同步備課套餐之物理教科3-3復習講義：第四章 能量守恒與熱力定律 1~2 含答案

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精1能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)2熱力學第一定律［學習目標]1。理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵循的基本規(guī)律.2.知道第一類永動機是不可能實現(xiàn)的.3。知道做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式,理解這兩種方式對改變系統(tǒng)內能是等效的。4。理解熱力學第一定律，能運用它解釋自然界的能量轉化、轉移問題．一、能量守恒定律[導學探究］1．圖1為有一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去．這是不是一種永動機?如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？圖1答案這不是永動機．手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量,供手表指針走動．若將此手表長時間放置不動，它就會停下來．2．觀察課本中的“幾種重要的能量形式及相互之間的轉化”圖,試著說明汽車把汽油的化學能轉化為機械能的過程．在這些能量轉化過程中，遵守的規(guī)律是什么?答案汽車通過燃燒汽油，把化學能轉化為內能，再通過發(fā)動機做功把內能轉化為機械能．能量守恒定律．[知識梳理]1．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，還有諸如電磁輻射能、化學能、核能等．各種形式的能通過某種力做功可以相互轉化．2．第一類永動機（1）定義：不需要任何動力和燃料，卻能不斷地對外做功的機器．(2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律．3．能量守恒定律內容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體,在轉化或轉移的過程中其總量不變．4．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．［即學即用]判斷下列說法的正誤．（1)石子從空中落下,最后停止在地面上，說明機械能消失了．（×）(2)用太陽灶燒水是太陽能轉化為內能．（√）（3）能量既可以轉移又可以轉化，故能的總量是可以變化的．(×)（4）違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的．（√)二、改變物體內能的兩種方式[導學探究]1．如圖2，小孩沿滑梯下滑時屁股通常會感到發(fā)熱，這是為什么?圖2答案小孩沿滑梯下滑時克服摩擦力做功，內能增加．2．用鐵錘反復敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會升高，把鐵棒放在碳火上燒，鐵棒的溫度也會升高，這說明了什么問題？答案說明做功和熱傳遞都能改變物體的內能．［知識梳理］1．改變物體內能的兩種方式：做功和熱傳遞．2．做功-—其他形式的能與內能之間的轉化．外界對物體做功,物體的內能增加．物體對外界做功,物體的內能減少．3．熱傳遞—-不同物體之間或同一物體不同部分之間內能的轉移．物體吸收熱量,內能增加．物體放出熱量,內能減少．［即學即用］判斷下列說法的正誤．(1)轉動的葉片不斷攪動水，水溫升高．(√)(2）做功和熱傳遞都可以改變物體的內能,從效果上是等效的．(√）（3)熱傳遞只能發(fā)生在兩個物體間,同一物體不能發(fā)生熱傳遞．(×)（4)功和內能都是能量轉化的量度．（×）三、熱力學第一定律[導學探究](1）如圖3所示，快速推動活塞對汽缸內氣體做功10J，氣體內能改變了多少?若保持氣體體積不變，外界對汽缸傳遞10J的熱量，氣體內能改變了多少？圖3(2）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ΔU應該是多少？答案（1)都增加了10J。(2）系統(tǒng)內能的增量ΔU＝Q＋W。[知識梳理]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：功、熱量跟內能改變之間的定量關系．3．熱力學第一定律的表達式：ΔU＝Q＋W。[即學即用］判斷下列說法的正誤．(1）外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內能一定增加．（×)(2)系統(tǒng)內能增加，一定是系統(tǒng)從外界吸收了熱量．(×)（3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5J，內能可能增加5J．（√)(4）系統(tǒng)內能減少，一定是系統(tǒng)對外界做了功．(×）一、能量守恒定律例1（多選）一物體獲得一定初速度后，沿著一粗糙斜面上滑，在上滑過程中,物體和斜面組成的系統(tǒng)（)A．機械能守恒B．總能量守恒C．機械能和內能增加D．機械能減少，內能增加答案BD解析物體沿斜面上滑過程中，有摩擦力對物體做負功，所以物體的機械能減少．由能量守恒定律知，內能應增加，能量總量不變．利用能量守恒定律解決問題時，首先應明確題目中涉及哪幾種形式的能量,其次分析哪種能量增加了,哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后,用能量守恒觀點求解．二、改變內能的兩種方式1．功和內能(1)做功與內能變化的關系①做功改變物體內能的過程是其他形式的能(如機械能）與內能相互轉化的過程．②在絕熱過程中，外界對物體做多少功，就有多少其他形式的能轉化為內能，物體的內能就增加多少．（2）功與內能的區(qū)別①功是過程量，內能是狀態(tài)量．②在絕熱過程中，做功一定能引起內能的變化．③物體的內能大,并不意味著做功多．在絕熱過程中，只有內能變化越大時，相應地做功才越多．2．熱和內能（1）在單純傳熱中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量,系統(tǒng)的內能就增加多少；系統(tǒng)向外界放出多少熱量,系統(tǒng)的內能就減少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q。(2)傳熱改變物體內能的過程是物體間（或一個物體的不同部分）內能轉移的過程．例2（多選）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，其內能也可能增加D．絕熱壓縮的氣體，其內能一定增加答案CD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．三、對熱力學第一定律的理解1．對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定符號WQΔU＋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2.幾種特殊情況(1）若過程是絕熱的,即Q＝0,則ΔU＝W，物體內能的增加量等于外界對物體做的功．(2）若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內能的增加量等于物體從外界吸收的熱量．（3)若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即ΔU＝0,則W＝－Q（或Q＝－W），外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)．3．判斷是否做功的方法一般情況下看物體的體積是否變化．(1）若物體體積增大，表明物體對外界做功，W〈0.(2）若物體體積減小,表明外界對物體做功，W〉0.例3空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2×105J的功，同時空氣的內能增加了1。5×105J,這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案5×104J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ΔU＝W＋Q.由題意可知W＝2×105J，ΔU＝1。5×105J，代入上式得Q＝ΔU－W＝1。5×105J－2×105J＝－5×104J.負號表示空氣向外釋放熱量,即空氣向外界傳遞的熱量為5×104J。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、Q、ΔU的正負;2根據(jù)方程ΔU＝W＋Q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.針對訓練1一定質量的氣體在某一過程中,外界對氣體做了8×104J的功，氣體的內能減少了1.2×105J,則根據(jù)熱力學第一定律，下列各式中正確的是(）A．W＝8×104J，ΔU＝1。2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1。2×105J，Q＝－4×104J答案B解析因為外界對氣體做功,W取正值,即W＝8×104J；氣體的內能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1。2×105J；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q,可知Q＝ΔU－W＝－1。2×105J－8×104J＝－2×105J，即B選項正確．四、溫度、內能和熱量的區(qū)別與聯(lián)系1．內能與熱量內能是狀態(tài)量，可以說系統(tǒng)具有多少內能而不能說傳遞多少內能;熱量是過程量，不能說系統(tǒng)具有多少熱量，只能說傳遞了多少熱量．2．熱量與溫度熱量是系統(tǒng)的內能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內部大量分子做無規(guī)則運動的激烈程度的標志．雖然熱傳遞的前提是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，但是傳遞的是熱量，不是溫度．3．熱量與功熱量和功，都是系統(tǒng)內能變化的量度，都是過程量,一定量的熱量與一定量的功相當，功是能量變化的量度，但它們之間有著本質的區(qū)別．例4關于溫度、熱量、功和內能,以下說法正確的是（）A．同一物體溫度高時，含有的熱量多B．物體的內能越大，含有的熱量就越多,溫度也越高C．外界對系統(tǒng)做功W，內能必定增加D．發(fā)生熱傳遞的條件是兩物體之間存在溫度差答案D解析熱量是物體間進行熱傳遞時內能的轉移，不能說物體含有多少熱量,故A錯；物體的吸熱或放熱對應物體的內能變化，并不對應物體內能的大小，故B錯；由于做功和熱傳遞都可引起物體內能的變化，只根據(jù)做功無法準確判斷物體內能的變化，故C錯；物體間發(fā)生熱傳遞的條件是存在溫度差，故D對．物理量之間進行比較時，關鍵是弄清物理量的概念及其意義,特別是容易混淆的一些概念，它們一定有不同之處，如內能、功和熱量的區(qū)別關鍵之處是狀態(tài)量與過程量。針對訓練2關于物體的內能和熱量，下列說法中正確的是（)A．熱水的內能比冷水的內能多B．溫度高的物體其熱量必定多,內能必定大C．在熱傳遞過程中，內能大的物體其內能將減小,內能小的物體其內能將增大，直到兩物體的內能相等D．熱量是熱傳遞過程中內能轉移的量度答案D解析物體的內能由溫度、體積及物體的質量決定，不是只由溫度決定，故選項A、B錯;在熱傳遞過程中,熱量由高溫物體傳給低溫物體,而與物體的內能大小無關,所以完全有可能是內能大的物體內能繼續(xù)增大,內能小的物體內能繼續(xù)減小，故選項C錯；關于熱量的論述,選項D是正確的．1．“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(chǎn)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B2．地面附近有一正在上升的空氣團,它與外界的熱交換忽略不計．已知大氣壓強隨高度增加而降低,則該空氣團在上升過程中（不計氣團內分子間的勢能）(）A．體積減小，溫度降低B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低D．體積減小,溫度不變答案C解析空氣團與外界的熱交換忽略不計,隨高度上升大氣壓強逐漸減小,空氣團體積逐漸增大，對外界做功,所以內能逐漸減小，則溫度逐漸降低，選項C正確．3．一定質量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104J，氣體對外界做功1。0×104J,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，密度減小答案D解析由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q得：ΔU＝－1.0×104J＋2。5×104J＝1.5×104J，因此氣體的內能增大,故溫度升高,又因氣體對外做功，體積增大，故密度減小．4．關于溫度、內能和熱量，下列說法中正確的是（)A．物體的溫度升高時,一定吸收熱量B．物體沿斜面下滑時，內能將增大C．物體沿斜面勻速下滑時，內能可能增大D．內能總是從高溫物體傳遞給低溫物體，當內能相等時熱傳遞停止答案C解析改變物體內能的兩種方法:做功和熱傳遞．溫度升高，內能增加，但不一定是吸收熱量，A錯誤;物體沿斜面下滑時,可能不受摩擦力，內能可能不變，B錯誤；物體克服摩擦力做功，摩擦生熱,內能可能增大,C正確;熱傳遞的條件是物體間存在溫度差，熱量從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，溫度相同后熱傳遞停止，D錯誤．一、選擇題1．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項錯誤；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．2．(多選）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；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．3．如圖1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1A．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．4．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ΔU＝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，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．5.如圖2所示是密閉的汽缸,外力推動活塞P壓縮氣體,對缸內氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，缸內氣體的（）圖2A．溫度升高，內能增加600JB．溫度升高，內能減少200JC．溫度降低，內能增加600JD．溫度降低，內能減少200J答案A解析對一定質量的氣體,由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知,ΔU＝800J＋(－200J)＝600J,ΔU為正表示內能增加了600J，對氣體來說，分子間距較大，分子勢能為零，內能等于所有分子動能的和，內能增加,氣體分子的平均動能增加，溫度升高,選項A正確．6．一定質量的氣體在保持壓強恒等于1.0×105Pa的狀況下,體積從20L膨脹到30L，這一過程中氣體從外界吸熱4×103J，則氣體內能的變化為（）A．增加了5×103J B．減少了5×103JC．增加了3×103J D．減少了3×103J答案C解析氣體等壓膨脹過程對外做功W＝pΔV＝1。0×105Pa×（30－20）×10－3m3＝1.0×103J．這一過程氣體從外界吸熱Q＝4×103J．由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，由于氣體對外做功，W應取負值，則可得ΔU＝－1.0×103J＋4.0×103J＝3.0×103J，即氣體內能增加了3×103J．故選項C正確．7．圖3為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動，設筒內氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中()圖3A．外界對氣體做功，氣體內能增大B．外界對氣體做功，氣體內能減小C．氣體對外界做功，氣體內能增大D．氣體對外界做功，氣體內能減小答案A解析在M向下滑動的過程中，氣體體積縮小,外界對氣體做功，再根據(jù)熱力學第一定律知，氣體不與外界發(fā)生熱交換，氣體內能增加,故正確答案為A。8．如圖4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（)圖4A．氣體內能一定增加 B．氣體壓強變大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，故氣體壓強減小,內能不變，氣體對外做功；由熱力學第一定律可知，氣體一定從外界吸收熱量．綜上可知，C對，A、B、D錯．9．(多選）如圖5所示，a、b、c、d表示一定質量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標軸,dc平行于縱坐標軸，ab的延長線過原點,以下說法正確的是(）圖5A．從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱B．從狀態(tài)c到b，氣體放熱C．從狀態(tài)a到d，氣體對外做功D．從狀態(tài)b到a，氣體吸熱答案BCD解析氣體從狀態(tài)d到c，溫度不變,理想氣體內能不變，但是由于壓強減小，所以體積增大，對外做功，還要保持內能不變，一定要吸收熱量，故A錯；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個降壓、降溫過程，同時體積減小，外界對氣體做功,而氣體的內能還要減小(降溫），就一定要伴隨放熱的過程,故B對；氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個等壓、升溫的過程,同時體積增大，所以氣體要對外做功，C正確；氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是一個等容變化過程，隨壓強的增大，氣體的溫度升高，內能增大，而在這個過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內能的增大是因為氣體吸熱的結果，故D對．二、非選擇題10。如圖6所示，一定質量的理想氣體從狀態(tài)A先后經(jīng)過等壓、等容和等溫過程完成一個循環(huán),A、B、C狀態(tài)參量如圖所示，氣體在狀態(tài)A的溫度為27℃，求:圖6（1)氣體在狀態(tài)B的溫度TB；（2）氣體從A→B→C狀態(tài)變化過程中與外界交換的總熱量Q。答案（1)600K（2)2p0V0解析（1）A到B過程是等壓變化有eq\f（VA,TA)＝eq\f(VB，TB）代入數(shù)據(jù)得TB＝600K(2)根據(jù)熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W其中W＝－2p0V0解得Q＝2p0V0(吸熱）．11．如圖7所示，導熱材料制成的截面積相等、長度均為45cm的汽缸A、B通過帶有閥門的管道連接．初始時閥門關閉，厚度不計的光滑活塞C位于B內左側，在A內充滿壓強pA＝2。8×105Pa的理想氣體，B內