2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律1功和內(nèi)能學(xué)案新人教版選修3-3

PAGE6-功和內(nèi)能一、焦耳的試驗(yàn)1．試驗(yàn)?zāi)康模壕_地測(cè)定做功和熱傳遞對(duì)于系統(tǒng)的影響，以及功和熱量的相互關(guān)系．2．焦耳的兩個(gè)最具代表性的試驗(yàn)：一個(gè)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)是通過電流的熱效應(yīng)給水加熱．3．絕熱過程：不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程叫做絕熱過程．4．結(jié)論：要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變更，做功的多少只由過程的始末兩個(gè)狀態(tài)確定，而與做功的方式無關(guān)．二、功和內(nèi)能1．功與系統(tǒng)內(nèi)能變更的關(guān)系：做功可以變更系統(tǒng)的內(nèi)能．(1)外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加．在絕熱過程中，內(nèi)能的增量就等于外界對(duì)系統(tǒng)做的功，即ΔU＝U2－U1＝W.(2)系統(tǒng)對(duì)外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能削減．在絕熱過程中，系統(tǒng)對(duì)外界做多少功，內(nèi)能就削減多少，即W＝－ΔU.2．在絕熱過程中，功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度．打氣筒是日常生活中的一種工具，當(dāng)我們用打氣筒給自行車打氣的時(shí)候，就是在克服氣體壓力和摩擦力做功．打氣的過程中你有沒有試著去摸一下打氣筒的外殼？有什么感覺？打氣筒的溫度上升了，這是怎么回事呢？提示：做功的過程是能量轉(zhuǎn)化的過程，做功使得系統(tǒng)的內(nèi)能增加了，所以溫度上升．考點(diǎn)一功、內(nèi)能、內(nèi)能變更之間的關(guān)系1．內(nèi)能與內(nèi)能的變更的關(guān)系(1)物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)全部分子的動(dòng)能和勢(shì)能之和．在微觀上由分子數(shù)和分子熱運(yùn)動(dòng)猛烈程度和相互作用力確定，宏觀上體現(xiàn)為物體的溫度和體積，因此物體的內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量．(2)當(dāng)物體溫度變更時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)猛烈程度發(fā)生變更，分子平均動(dòng)能變更．物體體積變更時(shí)，分子間距離變更，分子勢(shì)能發(fā)生變更，因此物體的內(nèi)能變更只由初、末狀態(tài)確定，與中間過程及方式無關(guān)．2．做功與內(nèi)能的變更的關(guān)系做功變更物體內(nèi)能的過程是將其他形式的能(如機(jī)械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程．例如在絕熱過程中做功使物體內(nèi)能發(fā)生變更時(shí)，內(nèi)能變更了多少用做功的數(shù)值來量度．外界對(duì)物體做多少功，物體的內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外界做多少功，物體的內(nèi)能就削減多少．壓縮氣體時(shí)，外界對(duì)氣體做了功，氣體的內(nèi)能增加，氣體內(nèi)能的增加量等于外界對(duì)氣體做的功；氣體膨脹，是氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能削減，氣體內(nèi)能的削減量等于氣體膨脹對(duì)外做的功．3．功和內(nèi)能的區(qū)分功是能量轉(zhuǎn)化的量度，是過程量，而內(nèi)能是狀態(tài)量，做功過程中，能量肯定會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化而內(nèi)能不肯定變更，但內(nèi)能變更時(shí)，不肯定有力做功，也可能是由熱傳遞變更物體的內(nèi)能．物體內(nèi)能大，并不意味著做功多，只有內(nèi)能變更大，才可能做功多．【例1】如圖所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進(jìn)一只靈敏溫度計(jì)和一根氣針，另一端有個(gè)用卡子卡住的可移動(dòng)的膠塞．用打氣筒漸漸向筒內(nèi)打氣，使容器內(nèi)的壓強(qiáng)增加到肯定程度，這時(shí)讀出溫度計(jì)示數(shù)．打開卡子，膠塞沖出容器后()A．溫度計(jì)示數(shù)變大，試驗(yàn)表明氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能削減B．溫度計(jì)示數(shù)變大，試驗(yàn)表明外界對(duì)氣體做功，內(nèi)能增加C．溫度計(jì)示數(shù)變小，試驗(yàn)表明氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能削減D．溫度計(jì)示數(shù)變小，試驗(yàn)表明外界對(duì)氣體做功，內(nèi)能增加氣體膨脹對(duì)外做功，做功可以變更物體的內(nèi)能．【解析】依據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度，對(duì)外做了多少功，就意味著轉(zhuǎn)化了多少能量．本例中由于是厚壁容器，打開卡子后，氣體快速膨脹，這樣的過程可以當(dāng)作絕熱過程，由此推斷，轉(zhuǎn)化的應(yīng)是系統(tǒng)的內(nèi)能，即氣體對(duì)外做功，系統(tǒng)的內(nèi)能削減，溫度降低．選項(xiàng)C正確．【答案】C總結(jié)提能絕熱過程是指系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程，有些題目從敘述中就已經(jīng)明確是否為絕熱過程，有些沒有明確的，就要依據(jù)實(shí)際狀況做出推斷，像本題快速膨脹類可以理解為是絕熱的過程，而緩慢的過程則不能認(rèn)為是絕熱的過程．(多選)如圖所示，絕熱容器內(nèi)被活塞封閉肯定質(zhì)量的氣體，現(xiàn)壓縮氣體使其體積減小，則(BC)A．氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能增加B．外界對(duì)氣體做功，內(nèi)能增加C．溫度上升，壓強(qiáng)變大D．溫度上升，壓強(qiáng)變小解析：“絕熱容器”說明與外界沒有熱交換，壓縮氣體，外界對(duì)氣體做功，內(nèi)能增加，故A錯(cuò)，B對(duì)；對(duì)志向氣體而言，溫度上升，由氣體壓強(qiáng)的定義知，其壓強(qiáng)必變大，故C對(duì)，D錯(cuò)．故正確答案為B、C.考點(diǎn)二內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)分和聯(lián)系1．區(qū)分：物體的內(nèi)能與機(jī)械能是兩個(gè)不同的物理概念．內(nèi)能是由大量分子熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相對(duì)位置所確定的能．機(jī)械能是物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體形變所確定的能．物體具有內(nèi)能的同時(shí)可以具有機(jī)械能．物體的機(jī)械能在肯定條件下可等于零，但物體的內(nèi)能不行能等于零，因?yàn)榉肿釉谟啦煌Ｏ⒌刈鰺o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，它們之間有相互作用．2．聯(lián)系：內(nèi)能和機(jī)械能在肯定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，且總量保持不變．【例2】暖瓶中盛有0.5kg、25℃的水，一位同學(xué)想用上下?lián)u擺的方法使冷水變?yōu)殚_水，設(shè)每搖擺一次水的落差為15cm，每分鐘搖擺30次，不計(jì)全部熱散失，他約需多長時(shí)間可以把水“搖開”？[c水＝4.2×103J/(kg·℃)，g取10m/s2]此問題中能量轉(zhuǎn)化方向是：上搖時(shí)同學(xué)消耗自身的能量，通過對(duì)水做功轉(zhuǎn)化為水的重力勢(shì)能，下降時(shí)水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能再轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，由于不計(jì)一切熱散失，水的重力勢(shì)能的削減量等于水的內(nèi)能的增加量．【解析】設(shè)“搖開”水需時(shí)間為t，水升溫ΔT，由W＝ΔU得：30mg·Δh·t＝c水mΔT，代入數(shù)據(jù)得t＝eq\f(4.2×103×100－25,30×10×0.15)min＝7×103min，即“搖開”水約需7×103min，約為5天．【答案】5天總結(jié)提能解決本題的關(guān)鍵是明確能量轉(zhuǎn)化的方向，即知道原委是哪種能量轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能．此類問題體現(xiàn)物理與社會(huì)、生活相聯(lián)系的特點(diǎn)，需仔細(xì)審題，挖掘出題目中的有用信息，建立物理模型是解題的關(guān)鍵．地面旁邊有一正在上升的空氣團(tuán)，它與外界的熱交換忽視不計(jì)．已知大氣壓強(qiáng)隨高度增加而降低，則該氣團(tuán)在此上升過程中(不計(jì)氣團(tuán)內(nèi)分子間的勢(shì)能)(C)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．體積增大，溫度不變解析：空氣團(tuán)與外界熱交換忽視不計(jì)，隨高度上升壓強(qiáng)漸漸減小，體積漸漸增大對(duì)外界做功，所以內(nèi)能漸漸減小，則溫度漸漸降低，只有C正確，A、B、D均錯(cuò)誤．1．如圖所示，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(nèi)能，則在將拉桿緩慢向外拉的過程中(D)A．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乙減小解析：本題解題的關(guān)鍵是明確甲、乙兩氣室氣體都?xì)v經(jīng)絕熱過程，內(nèi)能變更取決于做功的狀況．對(duì)甲室內(nèi)的志向氣體，在拉桿緩慢向外拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對(duì)甲室氣體做功，其內(nèi)能應(yīng)增大；對(duì)乙室內(nèi)的氣體，活塞左移，氣體膨脹，氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能應(yīng)減?。?．金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關(guān)，筒內(nèi)高壓空氣快速向外溢出，待筒內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)，馬上關(guān)閉開關(guān)．在外界保持恒溫的條件下，經(jīng)過一段較長的時(shí)間后，再次打開開關(guān)，這時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象是(B)A．筒外空氣流向筒內(nèi)B．筒內(nèi)空氣流向筒外C．筒內(nèi)外有空氣交換，處于動(dòng)平衡態(tài)，筒內(nèi)空氣質(zhì)量不變D．筒內(nèi)外無空氣交換解析：因高壓空氣急劇外溢時(shí)，氣體來不及充分與外界發(fā)生熱交換，可近似看成絕熱膨脹過程，氣體對(duì)外做功，內(nèi)能削減，所以關(guān)閉開關(guān)時(shí)，筒內(nèi)氣體溫度較外界偏低，再經(jīng)過較長時(shí)間后，筒內(nèi)外氣體溫度相同．對(duì)筒內(nèi)剩余氣體分析，屬等容升溫過程，壓強(qiáng)要上升，大于外界氣壓，所以再打開開關(guān)時(shí)，筒內(nèi)氣體要流向筒外．3.如圖所示，汽缸放置在水平地面上，質(zhì)量為m的活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，兩氣室中均充有氣體，汽缸、活塞是絕熱的且不漏氣．起先活塞被銷釘固定，現(xiàn)將銷釘拔掉，活塞最終靜止在距原位置下方h處，設(shè)活塞移動(dòng)前后甲氣體內(nèi)能的變更量為ΔE，不計(jì)氣體重心變更的影響，下列說法正確的是(B)A．ΔE＝mgh B．ΔE>mghC．ΔE<mgh D．以上三種狀況均有可能解析：氣體甲體積減小，外界對(duì)它做正功，其中包括mgh和乙氣體分子對(duì)活塞的力做功W乙，且為正功，ΔE＝mgh＋W乙．4.如圖所示的傳動(dòng)裝置中，皮帶始終保持v＝3m/s的速度水平勻速前進(jìn)．m＝1kg的物體無初速地放到皮帶上A處，若物體與皮帶的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.15，AB相距s＝4.5m，則物體從A運(yùn)動(dòng)到B的過程中，由于摩擦產(chǎn)生的熱量為多少焦？(g取10m/s2)解析：物體運(yùn)動(dòng)的加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg＝0.15×10m/s2＝1.5m/s2