人教版选修33 功和内能 热和内能 学案.doc

2.1功和内能 2.2热和内能学习目标核心提炼1.知道焦耳的两个实验的原理，区别热量和内能。2种改变内能的方式做功、热传递4个概念的区别和联系内能、功、热量、温度2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，能正确区分两者的不同。3.通过实验探究来类比、分析，理解内能与功、热量的关系。一、功和内能1.焦耳的实验(1)绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热的过程。(2)代表性实验重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。通过电流的热效应给水加热。(3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关。2.功和内能(1)内能：依赖于一个热力学系统自身状态的物理量，是热力学系统的一种能量。(2)功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的增加量，即uw。uw适用条件是绝热过程。在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少。思维拓展如图1：在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，压下活塞，观察棉花的变化。图1(1)你能看到什么现象？实验现象说明了什么问题？(2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？答案(1)可以看到棉花燃烧。实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，达到棉花的燃点后引起棉花燃烧。(2)迅速按下活塞是为了减少热传递，创造一个绝热条件。二、热和内能1.热传递(1)条件：物体的温度不同。(2)过程：温度不同的物体发生热传递，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到低温物体。(3)热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。2.热和内能(1)单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态，即热传递能改变物体的内能。(2)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。(3)单纯的传热过程中内能的变化。公式：uq。物体吸热，q为正；物体放热，q为负。思维拓展(1)热传递的实质是什么？(2)在单纯的热传递过程中，怎样计算内能的增量？(3)根据qu，能否说热量就是内能？答案(1)热传递的实质是物体间内能的转移。(2)当系统从状态1经过单纯的热传递达到状态2时，内能的增加量u等于外界对系统传递的热量q，即uq。(3)不能。热量是过程量，只在发生热传递时体现，可以测量；而内能是状态量，不可测量。做功与内能变化的关系要点归纳1.做功与内能的变化(1)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。(2)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(1)功是过程量，内能是状态量。(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。(3)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。精典示例例1 如图2所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施加一竖直向下的压力f，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体()图2a.温度升高，压强增大，内能减少b.温度降低，压强增大，内能减少c.温度升高，压强增大，内能增加d.温度降低，压强减小，内能增加解析向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项c正确。答案c分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，u为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，u为负值。此过程做功的多少为内能转化的量度。(2)在绝热过程中，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化u也确定了。而功是能量转化的量度，所以uw，即w为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法。针对训练1 如图3所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p01.01105 pa，g取10 m/s2)图3解析由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即uw外(m活塞m物体)ghp0sh(515)100.1 j1.011050.10.1 j1 030 j。答案1 030 j功、内能、热量和温度的区别与联系要点归纳1.内能与温度：从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。物体的温度升高，其内能一定增加。但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。2.热量和内能(1)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，可以通过热传递和做功两种方式来完成。(2)热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。(3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。3.热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。4.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，但它们之间有着本质的区别。5.改变内能的两种方式的比较比较项目做功热传递内能变化外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的精典示例例2 一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(若不计气泡内空气分子势能的变化)，则()a.气泡对外做功，内能不变，同时放热b.气泡对外做功，内能不变，同时吸热c.气泡内能减少，同时放热d.气泡内能不变，不吸热也不放热解析在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减少，温度降低。但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。答案b热传递、做功和内能改变的认知误区(1)误认为有热传递或做功时，内能一定变化。如果只是做功或只是进行热量传递都会改变物体的内能，但是如果做功的同时还有热量的传递，则内能不一定会发生变化。(2)对做功与内能变化关系认识不清。在判断内能增加或减少时，一定要搞清是对内做功还是对外做功，是从外界吸收热量还是向外界放出热量。针对训练2 下列说法正确的是()a.热水的内能比冷水的内能多b.温度高的物体其热量必定多，内能必定大c.物体从外界吸收热量，其内能不一定增加d.物体对外界做功，其内能一定减少解析物体的内能由温度、体积及物质的量决定，不是只由温度决定，故a、b错误；物体从外界吸收热量，有可能同时对外做功，其内能不一定增加，同时，物体对外做功，有可能同时从外界吸收热量，其内能不一定减少，故c正确，d错误。答案c1.(做功与内能变化)如图4所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气，以e甲、e乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中()图4a.e甲不变，e乙减小 b.e甲不变，e乙增大c.e甲增大，e乙不变 d.e甲增大，e乙减小解析本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况。对甲室内的气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能减小，故选项d正确。答案d2.(热传递与内能变化)(多选)关于热传递，下列说法正确的是()a.热传递中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体b.两个物体间发生热传递的条件是它们之间有温度差c.在热传递中热量一定从内能多的物体传向内能少的物体d.内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递解析热量的概念只有在涉及能量传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，a错误；物体间发生热传递的条件是物体间存在温度差，b正确；在热传递中，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，温度高的物体内能不一定多，故c错误，d正确。答案bd3.(做功与内能变化)景颇族的祖先发明的点火器如图5所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过程中()图5a.气体温度升高，压强不变b.气体温度升高，压强变大c.气体对外界做正功，气体内能增加d.外界对气体做正功，气体内能减少解析在压缩过程中推杆对气体做正功，气体的内能增加，温度升高，根据理想气体状态方程可知，气体的压强变大，故b正确。答案b4.(做功与内能变化)金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外逸出，待筒内外压强相等时，立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下，经过一段较长的时间后，再次打开开关，这时出现的现象是()a.筒外空气流向筒内b.筒内空气流向筒外c.筒内外有空气交换，处于动态平衡，筒内空气质量不变d.筒内外无空气交换解析因高压空气急剧外逸时，气体来不及充分与外界发生热交换，可近似看成绝热膨胀过程，气体对外做功，内能减少，所以关闭开关后，筒内气体温度较外界偏低，再经过较长时间后，筒内外气体温度相同。对筒内剩余气体分析，属等容升温过程，压强要增大，大于外界气压，所以再次打开开关时，筒内气体要流向筒外。答案b5.(热和内能概念的理解)对于热量、功和内能，三者的说法正确的是()a.热量、功、内能三者的物理意义等同b.热量、功都可以作为物体内能的量度c.热量、功、内能的单位不相同d.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的解析物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功或热传递两种途径，这三者的物理意义不同，a错误；热量是表示在热传递过程中物体内能变化的多少，而功是量度用做功的方式来改变物体内能的多少，b错误；三者单位都是焦耳，c错误；热量和功是过程量，内能是状态量，d正确。答案d基础过关1.(多选)用下述方法改变物体的内能，属于做功的方式是()a.用锤子打铁时，铁块发热b.用磨刀石磨刀时，刀发热c.双手互搓，手发热d.用天然气烧水解析a、b、c中的过程都是力对系统(铁块、刀、手)做功，内能增加和温度升高的过程。而d中用天然气烧水则是通过热传导和热对流来实现水温升高的。答案abc2.一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中()a.外界对气体做功，气体分子的平均动能增加b.外界对气体做功，气体分子的平均动能减少c.气体对外界做功，气体分子的平均动能增加d.气体对外界做功，气体分子的平均动能减少解析绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功w0。由uu2u1w可知，气体内能减少。由于气体分子间的势能可忽略，故气体分子的平均动能减少。答案d3.(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 j，下列说法中正确的是()a.一定是物体放出了50 j的热量b.一定是物体吸收了50 j的热量c.一定是物体分子动能增加了50 jd.物体分子的平均动能可能不变解析在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等能量的热量，故a错误，b正确；物体内能包括所有分子的分子动能和分子势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50 j并不一定是分子动能增加了50 j。物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50 j热量全部用来增加分子势能。答案bd4.下列例子中通过热传递改变物体内能的是()a.用砂轮磨刀具的时候，刀具的温度升高b.灼热的火炉使周围物体的温度升高c.陨石在大气层中下落，温度升高d.擦火柴时，火柴头上的易燃物质燃烧起来解析刀在砂轮上磨得发烫，是机械能转化成内能，故a错误；灼热的火炉使周围物体的温度升高是热传递改变内能，故b正确；陨石下落是摩擦力做功改变内能，故c错误；擦火柴时，火柴头上的易燃物质燃烧起来时机械能转化为内能，故d错误。答案b5.关于物体内能的变化，以下说法正确的是()a.物体的温度改变时，其内能一定改变b.对物体做功，其内能一定改变；物体向外传出热量，其内能一定改变c.物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能也不一定改变d.若物体与外界不发生热交换，则物体的内能一定不改变解析物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不只由温度决定，故a、b错误；在传热过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，c正确；物体与外界不发生热交换，但可以做功，内能就会变化，d错误。答案c6.(多选)下列关于系统的内能的说法正确的是()a.系统的内能是由系统的状态决定的b.分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的c.做功可以改变系统的内能，但单纯地对系统传热不能改变系统的内能d.气体在大气中绝热膨胀时对外做了功，但气体的内能不变解析系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量，所以是由系统的状态决定的，a正确；正因为内能是由系统的状态决定的，所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的，b正确；做功和热传递都可以改变系统的内能，c错误；气体绝热膨胀时对外界做了功，又因为与外界没有热交换，所以系统的内能要减少，故d错误。答案ab7.如图1所示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1a.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，气体内能减小解析因为m、n内被封气体体积减小，所以外界对气体做功，又因气体与外界没有热交换即绝热过程，所以uw，且u0，气体内能增加，a正确。答案a8.如图2所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空。现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在此过程中()图2a.气体对外界做功，温度降低，内能减少b.气体对外界做功，温度不变，内能不变c.气体不做功，温度不变，内能不变d.气体不做功，温度不变，内能减少解析气体向真空膨胀，不做功；此为绝热容器，无热传递，q0。答案c能力提升9.(多选)下列说法中正确的是()a.做功和传热是改变物体内能的两种本质不同的物理过程；做功使物体的内能改变，是其他形式的能和内能之间的转化；传热则不同，它是物体内能的转移b.外界对物体做功，物体的内能一定增大c.物体向外界放热，物体的内能一定增大d.热量是在传热过程中，从一个物体向另一个物体或从物体的一部分向另一部分转移的内能的多少解析做功和传热改变物体内能的本质不同，因为做功的过程是不同的形式的能相互转化的过程，而传热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移，热量是在传热过程中内能转移的多少，故选项a、d正确；而物体的内能的变化取决于做功和传热两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故选项b、c错误。答案ad10.如图3所示，a、b是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，a、