2017屆高中物理第三章熱力學(xué)基礎(chǔ)第二講熱力學(xué)第一定律第三講能量守恒定律教案粵教版選修.docx

第二講熱力學(xué)第一定律第三講能量守恒定律目標(biāo)定位1.理解熱力學(xué)第一定律，并掌握其表達(dá)式.2.能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律.4.知道第一類永動機(jī)是不可能制成的. 一、熱力學(xué)第一定律1.定律內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)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.2.數(shù)學(xué)表達(dá)式：UQW.二、能量守恒定律1.大量事實(shí)表明，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變.2.能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變.3.能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的規(guī)律之一.三、永動機(jī)不可能制成1.第一類永動機(jī)：人們把設(shè)想的不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機(jī)器稱為第一類永動機(jī).2.第一類永動機(jī)由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成.一、熱力學(xué)第一定律1.對熱力學(xué)第一定律的理解(1)對UWQ的理解：做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能，如果系統(tǒng)跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么外界對系統(tǒng)所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加U，即UQW.(2)對U、Q、W符號的規(guī)定功W：外界對系統(tǒng)做功，W0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功，W0；系統(tǒng)放熱為負(fù)：Q0，即U為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，U0，即U為負(fù)值.2.判斷是否做功的方法一般情況下外界對系統(tǒng)做功與否，需看系統(tǒng)的體積是否變化.(1)若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對外界做功，W0.例1空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5105J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案5104J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W2105J，U1.5105J，代入上式得QUW1.5105J2105J5104J.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5104J.借題發(fā)揮應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)明確研究對象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng).(2)分別列出物體(或系統(tǒng))吸收或放出的熱量；外界對物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對外所做的功.(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW列出方程進(jìn)行求解.(4)特別應(yīng)注意的就是物理量的正負(fù)號及其物理意義.針對訓(xùn)練一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105J，則下列各式中正確的是()A.W8104J，U1.2105J，Q4104JB.W8104J，U1.2105J，Q2105JC.W8104J，U1.2105J，Q2104JD.W8104J，U1.2105J，Q4104J答案B解析因?yàn)橥饨鐚怏w做功，W取正值，即W8104J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2105J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105J8104J2105J，B選項(xiàng)正確.二、能量守恒定律1.不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動形式都有對應(yīng)的能，如機(jī)械運(yùn)動對應(yīng)機(jī)械能，分子熱運(yùn)動對應(yīng)內(nèi)能等.(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，如“摩擦生熱”機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，“電爐取熱”電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等.2.能量守恒定律及意義各種不同形式的能之間相互轉(zhuǎn)化時(shí)保持總量不變.意義：一切物理過程都適用，比機(jī)械能守恒定律更普遍，是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一.3.第一類永動機(jī)是不可能制成的(1)不消耗能量能源源不斷地對外做功的機(jī)器，叫第一類永動機(jī)，其前景是誘人的.但因?yàn)榈谝活愑绖訖C(jī)違背了能量守恒定律，所以無一例外地歸于失敗.(2)永動機(jī)給我們的啟示人類利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律.例2如圖1所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為U，則()圖1A.UQB.UQD.無法比較答案B解析因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體氣體為研究對象，開始時(shí)，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢能，另一部分增加內(nèi)能.故正確答案為B.例3第一類永動機(jī)是不可能制成的，這是因?yàn)榈谝活愑绖訖C(jī)()A.不符合機(jī)械能守恒定律B.違背了能量守恒定律C.沒有合理的設(shè)計(jì)方案D.找不到合適的材料答案B三、氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合點(diǎn)是溫度和體積.注意三種特殊過程的特點(diǎn)：1.等溫過程：內(nèi)能不變，U02.等容過程：體積不變，W03.絕熱過程：Q0例4如圖2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(gè)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(shí)，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，該過程中活塞下降了0.1L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：圖2(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密封氣體對外做功WpS0.1L由熱力學(xué)第一定律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熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1.用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖3所示，充氣袋四周被擠壓時(shí)，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無熱交換，則袋內(nèi)氣體()圖3A.體積減小，內(nèi)能增大B.體積減小，壓強(qiáng)減小C.對外界做負(fù)功，內(nèi)能增大D.對外界做正功，壓強(qiáng)減小答案AC解析充氣袋被擠壓時(shí)，體積減小，壓強(qiáng)增大，同時(shí)外界對氣體做功，又因?yàn)榇鼉?nèi)氣體與外界無熱交換，故其內(nèi)能增大，A、C選項(xiàng)正確.2.關(guān)于內(nèi)能的變化，以下說法正確的是()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(shí)對外做功，內(nèi)能可能不變D.物體放出熱量，同時(shí)對外做功，內(nèi)能可能不變答案C解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律，UWQ，物體內(nèi)能的變化與做功及熱傳遞兩個(gè)因素均有關(guān)，物體吸收熱量，內(nèi)能也不一定增大，因?yàn)槲矬w可能同時(shí)對外做功，故內(nèi)能有可能不變或減少，A錯(cuò)；物體對外做功，還有可能吸收熱量、內(nèi)能可能不變或增大，B錯(cuò)、C正確；放出熱量，同時(shí)對外做功，內(nèi)能一定減少，D錯(cuò)誤.能量守恒定律的理解和應(yīng)用3.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是()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減小，說明機(jī)械能在減少，減少的機(jī)械能等于克服阻力、摩擦力做的功，增加了內(nèi)能.氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合4.如圖4所示，兩個(gè)截面積都為S的圓柱形容器，右邊容器高為H，上端封閉，左邊容器上端是一個(gè)可以在容器內(nèi)無摩擦滑動的質(zhì)量為M的活塞.兩容器由裝有閥門的極細(xì)管道相連，容器、活塞和細(xì)管都是絕熱的.開始時(shí)閥門關(guān)閉，左邊容器中裝有理想氣體，平衡時(shí)活塞到容器底的距離為H，右邊容器內(nèi)為真空.現(xiàn)將閥門緩慢打開，活塞便緩慢下降，直至系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，此時(shí)理想氣體的溫度增加為原來的1.4倍，已知外界大氣壓強(qiáng)為p0，求此過程中氣體內(nèi)能的增加量.圖4答案(Mgp0S)H解析理想氣體發(fā)生等壓變化.設(shè)封閉氣體壓強(qiáng)為p，分析活塞受力有pSMgp0S設(shè)氣體初態(tài)溫度為T，活塞下降的高度為x，系統(tǒng)達(dá)到新平衡，由蓋呂薩克定律解得xH，又因系統(tǒng)絕熱，即Q0外界對氣體做功為Wp0Sx根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW所以U(Mgp0S)H(時(shí)間：60分鐘)題組一熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1.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.絕熱壓縮的物體，其內(nèi)能一定增加答案CD解析做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化.2.下列過程可能發(fā)生的是()A.物體吸收熱量，對外做功，同時(shí)內(nèi)能增加B.物體吸收熱量，對外做功，同時(shí)內(nèi)能減少C.外界對物體做功，同時(shí)物體吸熱，內(nèi)能減少D.物體對外做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加答案AB解析當(dāng)物體吸收的熱量多于對外做的功時(shí)，物體的內(nèi)能就增加，A正確；當(dāng)物體吸收的熱量少于對外做的功時(shí)，物體的內(nèi)能就減少，B正確；外界對物體做功，同時(shí)物體吸熱，則物體的內(nèi)能必增加，C錯(cuò)誤；物體對外做功，同時(shí)物體放熱，則物體的內(nèi)能必減少，D錯(cuò)誤.3.如圖1所示是密閉的氣缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800J，同時(shí)氣體向外界放熱200J，缸內(nèi)氣體的()圖1A.溫度升高，內(nèi)能增加600JB.溫度升高，內(nèi)能減少200JC.溫度降低，內(nèi)能增加600JD.溫度降低，內(nèi)能減少200J答案A解析對一定質(zhì)量的氣體，由熱力學(xué)第一定律UWQ可知，U800J(200J)600J，U為正表示內(nèi)能增加了600J，對氣體來說，分子間距較大，分子勢能為零，內(nèi)能等于所有分子動能的和，內(nèi)能增加，氣體分子的平均動能增加，溫度升高，選項(xiàng)A正確.4.小明同學(xué)將喝空的飲料瓶遺留在車內(nèi)，當(dāng)夜晚來臨，車內(nèi)溫度降低時(shí)，密閉在瓶內(nèi)的氣體(可視為理想氣體)將()A.內(nèi)能增大，放出熱量B.內(nèi)能增大，吸收熱量C.內(nèi)能減小，放出熱量D.內(nèi)能減小，吸收熱量答案C解析一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能由溫度決定，當(dāng)溫度降低時(shí)，內(nèi)能減少，U0，由于體積不變，W0，由熱力學(xué)第一定律UWQ可得Q0，故氣體放熱，正確答案為C項(xiàng).5.給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面，在緩慢放水過程中，若車胎不漏氣，胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子間勢能，則胎內(nèi)氣體()A.從外界吸熱B.對外界做負(fù)功C.分子平均動能減小D.內(nèi)能增加答案A解析胎內(nèi)氣體經(jīng)歷了一個(gè)溫度不變、壓強(qiáng)減小、體積增大的過程.溫度不變，分子平均動能和內(nèi)能不變.體積增大氣體對外界做正功.根據(jù)熱力學(xué)第一定律氣體一定從外界吸熱.6.夏季烈日下的高速路面溫度很高，汽車行駛過程中輪胎與路面摩擦也產(chǎn)生大量的熱.因此高速行駛的汽車容易爆胎而出現(xiàn)事故，釀成悲劇.對車胎爆裂這一現(xiàn)象下列說法正確的是(假設(shè)升溫過程輪胎容積不變)()A.車胎爆裂，是車胎內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇增大的結(jié)果B.在爆裂前的過程中，氣體溫度升高，分子無規(guī)則熱運(yùn)動加劇，氣體壓強(qiáng)增大C.在車胎突然爆裂的瞬間，氣體內(nèi)能增加D.在車胎突然爆裂的瞬間，氣體內(nèi)能減少答案BD題組二能量轉(zhuǎn)化與守恒定律7.一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(jī)械能守恒B.總能量守恒C.機(jī)械能和內(nèi)能增加D.機(jī)械能減少，內(nèi)能增加答案BD解析物體沿斜面上滑的過程中，有摩擦力對物體做負(fù)功，所以物體的機(jī)械能減少，由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律知，內(nèi)能應(yīng)增加，能的總量不變.8.如圖2所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)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(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()圖2A.子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B.子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的熱能C.子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動能D.子彈動能的一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)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，一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能.題組三氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)第一定律的結(jié)合9.如圖3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(jì)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(nèi)空氣體積減小，空氣一定()圖3A.從外界吸熱B.內(nèi)能增大C.向外界放熱D.內(nèi)能減小答案C解析本題考查氣體性質(zhì)和熱力學(xué)第一定律，由于不計(jì)氣體分子之間的相互作用，且整個(gè)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(xiàng)B、D均錯(cuò)；熱力學(xué)第一定律UWQ，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，U0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯(cuò)、C對.正確答案為C.10.如圖4所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分.已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空.抽開隔板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4A.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解析因b內(nèi)為真空，所以抽開隔板后，a內(nèi)氣體可以“自發(fā)”進(jìn)入b，氣體不做功，又因容器絕熱，不與外界發(fā)生熱量傳遞，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以判斷其內(nèi)能不變，溫度不變，由玻意耳定律可知：氣體體積增大，壓強(qiáng)必然變小，綜上可判斷B、D項(xiàng)正確.11.如圖5所示，a、b、c、d表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個(gè)狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標(biāo)軸，dc平行于縱坐標(biāo)軸，ab的延長線過原點(diǎn)，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，氣體放熱答案BC解析從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變，但是由于壓強(qiáng)減小，所以體積增大，對外做功，還要保持內(nèi)能不變，一定要吸收熱量，故A錯(cuò)；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個(gè)降壓、降溫過程，同時(shí)體積減小，外界對氣體做功，而氣體的內(nèi)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(gè)等壓、升溫的過程，同時(shí)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是個(gè)等容變化過程，隨壓強(qiáng)的增大，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，而在這個(gè)過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內(nèi)能的增大是因?yàn)闅怏w吸熱的結(jié)果，故D錯(cuò)誤.題組四綜合應(yīng)用12.如圖6所示，一定質(zhì)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(gè)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)氣體經(jīng)ABC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的過程是等壓變化，有代入數(shù)據(jù)得TB600K(2)根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UQW其中W2p0V0解得Q2p0V0(吸熱)13.如圖7所示，導(dǎo)熱材料制成的橫截面積相等、長度均為45cm的氣缸A、