第2、3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（人教版2019）

热力学第一定律 能量守恒定律 (强基课——逐点理清物理观念) 第 2、3节 课标要求 1.知道热力学第一定律。 2.通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。 3.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。 学习目标 1.了解能量的转化与守恒。 2.理解热力学第一定律，会用ΔU=W+Q解决相关问题。理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 3.知道第一类永动机不可能制成。 1 逐点清(一)　热力学第一定律 2 逐点清(二)　能量守恒定律 3 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 逐点清(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.单纯地对系统做功时内能的变化量与功的关系：ΔU=W。 3.单纯地对系统传热时，内能的变化量与传递热量的关系：ΔU=Q。 多维度理解 传热 等价 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 一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 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.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]　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? [答案]　减少 [解析]　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)分子势能是增加还是减少? [答案]　增加 [解析]　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，分子间的作用力做负功，气体分子势能增加。 (3)分子的平均动能是增加还是减少? [答案]　减少 [解析]　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。 1.(2023·全国甲卷)(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 E.气体的体积增大，温度降低 全方位练明 √ √ √ 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；气体的温度降低，则气体的内能降低，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可能等于零，即可能没有热量交换，E错误。 2.(2024·开封高二质量检测)如图所示，用气压式开瓶器开红酒瓶，通过针头向瓶内打几次气，然后便能轻松拔出瓶塞，则 (　　) A.打气后瓶塞拔出前，气体压强减小 B.打气后瓶塞拔出前，气体分子的数密度增大 C.快速拔出瓶塞的过程中，气体吸热，内能增大 D.快速拔出瓶塞的过程中，气体放热，内能减小 √ 解析：打气后瓶塞拔出前，气体压强增大，故A错误；打气后瓶塞拔出前，单位体积内的分子数增加，即气体分子的数密度增大，故B正确；快速拔出瓶塞的过程中，气体体积变大，对外做功，由于是快速拔出瓶塞，可认为该过程没有发生热传递，根据热力学第一定律可知，气体内能减少，故C、D错误。 逐点清(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______为其他形式，或者从一个物体______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量__________。 多维度理解 转化 转移 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。 3.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)第一类永动机不可能制成的原因：违背了_________________。 相互转化 能量守恒定律 对外做功 能量守恒定律 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.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。 1.判断下列说法是否正确。 (1)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。 ( ) (2)功和能可以相互转化。 ( ) (3)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能量的转化和守恒定律。 ( ) (4)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。 ( ) 全方位练明 × × √ √ 2.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它 (　　) A.不符合能量守恒定律 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，故A正确，B、C、D错误。 √ 3.(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，耗能是正常运行的5~7倍。定频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，运行过程是通过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。 √ √ 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A级——基础达标 1.汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中(　　) A.汽车的机械能守恒 B.汽车的动能和势能相互转化 C.机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少 D.机械能逐渐转化为内能，总能量不变 √ 6 7 8 9 10 11 12 解析：汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故D正确。 1 2 3 4 5 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(2023·天津高考)如图是爬山所带的氧气瓶，爬高过程中，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，温度降低，则气体 (　　) A.对外做功 B.内能减少 C.吸收热量 D.压强不变 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：爬高过程中，气体的体积保持不变，则气体对外不做功，A错误；爬高过程中，气体温度降低，则气体的内能减少，B正确；根据热力学第一定律可知ΔU=W+Q，又W=0，ΔU<0，则Q<0，即气体放出热量，C错误；爬高过程中，气体的体积不变，温度降低，根据查理定律p=CT，可知气体的压强减小，D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 3.(2024年1月·吉林、黑龙江高考适应性演练)某同学取一装有少量水的塑料矿泉水瓶，旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压水瓶。然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞的同时瓶内出现白雾，则 (　　) A.挤压水瓶过程中，瓶内气体分子的平均动能减小 B.挤压水瓶过程中，瓶内气体内能不变 C.瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功 D.瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体温度升高 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压水瓶，外界对气体做正功，瓶内气体来不及发生热传导，根据热力学第一定律可知，瓶内气体内能变大，温度升高，则瓶内气体分子的平均动能增大，故A、B错误；然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功，瓶内气体来不及发生热传导，根据热力学第一定律可知，瓶内气体内能变小，温度降低，故C正确，D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 4.(2024·毕节高二阶段练习)如图所示，在紫铜管内滴入乙醚；盖紧管塞，用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前 (　　) A.外界对管内气体做功，气体的内能减少 B.气体吸热使内能增加 C.管内气体的内能不变，压强变大 D.管内气体的内能增加，压强变大 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：手拉住绳子两端迅速往复拉动，则外界对管内气体做功，气体的内能增加，故A错误；气体内能增加是外界做功引起的，不是气体吸热，故B错误；管内气体的内能增加，温度升高，体积不变，则压强变大，故D正确，C错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 5.(2024·南京高二检测)在飞机起飞的过程中，由于高度快速变化，会引起机舱内气压变化，乘客小周同学观察发现，在此过程中密封桶装薯片的薄膜盖子凸起，如图所示。若起飞前后桶内气体的温度保持不变，则下列关于桶内气体(可视为理想气体)的说法中正确的是 (　　) A.桶内气体从外界吸收热量 B.桶内气体分子平均动能变小 C.桶内气体压强增大 D.桶内气体对外做功，内能减小 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：由于理想气体温度不变，则内能不变ΔU=0，理想气体体积变大，气体对外做功，则W<0，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，可知Q>0，桶内气体从外界吸收热量，A正确，D错误；桶内气体的温度保持不变，则桶内气体分子平均动能不变，B错误；根据玻意耳定律可知，气体的体积变大，则桶内气体压强减小，C错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 6.(2024·南阳高二阶段练习)关于理想气体，下列说法正确的是 (　　) A.理想气体吸热后温度一定升高 B.理想气体等压压缩过程可能吸热 C.理想气体绝热膨胀过程内能一定减少 D.理想气体自由膨胀一定对外做功 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：根据热力学第一定律可知，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，故A错误；根据理想气体状态方程=C，气体等压压缩过程，压强不变，体积减小，温度一定降低，内能也减小，即ΔU<0；体积减小，外界对气体做功，W>0，再根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，Q<0，所以理想气体等压压缩过程一定放热，故B错误；理想气体绝热膨胀过程，Q=0，W<0，根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，ΔU<0，所以理想气体绝热膨胀过程内能一定减少，故C正确；理想气体自由膨胀对外不做功，故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 7.(2024·新乡高二检测)骑自行车既是安全、绿色的出行方式之一，又是比较不错的有氧运动。山地自行车安装了气压式减震装置来抵抗颠簸，从而受到不少人的喜爱，其原理如图所示。如果路面不平，随着骑行时自行车的颠簸，活塞上下振动，下列说法正确的是 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.活塞迅速下压时，汽缸内的气体对外界做负功 B.活塞迅速下压时，汽缸内的气体温度可能减小 C.活塞迅速下压时，汽缸内的气体的压强变小 D.活塞迅速下压时，汽缸内的气体的内能减小 解析：根据题意可知，活塞迅速下压时外界对气体做功且来不及热交换，根据热力学第一定律可知，气体的内能增大，温度升高，汽缸内的气体分子平均动能增大，气体的体积减小，则气体压强增大。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 8.如图所示，有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出，冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮。他指望抽水机把地面水槽 里的水抽上去，这样循环不息，机器不停地转动，就 可以永久地用砂轮磨制工件做功了。请你分析一下， 高处水槽中水的势能转变成哪几种形式的能，说明这 个机器是否能够永远运动下去。 答案：见解析 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：取高处水槽中流出的水为研究对象，在其从高处水槽中流出至地面水槽的过程中，它的重力势能一部分转化为自身的动能，一部分转化为水轮机、抽水机、砂轮的动能，一部分转化为砂轮和工件的内能，还有一部分转化为抽水机抽上的水的重力势能。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 由能量的转化和守恒定律知，抽水机抽上的水的重力势能必然小于流下的水的重力势能，如果上抽的水管的横截面积大于或等于下流的水管的横截面积，则根本不可能将地面水槽中的水抽至高处水槽，即使上抽水管的横截面积小于下流水管的横截面积也不一定能将水抽上去，如果上抽水管比下流水管细很多且能够将地面水槽中的水抽至高处水槽，则相等时间里抽上去的水也要比流下的水的质量小得多，最后高处水槽中的水很快就会流光。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 B级——综合应用 9.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，车锁内集成了卫星定位模块与联网模块等，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(　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 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 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 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。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 10.(2024·盐城高二阶段练习)空气弹簧安装在列车车厢底部，可以起到有效减震、提升列车运行平稳性的作用。空气弹簧主要由活塞、汽缸及密封在汽缸内的一定质量气体构成。列车上下乘客及剧烈颠簸均会引起车厢震动。上下乘客时汽缸内气体的体积变化较慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界温度恒定，汽缸内气体视为理想气体，则 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.乘客上车造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体对外界放热 B.乘客上车造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体对外界做正功 C.剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体对外界放热 D.剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体分子的平均动能减小 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：上下乘客时汽缸内气体的体积变化较慢，气体与外界有充分的热交换，故乘客上车造成气体压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能不变，则空气弹簧内气体对外界放热，A正确，B错误；剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，气体与外界来不及热交换，既不吸热也不放热，外界对气体做功，由热力学第一定律得，空气弹簧内气体的内能增加，气体分子的平均动能增大，C、D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 11.(2023·新课标卷)(多选)如图，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后 (　　) A.h中的气体内能增加 B.f与g中的气体温度相等 C.f与h中的气体温度相等 D.f与h中的气体压强相等 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：当电阻丝对f中的气体缓慢加热时，f中的气体内能增大，温度升高，根据理想气体状态方程可知f中的气体压强增大，会缓慢推动左边活塞，则弹簧被压缩，与此同时弹簧对右边活塞有弹力作用，缓慢向右推动右边活塞，故活塞对h中的气体做正功，因为是绝热过程，由热力学第一定律可知，h中的气体内能增加，A正确；未加热前，三部分中气体的温度、体积、压强均相等，当系统稳定时，活塞受力平衡，可知弹簧处于压缩状态， 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 对左边活塞分析pfS=F弹+pgS，则pf>pg，分别对f、g内的气体分析，根据理想气体状态方程有==，由题意可知，因弹簧被压缩，则Vf>Vg，联立可得Tf>Tg，B错误；在达到稳定过程中，h中的气体体积变小，压强变大，f中的气体体积变大，由于稳定时弹簧保持平衡状态，故稳定时f、h中的气体压强相等，根据理想气体状态方程，对h中的气体分析可知=，联立可得Tf>Th，C错误，D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 12.如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦力为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中： 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (1)内能的增加量ΔU； 答案：Q-L 解析：活塞移动时受力平衡，有p1S=p0S+f 气体对外界做功W=p1SL 根据热力学第一定律ΔU=Q-W 解得ΔU=Q-L。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 (2)最终温度T。 答案：T0 解析：活塞发生移动前气体做等容变化，有= 活塞向右移动L的过程气体做等压变化，有=，且V2=2V1 解得T=T0。 2 3 4 $$