高中 物理 必修第三冊(cè) 第三章 熱力學(xué)定律《第1節(jié) 功、熱和內(nèi)能的改變》教學(xué)設(shè)計(jì)

第1節(jié)功、熱和內(nèi)能的改變[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．掌握從熱力學(xué)角度認(rèn)識(shí)內(nèi)能的概念。了解焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。2．知道做功與內(nèi)能改變的數(shù)量關(guān)系。知道傳熱的熱量與內(nèi)能變化的關(guān)系。3．知道做功和傳熱是改變內(nèi)能的兩種方式，且對(duì)改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的。知識(shí)點(diǎn)1焦耳的實(shí)驗(yàn)1．絕熱過(guò)程：系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱的過(guò)程。2．代表性實(shí)驗(yàn)(1)重物下落時(shí)帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；(2)電流通過(guò)浸在液體中的電阻絲，由電流的熱效應(yīng)給液體加熱。3．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：要使系統(tǒng)狀態(tài)通過(guò)絕熱過(guò)程發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由過(guò)程始末兩個(gè)狀態(tài)決定，而與做功的方式無(wú)關(guān)。4．內(nèi)能：任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個(gè)物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。知識(shí)點(diǎn)2功與內(nèi)能的改變1．功與內(nèi)能的改變?cè)跓崃W(xué)系統(tǒng)的絕熱過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過(guò)絕熱過(guò)程達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的變化量ΔU＝U2－U1，等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，即ΔU＝W。2．理解(1)ΔU＝W的適用條件是絕熱過(guò)程。(2)在絕熱過(guò)程中：外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加；系統(tǒng)對(duì)外做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。[判一判]1．(1)系統(tǒng)只從外界吸熱，而不向外界放熱的過(guò)程就是絕熱過(guò)程。()(2)在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少。()(3)功和內(nèi)能都是能量轉(zhuǎn)化的量度。()提示：(1)×(2)√(3)×知識(shí)點(diǎn)3熱與內(nèi)能的改變1．傳熱(1)條件：物體的溫度不同。(2)定義：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，熱從高溫物體傳到了低溫物體。2．熱和內(nèi)能的改變(1)熱量是在單純的傳熱過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。(2)表達(dá)式：ΔU＝Q。(3)傳熱和做功在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的異同：①做功和傳熱都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變。②做功是內(nèi)能與其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化；傳熱只是不同物體(或一個(gè)物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。[判一判]2．(1)做功和傳熱都可改變物體的內(nèi)能，從效果上是等效的。()(2)熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體。()(3)傳熱只能發(fā)生在兩個(gè)物體間，同一物體不能發(fā)生傳熱。()提示：(1)√(2)×(3)×1．(做功與內(nèi)能變化的關(guān)系)在絕熱過(guò)程中，外界壓縮氣體做功20J，下列說(shuō)法正確的是()A．氣體內(nèi)能一定增加20JB．氣體內(nèi)能增加必定小于20JC．氣體內(nèi)能增加可能小于20JD．氣體內(nèi)能可能不變解析：選A。做功的過(guò)程是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在絕熱過(guò)程中，做多少功，內(nèi)能就增加多少，所以A正確。2．(傳熱)關(guān)于熱傳遞，下列說(shuō)法正確的是()A．熱傳遞的實(shí)質(zhì)是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱量總是從熱量多的物體傳到熱量少的物體D．熱量總是從內(nèi)能多的物體傳到內(nèi)能少的物體答案：B3．(做功、熱量和內(nèi)能的關(guān)系)(多選)下列關(guān)于熱量、功和內(nèi)能的說(shuō)法正確的是()A．熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義等同B．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能變化的量度D．熱量、功、內(nèi)能的單位相同解析：選CD。物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而要改變物體的內(nèi)能可以通過(guò)做功和傳熱兩種途徑，這三者的物理意義不同，A錯(cuò)誤；熱量是表示在傳熱過(guò)程中物體內(nèi)能變化了多少，而功也是用做功的方式量度物體內(nèi)能變化了多少，B錯(cuò)誤，C正確；三者的單位都是焦耳，D正確。4.(做功、熱量和內(nèi)能的關(guān)系)對(duì)于熱量、功和內(nèi)能三個(gè)物理量，下列說(shuō)法正確的是()A．熱量和功與過(guò)程有關(guān)，而內(nèi)能與狀態(tài)有關(guān)B．熱量、功和內(nèi)能的物理意義相同C．熱量和功都可以作為內(nèi)能的量度D．內(nèi)能大的物體具有的熱量多答案：A探究一做功與內(nèi)能變化的關(guān)系【問(wèn)題導(dǎo)引】1.如圖，在有機(jī)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？(2)圖中用力按壓活塞時(shí)為什么一定要迅速？2．在焦耳的許多實(shí)驗(yàn)中，有兩個(gè)最具有代表性：一個(gè)實(shí)驗(yàn)是讓重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)電流的熱效應(yīng)給水加熱。焦耳的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么問(wèn)題？提示：1.(1)可以看到棉花燃燒。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明壓縮空氣做功，使空氣內(nèi)能增大，達(dá)到棉花的燃點(diǎn)后引起棉花燃燒。(2)迅速按下活塞是為了減少傳熱，創(chuàng)造一個(gè)絕熱條件。2．做功和傳熱對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。1．內(nèi)能與內(nèi)能變化(1)物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能之和。(2)當(dāng)物體溫度變化時(shí)，分子平均動(dòng)能變化；物體體積變化時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化，即物體的內(nèi)能是由它的狀態(tài)決定的，且物體的內(nèi)能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過(guò)程及方式無(wú)關(guān)。2．做功與內(nèi)能變化的關(guān)系(1)做功改變物體內(nèi)能的過(guò)程是其他形式的能(如機(jī)械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。(2)在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)物體做多少功，就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，物體的內(nèi)能就增加多少。3．功和內(nèi)能的區(qū)別(1)功是過(guò)程量，內(nèi)能是狀態(tài)量。(2)在絕熱過(guò)程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化。(3)物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多。在絕熱過(guò)程中，只有內(nèi)能變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)著做功較多。特別提醒：(1)外界對(duì)某一系統(tǒng)做功時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)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(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)能的增加量等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功?！纠?】在下列焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，各是什么形式的能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能？[解析]題圖1中，物體下落，減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能；題圖2中，重物帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)工作，將電能轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)能。[答案]物體下落，減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能重物帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)工作，將電能轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)能【例2】如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動(dòng)的絕熱活塞。今對(duì)活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動(dòng)一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦，則被密封的氣體()A．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少B．溫度降低，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少C．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能增加D．溫度降低，壓強(qiáng)減小，內(nèi)能增加[解析]力F通過(guò)活塞對(duì)密閉的理想氣體做正功，容器及活塞絕熱，則Q＝0，由功和內(nèi)能的關(guān)系知理想氣體內(nèi)能增加，溫度T升高，再根據(jù)eq\f(pV,T)＝C，體積V減小，壓強(qiáng)p增大，故選C。[答案]C[針對(duì)訓(xùn)練1]下列例子中，通過(guò)做功來(lái)改變物體內(nèi)能的是()A．陽(yáng)光照射衣服，衣服的溫度升高B．用打氣筒打氣，筒壁變熱C．將高溫金屬塊放在水中，水的溫度升高D．放進(jìn)冰箱冷凍室的水變成冰塊答案：B探究二做功、熱量和內(nèi)能的關(guān)系1．熱量和內(nèi)能(1)內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內(nèi)能也隨之確定。要使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變化，可以通過(guò)傳熱和做功兩種方式來(lái)完成。(2)熱量是傳熱過(guò)程中的特征物理量，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過(guò)程中所轉(zhuǎn)移的能量，是用來(lái)衡量物體內(nèi)能變化的，有過(guò)程，才有變化，離開過(guò)程，毫無(wú)意義。(3)對(duì)某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，不存在“熱量”和“功”。不能說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)中含有多少熱量。2．熱量與溫度：熱量是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內(nèi)大量分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志。傳熱的前提條件是兩個(gè)系統(tǒng)之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度。3．改變內(nèi)能的兩種方式的比較比較項(xiàng)目做功傳熱內(nèi)能變化外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對(duì)外界做功，物體的內(nèi)能減少物體吸收熱量，內(nèi)能增加；物體放出熱量，內(nèi)能減少物理實(shí)質(zhì)其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)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(nèi)能的效果上是相同的【例3】下列說(shuō)法中正確的是()A．100℃的水變?yōu)?00℃的水蒸氣的過(guò)程中內(nèi)能增大B．0℃的冰熔化為0℃的水的過(guò)程中內(nèi)能不變C．物體溫度升高，內(nèi)能一定增加D．物體吸熱后溫度一定升高[解析]100℃的水變?yōu)?00℃的水蒸氣過(guò)程中，溫度不變，所以分子的平均動(dòng)能不變，但分子勢(shì)能增大，所以內(nèi)能增大，故A正確；0℃的冰熔化成0℃水的過(guò)程中，溫度不變，吸收熱量，內(nèi)能增加，故B錯(cuò)誤；物體的內(nèi)能由分子勢(shì)能和分子動(dòng)能共同決定，溫度升高，分子平均動(dòng)能增加，但是分子勢(shì)能可能減少，所以總體內(nèi)能不一定增加，故C錯(cuò)誤；晶體在熔化時(shí)，吸收熱量，溫度不變，內(nèi)能增加，故D錯(cuò)誤。[答案]A【例4】下列說(shuō)法正確的是()A．做功和傳熱是改變物體內(nèi)能的兩種不同的物理過(guò)程B．做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的，因此對(duì)物體做功就是對(duì)物體傳熱C．熱量是傳熱過(guò)程中，內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體或物體內(nèi)能大的部分向內(nèi)能小的部分轉(zhuǎn)移的內(nèi)能大小的量度D．高溫物體具有的熱量多，低溫物體具有的熱量少[解析]做功和傳熱是改變物體內(nèi)能的兩種不同的物理過(guò)程，故A正確；做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的，但是對(duì)物體做功與對(duì)物體傳熱的本質(zhì)是不同的，故B錯(cuò)誤；熱量是傳熱過(guò)程中，溫度高的物體向溫度低的物體或物體溫度高的部分向溫度低的部分轉(zhuǎn)移的內(nèi)能大小的量度，是過(guò)程量，不能說(shuō)物體具有的熱量多少，故C、D錯(cuò)誤。[答案]A[針對(duì)訓(xùn)練2]關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說(shuō)法中正確的是()A．熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能多B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大C．在傳熱過(guò)程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將增大，直到兩物體的內(nèi)能相等D．在傳熱過(guò)程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止解析：選D。物體的內(nèi)能由溫度、體積及物體的質(zhì)量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯(cuò)誤；在傳熱過(guò)程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內(nèi)能大小無(wú)關(guān)，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大，內(nèi)能小的物體內(nèi)能繼續(xù)減小，故C錯(cuò)誤，D正確。1．下列生活實(shí)例中通過(guò)傳熱改變物體內(nèi)能的是()A．野外生存中利用鉆木取火B(yǎng)．暖手寶可以使手變得暖和C．搓搓手可以讓手變得暖和D．鐵釘被錘子敲打后會(huì)升溫答案：B2．兩物體接觸后發(fā)生了熱傳遞，下列說(shuō)法正確的是()A．內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體傳遞熱量B．密度大的物體向密度小的物體傳遞熱量C.含熱量多的物體向含熱量少的物體傳遞D．分子平均動(dòng)能大的物體向分子平均動(dòng)能小的物體傳遞解析：選D。熱傳遞時(shí)是熱量從溫度高的物體傳向溫度低的物體，而溫度是平均動(dòng)能大小的標(biāo)志，溫度越高，分子平均動(dòng)能越大。因此兩物體接觸后發(fā)生了熱傳遞時(shí)，是分子平均動(dòng)能大的物體向分子平均動(dòng)能小的物體傳遞。D正確，A、B、C錯(cuò)誤。3．(多選)一銅塊和一鐵塊，質(zhì)量相等，銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高，當(dāng)它們接觸在一起時(shí)，如果不和外界交換能量，則()A．從兩者開始接觸到熱平衡的整個(gè)過(guò)程中，銅塊內(nèi)能的減少量等于鐵塊內(nèi)能的增加量B．在兩者達(dá)到熱平衡以前的任意一段時(shí)間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的減少量不等于鐵塊內(nèi)能的增加量C．在兩者達(dá)到熱平衡以前的任意一段時(shí)間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的減少量都等于鐵塊內(nèi)能的增加量D．達(dá)到熱平衡時(shí)，銅塊的溫度比鐵塊的低解析：選AC。熱平衡條件是溫度相等，傳熱的方向是從溫度高的物體傳向溫度低的物體。在傳熱過(guò)程中高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量，因此A、C正確，B、D錯(cuò)誤。4．(多選)在實(shí)驗(yàn)室將一容積比較大的燒瓶放入冰箱冷凍室內(nèi)，經(jīng)過(guò)幾小時(shí)后，將燒瓶從冰箱內(nèi)迅速取出，并立即用小氣球緊緊地套在燒瓶的瓶口，然后將燒瓶放入裝有熱水的燒杯中，如圖所示，將燒瓶及氣球內(nèi)的氣體看成是理想氣體。則下列說(shuō)法正確的是()A．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后氣球會(huì)膨脹起來(lái)B．氣球的體積一直都不會(huì)發(fā)生變化C．燒瓶及氣球內(nèi)的氣體內(nèi)能增加D．燒瓶及氣球內(nèi)的氣體的壓強(qiáng)一定變大解析：選ACD。由于熱水的溫度較高，將燒瓶放進(jìn)盛滿熱水的燒杯里，燒瓶及氣球內(nèi)氣體吸收了熱水的熱量，溫度升高，內(nèi)能增大，體積增大，故A、C正確，B錯(cuò)誤；初始時(shí)燒瓶及氣球內(nèi)氣體的壓強(qiáng)等于大氣壓，吸收熱量后，燒瓶及氣球內(nèi)氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓，氣球膨脹，故D正確。5．如圖所示，瓶?jī)?nèi)裝有少量的水，瓶口已塞緊，水上方空氣中有水蒸氣，用打氣筒向瓶?jī)?nèi)打氣，當(dāng)塞子從瓶口跳出時(shí)，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)“白霧”，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以用下面三句話解釋：甲，水蒸氣凝結(jié)成小水珠；乙，瓶?jī)?nèi)氣體推動(dòng)瓶塞做功，內(nèi)能減小；丙，溫度降低。三句話正確的順序是()A.甲、乙、丙 B．乙、丙、甲C．丙、甲、乙 D．乙、甲、丙解析：選B。根據(jù)題意因果順序的進(jìn)程為：空氣推動(dòng)瓶塞做功——空氣內(nèi)能減小——瓶?jī)?nèi)空氣溫度降低——瓶?jī)?nèi)水蒸氣液化成小水珠即“白霧”，而瓶塞跳起是用打氣筒往瓶?jī)?nèi)打氣使瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)增大所致。6．(多選)下列說(shuō)法正確的是()A．做功和傳熱是改變物體內(nèi)能的兩種本質(zhì)不同的物理過(guò)程，做功是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化，傳熱是物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移B．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增大C．物體向外界放熱，物體的內(nèi)能一定增大D．物體內(nèi)能發(fā)生了改變，可能