人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律学案

课题

热力学第一定律

能量守恒定律

年级

高二

知识点来源

人教版高中物理选修3-3第十章第三节《热力学第一定律  能量守恒定律》

学习目标

物理观念：1.理解热力学第一定律和能量守恒定律.

2.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因．

科学思维：1.能利用热力学第一定律进行有关计算.

2.会用能量守恒的观点分析、解决有关问题．

学习重难点

理解热力学第一定律和能量守恒定律.

[课前预习]

一、热力学第一定律

1．改变内能的两种方式       和       。

2．热力学第一定律

(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的    与外界对它         的和。

(2)表达式：ΔU＝            。

二、能量守恒定律和永动机

1．能量守恒定律

(1)内容：

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式     为另一种形式，或者从一个物体      到别的物体，在          的过程中，能量的总量保持不变。

(2)意义：

①各种形式的能可以           。

②各种物理现象可以用            联系在一起。

2．永动机不可能制成

(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地        的机器。

(2)不可制成的原因：违背了              定律。

1．自主思考——判一判

(1)做功和热传递在改变物体内能上是不等效的。(     )

(2)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。(    )

(3)功和能可以相互转化。(     )

(4)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律。(     )

(5)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。(     )

(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。(    )

2．自主探究

(1)快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？

 (2)有一种“全自动”机械手表，即不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？并说明理由。

 (3)热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？

【探究过程】

【自主总结】应用热力学第一定律解题的思路

2．公式ΔU＝W＋Q中符号的规定

3.几种特殊情况

(1)若过程是绝热的，即Q＝   ，则        ，                                 。

(2)若过程中不做功，即W=   ，则         ，                                 。

(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU=    ，则            ，                                                            。

4．判断是否做功的方法

一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的      是否变化。

(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W      0。

(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W      0。

 [典例1]　一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是(　　)

A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J

B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J

C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×105 J

D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J

【巩固训练】气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化是(　　)

A．减小20 J　　　　　　 B．增大20 J

C．减小220 J  D．增大220 J

【巩固训练】(1)如图10­3­2甲所示，在斯特林循环的p­V图像中，一定质量理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，整个过程由两个等温和两个等容过程组成。B→C的过程中，单位体积中的气体分子数目______(选填“增大”“减小”或“不变”)。状态A和状态D的气体分子热运动速率的统计分布图像如图2所示，则状态A对应的是________(选填“①”或“②”)。

图10­3­2

(2)如图乙所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4 J和20 J。在B→C和C→D的过程中，气体吸收的热量分别为20 J和12 J。求气体完成一次循环对外界所做的功。

1．能量的存在形式及相互转化：

(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有         ，分子的热运动有    ，还有诸电磁能、       能、      能等。

(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，                          。

(3)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且                 一定相等。

(4)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且                一定相等。

2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，                      。

3．第一类永动机失败的原因分析？

【典例2】如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡。在这个过程中(　　)

A．大气压对水做正功，水的内能减少

B．水克服大气压做功，水的内能减少

C．大气压对水不做功，水的内能不变

D．大气压对水不做功，水的内能增加

【巩固训练】(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是(　　)

A．物体克服阻力做功

B．物体的动能转化为其他形式的能量

C．物体的势能转化为其他形式的能量

D．物体的机械能转化为其他形式的能量

【巩固训练】如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm。现在在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)

【总结感悟】

10.3《热力学第一定律  能量守恒定律》课后巩固练习

1．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将(　　)

A．降低　　　　　　　　 B．升高

C．不变  D．无法确定

2．第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机(　　)

A．不符合机械能守恒定律

B．违背了能量守恒定律

C．无法解决机械摩擦问题

D．找不到合适的材料和合理的设计方案

3．一定质量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，由此过程的末态与初态相比(　　)

A．气体内能一定增加

B．气体内能一定减小

C．气体内能一定不变

D．气体内能是增是减不能确定

4.如图1所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽出隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热为Q，气体内能增量为ΔU，则(　　)

图1

A．ΔU＝Q  B．ΔU＜Q

C．ΔU＞Q  D．无法比较

5.如图2所示为冲击摆实验装置，一水平飞行的子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，在此过程中有关能量转化的说法中正确的是(　　)

图2

A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能

B．子弹的动能转变成沙箱和子弹的重力势能

C．子弹的动能转变成沙箱和子弹的动能

D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变为沙箱和子弹的机械能

6. (多选)图3为某同学设计的喷水装置，内部装有2 L水，上部密封1 atm的空气0.5 L，保持阀门关闭，再充入1 atm的空气0.1 L，设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，下列说法正确的有(　　)

图3

A．充气后，密封气体压强增加

B．充气后，密封气体的分子平均动能增加

C．打开阀门后，密封气体对外界做正功

D．打开阀门后，不再充气也能把水喷光

7．如图4所示，一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B。此过程中，气体压强p＝1.0×105 Pa，吸收的热量Q＝7.0×102 J，求此过程中气体内能的增量。

图4

8．在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水汽，其体积由1.043 cm3变为1 676 cm3。已知水的汽化热为2 263.8 J/g。求：

(1)体积膨胀时气体对外界做的功W；

(2)气体吸收的热量Q；

(3)气体增加的内能ΔU。

参考答案：

1.解析：选B　取房间内气体及电冰箱(有散热装置)为系统，冰箱消耗电能，对系统做功，系统总内能增加，房间内温度升高，B对。

2.解析：选B　第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律。

3.解析：选D　气体吸收热量Q＞0，气体对外做功W＜0，若|Q|＞|W|，根据热力学第一定律知ΔU＞0，内能增加；若|Q|＜|W|，则ΔU＜0，内能减小；若|Q|＝|W|，则ΔU＝0，内能不变，故D对。

4.解析：选B　A、B两部分气体密度不同，混合后其重力势能将发生变化，刚开始时A、B气体的合重心在中线下方，均匀混合后重心在中线上，重心上升了，所以气体的重力势能增加了，由能量守恒定律知，吸收的热量一部分增加气体的内能，一部分增加重力势能，即Q＝ΔU＋ΔEp，所以Q＞ΔU，故B对。

5.解析：选D　子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，一部分动能变成沙箱和子弹的机械能，故D正确。

6.解析：选AC　温度不变，分子平均动能不变，充气后由于气体的质量增大，温度、体积基本不变，气体的压强增大，选项A对、B错；打开阀门后，水减少，气体膨胀，密封气体对水做正功，选项C对；如果水全排出，气体压强为p3，p3(2＋0.5)＝p1(0.5＋0.1)得p3＝0.24p1＜p1，故不再充气不能把水喷光，选项D错。

7.解析：等压变化，＝，对外做的功W＝p(VB－VA)，根据热力学第一定律ΔU＝Q－W解得ΔU＝5.0×102 J。

答案：ΔU＝5.0×102 J

8.解析：取1 g水为研究系统，把大气视作外界。1 g沸腾的水变成同温度的水汽需要吸收热量，同时由于体积膨胀，系统要对外做功，所以有ΔU<Q吸。

(1)气体在等压(大气压)下膨胀做功

W＝p(V2－V1)＝1.013×105×(1 676－1.043)×10－6 J≈169.7 J。

(2)气体吸热：Q＝mL＝1×2 263.8 J＝2 263.8 J。

(3)根据热力学第一定律得

ΔU＝Q＋W＝[2 263.8 J＋(－169.7)]J＝2 094.1 J。

答案：(1)169.7 J　(2)2 263.8 J　(3)2 094.1 J