2018-2019學年高中物理第十章熱力學定律課時3熱力學第一定律能量守恒定律學案新人教

1、學案 3 熱力學第一定律能量守恒定律目標定位1.理解熱力學第一定律，并會運用于分析和計算律 3 知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因.知識探究一、熱力學第一定律問題設計一根金屬絲經過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內能增加.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)的內能. 既然它們在改變系統(tǒng)內能方面是等價的，那么當外界對系統(tǒng)做功為W又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內能的增量 U應該是多少？答案系統(tǒng)內能的增量 U= Q+W要點提煉1.改變內能的兩種方式：做功與熱傳遞.兩者在改變系統(tǒng)內能方面是等價的.2熱力學第一定律：一個

2、熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和.3.熱力學第一定律的表達式：U= QFW4. 對公式 U= Q+ W符號的規(guī)定符號WQU2 理解并會運用能量守恒定基礎自學落實 重點互動探究+體積減小，外界對熱力學系統(tǒng)做功熱力學系統(tǒng)吸收熱量內能增加體積增大，熱力學系統(tǒng)對外界做功熱力學系統(tǒng)放出熱量內能減少5.應用熱力學第一定律解題的一般步驟(1) 根據(jù)符號法則寫出各已知量(W QU)的正負;(2) 根據(jù)方程U= WQ求出未知量；(3)再根據(jù)未知量結果的正負來確定吸熱、放熱情況或做功情況.6 氣體實驗定律和熱力學第一定律的關系兩者的結合點是體積V和溫度T注意三個特殊過程的特點：(1

3、) 等溫過程：內能不變， U= 0;(2) 等容過程：體積不變，W= 0;絕熱過程：Q= 0.二、能量守恒定律問題設計使熱力學系統(tǒng)內能改變的方式有做功和熱傳遞.做功的過程是其他形式的能轉化為內能的過程，熱傳遞是把其他物體的內能轉移為系統(tǒng)的內能.在能量發(fā)生轉化或轉移時，能量的總量會減少嗎？答案能量的總量保持不變.要點提煉1能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另二種形式，或者從 一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變.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

4、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化各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內能，還有諸如電磁能、 化學能、原子能等.各種形式的能通過某種力做功可以相互轉化.4第一類永動機(1)定義：不需要任何動力或燃料卩能不斷地對外做功的機器.不可能制成的原因：違背了能量守恒定律.延伸思考熱力學第一定律、機械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？答案是.、典例精析一、 熱力學第一定律例 1 關于物體內能的變化情況，下列說法中正確的是（）A. 吸熱的物體，其內能一定增加B. 體積膨脹的物體，其內能一定減少C. 放熱的物體，其內能也可能增

5、加D. 絕熱壓縮的氣體，其內能一定增加解析 做功和熱傳遞都能改變物體的內能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內能的變化.答案 CD例 2 空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2X105J 的功，同時空氣的內能增加了1.5X105J，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象，根據(jù)熱力學第一定律有UVW Q由題意可知 W= 2X105J , U= 1.5X105J，代入上式得：554Q=AU-W1.5X10 J2X10 J=-5X10 J.負號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5X104J.答案 5X104J二、 能量守恒定律【例 3 下列對能量守恒定律的認

6、識正確的是（）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)對外做功的機器一一第一類永動機是不可能制成的D. 石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了解析 A 選項是指不同形式的能量間的轉化，轉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)生轉移，轉移過程中能量是守恒的，這正好是能量守恒定律的兩個方面一一轉化與轉移.第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.所以A、B、C 正確；D 選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消 失，能量守恒定律表明能

7、量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D 錯誤.答案 ABC三、 熱力學第一定律與氣體實驗定律的結合【例 4】如圖 1 所示，倒懸的導熱氣缸中封閉著一定質量的理想氣體輕質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，大氣壓強恒為po.起初環(huán)境的熱力學溫度為To時，活塞到氣缸底面的距離為L.當環(huán)境溫度逐漸升高，導致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L,氣缸中的氣體吸收的熱量為Q求：/zz.UG圖 1(1) 氣缸內部氣體內能的增量 U;(2) 最終的環(huán)境溫度T.解析 密圭寸氣體的壓強p=po (G S)密封氣體對外做功W pSX0.1L由熱力學第一定律得 U=Q- W得 U

8、= Q- 0.1poSL+ 0.1LG(2)該過程是等壓變化，由蓋一呂薩克定律有LS=(L+ 0.1L ST0=T解得T= 1.1T。.答案(1) Q- 0.1P0SL+ 0.1LG(2)1.1T0自我”木僉;則檢測學習奴果體驗咸功快樂1.(熱力學第一定律)一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8X104J 的功，氣體5的內能減少了 1.2X10 J，則根據(jù)熱力學第一定律，下列各式中正確的是()454A.W=8X10 J, U=1.2X10 J,Q=4X10 JB.W=8X104J, U= 1.2X105J,Q=2X105J454C.W= 8X10 J, U=1.2X10 J,Q= 2X1

9、0 J454D.W= 8X10 J, U= 1.2X10 J,Q=4X10 J答案 B解析因為外界對氣體做功，W取正值，即W= 8X104J ;氣體的內能減少，U取負值，即U= 1.2X105J ;根據(jù)熱力學第一定律 U= Wb Q可知 Q= U- W= 1.2X105J 8X104J= 2X105J，即 B 選項正確.2.(熱力學第一定律)如圖 2 所示，某同學將空的薄金屬筒開口向下壓入水中.設水溫均勻且恒定，筒內空氣無泄漏，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過程中，筒內空氣體積減小，空氣一定()*中-A.從外界吸熱 B 內能增大C.向外界放熱 D .內能減小答案 C解析

10、由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進行， 所以可看成溫度不變， 即氣體內能不變，選項 B、D 均錯；由熱力學第一定律U= VW Q,因為在下降過程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，U= 0,所以Q為負，即氣體向外放熱，故選項 A 錯，C 對.3. （能量守恒定律）下面設想符合能量守恒定律的是（）A. 利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉動的機械B. 做一條船，利用流水的能量逆水行舟C. 通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行D. 利用核動力，駕駛地球離開太陽系答案 BCD解析 利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉化為內

11、能使轉動停止，故 A 不符合.讓船先靜止在水中，設計一臺水力發(fā)電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉化為船的動能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉化性和電能的可收集性，使光能轉化為飛機的動能，實現(xiàn)飛機不帶燃料也能飛行，故 B C 符合；禾U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.4. （熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用）如圖 3 是用導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5氣柱長度變?yōu)?2 cm,人對活塞做功 100 J,大氣壓強為po= 1x10 Pa,不計活塞

12、的重力.問：F圖 3（1）若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強多大？（2）若以適當?shù)乃俣葔嚎s氣體，氣體向外散失的熱量為20 J，則氣體的內能增加多少？（活塞的橫截面積S= 1 cm2）答案（1）1.1x106Pa82 J解析（1）設壓縮后氣體的壓強為P,活塞的橫截面積為S, Io= 22 cm ,l= 2 cm, V）=loS,V=IS，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得poV=pV6解得p= 1.1x10 Pa大氣壓力對活塞做功W=poS（Io-I） = 2 J人做功W= 100 J由熱力學第一定律得U=W+W/+QQ=- 20 J 解得U= 82 J憲課堂要點小結研究對象:熱力學

13、系統(tǒng)熱力學第一定律!表達式:I公式符號的規(guī)定不同形式的能量之間可以相互轉化熱力學第一定律與氣休實驗定律的結合40 分鐘課時作業(yè)題組一熱力學第一定律1 關于物體內能的變化，以下說法中正確的是（）A. 物體吸收熱量，內能一定增大B. 物體對外做功，內能一定減少C. 物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變D. 物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變答案 C解析 根據(jù)熱力學第一定律 U= W Q,物體內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.物體吸收熱量，但有可能同時對外 做功，故內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

14、，故內能不一定減少，B 錯；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內能不變，C 正確；而放熱與對外做功都使物體內能減少，故D 錯.2.密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內空氣（不計分子勢能的變化）（）A.內能增大，放出熱量 B .內能減小，吸收熱量熱力學第一定律, 能量守恒定律能量守.恒定律,內容 能量守恒定律 意丈永動機不可能制成:概念原因結果C.內能增大，對外界做功 D 內能減小，外界對其做功 答案 D解析 不計分子勢能的變化時瓶內空氣的內能只與其溫度有關,料瓶變扁時瓶內空氣體積減小，外界對其做功.再由熱力學第一定律知此過程中瓶內空氣要 放出熱量，故只有選項 D 正確.定量的理想氣

15、體在某一過程中，從外界吸收熱量 2.5X104J,氣體對外界做功 1.0X104答案 D解析 由U= WbQ可得理想氣體內能變化U=- 1.0X104J+ 2.5X104J = 1.5X104J0 , 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 可知密度較小，故 C項錯誤，D 項正確.4.一定質量的氣體在保持壓強恒等于1.0X105Pa 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 4X103J，則氣體內能的變化為（）A.增加了 5X10 J B .減少了 5X10 JC.增加了 3X103J D .減少了 3X103J答案 C解析

16、 氣體等壓膨脹過程對外做功W pAV= 1.0X105PaX（30 20）X10-3m3= 1.0X103J.這一過程氣體從外界吸熱Q=4X103J .由熱力學第一定律AUWbQ,由于氣體對外做 功，W應取負值，則可得AU=- 1.0X103J + 4.0X103J = 3.0X103J，即氣體內能增加了 3X103J .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化D. 減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒答案 D解析自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，說明機械能在減少，故A、C 項

17、錯誤；而減少的機械能通過摩擦轉化成了內能，故B 項錯誤，D 項正確.溫度降低時其內能減小. 塑3.J,則該理想氣體的（A. 溫度降低，密度增大B .溫度降低，密度減小C. 溫度升高，密度增大D .溫度升高，密度減小6. 如圖 1 所示為沖擊擺實驗裝置，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，則下面有關能量的轉化的說法中正確的是（）A. 子彈的動能轉變成沙箱和子彈的內能B. 子彈的動能轉變成了沙箱和子彈的熱能C. 子彈的動能轉變成了沙箱和子彈的動能D. 子彈的動能一部分轉變成沙箱和子彈的內能，另一部分轉變成沙箱和子彈的機械能答案 D解析 子彈在射入沙箱瞬間，要克服摩擦阻力做功，一

18、部分動能轉變成沙箱和子彈的內能，另一部分動能轉變成沙箱和子彈的機械能.7“第一類永動機”不可能制成，是因為（）A. 不符合機械能守恒定律B. 違背了能量守恒定律C. 做功產生的熱不符合熱功當量D 找不到合適的材料和合理的設計方案答案 B8.如圖 2 所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動下列說法正確的是（）圖 2A. 轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量B. 轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C. 轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高

19、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 輕推轉輪后，葉片開始轉動，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.題組三熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用9.如圖 3 所示，一絕熱容器被隔板 K 隔成a、b兩部分已知a內有一定質量的稀薄氣體，b內為真空抽離隔板 K 后，a內氣體進入b,最終達到平衡狀態(tài)在此過程中（）A. 氣體對外界做功，內能減少B. 氣體不做功，內能不變C. 氣體壓強變小，溫度降低D. 氣體壓強變小，溫度不變答案 BD解析 抽離

20、隔板 K,a內氣體體積變大，由于b內為真空，所以a內氣體不做功，由熱力學 第一定律可得 B 正確.內能不變，故溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知壓強變小，所 以 D 正確.10.用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖4 所示，充氣袋四周被擠壓時，假設袋內氣體與外界無熱交換，則袋內氣體（）圖 4A. 體積減小，內能增大B. 體積減小，壓強減小C. 對外界做負功，內能增大D. 對外界做正功，壓強減小答案 AC解析 袋內氣體與外界無熱交換即Q= 0,袋四周被擠壓時，體積V減小，外界對氣體做正選項AC 正確，B、D 錯誤.11.如圖 5所示，A B兩點表示一定質量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時（）PA4功，根據(jù)熱力學第一定律U=W- Q氣體內能增大,則溫度升高pV由乍=常數(shù)