1.热力学第一定律 2.能量守恒定律-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

1．热力学第一定律 2．能量守恒定律 【素养目标】　1.知道做功和热传递是改变内能的两种方式。2.理解热力学第一定律的内容，会用其分析解决相关问题。3.认识第一类永动机，并理解其不能制成的原因。4.认识能量守恒定律的发现历程，并理解其内容和意义。 知识点一　热力学第一定律 [情境导学]　如图所示，在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放入一小团蘸了乙醚的硝化棉，用力迅速压下活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？ 提示：外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。 (阅读教材P54－P57完成下列填空) 1．焦耳的实验 (1)绝热过程：系统与外界之间没有热量的交换，只是通过外界做功的方式与外界交换能量的过程。 (2)代表性实验 ①桨叶搅拌实验：重物下落时带动搅拌器转动，叶片与水之间，以及水与水之间因摩擦而生热。 结论：在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量ΔU等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 ②利用电流的热效应给水加热：下落的重物带动发电机转动发电，电流的热效应使容器中的水温升高。 结论：在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量ΔU等于系统从外界所吸收的热量Q，即ΔU＝Q。 2．热力学第一定律 (1)内容：在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量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。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 3．第一类永动机不可能制成 (1)第一类永动机：不需任何动力和燃料，能持续不断地对外做功的机器。 (2)第一类永动机不可制成的原因：违背了热力学第一定律。 [问题探究]　一定质量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量，内能增加了4.2×105 J。请思考下列问题： (1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？ (2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变，但是内能增加了1.6×105 J，计算结果W＝－1.0×105 J，是负值，怎样解释这个结果？ (3)在热力学第一定律ΔU＝Q＋W中，Q、W和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义？ 提示：(1)由热力学第一定律知ΔU＝Q＋W，将Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J代入上式得W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J W>0，说明外界对气体做了1.6×105 J的功。 (2)如果吸收的热量Q＝2.6×105 J，内能ΔU增加了1.6×105 J，计算结果为W＝－1.0×105 J，说明气体对外界做功。 (3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU>0，气体内能增加；ΔU<0，气体内能减少。Q>0，气体吸热；Q<0，气体放热。W>0，外界对气体做功；W<0，气体对外界做功。 学生用书↓第66页 角度1　对热力学第一定律的理解 (2023·北京二中期末)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分。已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空。抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态。在此过程中(　　) A．气体对外界做功，内能减少 B．外界对气体做功，内能增加 C．气体压强变小，温度降低 D．气体压强变小，温度不变 [解题导引]　抽开隔板K，a内气体进入b，体积膨胀，但并没对外做功。 答案：D 解析：绝热容器内的稀薄气体与外界没有热传递，Q＝0，稀薄气体向真空扩散没有对外界做功，W＝0，根据热力学第一定律得ΔU＝0，内能不变，故A、B错误；稀薄气体的内能不变，则温度不变，稀薄气体向真空扩散，体积增大，压强减小，故C错误，D正确。 针对练．有一个小气泡从水池底缓慢地上升，气泡跟水不发生热传递，而气泡内气体体积不断增大，小气泡上升的过程中(　　) A．由于气泡克服重力做功，则它的内能减少 B．由于重力和浮力的合力对气泡做功，则它的内能增加 C．由于气泡内气体膨胀做功，则它的内能增加 D．由于气泡内气体膨胀做功，则它的内能减少 答案：D 解析：在小气泡上升过程中，重力和浮力的合力对气泡做功，或者气泡克服重力做功，它只能改变气泡的机械能，而不影响气泡内气体的内能，故A、B错误；在上升的过程中，气泡内气体膨胀而对外界做功，使它的内能减少，故C错误，D正确。 角度2　热力学第一定律的应用 (2023·济南高二检测)如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×10 5 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m 2，外部大气压强为1×10 5 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为(　　 ) A．400 J　　B．1 200 J　　C．2 000 J　　D．2 800 J [解题导引]　气体等压膨胀，推动活塞对外做功，W为负，所以W＝－pΔV。 答案：B 解析：由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，W＝－p0Sx＝－1×10 5×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝Q＋W＝[2 000＋(－800)] J＝1 200 J，故B正确。 1．改变内能的两种方式的比较 项目 做功 热传递 内能 变化 在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少 在单纯热传递过程中，系统吸收热量，内能增加；系统放出热量，内能减少 物理 实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同系统间或同一系统不同部分之间内能的转移 相互 联系 都能引起系统内能的改变 2.与热力学第一定律相对应的符号法则 正负 做功W 热量Q 内能的改 变量ΔU 取正 值“＋” 外界对系统做功 系统从外界吸收热量 系统的内 能增加 取负 值“－” 系统对外界做功 系统向外界放出热量 系统的内 能减少 3.几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统内能的增加(减少)量。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收(放出)的热量等于系统内能的增加(减少)量。 (3)若过程的始、末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则Q＋W＝0或W＝－Q，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统放出(吸收)的热量。 学生用书↓第67页 4.求解气体做功问题的常用方法 (1)用热力学第一定律求气体做功 在气体内能变化ΔU及吸收热量Q确定的情况下，可应用热力学第一定律ΔU＝Q＋W计算气体做的功W。 (2)等压变化过程，用公式W＝pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，对活塞的压力F＝pS，压力为恒力，由恒力做功的公式W＝Fx可得W＝pSx＝pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 (3)用p V图像与横坐标轴所围图形的面积计算 在p V图像中，气体做的功W在数值上等于图线与横坐标轴所围图形的面积。 针对练.一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p V图像如图所示，已知A→B过程放出热量Q，TA＝TC，则B→C过程气体吸收还是放出热量？热量是多少？ 答案：吸收热量　Q＋p2(V2－V1) 解析：B→C过程气体的压强不变，气体的体积增大，气体对外做功，根据＝C(常量)，可知温度升高，则内能增大，由热力学第一定律知气体吸收热量。B→C过程，气体对外做的功为W＝p2(V2－V1)。A→B过程，气体的体积不变，不对外做功，由A、C状态气体内能相同，根据ΔU＝Q总＋W总得0＝(－Q＋QBC)＋(－W)，可得QBC＝Q＋W＝Q＋p2(V2－V1)，即B→C过程气体吸收的热量为Q＋p2(V2－V1)。 知识点二　能量守恒定律 [情境导学]　如图为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ 提示：不是。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。 (阅读教材P57－P61完成下列填空) 1．能量守恒定律 (1)探索历程：17世纪，笛卡尔、莱布尼兹都提出了运动中守恒的量，但仅限于机械运动；18世纪，蒸汽技术的成就，证明了内能可以转化为机械能；18世纪末到19世纪初，电磁学、光学的迅速发展，使得热运动和其他运动形式之间的相互转化具有十分重大的理论和实际意义。化学和生物学的研究，使人们进一步认识到不同形式的能都是可以相互转化的。 (2)关键人物：迈尔提出了能量守恒的观点；焦耳精确地测定了热与功间的定量关系；亥姆霍兹建立了能量守恒定律的数学表达式(1847年)。 (3)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 (4)意义 ①对提高蒸汽机的性能，电机与内燃机的研制及改进起到了重要的指导作用。 ②使不同领域的科学工作者具有一系列的共同语言。 ③为科学研究提供了方便。 (5)适用范围：不仅适用于低速、宏观的情形，也适用于高速、微观世界，是最基本、最普遍的自然规律之一。 2．节约能源 (1)可持续发展：指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。 学生用书↓第68页 (2)可持续发展战略的基本思想 ①鼓励经济增长，但要改变“高投入、高消耗、高污染”的生产模式和消费模式。 ②利用科学技术及社会力量节约资源(含能源)，大力发展资源的循环使用。 ③利用科学技术，寻找新能源及开拓新的资源。 (3)提倡节约能源的真正原因：人类使用能源的过程实质上是能量转化和转移的过程。从宏观角度来看，人类使用能源的过程中能的总量是不变的，但能的品质降低了，能量从便于利用的形式变为不便于利用的形式。即能的总量不变，但便于利用的能源在不断减少。 (4)达到节能目标的途径：利用物理学原理提升节能技术，促进能源的利用率。 [问题探究]　自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，最终停了下来。请思考下列问题： (1)是否违背了能量守恒定律？ (2)如果没有违背能量守恒定律，那么秋千减少的机械能到哪里去了？ (3)对一个运动的物体，我们应该如何分析它所发生的能量转化？ 提示：(1)不违背。 (2)秋千减少的机械能转化成了秋千和空气的内能。 (3)功是能量转化的量度，要分析某物体发生的能量转化，可对该物体受力分析并进行做功分析，例如秋千摆动中受重力、拉力和空气阻力，重力做功，引起重力势能变化，拉力不做功，空气阻力做功使内能增加，合力做功引起动能变化，因此秋千摆动中存在重力势能、动能和内能间的转化。 角度1　对能量守恒定律的理解 (多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(　　 ) A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C．不需要任何外界的能量供给而持续对外做功的机器－－第一类永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 答案：ABC 解析：不同形式的能量间的转化过程中能量是守恒的，A正确；能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，B正确；第一类永动机不可能制成，它违背了能量守恒定律，C正确；石子的机械能并没有消失，而是转化成了其他形式的能量，D错误。 针对练．(2023·辽宁辽阳期末)一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是利用该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10 kV～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是(　　) A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能 C．光能转化为电能 D．机械能转化为电能 答案：D 解析：转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，所以为机械能转化为电能，D正确。 角度2　能量守恒定律的应用 文艺复兴时期，意大利的达·芬奇曾设计过一种转轮，利用隔板的特殊形状，使一边的重球滚到另一边距离轮心远些的地方，并认为这样可以使轮子不停地转动，如图所示。下列说法正确的是 (　　) A．该设计可以使转轮在无外力作用下顺时针转动变快 B．该设计可以使转轮在无外力作用下逆时针转动变快 C．该设计可以在不消耗能源的情况下不断地对外做功 D．该设计中使转轮成为永动机的设想是不可能实现的 答案：D 解析：由杠杆平衡原理可知，重球滚到另一边距离轮心远些的地方，右边每个重物施加于轮子的力矩虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左、右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来，不管转轮是顺时针转动还是逆时针转动，在无外力作用下，只能是转动变慢，最终停下来，A、B错误；由选项A、B的分析结合能量守恒定律可知，该设计在不消耗能源的情况下不断地对外做功是不可能实现的，因为其违背了能量守恒定律，C错误，D正确。 学生用书↓第69页 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、核能等。 (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．能量守恒的两种表达 (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。 3．第一类永动机不能制成的原因分析 如果没有外界热源供给热量，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。 针对练．水能源不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达到每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m，若利用这一资源发电，设发电效率为50%，估算发电机的输出功率。(g取10 m/s2，水的密度取1×103 kg/m3) 答案：1.5×109 W 解析：水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。每秒钟流下的水的质量m＝ρV＝1×103×6 000 kg＝6×106 kg。每秒钟水可提供的机械能E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J。设发电机的输出功率为P，则可得Eη＝Pt，其中t＝1 s，解得P＝＝3×109×50% W＝1.5×109 W。 1．(多选)下列说法正确的是(　　) A．随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的 B．在低速运动时，宏观物体的运动服从能量守恒定律 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生 答案：BC 解析：第一类永动机违反能量守恒定律，即使随着科技的发展，第一类永动机也是不可以制成的，A错误；能量守恒定律不仅适用于低速、宏观的情形，也适用于高速、微观世界，是最基本、最普遍的自然规律之一，B正确；“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不能凭空产生的，D错误。 2. (2023·天津高考)如图所示是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，爬高过程中，温度减小，则气体(　　) A．对外做功 B．内能减小 C．吸收热量 D．压强不变 答案：B 解析：由于爬山过程中气体体积不变，故气体不对外做功，A错误；爬山过程中温度降低，则气体内能减小，B正确；根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W，爬山过程中气体不对外做功，但内能减小，故可知气体放出热量，C错误；该过程为等容变化，温度降低，则压强减小，D错误。 3. (2023·滨州高二检测)如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动。设筒内气体不与外界发生热量交换，在M向下滑动的过程中(　　) A．外界对气体做功，气体内能增加 B．外界对气体做功，气体内能减少 C．气体对外界做功，气体内能增加 D．气体对外界做功，气体内能减少 答案：A 解析：因为M、N内被封气体的体积减小，所以外界对气体做功，即W>0；又因气体不与外界发生热量交换，即绝热过程，所以ΔU＝W，则ΔU>0，气体内能增加，A正确。 学生用书↓第70页 4.(选自鲁科版新教材P78T7)如图所示，一集热箱里面封闭着一定质量的气体，集热板作为集热箱的活塞且始终正对着太阳，其面积为S，在t时间内集热箱里气体膨胀对外做功W，其内能增加了ΔU，不计封闭气体向外散的热。已知照射到集热板上的太阳光的能量有50%被箱内气体吸收。求这段时间内集热箱里气体共吸收的热量。 答案：ΔU＋W 解析：根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W′ 由题意可知W′＝－W 气体共吸收的热量为Q＝ΔU＋W。 学科网（北京）股份有限公司 $$