人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：3 1 功、熱和內(nèi)能的改變

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第1節(jié)功、熱和內(nèi)能的改變學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.了解焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理。2.知道做功和傳熱是改變內(nèi)能的兩種方式及做功、傳熱與內(nèi)能改變的關(guān)系。3.明確內(nèi)能、功、熱量和溫度四個(gè)物理量的區(qū)別和聯(lián)系。1.科學(xué)思維用等效思維理解做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上的等效性。2.科學(xué)探究體會(huì)焦耳實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究過(guò)程。一、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.代表實(shí)驗(yàn)(1)重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升。(2)通過(guò)電流的熱效應(yīng)給水加熱。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在各種不同的絕熱過(guò)程中，系統(tǒng)狀態(tài)變化相同，則外力所做的功相同，與做功的方式無(wú)關(guān)。二、功和內(nèi)能的改變1.內(nèi)能：依賴于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，是熱力學(xué)系統(tǒng)的一種能量。2.功和內(nèi)能：在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，即ΔU＝W。(1)ΔU＝W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)外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少?！寂幸慌小?1)從微觀角度說(shuō)，內(nèi)能是所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能之和。(√)(2)從宏觀角度說(shuō)，內(nèi)能是只依賴于熱力學(xué)系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量。(√)(3)功是狀態(tài)量，內(nèi)能是過(guò)程量。(×)(4)外界對(duì)物體做功多，就意味著物體的內(nèi)能大。(×)三、熱與內(nèi)能的改變1.傳熱(1)條件：物體的溫度不同。(2)過(guò)程：溫度不同的物體發(fā)生傳熱，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，熱量從高溫物體傳到低溫物體。(3)傳熱的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。2.熱和內(nèi)能(1)單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱也能改變系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，即傳熱能改變物體的內(nèi)能。(2)熱量：在單純的傳熱過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。(3)單純的傳熱過(guò)程中內(nèi)能的變化。①公式：ΔU＝Q。②物體吸熱，Q為正；物體放熱，Q為負(fù)。〖判一判〗(1)若A、B兩物體接觸但沒(méi)有傳熱，則兩物體所包含的熱量相等。(×)(2)做功和傳熱的共同點(diǎn)是都能使系統(tǒng)內(nèi)能改變。(√)(3)一物體先后經(jīng)過(guò)幾個(gè)不同的物理過(guò)程，其溫度均從t1升高到t2，則在這些過(guò)程中物體一定從外界吸收相同的熱量。(×)(4)高溫物體內(nèi)能多，低溫物體內(nèi)能少。(×)探究1做功和內(nèi)能的改變■情境導(dǎo)入如圖所示，大口玻璃瓶?jī)?nèi)有一些水，水的上方有水蒸氣，向瓶?jī)?nèi)打氣，當(dāng)瓶塞跳出時(shí)，觀察瓶?jī)?nèi)的變化。觀察瓶塞跳出時(shí)瓶?jī)?nèi)的變化我們研究的是瓶塞跳出的過(guò)程，而研究的對(duì)象即“系統(tǒng)”是什么？在瓶塞跳出的過(guò)程中，是外界在對(duì)系統(tǒng)做功還是系統(tǒng)在對(duì)外界做功？這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)的內(nèi)能有什么變化？你從什么現(xiàn)象推斷出它的內(nèi)能發(fā)生了變化？〖答案〗當(dāng)瓶塞跳出時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)瓶?jī)?nèi)的瓶口處有“白霧”產(chǎn)生。我們所選的研究對(duì)象是瓶?jī)?nèi)水面上方的水蒸氣，在瓶塞跳出的過(guò)程中，是系統(tǒng)膨脹對(duì)外界做功，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)的內(nèi)能減少，瓶?jī)?nèi)的瓶口處的“白霧”實(shí)際上是瓶?jī)?nèi)的水蒸氣液化形成的無(wú)數(shù)小液滴，水蒸氣液化過(guò)程中內(nèi)能減少?！鰵w納拓展1.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)物體做功，則W＞0，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；物體對(duì)外界做功，則W＜0。物體對(duì)外界做多少功，就有多少內(nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，物體的內(nèi)能就減少多少。2.功與內(nèi)能的區(qū)別(1)功是過(guò)程量，內(nèi)能是狀態(tài)量。(2)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)能變化越大時(shí)，相應(yīng)地做功才越多。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(méi)有向外放熱，以及向外放熱的多少。(2)在絕熱過(guò)程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化。在絕熱過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)能的變化量等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功?！祭?〗(多選)如圖為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高。關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是()A.這個(gè)裝置可測(cè)定熱功當(dāng)量B.做功增加了水的熱量C.做功增加了水的內(nèi)能D.功和熱量是完全等價(jià)的，無(wú)區(qū)別〖答案〗AC〖解析〗該實(shí)驗(yàn)測(cè)定做功和內(nèi)能變化的關(guān)系，可以測(cè)定熱功當(dāng)量，A正確；該實(shí)驗(yàn)是絕熱過(guò)程，沒(méi)有傳熱，改變內(nèi)能的方式是做功，C正確；做功表示能量的轉(zhuǎn)化，而熱量表示傳熱中內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，二者有區(qū)別，B、D錯(cuò)誤?！祭?〗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)活塞施加一豎直向下的壓力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力，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〖答案〗C〖解析〗向下壓活塞，活塞對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能增加，溫度升高，氣體的體積減小，由eq\f(pV,T)＝C可得出氣體的壓強(qiáng)增大，故選項(xiàng)C正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練1〗如圖所示的容器中，A、B中各有一個(gè)可自由移動(dòng)的活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定，A、B的底部由帶閥門K的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱。打開(kāi)閥門前，A中水面比B中水面高，打開(kāi)閥門后，A中的水逐漸向B中流，最后達(dá)到同一高度，在這個(gè)過(guò)程中()A.大氣壓力對(duì)水做功，水的內(nèi)能增加B.水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C.大氣壓力對(duì)水不做功，水的內(nèi)能不變D.大氣壓力對(duì)水不做功，水的內(nèi)能增加〖答案〗D〖解析〗打開(kāi)閥門K穩(wěn)定后，容器A、B中的水面相平，相當(dāng)于圖中畫(huà)斜線部分的水從A移到B，這部分水的重力勢(shì)能減少了，即重力對(duì)水做了功，同時(shí)大氣壓力對(duì)A容器中的水做正功為p0SAhA，對(duì)B容器中的水做負(fù)功為p0SBhB，因?yàn)閮刹糠炙捏w積相等，所以大氣壓力對(duì)水做的總功為零。由于容器絕熱，系統(tǒng)與外界之間沒(méi)有熱交換，而重力對(duì)系統(tǒng)做正功，故水的內(nèi)能增加，選項(xiàng)D正確。探究2熱和內(nèi)能的改變■情境導(dǎo)入(1)用鐵錘反復(fù)敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會(huì)升高，把鐵棒放在炭火上燒，鐵棒的溫度也會(huì)升高，這說(shuō)明了什么問(wèn)題？(2)如圖所示是傳熱的三種方式——傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。①這三種方式在傳遞能量時(shí)有什么共同點(diǎn)？②傳熱和做功都可以改變物體的內(nèi)能，這兩種方式在改變物體內(nèi)能時(shí)本質(zhì)上又有什么不同？〖答案〗(1)說(shuō)明做功和傳熱都能改變物體的內(nèi)能。(2)①三種方式都是熱量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體。②傳熱是內(nèi)能在物體間(或一個(gè)物體的不同部分之間)轉(zhuǎn)移，做功是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化。■歸納拓展1.內(nèi)能與溫度：從宏觀上看，溫度表示的是物體的冷熱程度；從微觀上看，溫度反映了分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。物體的內(nèi)能由溫度、體積及物質(zhì)的量(物體的質(zhì)量)決定。2.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(kāi)過(guò)程，毫無(wú)意義。(3)對(duì)某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本不存在“熱量”和“功”。不能說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)中含有多少熱量。3.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。4.熱量與功：熱量和功都是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，都是過(guò)程量，一定量的熱量與一定量的功相當(dāng)，但它們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。5.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)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的〖例3〗關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說(shuō)法中正確的有()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〖答案〗D〖解析〗物體的內(nèi)能由溫度、體積及物體的質(zhì)量(物質(zhì)的量)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?！祭?〗(多選)關(guān)于熱量、功和內(nèi)能的下列說(shuō)法中正確的是()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〖答案〗CD〖解析〗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)能變化的多少，而功也是用做功的方式量度物體內(nèi)能變化的多少，B錯(cuò)誤，C正確；三者的單位都是焦耳，D正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練2〗一個(gè)氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起(若不計(jì)氣泡內(nèi)空氣分子勢(shì)能的變化)，則()A.氣泡對(duì)外做功，內(nèi)能不變，同時(shí)放熱B.氣泡對(duì)外做功，內(nèi)能不變，同時(shí)吸熱C.氣泡內(nèi)能減少，同時(shí)放熱D.氣泡內(nèi)能不變，不吸熱也不放熱〖答案〗B〖解析〗在氣泡緩慢上升的過(guò)程中，氣泡外部的壓強(qiáng)逐漸減小，氣泡膨脹，對(duì)外做功，故氣泡中空氣分子的內(nèi)能減少，溫度降低。但由于外部恒溫，且氣泡緩慢上升，故可以認(rèn)為上升過(guò)程中氣泡內(nèi)空氣的溫度始終等于外界溫度，內(nèi)能不變，故需從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于對(duì)外界所做的功。故選項(xiàng)B正確。1.(做功與內(nèi)能變化)景頗族的祖先發(fā)明的點(diǎn)火器如圖所示，用牛角做套筒，木制推桿前端粘著艾絨，猛推推桿，艾絨即可點(diǎn)燃。對(duì)筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過(guò)程中()A.氣體溫度升高，壓強(qiáng)不變B.氣體溫度升高，壓強(qiáng)變大C.氣體對(duì)外界做正功，氣體內(nèi)能增加D.外界對(duì)氣體做正功，氣體內(nèi)能減少〖答案〗B〖解析〗在壓縮過(guò)程中推桿對(duì)氣體做正功，氣體的內(nèi)能增加，溫度升高，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C可知，氣體的壓強(qiáng)變大，故B正確。2.(做功與內(nèi)能變化)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(guò)程中()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〖答案〗D〖解析〗本題解題的關(guān)鍵是明確甲、乙兩氣室氣體都經(jīng)歷絕熱過(guò)程，內(nèi)能的改變?nèi)Q于做功的情況。對(duì)甲室內(nèi)的氣體，在拉桿緩慢向外拉的過(guò)程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對(duì)甲室氣體做功，其內(nèi)能增大；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)能減小，故選項(xiàng)D正確。3.(傳熱與內(nèi)能變化)(多選)關(guān)于傳熱，下列說(shuō)法正確的是()A.傳熱中，熱量一定從含熱量多的物體傳向含熱量少的物體B.兩個(gè)物體間發(fā)生傳熱的條件是它們之間有溫度差C.在傳熱中熱量一定從內(nèi)能多的物體傳向內(nèi)能少的物體D.內(nèi)能相等的兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，也可能發(fā)生傳熱〖答案〗BD〖解析〗熱量的概念只有在涉及能量傳遞時(shí)才有意義，所以不能說(shuō)物體含有多少熱量，A錯(cuò)誤；物體間發(fā)生傳熱的條件是物體間存在溫度差，B正確；在傳熱中，熱量一定從溫度高的物體傳向溫度