最新版高中物理第十章熱力學(xué)定律3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)案新人教版選修3-3.doc

1、3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解熱力學(xué)第一定律，并會(huì)運(yùn)用于分析和計(jì)算.2.理解并會(huì)運(yùn)用能量守恒定律3知道什么是第一類永動(dòng)機(jī)及其不可能制成的原因.知識(shí)探究、熱力學(xué)第一定律導(dǎo)學(xué)探究(1)如圖1所示，快速推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功10 J,氣體內(nèi)能改變了多少?若保持氣體體積不變，外界對(duì)汽缸傳遞10 J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少？圖1(2) 一根金屬絲經(jīng)過(guò)某一物理過(guò)程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無(wú)法判定是通過(guò)做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內(nèi)能增加.因?yàn)閱渭兊貙?duì)系統(tǒng)做功和單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能.既然它們?cè)诟淖兿到y(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的，那么當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功為W又對(duì)系統(tǒng)傳熱

2、為 Q時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量 AU應(yīng)該是多少？答案(1)者B增力口了 10 J.(2)系統(tǒng)內(nèi)能的增量 A U= Q+ WW知識(shí)梳理(1)改變內(nèi)能的兩種方式：做功與熱傳遞.兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的.(2)熱力學(xué)第一定律：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夕空到它所做.的功的和.(3)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：A U= 0 W二、能量守恒定律導(dǎo)學(xué)探究(1)使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式有做功和熱傳遞.做功的過(guò)程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)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(shí)，能量的總量會(huì)減少嗎？(2)有一種所謂“全自動(dòng)”的機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用

3、任何電源，卻能不停地走 下去.這是不是一種永動(dòng)機(jī)？如果不是，維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來(lái)的？答案(1)能量的總量不會(huì)減少.(2)這不是永動(dòng)機(jī).手表戴在手腕上，通過(guò)手臂的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手表獲得能量，供手表指針走動(dòng).若將此手表長(zhǎng)時(shí)間放置不動(dòng)，它就會(huì)停下來(lái).知識(shí)梳理(1)能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不強(qiáng)(2)能量守恒定律的意義各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化.各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起.(3)永動(dòng)機(jī)不可能制成第一類永動(dòng)機(jī)：人們把設(shè)想的不消耗能量也瞬稱為第一類永動(dòng)機(jī).第一類永動(dòng)機(jī)由

4、于違背了能量守恒定律，所以不可能制成.題型探究重點(diǎn)難點(diǎn)個(gè)個(gè)擊破一、對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解1】空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對(duì)空氣做了2X105 J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5X105 J ,這一過(guò)程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案 5X104 J解析 選擇被壓縮的空氣為研究對(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有AU VW Q由題意可知 W= 2X105 J, A U= 1.5X105 J ,代入上式得Q= AU W= 1.5 X 105 J 2X105 J = 5X10 4 J.負(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5X104J.1規(guī)律總結(jié)Ij應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟1根據(jù)符號(hào)法則

5、寫出各已知量V Q、A U的正負(fù)；2根據(jù)方程AU= VW Q求出未知量；3再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來(lái)確定吸熱、放熱情況或做功情況針對(duì)訓(xùn)練 一定質(zhì)量的理想氣體，從某一狀態(tài)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列變化后又回到開(kāi)始的狀態(tài)，用W表示外界對(duì)氣體做的功， W表示氣體對(duì)外界做的功，Q表示氣體吸U的熱量，Q表示氣體放出的熱量，則在整個(gè)過(guò)程中一定有()A. QQ=W WB. Q= QC. W= WD. Q> Q答案 A解析 對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體， 經(jīng)過(guò)一系列的狀態(tài)變化后又回到原狀態(tài)，表明整個(gè)過(guò)程中內(nèi)能的變化為零，即通過(guò)做功和熱傳遞引起的內(nèi)能變化相互抵消，所以A選項(xiàng)正確.當(dāng)然，若Q = Q,則必定有 W= W；若Q&

6、gt;Q,則必定有 W W；若QvQ,則必定有 W>W,所以已 C D三項(xiàng)都有可能但不一定，故選 A.二、能量守恒定律的理解和應(yīng)用1 .能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有電磁能、 化學(xué)能、原子能等.(2)各種形式的能，通過(guò)某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化.例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化 為內(nèi)能；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.2 .能量守恒的兩種表達(dá)(1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等.(2)某個(gè)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

7、定相等.3 .第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因分析如果沒(méi)有外界供給熱量而對(duì)外做功，由AU= W Q知，系統(tǒng)內(nèi)能將減小.若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無(wú)外界能量供給的情況下是不可能的.第2如圖2所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開(kāi)的 A B兩部分氣體(A B兩部分體積等大)， 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(guò)程中氣體吸熱為Q氣體內(nèi)能的增量為 AUI,則()AS圖2A. A U= QB. A U<QC. A U>QD.無(wú)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，以整體為研究對(duì)象，開(kāi)始時(shí)，氣體的重心 在中線以下，混合均勻后，氣體的

8、重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢(shì)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(shì)能，另一部分增加內(nèi)能.故正確答案為 B.歸納總結(jié))利用能量守恒定律解決問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)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(diǎn)求解三、氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用對(duì)于理想氣體，常把熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合起來(lái)分析其狀態(tài)變化規(guī)律，常見(jiàn)的分析思路如下：(1)利用體積的變化分析做功問(wèn)題.氣體體積增大，對(duì)外做功；氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功.(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化.一定質(zhì)量的理想氣體的

9、內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，溫度升高，內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減小.(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱.由熱力學(xué)第一定律 AU= VW Q,則Q= AU W若已知?dú)怏w的做功情況和內(nèi)能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過(guò)程還是放熱過(guò)程.胞3】如圖3所示，A、B兩點(diǎn)表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)A伊J.01T圖3B.氣體壓強(qiáng)變大D.氣體對(duì)外界放熱變化到狀態(tài)8時(shí)()A.氣體內(nèi)能一定增加 C.氣體對(duì)外界做功 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(duì)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(duì)，A、B、D錯(cuò).解4】如

10、圖4所示，一輕活塞將體積為 V,溫度為2T。的理想氣體，密封在內(nèi)壁光滑的圓柱 形導(dǎo)熱汽缸內(nèi).已知大氣壓強(qiáng)為po,大氣溫度為T。，氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為U= aT(a為正的常數(shù)).在汽缸內(nèi)氣體溫度緩慢降為 。的過(guò)程中，求：圖4(1)氣體內(nèi)能的減少量 A U；(2)氣體放出的熱量Q1答案 (1) aTo (2) Q= 2poV+ aTo解析(1)由題意可知?dú)怏w內(nèi)能 U與溫度T的關(guān)系為U= aT,所以開(kāi)始時(shí)氣體的內(nèi)能：U =aX2 %末狀態(tài)：U)=aTo；內(nèi)能的減小量 A U= Ui U0= aTo（2）設(shè)溫度降低后的體積為V',由蓋一呂薩克定律得VV'2t0=1T外界對(duì)氣體做功

11、： WW P0（ V- V，）1由熱力學(xué)第一定律解得：Q= 2P0V+ aT0達(dá)標(biāo)檢測(cè)當(dāng)堂檢洌再固反諭1 .（熱力學(xué)第一定律）一定質(zhì)量的氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做了8X104J的功，氣體的內(nèi)能減少了 1.2X105 J ,則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是（）A. W= 8X104J , A U= 1.2 X 105 J , Q= 4X104 JB. W= 8X104J, A U= 1.2X105 J , Q= -2X105 JC. WW= 8X104J, A U= 1.2 X 105 J , Q= 2X104JD. W= 8X104 J , A U= 1.2X105 J , Q=

12、4X104 J答案 B解析 因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即 W= 8X104J;氣體的內(nèi)能減少，A U取負(fù)值，即AU= 1.2 X 10 5 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律 A U= VW Q 可知 Q= AU- WW= - 1.2 X 105 J-8X 104 J= 2X105 J ,即B選項(xiàng)正確.2 .（能量守恒定律）下面設(shè)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(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械B.做一條船，利用流水的能量逆水行舟C.通過(guò)太陽(yáng)照射飛機(jī)，即使飛機(jī)不帶燃料也能飛行D.利用核動(dòng)力，駕駛地球離開(kāi)太陽(yáng)系答案 BCD解析 利用磁場(chǎng)能可以使磁鐵所具有的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但由于摩擦力的不可避免

13、性，動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動(dòng)停止，故A不符合.讓船先靜止在水中，設(shè)計(jì)一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動(dòng)能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能，實(shí)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(dòng)力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽(yáng)引力的束縛而離開(kāi)太陽(yáng) 系，故D符合.3.（熱力學(xué)第一定律）如圖5所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開(kāi)口向下壓入水中.設(shè)水溫均勻 且恒定，筒內(nèi)空氣無(wú)泄漏，不計(jì)氣體分子間的相互作用，則被淹沒(méi)的金屬筒在緩緩下降過(guò)程中，筒內(nèi)空氣體積減小，空氣一定（）圖5A.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

14、 C解析 由于不計(jì)氣體分子之間的相互作用，且整個(gè)過(guò)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)；由熱力學(xué)第一定律AU= VW Q,因?yàn)樵谙陆颠^(guò)程中壓強(qiáng)增大，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做了功，式中W/取正號(hào)，A Ul= 0,所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯(cuò)，C對(duì).課時(shí)作業(yè)強(qiáng)北訓(xùn)瘴拓履提升題組一熱力學(xué)第一定律1.關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說(shuō)法中正確的是（）A.物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大B.物體對(duì)外做功，內(nèi)能一定減少C.物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變D.物體放出熱量，同時(shí)對(duì)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AU= V Q,物體內(nèi)能的變化與外界對(duì)物

15、體做功（或物體對(duì)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(shí)對(duì)外 做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A錯(cuò)；同理，物體對(duì)外做功的同時(shí)有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少，B錯(cuò)；若物體吸收的熱量與對(duì)外做的功相等，則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對(duì)外做功都使物體內(nèi)能減少，故D錯(cuò).2. 一定量的理想氣體在某一過(guò)程中，從外界吸收熱量2.5 X 104 J,氣體對(duì)外界做功1.0 X 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AU= VWQ可得理想氣體內(nèi)能變化 AU= 1.0 X10 4 J+

16、2.5 X104J = 1.5 X10 4J>0,mP=V故溫度升高，A、B兩項(xiàng)均錯(cuò).因?yàn)闅怏w對(duì)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(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確.3. 一定質(zhì)量的氣體在保持壓強(qiáng)恒等于1.0 X 10 5 Pa的狀況下，體積從 20 L膨脹到30 L,這一過(guò)程中氣體從外界吸熱4X103J ,則氣體內(nèi)能的變化為()A.增加了 5X103 JB.減少了 5X103 JC.增加了 3X103 JD,減少了 3X103 J答案 C解析 氣體等壓膨脹過(guò)程對(duì)外做功W= pAV= 1.0X10 5 Pax (30 -20)X 10 3 m3= 1.0X103J.這一過(guò)程氣體從

17、外界吸熱Q= 4X103 J.由熱力學(xué)第一定律 AU VW Q,由于氣體對(duì)外做功，W應(yīng)取負(fù)值，則可得AU= 1.0 X103J + 4X103 J = 3.0 X103 J,即氣體內(nèi)能增加了 3X103 J.故選項(xiàng)C正確.4. 如圖1所示，在 Z B和D- A的過(guò)程中，氣體放出的熱量分別為4 J和30 J ,在B C和CH D的過(guò)程中，氣體吸收的熱量分別為20 J和12 J .求氣體完成一次循環(huán)對(duì)外界所做圖1的功.答案 2 J解析 完成一次循環(huán)內(nèi)能不變，A U= 0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知 W QAb+ QBc+ QC什Qa= (-4+20+12-30)J =- 2 J,即叭/= 2 J,氣體

18、完成一次循環(huán)外界對(duì)氣體所做的功是2 J ,氣體對(duì)外界做的功是-2 J.題組二能量守恒定律5. “第一類永動(dòng)機(jī)”不可能制成，是因?yàn)?()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(jì)方案答案 B6.如圖2所示，一演示用的“永動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng).離 開(kāi)熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng).下列說(shuō)法正確的是圖2A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來(lái)自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)熱

19、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，葉片開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，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.7 . 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(duì)于這一過(guò) 程，下列說(shuō)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8 .子彈減少的動(dòng)能等于木塊增加的動(dòng)能C.子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的動(dòng)能與木塊增加的內(nèi)能之和D.子彈減少的動(dòng)能等于木塊增加的動(dòng)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(guò)程

20、中，由于相互間摩擦力的作用使得子彈的動(dòng)能減小，木塊獲得動(dòng)能，同時(shí)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(xiàng)沒(méi)有考慮到系統(tǒng)增加的內(nèi)能，C項(xiàng)中應(yīng)考慮的是系統(tǒng)減少的機(jī)械能等于系統(tǒng)增加的內(nèi)能.故正確答案為D.題組三熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用8.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(nèi)有一定質(zhì)量的稀薄氣體， b內(nèi)為真空.抽離隔板 KB, a內(nèi)氣體進(jìn)入b,最終達(dá)到平衡狀態(tài).在此過(guò)程中 （）圖3A.氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能減少8 .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

21、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，由玻意耳定律可知壓強(qiáng)變小，所 以D正確.9 . 一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)發(fā)生如下哪些狀態(tài)變化時(shí)，能放出熱量()A.體積不變，壓強(qiáng)減小B.壓強(qiáng)不變，體積減小C.溫度不變，體積減少 D.溫度不變，壓強(qiáng)減小 答案 ABC解析 根據(jù)畢=C可知，體積不變，壓強(qiáng)減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，根據(jù) AU= VWQ可 知，W= 0,則氣體放熱，選項(xiàng) A正確；同理，壓強(qiáng)不變， 體積減小，則溫度降低，內(nèi)能減小， 根據(jù)AU= VW Q可知，W0,則C<0,氣體放熱，選項(xiàng) B正確；溫度不變，體積減少，則 AU =0, W>0,則Q<0,氣體放熱，選項(xiàng) C正確；溫度不變，壓強(qiáng)減小，則體積變大，AU= 0,W0,則Q>0,氣體吸熱，選項(xiàng) D錯(cuò)誤，故選 A B、C.10.如圖4所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài) B,