高中 物理 必修第三册 第三章 热力学定律《第2节 热力学第一定律 第3节 能量守恒定律》教学设计

第2节热力学第一定律第3节能量守恒定律[学习目标]1．掌握热力学第一定律及其表达式。2．学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。3．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。4．理解永动机是不可能制成的。知识点1热力学第一定律1．改变内能的两种方式做功与传热。两者在改变系统内能方面是等价的。2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。(2)表达式：ΔU＝Q＋W。知识点2热力学第一定律的应用1．外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0，即W为负值；2．外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q<0，即Q为负值；3．系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值。[判一判]1．(1)ΔU＝W＋Q，该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。()(2)物体吸收热量，其内能必然增加。()提示：(1)√(2)×知识点3探索能量守恒的足迹1．俄国化学家盖斯的研究发现，任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。2．焦耳的实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。3．德国医生迈尔通过比对不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。4．德国科学家亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能制成这一事实出发，考察了自然界不同的“力”(指能量)之间的相互关系，提出了“张力”(势能)与“活力”(动能)的转化。知识点4能量守恒定律1．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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。2．意义(1)各种形式的能可以相互转化。(2)互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。知识点5永动机不可能制成1．第一类永动机不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。2．永动机不可能制成的原因违背了能量守恒定律。[判一判]2．(1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。()(2)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。()(3)永动机不能制成，因为它违背了能的转化和守恒定律。()提示：(1)×(2)√(3)√1．(对热力学第一定律的理解)做功和传热都可以改变物体的内能，以下说法正确的是()A．物体放出热量，内能一定减少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，内能一定减少D．物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少解析：选D。物体放出热量，若外界对物体做更多的功，则内能增加，故A错误；物体对外做功，但同时从外界吸收更多的热量，则内能增加，故B错误；物体吸收热量，同时对外做功，如二者相等，则内能不变，若Q>W，则内能增加，若W>Q，则内能减少，故C错误；物体放出热量，同时对外做功，则内能一定减少，故D正确。2．(对热力学第一定律的理解)(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。充气袋四周被挤压时(假设袋内气体与外界无热交换)，则袋内气体()A．体积减小，压强增大B．体积减小，压强减小C.对外界做负功，内能增大D．对外界做正功，内能增大答案：AC3．(对能量守恒定律的理解)下列对能量守恒定律的认识不正确的是()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——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，说明机械能消失了解析：选D。选项A是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；选项B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，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；选项C中任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律；选项D中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，只是转化成了其他形式的能量。4．(第一类永动机)(多选)下列关于永动机的说法正确的是()A．永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B．永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C.永动机不能制成的原因是技术问题D．永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律解析：选AD。永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、D正确，B、C错误。探究一热力学第一定律的理解和应用1．对ΔU＝W＋Q的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU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。2．与热力学第一定律相匹配的符号法则做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“＋”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始－末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，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)。4．判断是否做功的方法一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0。(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。特别提醒：(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。【例1】泉城济南，以泉闻名。小张同学在济南七十二名泉之一的珍珠泉游览时，发现清澈幽深的泉池底部，不断有气泡生成，上升至水面破裂。气泡在泉水中上升过程中，以下判断正确的是()A．气泡对泉水做正功，气泡吸收热量B．气泡对泉水做正功，气泡放出热量C．泉水对气泡做正功，气泡吸收热量D．泉水对气泡做正功，气泡放出热量[解析]气泡上升的过程中，外部的压强逐渐减小，气泡膨胀对外做功，由于外部恒温，在上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，则内能不变，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，气泡内能不变，同时对外做功，所以必须从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。[答案]A【例2】一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？[解析](1)气体从外界吸收的热量为Q＝4.2×105J气体对外做功W＝－6×105J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝－6×105J＋4.2×105J＝－1.8×105JΔU为负，说明气体的内能减少了所以，气体内能减少了1.8×105J；(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加；(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了。[答案](1)减少1.8×105J(2)增加(3)减少[针对训练1]酷热夏天，几名同学坐在气垫船上戏水，突然一位同学从气垫船上跳入水中。在该同学从跳水前到跳水后的过程中，气垫船内的气体(气垫船不漏气，不计分子间的势能)()A．对外界放热B．对外界做功C．单位时间、单位面积撞击气壁的分子数增加D．内能增加解析：选B。由于是酷热夏天，在该同学从跳水前到跳水后的过程中，气垫船内的气体发生等温变化，因此气体内能不变，由于该同学跳水后，气垫船内的气体压强减小，根据玻意耳定律可知，气垫船内的气体体积增大，对外界做功，故B正确，D错误；由于气垫船内气体内能不变，但对外界做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，该过程中气垫船内的气体吸热，故A错误；由于温度不变，气垫船内气体分子平均动能不变，而气体压强减小，因此单位时间、单位面积撞击气壁的分子数减少，故C错误。[针对训练2](多选)如图，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢上升。环境温度保持不变，大气压不变，系统始终处于平衡状态。在活塞上升过程中()A．气体体积逐渐增大，内能增加B．气体压强逐渐减小，内能不变C．气体压强逐渐增大，放出热量D．气体对外界做功，吸收热量解析：选BD。活塞上升，体积逐渐增大，理想气体的内能与温度相关联，温度保持不变，则内能不变，故A错误；根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C可知，体积增大，温度不变，故压强减小；因为温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，系统吸热，故B、D正确，C错误。探究二能量守恒定律的理解和应用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，还有电磁能、化学能、核能等。(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。2．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，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．第一类永动机不可能制成的原因分析如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝W＋Q知，系统内能将减小。若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。【例3】文艺复兴时期，意大利的达·芬奇曾设计过一种转轮，利用隔板的特殊形状，使一边重球滚到另一边距离轮心远些的地方，并认为这样可以使轮子不停地转动，如图所示。下列说法正确的是()A．该设计可以使转轮在无外力作用下顺时针转动变快B．该设计可以使转轮在无外力作用下逆时针转动变快C．该设计可以在不消耗能源的情况下不断地对外做功D．该设计中使转轮成为永动机的设想是不可能实现的[解析]由杠杆平衡原理可知，重球滚到另一边距离轮心远些的地方，右边每个重物施加于轮子的力矩虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。不管转轮是顺时针转动还是逆时针转动，在无外力作用下，只能是转动变慢，最终停下来，A、B错误；由选项A、B分析结合能量守恒定律可知，该设计在不消耗能源的情况下不断地对外做功是不可能的，这种设想不可能实现，C错误，D正确。[答案]D【例4】如图所示的是冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度h，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？(不计空气阻力)[解析]子弹和沙箱相互作用的过程中，损失动能，产生内能，设子弹和沙箱共同运动的速度为v，由能量守恒定律得ΔU＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)(M＋m)v2①由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点以v做圆周运动，满足机械能守恒，即eq\f(1,2)(M＋m)v2＝(M＋m)gh②由①②式解得ΔU＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－(M＋m)gh。[答案]eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－(M＋m)gh[针对训练3]17世纪70年代，英国赛斯特城的约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。下列关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是()A．满足能量守恒定律，所以可能实现B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现D．违背能量转化和守恒定律，不可能实现解析：选D。维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。铁球上升过程中，磁场力对铁球做正功，使铁球机械能增加；但铁球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以，维尔金斯“永动机”不可能实现。[A级——基础达标练]1．下列说法错误的是()A．能的转化和守恒定律只适用于物体内能的变化B．只要有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律C．能的转化和守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器D．任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，消耗多少某种形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，且能的总量保持不变解析：选A。各种形式的能都可以相互转化，并不是只适用于物体内能的变化，且有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律，A错误，符合题意，B、C、D正确，不符合题意。2.(多选)如图所示，光滑活塞将一定质量的理想气体封闭在导热性能良好的汽缸内，开始时系统处于静止状态，环境温度保持不变。下列判断正确的是()A．若迅速压活塞，则气体的内能减小B．若迅速压活塞，则气体的内能增加C．若缓慢压活塞，则气体的内能不变D．若缓慢压活塞，则气体的内能增加答案：BC3．在热力学第一定律的表达式ΔU＝W＋Q中，关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负，下列说法正确的是()A．外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正B．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负C．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正D．外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负答案：C4．如图所示，汽缸内封闭一定质量的理想气体。现缓慢地向活塞上倒一定质量的细沙，忽略环境的温度变化，在此过程中如果汽缸、活塞()A．导热良好，汽缸内气体的内能必增大B．导热良好，汽缸内气体向外放热C．绝热良好，汽缸内气体分子的平均动能不变D．绝热良好，汽缸内所有气体分子的运动速率都变大解析：选B。若汽缸导热良好，缓慢加入细沙，气体在被压缩的过程中，与环境进行充分热交换，温度保持不变，理想气体内能主要由温度决定，温度不变，内能不变，压缩气体，由热力学第一定律可知，气体将放出热量，A错误，B正确；若汽缸绝热良好，与外界没有热交换，压缩气体时，外界对气体做功，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增大，并不是所有分子速率都增大，C、D错误。5．如图，肠粉店师傅把一勺刚出炉、热气腾腾的卤汁倒入一小塑料袋中，然后快速打结，袋中密封了一定质量的空气(视为理想气体)。一小段时间后，塑料袋会鼓起来。下列表述正确的是()A．外界对气体做正功B．气体从袋外吸热C．相比原来，袋内气体内能减少D．相比原来，袋内气体压强增大解析：选D。一小段时间后，塑料袋会鼓起来，可知气体的体积变大，外界对气体做负功，A错误；一小段时间后，热气腾腾的卤汁使得气体温度升高，由于气体的温度高于外界温度，可知气体向袋外放热，B错误；一小段时间后，热气腾腾的卤汁使得气体温度升高，可知相比原来，袋内气体内能增大，C错误；倒入热气腾腾的卤汁前，气体压强等于外界大气压强，一小段时间后，塑料袋会鼓起来，说明气体压强大于外界大气压强，故相比原来，袋内气体压强增大，D正确。6．如图甲所示，一个内壁光滑的绝热汽缸，汽缸内用轻质绝热活塞封闭一定质量理想气体。现向活塞上表面缓慢倒入细沙，图乙为倒入过程中气体先后出现的分子速率分布图像，则()A．曲线①先出现，此时气体内能与曲线②时相等B．曲线①先出现，此时气体内能比曲线②时更小C．曲线②先出现，此时气体内能与曲线①时相等D．曲线②先出现，此时气体内能比曲线①时更大解析：选B。向活塞上表面缓慢倒入细沙，重力逐渐变大，压缩气体，外界对气体做功，气体处在绝热容器中，内能增大，温度升高，由图中曲线可知曲线②中分子速率大的分子数占总分子数百分比较大，即曲线②的温度较高，所以曲线①先出现，此时气体内能比曲线②时更小，故B正确，A、C、D错误。[B级——能力增分练]7．气垫运动鞋表面材质导热良好，防滑耐用，可以在运动过程中起到很好的缓冲作用(如右图)。使用过程中，气垫内气体被反复压缩、扩张，下列说法正确的是()A．踩下时，气垫内气体压强增大B．踩下时，气垫内气体平均动能增大C．踩下后抬起脚时，气垫内气体向外界放热D．踩下后抬起脚时，气体对外做功数值大于气体吸收的热量解析：选A。踩下时，由于导热良好可认为气体温度不变，内能保持不变，气体平均动能不变，另由eq\f(pV,T)＝C可知气垫内气体体积减小，气体压强增大，A正确，B错误；踩下后抬起脚时，气体体积增大，气体对外做功，则W<0，温度不变则内能不变ΔU＝0，由ΔU＝W＋Q知Q>0，即气体吸热，吸收的热量等于对外做功的数值，C、D错误。8．膨化食品包装袋内通常会封闭少量空气，包装袋不漏气，且该部分气体可视为理想气体，下列各类说法正确的是()A．用手轻捂包装袋，一段时间后，袋内气体膨胀且内能可能不变B．将包装袋放入冷藏室，一段时间后，所有分子动能减小且内能减小C．用筷子缓慢拍打包装袋，袋内气压变大且从外界吸热D．用筷子快速拍打包装袋，单位体积的内部气体分