增大C压强减小，分子平均动能增大D对外做功，分子平均动能减小答案B解析