第1、2节 热力学第一定律 能量守恒定律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

核心素养导学 第三章　热力学定律 第1、2节　热力学第一定律　能量守恒定律 物理观念 (1)知道热力学第一定律的内容。 (2)理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本原理。 (3)知道第一类永动机是不可能实现的。 科学思维 能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。 科学探究 探究能量的转化过程和总量的变化情况。 科学态度与责任 (1)理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 (2)体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义，知道科学发现需要科学家共同努力。 续表 一、热力学第一定律 1．改变内能的两种方式：做功和________都可以改变物体的内能，而且这两种方式是_______的。 2．绝热过程中，对系统做功时内能的变化量与功的关系：ΔU＝W。 3．外界没有对系统做功的过程中，系统内能的变化量与传递热量的关系：ΔU＝Q。 热传递 等价 3 4．当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量：ΔU＝Q＋W。 5．热力学第一定律的内容 在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统的内能增加量ΔU等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和。 6．第一类永动机不可能制成 (1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，能持续不断地__________的机器。 (2)第一类永动机不可能制成的原因：违背了__________________。 对外做功 热力学第一定律 二、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_______到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量____________。 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。, 转化 转移 保持不变 相互转化 能量守恒定律 1．给旱区送水的消防车停在水平地面上。在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。 提示：由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。 2．“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，表针却能不停地转动。由此，有人设想了如图所示的新能源汽车。 请对以下说法作出判断： (1)“全自动”机械手表是一种永动机。 ( ) (2)如图所示的新能源汽车是能够实现的。 ( ) (3)“全自动”机械手表是通过手臂的运动获得能量，供手表指针转动，不是永动机。 ( ) × × √ 新知学习(一)|热力学第一定律的理解及应用 [任务驱动] 如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题： (1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？ 提示：由图可知，气体的变化为等压膨胀，一定是气体对外做功。 (2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？ 提示：由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖­吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。 [重点释解] 1．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 Q W ΔU ＋ 物体吸热 外界对物体做功 内能增加 － 物体放热 物体对外界做功 内能减少 2．三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。 3．判断是否做功的方法 一般情况下看物体的体积是否变化： (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。   [典例体验] [典例]　一定质量的实际气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问： (1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子的平均动能是增加还是减少？ [解析]　(1)气体从外界吸热，故Q＝4.2×105 J， 气体对外做功，故W＝－6×105 J， 由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J。 ΔU为负，说明气体的内能减少了，所以气体内能减少了1.8×105 J。 (2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加。 (3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少。 [答案]　(1)减少　1.8×105 J　(2)增加　(3)减少 /方法技巧/ 应用热力学第一定律解题的方法 (1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (2)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量。 (3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。 (4)特别注意物理量的正负号及其意义。 [针对训练] 1．(多选)在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体，发生下列缓慢变化过程，气体一定与外界有热量交换的过程是(　 ) A．气体的体积不变，温度升高 B．气体的体积减小，温度降低 C．气体的体积减小，温度升高 D．气体的体积增大，温度不变 解析：气体的温度升高，则气体的内能升高，体积不变，则气体做功为零，因此气体吸收热量，A正确；气体的温度降低，则气体的内能降低，体积减小，则外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知气体对外放热，B正确；气体的温度升高，则气体的内能升高，体积减小，则外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等于零，即可能没有热量交换，C错误；气体的温度不变，则气体的内能不变，体积增大，则气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q>0，即气体吸收热量，D正确。 答案：ABD　 2．如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体 (　 ) A．内能减少 B．对外界做正功 C．增加的内能大于吸收的热量 D．增加的内能等于吸收的热量 答案：B　 新知学习(二)|对能量守恒定律的理解 [任务驱动] 文艺复兴时期，达·芬奇制造的永动机装置如图所示。他认为右边的重球比左边的重球离轮心更远些，两边不均衡的作用力会使轮子沿箭头方向转动不息。请问该装置属于第几类永动机，并请说明这类永动机为什么不能成功。 提示：该装置属于第一类永动机，这一设计不可能成功，因为不消耗任何能量却能永远转动的机械，违反了能量守恒定律。　 [重点释解] 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：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。 (2)各种形式的能通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。 2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的 例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。 3．能量守恒定律中的“转化”和“转移” (1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 (2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 4．第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界热源供给热，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 [典例体验] [典例]　(多选)空调市场上有很多变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5～7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机，而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，以下说法合理的是(　 ) A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 B．变频空调运行中做功少，转化能量多 C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 [解析]　自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误；功是能量转化的量度，做同样的功，消耗同样电能，B错误，D正确；由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率高，C正确。 [答案]　CD [针对训练] 1．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它 (　 ) A．不符合热力学第一定律 B．做功产生的热量太少 C．由于有摩擦、热损失等因素的存在 D．找不到合适的材料和合理的设计方案 解析： “第一类永动机”是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，即热力学第一定律，故A正确，B、C、D错误。 答案：A　 2．下列有关能量的描述正确的是 (　 ) A．“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律 B．工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒 C．滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，动能消失，能量不守恒 D．同时做自由落体运动的物体，质量越大，势能减少越快，机械能减少也越快 解析：马儿跑的时候需要消耗能量，而草能够为马儿提供能量，因此“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律，故A正确；工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，损失的电能转化为内能，该过程能量仍守恒，故B错误；滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，减小的动能转化为内能，能量守恒，故C错误；同时做自由落体运动的物体，运动的快慢与质量无关，减少的势能转化为动能，机械能不变，故D错误。 答案：A　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——认识历史上的永动机 1．(选自鲁科版教材“物理聊吧”)如图是历史上曾经出现的几种永动机的设想示意图：图(a)是想利用短杆上的重球产生的作用，使轮子不停地转动；图(b)是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处，再流下冲击轮子的叶片，使轮子不停地转动；图(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，带动轮子不停地转动。 请仔细分析这些永动机的设想，指出它们不可能实现的原因。 提示：图(a)设计，利用了杠杆的原理，认为左侧球的力臂长，力矩大，右侧球的力臂短，力矩小，故轮能逆时针转动，实际上，左侧球不如右侧球数量多，左、右力矩平衡，轮子不可能永远转动。 图(b)设计，利用棉线吸水到高处，水流下时推动轮子上的叶片转动，实际上棉线吸水是由于水的表面张力，当棉线吸水后，表面张力等于水的重力和摩擦阻力时，吸水停止，上边的水流完后，轮子也就不再转动了。 图(c)设计，右边的物体浸在水中，受浮力作用，推动右侧重物上升，左侧重物下降，带动轮子不停地转动。实际上，上面的重物漏出水面，下面的重物进入右侧容器时，就算不考虑漏水的技术问题，也应考虑下面进入的重物要承受上面水的压力，这个压力很大，可抵消上面几个重物所受的浮力，因此，这个永动机也就无法永动了。 科学思维——热力学第一定律的应用 2．(选自粤教版教材课后练习)如图所示，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。 答案：气体内能增加了5.0×102 J 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(2024·北京高考)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体(　 ) A．内能变大 B．压强变大 C．体积不变 D．从水中吸热 解析：上浮过程气泡内气体的温度不变，内能不变，故A错误；气泡内气体压强p＝p0＋ρ水gh，故上浮过程气泡内气体的压强减小，故B错误；由玻意耳定律pV＝C知，气体的体积变大，故C错误；上浮过程气体体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，气体从水中吸热，故D正确。 答案：D　 2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，已成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机踩动单车时线圈在磁场中转动产生电能，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能，如图乙所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法中正确的是 (　 ) A．都是把机械能转化为电能 B．都是把光能转化为电能 C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能 D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能 解析：甲车靠小型发电机踩动单车时线圈在磁场中转动产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能，故是将光能转化为电能。故A、B、D错误，C正确。 答案：C　 3．(多选)某校“科创社”在学校操场进行水火箭发射、航模飞行等展示活动。此次活动激起了该校师生在工作和学习之余的科技创新热情。水火箭是一种用水的压力来推进的模型火箭，同学们利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞，灌入三分之一的水后，利用打气筒充入空气，等到达一定的压力后喷水获得反冲力而发射。喷水过程可以认为瓶内气体与外界绝热，则在喷水阶段 (　 ) A．瓶内气体体积增大，外界对气体做正功 B．瓶内气体内能减小，温度降低 C．喷水阶段机械能转换为内能 D．瓶内气体压强减小，即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小 解析：在喷水过程中，瓶内气体体积增大，气体对外界做功，W<0，故A错误；在喷水过程中，瓶内气体与外界绝热，Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶内气体内能减小，温度降低，故B正确；喷水阶段气体内能减小，而物体运动，机械能增加，所以内能转化为机械能，故C错误；瓶内气体压强减小，即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小，故D正确。 答案：BD　 解析：小瓶内的空气可视为理想气体，在小瓶缓慢上浮的过程中，瓶内空气的温度随水温升高，内能增加，故A错误；同时，瓶内空气的压强减小，由理想气体的状态方程＝C，可知体积增大，气体对外界做正功，故B正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于ΔU＞0，W＜0，则Q＞0，可见气体吸收的热量大于增加的内能，故C、D错误。 解析：气体发生等压变化， 由＝得：VB＝VA＝8.0×10－3 m3， 因VB>VA，气体对外界做功， W＝－p(VB－VA)＝－1.0×105×(8.0×10－3－6.0×10－3)J＝－2.0×102 J， 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q， 可得：ΔU＝－2.0×102 J＋7.0×102 J＝5.0×102 J。 $$