新教材適用2024-2025學年高中物理第3章熱力學定律2.熱力學第一定律3.能量守恒定律學案新人教版選擇性必修第三冊

2.熱力學第肯定律3.能量守恒定律課程標準1．通過有關(guān)史實，了解熱力學第肯定律和能量守恒定律的發(fā)覺過程，體會科學探究中的挫折和失敗對科學發(fā)覺的意義。2．理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點說明自然現(xiàn)象。3．體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一。素養(yǎng)目標1．理解并會運用能量守恒定律。2．知道什么是第一類永動機及其不行能制成的緣由。學問點1熱力學第肯定律1．變更內(nèi)能的兩種方式做功與_傳熱__。兩者在變更系統(tǒng)內(nèi)能方面是_等價的__。2．熱力學第肯定律(1)內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能變更量等于外界向它傳遞的_熱量__與外界對它_所做的功__的和。(2)表達式：_ΔU＝Q＋W__。留意：熱力學第肯定律的數(shù)學表達式也適用于物體對外界做功、向外界傳熱和內(nèi)能削減的狀況。『判一判』(1)ΔU＝W＋Q。該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能變更之間的定量關(guān)系，在物理學中叫作熱力學第肯定律。(√)『選一選』關(guān)于做功、傳熱與內(nèi)能變更的說法，正確的是(A)A．不通過做功的過程，物體的內(nèi)能也可以變更B．不對物體做功，物體的內(nèi)能會保持不變C．外力對物體做2J的功，物體就肯定增加2J的內(nèi)能D．物體汲取熱量，內(nèi)能肯定增加解析：做功和傳熱都可以變更物體的內(nèi)能，故A正確，B錯誤；外力對物體做2J的功，若物體與外界沒有熱交換，則內(nèi)能肯定增加2J，故C錯誤；物體汲取熱量時，假如對外做功，內(nèi)能不肯定增加，故D錯誤。學問點2能量守恒定律能量守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會憑空_產(chǎn)生__，也不會憑空_消逝__，它只能從一種形式_轉(zhuǎn)化__為其他形式，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)意義：①各種形式的能可以相互_轉(zhuǎn)化__。②各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象可以用_能量守恒__定律聯(lián)系在一起?！号幸慌小?2)某個物體的能量削減，必定有其他物體的能量增加。(√)(3)石子從空中落下，最終停止在地面上，說明機械能消逝了。(×)(4)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能的總量是可以變更的。(×)(5)違反能量守恒定律的過程是不行能發(fā)生的。(√)學問點3永動機不行能制成1．永動機：不須要任何動力或燃料，卻能不斷地_對外做功__的機器。2．永動機不行能制成的緣由：違反了_能量守恒__定律。3．意義：正是歷史上設(shè)計永動機的_失敗__，才使后人的思索走上了正確的道路?！哼x一選』(多選)下列關(guān)于第一類永動機的說法，正確的是(AD)A．第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器B．第一類永動機不能制成的緣由是違反了熱力學其次定律C．第一類永動機不能制成的緣由是技術(shù)問題D．第一類永動機不能制成的緣由是違反了能量守恒定律解析：第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器，這是人們的美妙愿望，但它違反了能量守恒定律，這是它不能制成的緣由?！合胍幌搿挥幸环N所謂“全自動”機械手表，既不須要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動機？假如不是，你知道維持表針走動的能量是從哪兒來的嗎？答案：不是永動機，手表戴在手上，手運動的能量一部分轉(zhuǎn)化為手表的能量(動能)。探究對熱力學第肯定律的理解要點提煉1．對ΔU＝W＋Q的理解熱力學第肯定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內(nèi)能變更的定量表述推廣到一般狀況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內(nèi)能變更的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量。2．與熱力學第肯定律相匹配的符號法則做功W熱量Q內(nèi)能的變更ΔU取正值＋”外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界汲取熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負值－”系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能削減3．幾種特別狀況(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功。(2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界汲取的熱量。(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體汲取的熱量等于物體對外界做的功)。4．推斷是否做功的方法一般狀況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變更。(1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W＜0。(2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W＞0。(1)當做功和熱傳遞同時發(fā)生時，物體的內(nèi)能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。(2)物體內(nèi)能發(fā)生變更可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結(jié)果。典例剖析典例1如圖所示是封閉的氣缸，內(nèi)部封有肯定質(zhì)量的志向氣體．用外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，則缸內(nèi)氣體的(A)A．溫度上升，內(nèi)能增加600JB．溫度上升，內(nèi)能削減200JC．溫度降低，內(nèi)能增加600JD．溫度降低，內(nèi)能削減200J解析：由熱力學第肯定律ΔU＝W＋Q得，ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，肯定質(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能大小只與溫度有關(guān)，ΔU＝600J>0，故溫度上升，A選項正確。對點訓練?肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)A變更到狀態(tài)B，再變更到狀態(tài)C，其狀態(tài)變更過程的p－V圖像如圖所示，已知A→B過程放出熱量Q，TA＝TC，則B→C過程氣體汲取還是放出熱量？熱量是多少？答案：汲取熱量Q＋p2(V2－V1)解析：由圖可知，B→C過程氣體的壓強不變，氣體的體積增大，氣體對外做功，溫度上升，則內(nèi)能增大，由熱力學第肯定律知氣體汲取熱量。B→C過程，氣體對外做的功為W＝－p2(V2－V1)。A→B過程，氣體的體積不變，不對外做功，由A→C過程氣體內(nèi)能不變，依據(jù)ΔU＝W總＋Q總得0＝W＋(－Q＋QBC)，可得QBC＝Q－W＝Q＋p2(V2－V1)，即B→C過程氣體汲取的熱量為Q＋p2(V2－V1)。探究對能量守恒定律的理解要點提煉1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等。各種形式的能，通過做功可以相互轉(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，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度上升，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能2．守恒條件與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機械能守恒，必需是只有重力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然界現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3．能量守恒定律的重要意義(1)找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量，從而把各種自然現(xiàn)象用能量規(guī)律聯(lián)系起來，揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。(2)突破了人們關(guān)于物質(zhì)運動的機械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明白各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍，它是物理學中解決問題的重要思維方法。能量守恒定律與電子的發(fā)覺、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中三大發(fā)覺，其重要意義由此可見。(3)具有重大實踐意義，即徹底粉碎了永動機的幻想。(1)能量守恒定律是一個自然界中普遍適用的規(guī)律，凡是遇到涉及能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問題時可優(yōu)先考慮運用其解決。(2)層出不窮的永動機設(shè)計方案，由于違反了能量守恒定律，無一例外地宣布失敗，人類制造永動機的企圖是沒有任何勝利希望的。典例剖析典例2如圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有肯定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁間的摩擦忽視不計。置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為Ep(彈簧處在自然長度時的彈性勢能為零)?，F(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運動，經(jīng)過多次往復(fù)運動后活塞靜止，氣體達到平衡狀態(tài)。經(jīng)過此過程(D)A．Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能B．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能C．Ep全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能解題指導(dǎo)：利用能量守恒定律解決問題時，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，哪種能量削減了，確定探討的系統(tǒng)后，用能量守恒的觀點求解。解析：當繩子突然斷開時，活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對活塞向下的壓力F′共同作用，如圖所示，其合力向上，經(jīng)多次往復(fù)運動后活塞靜止時，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體積必減小，外力對氣體做正功，由于絕熱，氣體的內(nèi)能增加，而活塞最終的靜止位置比初始位置高，其重力勢能增加，最終彈力與另外兩個力的合力平衡，彈簧仍有形變。設(shè)最終彈簧的彈性勢能為Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力勢能＋氣體增加的內(nèi)能，所以D選項正確。對點訓練?(多選)空調(diào)市場上有許多變頻空調(diào)，據(jù)專家介紹變頻空調(diào)比定頻的要節(jié)能，因為定頻空調(diào)開機時就等同于汽車啟動時，很耗能，是正常運行的5～7倍。空調(diào)在工作時達到設(shè)定溫度就停機，等溫度高了再接著啟動。這樣的頻繁啟動，耗電多，而變頻空調(diào)啟動時有一個由低到高的過程，運行過程是自動變速來保持室內(nèi)溫度，從開機到關(guān)機中間不停機，而是達到設(shè)定溫度后就降到最小功率運行，所以比較省電。閱讀上述介紹后，以下說法合理的是(CD)A．變頻空調(diào)整能，運行中不遵守能量守恒定律B．變頻空調(diào)運行中做功少，轉(zhuǎn)化能量多C．變頻空調(diào)在同樣工作條件下運行效率高，省電D．變頻空調(diào)與定頻空調(diào)做同樣功時，消耗同樣電能解析：自然界的一切過程都遵守能量守恒定律，A錯誤；功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做同樣的功，消耗同樣電能，B錯誤，D正確；由變頻空調(diào)的工作特點可知省電的緣由是效率高，C正確。永動機不行能制成1．第一類永動機人們把設(shè)想中的不消耗能量的機械叫作第一類永動機，第一類永動機是不行能制成的。2．第一類永動機失敗的緣由分析假如沒有外界熱源供應(yīng)熱量，則有U2－U1＝W，就是說，假如系統(tǒng)內(nèi)能削減，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能削減為代價的，若想源源不斷地做功，就必需使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供應(yīng)的狀況下，是不行能的。案例如圖所示，一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形態(tài)記憶合金制成的葉片。輕推轉(zhuǎn)輪后，進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，葉片形態(tài)快速復(fù)原，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動。下列說法正確的是(D)A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不須要消耗外界能量B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形態(tài)記憶合金自身C．轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫上升D．葉片在熱水中汲取的熱量肯定大于在空氣中釋放的熱量解析：形態(tài)記憶合金進入水后受熱形態(tài)發(fā)生變更而攪動熱水，由能量守恒知能量來源于熱水，故A、B、C錯誤；由能量守恒知，葉片汲取的能量一部分轉(zhuǎn)化成葉片的動能，一部分釋放于空氣中，故D對。一、熱力學第肯定律1．(2024·北京其次中學期末)肯定質(zhì)量的志向氣體，從某一狀態(tài)起先，經(jīng)過一系列變更后又回到起先的狀態(tài)，用W1表示外界對氣體做的功，W2表示氣體對外界做的功，Q1表示氣體汲取的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個過程中肯定有(A)A．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2C．W1＝W2 D．Q1>Q2解析：因為該氣體從某一狀態(tài)起先，經(jīng)過一系列變更后又回到起先的狀態(tài)，所以內(nèi)能沒有變更，ΔU＝0。依據(jù)熱力學第肯定律可知W1－W2＋Q1－Q2＝ΔU＝0，即Q1－Q2＝W2－W1，故A正確。2.(多選)如圖所示，肯定量的志向氣體從狀態(tài)a變更到狀態(tài)b。在此過程中(BCD)A．氣體溫度始終降低B．氣體內(nèi)能始終增加C．氣體始終對外做功D．氣體始終從外界吸熱E．氣體汲取的熱量始終全部用于對外做功解析：肯定量的志向氣體從a到b的過程，由志向氣體狀態(tài)方程可知eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)，則Tb>Ta，即氣體的溫度始終上升，選項A錯誤；依據(jù)志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，可知氣體的內(nèi)能始終增加，選項B正確；由于從a到b的過程中氣體的體積增大，所以氣體始終對外做功，選項C正確；依據(jù)熱力學第肯定律可知，從a到b的過程中氣體始終從外界吸熱，選項D正確；氣體汲取的熱量一部分用于增加內(nèi)能，一部分用于對外做功，選項E錯誤。3．(多選)下列過程可能發(fā)生的是(ABD)A．物體汲取熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加B．物體汲取熱量，對外做功，同時內(nèi)能削減C．外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能削減D．外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加解析：當物體汲取的熱量多于對外做的功時，物體的內(nèi)能就增加，故A正確；當物體汲取的熱量少于對外做的功時，物體的內(nèi)能就削減，故B正確；外界對物體做功，同時物體吸熱，則物體的內(nèi)能必增加，故C錯誤；當物體放出的熱量少于外界對物體做的功時，物體的內(nèi)能增加，故D正確。4．(多選)(2024·遼寧大連普蘭店其次中學高二期中)肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變更到狀態(tài)C，其V－T圖像如圖所示。下列說法正確的有(AD)A．B→C的過程中，氣體壓強不變B．A→B的過程中，氣體汲取熱量C．A→B的過程中，氣體對外界做功D．A→B→C的過程中，氣體內(nèi)能減小解析：B→C的過程中，依據(jù)eq\f(V,T)＝k可知氣體壓強不變，選項A正確；A→B的過程中，氣體溫度不變，則內(nèi)能不變，氣體體積減小，則外界對氣體做功，則氣體放出熱量，選項B、C錯誤；A→B→C的過程中，氣體溫度降低，則內(nèi)能減小，選項D正確。二、能量守怛定