高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变导学案及答案

第三章热力学定律

第1节功、热和内能的改变

【素养目标】

1.认识物质的运动形式有多种，对应不同运动形式的运动有不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化

【必备知识】

知识点一、绝热过程

系统只是由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程。

知识点二、功与内能的改变

(1)内能概念：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能。

(2)功与系统内能改变：

做功可以改变系统的内能。功是系统内能转化的量度。

①外界对系统做功，系统的内能增加。

在绝热过程中，内能的增加量就等于外界对系统做的功，

即ΔU＝U2－U1＝W。(W＞0)

②系统对外界做功，系统的内能减少。

在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少，即ΔU＝W(W＜0)。

说明：在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳(J)。

【特别提醒】功和内能的区别

功是能量转化的量度，与内能变化相联系，是过程量，而内能是状态量，只有在内能变化过程中才有功。物体内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有内能变化大，才意味着做功多。

知识点三、热和内能的改变

1.热传递

(1)概念：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡，即温度相等为止，这个过程称为热传递。

(2)热传递的实质

热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。

(3)热传递的条件：物体之间或是物体不同部分之间存在温度差。

(4)热传递的三种方式

热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。

①热传导——热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传导热的能力各不相同，容易传导热的物体称为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等。

②热对流——靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式。

③热辐射——热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，与外界温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强。

2.热与内能的改变:在单纯的传热过程中，外界向系统传递多少热量，系统的内能就增加多少;系统向外界传递多少热量,系统的内能就减少多少。

【课堂检测】

1．组成物体的分子在做永不停息的热运动，温度升高时，分子热运动的平均动能________（选填“增大”、“不变”或“减小”）。改变物体内能有做功和_________两种方式。

【答案】增大    热传递   

【详解】[1][2]温度是分子热运动平均动能的标志，温度升高时，分子热运动的平均动能增大；改变物体内能有做功和热传递两种方式。

2．气体温度计结构如图所示．玻璃测温泡A内充有理想气体,通过细玻璃管B和水银压强计相连．开始时A处于冰水混合物中,左管C中水银面在O点处,右管D中水银面高出O点h1=14 cm,后将A放入待测恒温槽中,上下移动D,使C中水银面仍在O点处,测得D中水银面高出O点h2=44 cm。(已知外界大气压为标准大气压,标准大气压相当于76 cm高水银柱产生的压强)

(1)求恒温槽的温度_______；

(2)此过程A内气体内能____(选填“增大”或“减小”),气体不对外做功,气体将____(选填“吸热”或“放热”)。

【答案】T2=364K(或91 ℃)    增大    吸热   

【详解】

(1)  设恒温槽的温度为T2,由题意知T1=273 K

A内气体发生等容变化,根据查理定律得

p1=p0+ph1

p2=p0+ph2

联立代入数据得

T2=364 K(或91 ℃)．    ④

(2)此过程中A内气体温度升高,则内能增大;体积不变,则W=0;根据热力学第一定律有

ΔU=Q+W,得Q>0,即气体将吸热

【素养作业】

1．关于热传递，下列说法中正确的是（　　）

A．热传递是温度的传递

B．物体的内能发生了改变，一定是吸收或放出了热量

C．热传递可以在任何情况下进行

D．物体间存在着温度差，才能发生热传递

【答案】D

【详解】A．热传递的实质是能量的传递，故A错误；

B．物体的内能发生了改变，可能是由于发生了热传递，也可能是由于做功导致的，故B错误；

C．热传递必须在有温度差的情况下进行，故C错误；

D．物体间存在着温度差，才能发生热传递，故D正确。

故选D。

2．下列说法正确的是（　　）

A．扩散现象说明分子之间存在空隙，同时分子在永不停息地做无规则运动

B．布朗运动就是液体分子的无规则运动

C．当分子力表现为引力时，分子势能随分子间距离的增加而减小

D．减速运动的物体一定发生了机械能向内能转化

【答案】A

【详解】A．扩散现象说明分子之间存在空隙，同时分子在永不停息地做无规则运动，选项A正确；

B．布朗运动是悬浮在液体表面的固体颗粒的无规则运动，是液体分子无规则运动的具体表现，选项B错误；

C．当分子力表现为引力时，分子间距离的增加时，分子力做负功，则分子势能增加，选项C错误；

D．减速运动的物体动能减小，可能重力势能增加，例如上抛物体，不一定发生了机械能向内能转化，选项D错误。

故选A。

3．下列实例说明做功改变系统内能的是（　　）

A．热水袋取暖

B．用双手摩擦给手取暖

C．把手放在火炉旁取暖

D．用嘴对手呵气给手取暖

【答案】B

【详解】B选项中双手摩擦做功，使手的内能增加，感到暖和；ACD都是通过热传递来改变系统的内能，选项B正确，ACD错误。

故选B。

4．关于温度和内能的理解，下列说法中正确的是(    ).

A．温度是分子平均动能的标志，物体温度升高，则物体每一个分子的动能都增大

B．不计分子之间的分子势能，质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能

C．1g100水的内能小于1g100水蒸气的内能

D．做功和热传递对改变物体内能是等效的，也就是说做功和热传递的实质是相同的

【答案】C

【详解】A．温度是分子平均动能的标志，物体温度升高，则分子平均动能变大，但非每一个分子的动能都增大，选项A错误；

B．不计分子之间的分子势能，温度相同的氢气和氧气分子具有相同的平均动能，但是质量相同的氢气和氧气的分子数不同，则两种气体的内能不相同，选项B错误；

C．1g100水变为1g100的水蒸气要吸收热量，则1g100水的内能小于1g100水蒸气的内能，选项C正确；

D．做功和热传递对改变物体内能是等效的，但是做功和热传递的实质是不相同的，做功是能量的转化，热传递是能量的转移，选项D错误。

故选C。

5．对于热量、功和物体的内能这三个物理量，下列叙述正确的是（　　）

A．热量、功、内能三者的物理意义相同

B．热量和功都可以作为物体内能的量度

C．热量、功、内能的单位肯定不相同

D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的

【答案】D

【详解】A．热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，故A错误；

B．功与热量都是能量转化的量度，都可以作为物体内能变化的量度，但不是物体内能的量度，故B错误；

C．热量、功和内能的单位相同，都是焦耳，故C错误；

D．功和热量由过程决定，内能由物体的状态决定，故D正确；

故选D。

6．研究气体的性质时，可以设想有一种气体可以不计分子大小和分子间相互作用力，我们把它叫做理想气体。对于一定质量的某种理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．气体温度升高，每一个分子的动能都增大 B．气体温度升高，气体分子的平均动能增大

C．气体压强是气体分子间的斥力产生的 D．气体对外界做功，气体内能一定减小

【答案】B

【详解】AB．气体温度升高，气体分子的平均动能增大，但也有少数气体分子的动能减小，A错误，B正确；

C．气体压强是气体分子持续撞击产生的， C错误；

D．根据热力学第一定律

当气体对外界做功时，同时气体从外界吸收热量，内能不一定减小，D错误。

故选B。

7．关于晶体和非晶体及分子势能，以下说法错误的是（　　）

A．气体对外做功，其内能可能增加

B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体

C．分子势能可能随分子间距离的增加而增加

D．在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体

【答案】B

【详解】A．内能改变两种方式，做功和热传递，由于未说明传热情况，故内能可能增加，A选项不合题意，故A错误；

B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，说明云母片导热各向异性，所以云母片是晶体，而非蜂蜡，B选项符合题意，故B正确；

C．当时，间距增大，分子力做负功，分子势能增大，C选项不合题意，故C错误；

D．晶体和非晶体可以相互转变，比如天然的水晶是晶体，而熔融后的玻璃是非晶体，D选项不合题意，故D错误。

故选B。

8．如图所示，在大口的玻璃瓶内装一些水，水的上方有水蒸气。然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口，并给瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来。当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现了“白雾”。对于“白雾”的形成，下列说法正确的是（    ）

A．这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠

B．这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气

C．这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾

D．瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减小，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴

【答案】D

【详解】当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出形成“白雾”的原因是，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分被液化成小水滴，形成“白雾”，故选项D正确，ABC错误。

故选D。