2018-2019學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律課時(shí)3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)案新人教

1、學(xué)案 3 熱力學(xué)第一定律能量守恒定律目標(biāo)定位1.理解熱力學(xué)第一定律，并會運(yùn)用于分析和計(jì)算律 3 知道什么是第一類永動機(jī)及其不可能制成的原因.知識探究一、熱力學(xué)第一定律問題設(shè)計(jì)一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內(nèi)能增加.因?yàn)閱渭兊貙ο到y(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能. 既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的，那么當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為W又對系統(tǒng)傳熱為Q時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量 U應(yīng)該是多少？答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量 U= Q+W要點(diǎn)提煉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

2、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.3.熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：U= QFW4. 對公式 U= Q+ W符號的規(guī)定符號WQU2 理解并會運(yùn)用能量守恒定基礎(chǔ)自學(xué)落實(shí) 重點(diǎn)互動探究+體積減小，外界對熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加體積增大，熱力學(xué)系統(tǒng)對外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少5.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1) 根據(jù)符號法則寫出各已知量(W QU)的正負(fù);(2) 根據(jù)方程U= WQ求出未知量；(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況.6 氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的關(guān)系兩者的結(jié)合點(diǎn)是體積V和溫度T注意三個特殊過程的特點(diǎn)：(1

3、) 等溫過程：內(nèi)能不變， U= 0;(2) 等容過程：體積不變，W= 0;絕熱過程：Q= 0.二、能量守恒定律問題設(shè)計(jì)使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式有做功和熱傳遞.做功的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，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)，能量的總量會減少嗎？答案能量的總量保持不變.要點(diǎn)提煉1能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另二種形式，或者從 一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變.2. 對能量守恒定律的理解(1) 某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等. _(2) 某個物體的能量減

4、少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等. _3. 能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運(yùn)動形式都有對應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動有內(nèi)能，還有諸如電磁能、 化學(xué)能、原子能等.各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化.4第一類永動機(jī)(1)定義：不需要任何動力或燃料卩能不斷地對外做功的機(jī)器.不可能制成的原因：違背了能量守恒定律.延伸思考熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？答案是.、典例精析一、 熱力學(xué)第一定律例 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

5、加D. 絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加解析 做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化.答案 CD例 2 空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對空氣做了2X105J 的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5X105J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？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UVW Q由題意可知 W= 2X105J , U= 1.5X105J，代入上式得：554Q=AU-W1.5X10 J2X10 J=-5X10 J.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5X104J.答案 5X104J二、 能量守恒定律【例 3 下列對能量守恒定律的認(rèn)

6、識正確的是（）A 某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B. 某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C. 不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機(jī)器一一第一類永動機(jī)是不可能制成的D. 石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機(jī)械能消失了解析 A 選項(xiàng)是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的.B 選項(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的，這正好是能量守恒定律的兩個方面一一轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移.第一類永動機(jī)是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.所以A、B、C 正確；D 選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化，比如受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒有消 失，能量守恒定律表明能

7、量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D 錯誤.答案 ABC三、 熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的結(jié)合【例 4】如圖 1 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重為G的物體，大氣壓強(qiáng)恒為po.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為To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：/zz.UG圖 1(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.解析 密圭寸氣體的壓強(qiáng)p=po (G S)密封氣體對外做功W pSX0.1L由熱力學(xué)第一定律得 U=Q- W得 U

8、= Q- 0.1poSL+ 0.1LG(2)該過程是等壓變化，由蓋一呂薩克定律有LS=(L+ 0.1L ST0=T解得T= 1.1T。.答案(1) Q- 0.1P0SL+ 0.1LG(2)1.1T0自我”木僉;則檢測學(xué)習(xí)奴果體驗(yàn)咸功快樂1.(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8X104J 的功，氣體5的內(nèi)能減少了 1.2X10 J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是()454A.W=8X10 J, U=1.2X10 J,Q=4X10 JB.W=8X104J, U= 1.2X105J,Q=2X105J454C.W= 8X10 J, U=1.2X10 J,Q= 2X1

9、0 J454D.W= 8X10 J, U= 1.2X10 J,Q=4X10 J答案 B解析因?yàn)橥饨鐚怏w做功，W取正值，即W= 8X104J ;氣體的內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U= 1.2X105J ;根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U= Wb Q可知 Q= U- W= 1.2X105J 8X104J= 2X105J，即 B 選項(xiàng)正確.2.(熱力學(xué)第一定律)如圖 2 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()*中-A.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

10、由于不計(jì)氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進(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；由熱力學(xué)第一定律U= VW Q,因?yàn)樵谙陆颠^程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，U= 0,所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng) A 錯，C 對.3. （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，造一臺永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動的機(jī)械B. 做一條船，利用流水的能量逆水行舟C. 通過太陽照射飛機(jī)，即使飛機(jī)不帶燃料也能飛行D. 利用核動力，駕駛地球離開太陽系答案 BCD解析 利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)

11、能使轉(zhuǎn)動停止，故 A 不符合.讓船先靜止在水中，設(shè)計(jì)一臺水力發(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)的動能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)不帶燃料也能飛行，故 B C 符合；禾U用反沖理論，以核動力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙 脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D 符合.4. （熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用）如圖 3 是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開始時(shí)封閉的氣柱長度為22 cm,現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的5氣柱長度變?yōu)?2 cm,人對活塞做功 100 J,大氣壓強(qiáng)為po= 1x10 Pa,不計(jì)活塞

12、的重力.問：F圖 3（1）若用足夠長的時(shí)間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？（2）若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，氣體向外散失的熱量為20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？（活塞的橫截面積S= 1 cm2）答案（1）1.1x106Pa82 J解析（1）設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為P,活塞的橫截面積為S, Io= 22 cm ,l= 2 cm, V）=loS,V=IS，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得poV=pV6解得p= 1.1x10 Pa大氣壓力對活塞做功W=poS（Io-I） = 2 J人做功W= 100 J由熱力學(xué)第一定律得U=W+W/+QQ=- 20 J 解得U= 82 J憲課堂要點(diǎn)小結(jié)研究對象:熱力學(xué)

13、系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律!表達(dá)式:I公式符號的規(guī)定不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化熱力學(xué)第一定律與氣休實(shí)驗(yàn)定律的結(jié)合40 分鐘課時(shí)作業(yè)題組一熱力學(xué)第一定律1 關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法中正確的是（）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 U= W Q,物體內(nèi)能的變化與外界對物體做功（或物體對外界做功）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)對外 做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A 錯；同理，物體對外做功的同時(shí)有可能吸熱

14、，故內(nèi)能不一定減少，B 錯；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內(nèi)能不變，C 正確；而放熱與對外做功都使物體內(nèi)能減少，故D 錯.2.密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣（不計(jì)分子勢能的變化）（）A.內(nèi)能增大，放出熱量 B .內(nèi)能減小，吸收熱量熱力學(xué)第一定律, 能量守恒定律能量守.恒定律,內(nèi)容 能量守恒定律 意丈永動機(jī)不可能制成:概念原因結(jié)果C.內(nèi)能增大，對外界做功 D 內(nèi)能減小，外界對其做功 答案 D解析 不計(jì)分子勢能的變化時(shí)瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān),料瓶變扁時(shí)瓶內(nèi)空氣體積減小，外界對其做功.再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶內(nèi)空氣要 放出熱量，故只有選項(xiàng) D 正確.定量的理想氣

15、體在某一過程中，從外界吸收熱量 2.5X104J,氣體對外界做功 1.0X104答案 D解析 由U= WbQ可得理想氣體內(nèi)能變化U=- 1.0X104J+ 2.5X104J = 1.5X104J0 , 故溫度升高，A、B 兩項(xiàng)均錯.因?yàn)闅怏w對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由 可知密度較小，故 C項(xiàng)錯誤，D 項(xiàng)正確.4.一定質(zhì)量的氣體在保持壓強(qiáng)恒等于1.0X105Pa 的狀況下，體積從 20 L 膨脹到 30 L,這一過程中氣體從外界吸熱 4X103J，則氣體內(nèi)能的變化為（）A.增加了 5X10 J B .減少了 5X10 JC.增加了 3X103J D .減少了 3X103J答案 C解析

16、 氣體等壓膨脹過程對外做功W pAV= 1.0X105PaX（30 20）X10-3m3= 1.0X103J.這一過程氣體從外界吸熱Q=4X103J .由熱力學(xué)第一定律AUWbQ,由于氣體對外做 功，W應(yīng)取負(fù)值，則可得AU=- 1.0X103J + 4.0X103J = 3.0X103J，即氣體內(nèi)能增加了 3X103J .故選項(xiàng) C正確.題組二能量守恒定律5.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法中正確的是（）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越來越小，說明機(jī)械能在減少，故A、C 項(xiàng)

17、錯誤；而減少的機(jī)械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故B 項(xiàng)錯誤，D 項(xiàng)正確.溫度降低時(shí)其內(nèi)能減小. 塑3.J,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6. 如圖 1 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（）A. 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. 子彈的動能一部分轉(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

18、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.7“第一類永動機(jī)”不可能制成，是因?yàn)椋ǎ〢. 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 B8.如圖 2 所示，一演示用的“永動機(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”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動下列說法正確的是（）圖 2A. 轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B. 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身C. 轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高

19、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，葉片開始轉(zhuǎn)動，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.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9.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 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（）A. 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 抽離

20、隔板 K,a內(nèi)氣體體積變大，由于b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.10.用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖4 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 4A. 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 袋內(nèi)氣體與外界無熱交換即Q= 0,袋四周被擠壓時(shí)，體積V減小，外界對氣體做正選項(xiàng)AC 正確，B、D 錯誤.11.如圖 5所示，A B兩點(diǎn)表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(shí)（）PA4功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律U=W- Q氣體內(nèi)能增大,則溫度升高pV由乍=常數(shù)