選修3-3（高中物理舊教材同步講義）第10章 1-2同步講義

1功和內能2熱和內能[學科素養(yǎng)與目標要求]物理觀念：1.了解焦耳的兩個實驗的原理，知道做功和熱傳遞的實質.2.知道做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式，理解做功和熱傳遞對改變系統(tǒng)內能是等效的，明確兩種方式的區(qū)別．科學思維：明確內能、功、熱量、溫度四個物理量的區(qū)別和聯(lián)系．一、焦耳的實驗1．絕熱過程：系統(tǒng)只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱．2．代表性實驗(1)重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升．(2)通過電流的熱效應給水加熱．3．實驗結論：要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化，做功的數量只由過程始末兩個狀態(tài)決定，而與做功的方式無關．二、功和內能1．內能微觀：所有分子熱運動的動能和分子勢能之和．宏觀：只依賴于熱力學系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量．2．功和內能：在絕熱過程中，系統(tǒng)內能的增加量等于外界對系統(tǒng)做的功，即ΔU＝W.3．(1)ΔU＝W的適用條件是絕熱過程．(2)在絕熱過程中：外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內能增加；系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內能減少．三、熱和內能1．熱傳遞(1)條件：物體的溫度不同．(2)熱傳遞：熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞．2．熱和內能(1)熱量：它是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內能變化的量度．(2)表達式：ΔU＝Q.(3)熱傳遞與做功在改變系統(tǒng)內能上的異同．①做功和熱傳遞都能引起系統(tǒng)內能的改變．②做功時是內能與其他形式能的轉化；熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的轉移．1．判斷下列說法的正誤．(1)熱量一定從內能多的物體傳遞給內能少的物體．(×)(2)做功和熱傳遞都可改變物體的內能，從效果上是等效的．(√)(3)在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功小于系統(tǒng)內能的增加量．(×)(4)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．(×)2．各種方法使物體的內能發(fā)生改變：a.電爐通電后發(fā)熱；b.一杯開水放在桌面上冷卻；c.陽光照射下冰塊融化；d.鋸木頭時，鋸片發(fā)燙；e.人坐在火爐旁取暖；f.用打氣筒給自行車打氣后，打氣筒變熱．其中屬于做功使物體內能改變的是________；屬于熱傳遞使物體內能改變的是________．答案adfbce一、功和內能(1)在焦耳的許多實驗中，有兩個最具有代表性：一個實驗是讓重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個實驗是通過電流的熱效應給水加熱．焦耳的這兩個實驗說明了什么問題？(2)如圖甲，在有機玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，壓下活塞，觀察棉花的變化．①你能看到什么現(xiàn)象？實驗現(xiàn)象說明了什么？②圖中用力按壓活塞時為什么一定要迅速？(3)如圖乙，小孩沿滑梯下滑時屁股通常會感到發(fā)熱，這是為什么？答案(1)做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的．(2)①可以看到棉花燃燒．實驗現(xiàn)象說明壓縮空氣做功，使空氣內能增大，達到棉花的燃點后引起棉花燃燒．②迅速按下活塞是為了減少熱傳遞，盡量創(chuàng)造一個絕熱條件．(3)小孩沿滑梯下滑時克服摩擦力做功，內能增加．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，外界對物體做功，則W>0，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；物體對外界做功，則W<0.物體對外界做多少功，就有多少內能轉化為其他形式的能，物體的內能就減少多少．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．特別提醒(1)外界對某一系統(tǒng)做功時系統(tǒng)的內能不一定增加，還要看該系統(tǒng)有沒有向外放熱，以及向外放熱的多少．(2)在絕熱過程中，系統(tǒng)內能的增加量等于外界對系統(tǒng)所做的功．例1如圖1所示，活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，汽缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣．以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內能，則在將拉桿緩慢向外拉的過程中()圖1A．E甲不變，E乙減小 B．E甲不變，E乙增大C．E甲增大，E乙不變 D．E甲增大，E乙減小答案D解析本題解題的關鍵是明確甲、乙兩氣室氣體都經歷絕熱過程，內能的改變取決于做功的情況．對甲室內的氣體，在拉桿緩慢向外拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室內的氣體做功，其內能應增大；對乙室內的氣體，活塞左移，氣體膨脹，乙室內的氣體對外界做功，內能應減小．在絕熱過程中，壓縮氣體，外界對氣體做功，內能增大，溫度升高，柴油機就是利用這個原理點火的．二、熱和內能(1)用鐵錘反復敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會升高，把鐵棒放在炭火上燒，鐵棒的溫度也會升高，這說明了什么問題？(2)如圖所示是熱傳遞的三種方式——傳導、對流和輻射．①這三種方式在傳遞能量時有什么共同點？②熱傳遞和做功都可以改變物體的內能，這兩種方式在改變物體內能時本質上又有什么不同？答案(1)說明做功和熱傳遞都能改變物體的內能．(2)①三種方式都是熱量從一個物體傳遞到另一個物體．②熱傳遞是內能在物體間(或一個物體的不同部分之間)轉移，做功是其他形式的能和內能之間的轉化．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不同物體之間(或同一物體不同部分之間)內能轉移的過程．3．熱傳遞與物體的內能的多少無關，只與兩個物體(或一個物體的兩部分)的溫度差有關，熱量總是從高溫物體自發(fā)地傳遞到低溫物體．例2關于熱傳遞，下列說法正確的是()A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進行D．物體內能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量答案B解析熱傳遞的實質是物體間能量的轉移，故A錯誤；熱傳遞的條件是物體間存在著溫度差，高溫物體放出熱量，低溫物體吸收熱量，若兩物體溫度相同，它們之間便不會發(fā)生熱傳遞，故B正確，C錯誤；物體吸收或放出熱量，內能會發(fā)生變化，但內能變化不一定是熱傳遞引起的，也可能是做功引起的，故D錯誤．三、內能和相關概念的辨析1．熱量和內能(1)內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內能也隨之確定．要使系統(tǒng)的內能發(fā)生變化，可以通過熱傳遞和做功兩種方式來完成．(2)熱量是熱傳遞過程中的特征物理量，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所轉移的能量，是用來衡量物體內能變化的，有過程，才有變化，離開過程，毫無意義．(3)對某一狀態(tài)而言，只有“內能”，不存在“熱量”和“功”．不能說一個系統(tǒng)中含有多少熱量．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)內大量分子做無規(guī)則運動劇烈程度的標志．熱傳遞的前提條件是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度．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，熱量可以通過系統(tǒng)轉化為功，功也可以通過系統(tǒng)轉化為熱量，但它們之間有著本質的區(qū)別．4．改變內能的兩種方式的比較比較項目做功熱傳遞內能變化外界對物體做功，物體的內能增加；物體對外界做功，物體的內能減少物體吸收熱量，內能增加；物體放出熱量，內能減少物理實質其他形式的能與內能之間的轉化不同物體間或同一物體不同部分之間內能的轉移相互聯(lián)系做一定量的功和傳遞相同量的熱量在改變內能的效果上是相同的例3(2019·長沙市模擬)下列說法正確的是()A．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體狀態(tài)決定的B．外界對物體做功，物體的內能一定增大C．物體吸收熱量，溫度一定升高D．熱量總是由內能大的物體流向內能小的物體答案A解析熱量和功是過程量，內能是狀態(tài)量，故A選項正確；引起物體內能的變化有做功和熱傳遞兩種途徑，單就一個方面不足以斷定其內能的變化，故B選項錯誤；在晶體熔化和液體沸騰過程中，物體要不斷地吸收熱量，但物體的溫度不變，這時內能的增加主要表現(xiàn)在內部分子勢能的增加，C選項錯誤；兩物體之間熱量的流向只與它們的溫度有關，與它們內能的大小無關，D選項錯誤．例4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、物質的量及物態(tài)決定，不是只由溫度決定，故選項A、B錯誤；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錯誤；關于熱量的論述，選項D是正確的．1．(功與內能的關系)(多選)通過做功改變物體內能的是()A．古人鉆木取火B(yǎng)．用火爐把水燒開C．用打氣筒打氣，筒壁變熱D．瓶內的高壓氣體將瓶塞沖開，瓶內氣體的溫度降低答案ACD2．(熱和內能的關系)下列例子中通過熱傳遞改變物體內能的是()A．用砂輪磨刀具的時候，刀具的溫度升高B．灼熱的火爐使周圍物體的溫度升高C．手感到冷時，搓搓手就會覺得暖和些D．擦火柴時，火柴頭上的易燃物質燃燒起來答案B3．(溫度、熱量、功和內能的關系)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、B錯；由于做功和熱傳遞都可引起物體內能的變化，只根據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．一、選擇題考點一功與內能的關系1．(多選)在下述各種現(xiàn)象中，不是由做功引起系統(tǒng)溫度變化的是()A．在陽光照射下，水的溫度升高B．用鐵錘不斷錘打鉛塊，鉛塊溫度會升高C．在爐火上燒水，水的溫度升高D．電視機工作一段時間，其內部元件溫度升高答案AC解析陽光照射下水溫升高是熱輻射使水的溫度升高，在爐火上燒水是熱傳導和對流使水的溫度升高，用鐵錘錘打鉛塊的過程，是做功的過程，鉛塊溫度升高，是由于外界做功引起的．電視機工作時，電流通過各元件，電流做功使其溫度升高．可見A、C不是由做功引起溫度變化的，故選A、C.2．(多選)一定質量的氣體封閉在絕熱的汽缸內，當用活塞壓縮氣體時，一定增大的物理量有(不計氣體分子勢能)()A．氣體體積 B．氣體分子密度C．氣體內能 D．氣體分子的平均動能答案BCD解析絕熱過程外界對系統(tǒng)做功，氣體內能增加，溫度升高，分子平均動能增加．壓縮氣體，氣體體積減小，而氣體質量一定，故氣體分子密度增大．3．如圖1所示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1A．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A4．(多選)(2019·南充市高三第二次高考適應性考試)如圖2，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側充有理想氣體，隔板右側與絕熱活塞之間是真空．現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸．待氣體達到穩(wěn)定后緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積．假設整個系統(tǒng)不漏氣．下列說法正確的是()圖2A．氣體自發(fā)擴散前后內能減少B．氣體在被壓縮的過程中內能增大C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界沒做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做負功E．氣體在被壓縮過程中，氣體分子的平均動能變大答案BCE解析氣體向真空自發(fā)擴散，對外界不做功，且沒有熱傳遞，氣體的內能不會改變，則C正確，A錯誤；氣體在被壓縮的過程中，活塞對氣體做功，因汽缸絕熱，故氣體內能增大，故B正確；氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做正功，選項D錯誤；氣體在被壓縮的過程中內能增加，而理想氣體無分子勢能，故氣體分子的平均動能增加，選項E正確．5.(2019·青岡一中高二下期中)如圖3所示，用一根與輕質活塞相連的細線將絕熱汽缸懸掛在某一高度靜止不動，汽缸開口向上，內封閉一定質量的氣體，缸內活塞可自由活動且不漏氣．現(xiàn)將細線剪斷，讓汽缸自由下落，則下列說法正確的是()圖3A．氣體壓強減小，內能增大B．外界對氣體做功，氣體內能不變C．氣體的壓強增大，內能增大D．氣體對外界做功，氣體內能減小答案C解析設大氣壓為p0，汽缸質量為M，橫截面積為S，則汽缸內氣體壓強p＝p0－eq\f(Mg,S)，剪斷細線后，汽缸自由下落，處于完全失重狀態(tài)，汽缸內氣體壓強p＝p0，缸內氣體壓強變大，所以氣體體積減小，外界對氣體做功，汽缸絕熱，氣體內能增大，所以C正確，A、B、D錯誤．考點二熱和內能6．下列關于內能與熱量的說法中，正確的是()A．馬鈴薯所含熱量高B．內能越大的物體熱量也越多C．熱量自發(fā)地從內能大的物體傳向內能小的物體D．熱量自發(fā)地從溫度高的物體傳向溫度低的物體答案D7．(多選)關于熱傳遞，下列說法正確的是()A．熱傳遞中，熱量一定從含熱量多的物體傳向含熱量少的物體B．兩個物體間發(fā)生熱傳遞的條件是它們之間有溫度差C．在熱傳遞中熱量一定從內能多的物體傳向內能少的物體D．內能相等的兩個物體相互接觸時，也可能發(fā)生熱傳遞答案BD解析熱量的概念只有在涉及熱傳遞時才有意義，所以不能說物體含有多少熱量，A錯誤；物體間發(fā)生熱傳遞的條件是物體間存在溫度差，B正確；在熱傳遞中，熱量一定從溫度高的物體傳向溫度低的物體，溫度高的物體內能不一定多，故C錯誤，D正確．8．(多選)在外界不做功的情況下，物體的內能增加了50J，下列說法中正確的是()A．一定是物體放出了50J的熱量B．一定是物體吸收了50J的熱量C．一定是物體分子動能增加了50JD．物體分子的平均動能可能不變答案BD解析在外界不做功的情況下，內能的改變量等于傳遞的熱量，內能增加50J，一定是吸收了50J的熱量，故A錯，B對；物體內能包括所有分子的動能和勢能，內能由分子數、分子平均動能、分子勢能共同決定，所以內能增加了50J并不一定是分子動能增加了50J，物體分子的平均動能有可能不變，這時吸收的50J熱量全部用來增加分子勢能，故C錯，D對．考點三綜合應用9．(多選)對于熱量、功、內能三個量，下列說法中正確的是()A．熱量、功、內能三個量的物理意義是等同的B．熱量和功二者可作為物體內能大小的量度C．熱量、功和內能的國際單位都相同D．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體的狀態(tài)決定的答案CD解析熱量、功和內能的國際單位都是焦耳，但熱量、功和內能三個量的物理意義是不同的，熱量和功是過程量，內能是狀態(tài)量，熱量和功二者可作為物體內能變化的量度而不是內能大小的量度．故A、B錯誤，C、D正確．10．某駕駛員發(fā)現(xiàn)中午時車胎內的氣壓高于清晨時的，且車胎體積增大．若這段時間胎內氣體質量不變且可視為理想氣體，那么()A．外界對胎內氣體做功，氣體內能減小B．外界對胎內氣體做功，氣體內能增大C．胎內氣體對外界做功，內能減小D．胎內氣體對外界做功，內能增大答案D解析中午，車胎體積增大，故胎內氣體對外界做功，胎內氣體溫度升高，故胎內氣體內能增大，D項正確．11．(2019·龍泉中學高二上期末)如圖4所示，固定容器及可動活塞P都是絕熱的，中間有一導熱的固定隔板B，B的兩邊分別盛有氣體甲和乙．現(xiàn)將活塞P緩慢地向B移動一段距離，已知氣體的溫度隨其內能的增加而升高，則在移動P的過程中()圖4A．外力對乙做功；甲的內能不變B．外力對乙做功；乙的內能不變C．乙的內能增加；乙傳遞熱量給甲D．乙的內能增加；甲的內能不變答案C解析活塞P壓縮氣體乙，則外力對氣體乙做功，因P與外界隔熱，可知乙的內能增加，因B是導熱的隔板，可知乙的熱量將傳給甲，最終甲、乙的內能都增加，故選C.二、非選擇題12.(1)某同學做了一個小實驗；先把空的燒瓶放入冰箱冷凍，一小時后取出燒瓶，并迅速把一個氣球緊密地套在瓶頸上，然后將燒瓶放進盛滿熱水的燒杯里，氣球逐漸膨脹起來，如圖5所示．這是因為燒瓶里的氣體吸收