2017-2018學(xué)年高中物理 第三章 熱力學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律 第三節(jié) 能量守恒定律教學(xué)案 -

1、學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第二節(jié)熱力學(xué)第一定律第三節(jié)能量守恒定律目標(biāo)定位 1.理解熱力學(xué)第一定律并會運用于分析和計算。2。理解能量守恒定律,知道能量守恒是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。3.知道第一類永動機(jī)是不可能造成的一、熱力學(xué)第一定律導(dǎo)學(xué)探究一根金屬絲經(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經(jīng)過做功的方法還是使用了熱傳遞的方法使它的內(nèi)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(nèi)能既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的，那么當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為w，又對系統(tǒng)傳熱為q時,系統(tǒng)內(nèi)能的增量u應(yīng)該是多少？答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量uqw.知識梳理1熱力學(xué)第一定律:如果物體跟外界同時發(fā)

2、生做功和熱傳遞的過程，那么,物體內(nèi)能的增加u就等于物體吸收的熱量q和外界對物體做的功w之和2熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：uqw.3對公式uqw符號的規(guī)定符號wqu外界對熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加熱力學(xué)系統(tǒng)對外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少4。三種特殊情況(1）若過程是絕熱的，即q0，則wu，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加(2）若過程中外界沒有對物體做功，即w0，則qu,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即u0，則wq0或wq，外界對物體做的功等于物體放出的熱量二、熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例導(dǎo)學(xué)探究1理想氣體的內(nèi)能與什么因素有關(guān)？答案由于理想氣體忽

3、略了分子間的作用力，即忽略了分子勢能,所以理想氣體的內(nèi)能只跟氣體的溫度和物質(zhì)的量有關(guān)，與氣體的體積無關(guān)2你能應(yīng)用熱力學(xué)第一定律討論理想氣體在等壓膨脹過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系嗎？答案設(shè)一定質(zhì)量的理想氣體，保持壓強(qiáng)不變,由（v1,t1)變?yōu)椋╲2，t2),而且v1v2.由蓋呂薩克定律及v1v2知t1t2。因氣體膨脹（v1v2），則氣體對外做功,w0。因氣體溫度升高（t1t2),則氣體的內(nèi)能增加u0。由熱力學(xué)第一定律uwq可知quw0.即系統(tǒng)由外界吸收熱量，系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為氣體對外所做的功知識梳理1等壓過程中的能量轉(zhuǎn)換(1）等壓膨脹：由于w0，u0，則quw0,即氣體吸收的

4、熱量一部分用來增加內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)化為氣體對外所做的功（2)等壓壓縮:由于w0，u0，則quw0,即氣體對外界放熱,放出的熱量等于外界對氣體所做的功與氣體內(nèi)能減小量之和2等容過程中的能量轉(zhuǎn)換（1)溫度升高：由于u0,w0，則qu,即氣體從外界吸收的熱量全部用于增加氣體的內(nèi)能(2）溫度降低，由于u0,w0，則qu，即氣體向外界放出的熱量等于氣體內(nèi)能的減少量3等溫過程中的能量轉(zhuǎn)化(1）等溫膨脹：由于w0，u0，則qw0，即氣體從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)換為氣體對外所做的功（2）等溫壓縮:由于w0，u0，則qw0，即外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為氣體傳給外界的熱量三、能量守恒定律導(dǎo)學(xué)探究使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改

5、變的方式是做功和熱傳遞做功的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，熱傳遞是把其他物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)的內(nèi)能在能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時,能量的總量會減少嗎？答案能量的總量保持不變知識梳理1能量守恒定律：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(zhuǎn)化成為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變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(zhuǎn)化各種運動形式都有對應(yīng)的能：機(jī)械運動有機(jī)械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有諸如電

6、磁能、化學(xué)能、原子能等各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化4第一類永動機(jī)(1)定義：不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機(jī)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(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？答案是一、熱力學(xué)第一定律例1（多選)關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是(）a吸熱的物體,其內(nèi)能一定增加b體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少c放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加d絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加答案cd解析做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化例2空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 j的功,同時空氣的內(nèi)能增加

7、了1.5105 j,這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案5104 j解析選擇被壓縮的空氣為研究對象，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)號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 j.二、熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的結(jié)合例3如圖1所示，倒懸的導(dǎo)熱氣缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體輕質(zhì)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(qiáng)恒為p0.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為t0時，活塞到氣缸底面的距離為l.當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過程中活

8、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(nèi)部氣體內(nèi)能的增量u;(2)最終的環(huán)境溫度t。答案(1)q0.1p0sl0。1lg(2）1。1t0解析（1）密封氣體的壓強(qiáng)pp0（g/s）密封氣體對外做功wps0.1l由熱力學(xué)第一定律得uqw得uq0.1p0sl0。1lg(2）該過程是等壓變化，由蓋呂薩克定律有解得t1。1t0三、能量守恒定律例4下列對能量守恒定律的認(rèn)識錯誤的是(）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(jī)器第一類永動機(jī)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

9、機(jī)械能消失了答案d解析a選項是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的b選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的,a、b選項正好是能量守恒定律的兩個方面轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移第一類永動機(jī)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(jī)械能減少,但機(jī)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錯誤故選d項1(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 j的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 j，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是（)aw8104 j，u1.2105 j，q4104 jbw8104 j，u1.21

10、05 j,q2105 jcw8104 j，u1。2105 j，q2104 jdw8104 j,u1。2105 j,q4104 j答案b解析因為外界對氣體做功，w取正值，即w8104 j；內(nèi)能減少,u取負(fù)值，即u1。2105 j；根據(jù)熱力學(xué)第一定律uwq，可知quw1。2105 j8104 j2105 j，即b選項正確2(熱力學(xué)第一定律）如圖2所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)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的過程中,筒內(nèi)空氣體積減小,且（）圖2a從外界吸熱b內(nèi)能增大c向外界放熱d內(nèi)能減少答案c解析本題考查氣體性質(zhì)和熱力學(xué)第一定律，由

11、于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進(jìn)行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變,選項b、d均錯根據(jù)熱力學(xué)第一定律公式uwq，因為在這個過程中氣體體積減小，外界對氣體做功，式中w取正號，u0，所以q為負(fù),即氣體向外放熱，故選項a錯,c對正確答案為c.3(能量守恒定律）下面設(shè)想不符合能量守恒定律的是()a利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動的機(jī)械b做一條沒有動力系統(tǒng)的船,在水面上行駛c通過太陽照射飛機(jī),即使飛機(jī)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a解析利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動停止，故a不符合船能利用水流

12、的能量行駛，飛機(jī)可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動能，實現(xiàn)飛機(jī)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開太陽系，故d符合故選a項4（熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用)如圖3是用導(dǎo)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(qiáng)為p01105 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(qiáng)多大？(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，向外散失的熱量為20 j，則氣體

13、的內(nèi)能增加多少?(活塞的橫截面積s1 cm2)答案(1)1。1106 pa（2）82 j解析(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p,活塞的橫截面積為s，l022 cm,l2 cm，v0l0s,vls，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得p0v0pv解出p1。1106 pa（2)大氣壓力對活塞做功w1p0s（l0l）2 j人做功w2100 j由熱力學(xué)第一定律得uw1w2qq20 j解得u82 j題組一熱力學(xué)第一定律1關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法中正確的是（）a物體吸收熱量,內(nèi)能一定增大b物體對外做功，內(nèi)能一定減少c物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變d物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變答案c解析

14、根據(jù)熱力學(xué)第一定律uwq，物體內(nèi)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(guān)物體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內(nèi)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(nèi)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(nèi)能不變，c正確；而放熱與對外做功都使物體內(nèi)能減少，故d錯2夏天將密閉有空氣的礦泉水瓶放進(jìn)低溫的冰箱中會變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣（可看成理想氣體）()a內(nèi)能減小，外界對其做功b內(nèi)能減小,吸收熱量 c內(nèi)能增加，對外界做功d內(nèi)能增加,放出熱量答案a解析此過程中瓶內(nèi)空氣溫度降低,體積減小,所以內(nèi)能減小，外界對氣體做功，根

15、據(jù)熱力學(xué)第一定律uqw可知，u0，w0，quw0,所以空氣放熱，只有選項a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。5104 j,氣體對外界做功1.0104 j，則該理想氣體的 ()a溫度降低，密度增大 b溫度降低，密謀減小c溫度升高，密度增大 d溫度升高，密度減小答案d解析由uwq可得理想氣體內(nèi)能變化u1。0104 j2.5104 j1.5104 j0，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，由可知密度變小,故c項錯誤，d項正確4一定質(zhì)量的氣體在保持壓強(qiáng)恒等于1。0105 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4103

16、 j，則氣體內(nèi)能的變化為（)a增加了5103 j b減少了5103 jc增加了3103 j d減少了3103 j答案c解析氣體等壓膨脹過程對外做功wpv1。0105 pa（3020)103 m31.0103 j這一過程氣體從外界吸熱q4103 j由熱力學(xué)第一定律uwq，由于氣體對外做功,w應(yīng)取負(fù)值,則可得u1。0103 j4。0103 j3。0103 j，即氣體內(nèi)能增加了3103 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(jī)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(zhuǎn)化d減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但總能量守恒答案d解析自由擺動的秋千擺動幅度越

17、來越小，說明機(jī)械能在減少，故a、c項錯誤；而減少的機(jī)械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故b項錯誤，d項正確6一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，并從中穿出對于這一過程，下列說法中正確的是（)a子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的機(jī)械能b子彈減少的動能等于木塊增加的動能c子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的動能與木塊增加的內(nèi)能之和d子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊增加的內(nèi)能之和答案d解析射穿木塊的過程中,由于相互間摩擦力的作用使得子彈的動能減小，木塊獲得動能，同時產(chǎn)生熱量，且系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在數(shù)值上等于系統(tǒng)機(jī)械能的損失a、b項沒有考慮到系統(tǒng)增加的內(nèi)能，c項中應(yīng)考慮的是系統(tǒng)減少的機(jī)械能等于

18、系統(tǒng)增加的內(nèi)能故正確答案為d.7“第一類永動機(jī)”不可能制成，是因為（)a不符合機(jī)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(dāng)量d找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案答案b8.如圖1所示,一演示用的“永動機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用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”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動下列說法正確的是（)圖1a轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量b轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身c轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪后，葉

19、片開始轉(zhuǎn)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(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用9(多選)如圖2所示,一絕熱容器被隔板k隔成a、b兩部分已知a內(nèi)有一定質(zhì)量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空抽離隔板k后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)在此過程中()圖2a氣體對外界做功，內(nèi)能減少b氣體不做功，內(nèi)能不變c氣體壓強(qiáng)變小，溫度降低d氣體壓強(qiáng)變小,溫度不變答案bd解析抽離隔板k，a內(nèi)氣體體積變大，由于b內(nèi)為真空，所以a內(nèi)氣體不做功,由熱力學(xué)第一定律可得b正確內(nèi)能不變,故溫度不變,體積變大

20、，由玻意耳定律可知壓強(qiáng)變小，所以d正確10高壓鍋加熱到一定程度，高壓水汽會沖開氣閥噴出，高壓水汽噴出的過程()a噴出的水汽體積增大，溫度降低,壓強(qiáng)減小b噴出的水汽壓強(qiáng)減小，大氣對水汽做正功，內(nèi)能增大c水汽剛噴出的短暫時間里,水汽對外做正功,吸熱，內(nèi)能增加d水汽剛噴出的短暫時間里，水汽對外做負(fù)功，放熱，內(nèi)能減小答案a解析由于外面壓強(qiáng)小于高壓鍋內(nèi)部壓強(qiáng)，所以噴出的水汽壓強(qiáng)減小，體積增大，對外做正功，溫度降低，放出熱量，內(nèi)能減小故選項a正確11如圖3所示，a、b兩點表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b時(）圖3a氣體內(nèi)能一定增加 b氣體壓強(qiáng)變大c氣體對外界做功 d氣體對外界放熱答案c解析由圖可知，理想氣體的變化為等溫膨脹，故氣體壓強(qiáng)減小，內(nèi)能不變，氣體對外做功;由熱力學(xué)第一定律可知，氣體一定從外界吸收熱量綜上可知，c對，a、b、d錯12重慶出租車常以天然氣作為燃料加氣站儲氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過程中,若儲氣罐內(nèi)氣體體積及質(zhì)量均不變，則罐內(nèi)氣體(可視為理想氣體）（)a壓強(qiáng)增大,內(nèi)能減小b吸收熱量，內(nèi)能增大c壓強(qiáng)減小，分子平均動能增大d對外做功,分子平均動能減小答案b解析儲氣罐中氣體體積不變，氣體