1.功、热和内能的改变-【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（人教版2019）

1．功、热和内能的改变 【素养目标】　1.通过演示实验，知道绝热过程的概念，理解并记忆焦耳实验的结论。2.知道在绝热过程中，功与内能改变的关系，知道热与内能改变的关系，发展能量观。3.知道热传递与内能改变的关系，能用所学知识解释一些常见的现象，培养学生的分析能力。 知识点一　焦耳的实验 [情境导学]　如图所示，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。 (1)水温升高的多少由重物下落过程中的什么因素决定？ (2)如果使水升高相同的温度，重物质量的大小与其下降的高度需要满足什么关系？ 提示：(1)重物下落减小的机械能转换为水的内能，水温升高的多少由重物下落过程中重力做的功决定。 (2)如果使水升高相同的温度，重物质量越小，下降的高度则越大，需要满足重力做功相等。 (阅读教材P46—P48完成下列填空) 1．绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。 2．代表性实验 (1)让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。 (2)通过电流的热效应给水加热。 3.实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。 4．内能：一个只依赖于热力学系统自身状态的物理量，是系统的一种能量。 [问题探究]　(1)在焦耳研究功与热等效性的实验中，为什么要求盛水的容器采用绝热材料做外皮？ (2)在教材P47图3.11和图3.12 所示的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？ 提示：(1)隔绝与外界热量的交换，使水温度的升高只由叶片搅拌引起。 (2)教材图3.11所示的实验中，重物下落，减少的重力势能转化为系统的内能；图3.12所示的实验中，重物带动发电机工作，将机械能转化为电能，电热丝又将电能转化为系统的内能。 如图是研究内能改变与做功之间的关系的两个典型实验，那么从这两个实验中可得出的结论是(　　 ) A．能量守恒定律 B．机械能守恒定律 C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功的方式无关，仅与做功的多少有关 学生用书第72页 D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功的方式有关，还与做功的多少有关 答案：C 解析：通过这两个实验，可得出的结论是：在不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功的方式无关，仅与做功的多少有关。故C正确。 对焦耳的两个代表性实验的理解 两个实验 实验一 实验二 实验装置 做功方式 重物下落带动叶片搅拌容器中的水，叶片与水摩擦使水温升高。通过机械功实现能量的转化 通过重物下落带动发电机发电，电流通过电阻丝做功使水温升高。通过电功实现能量的转化 实验条件 容器及其中的水组成的系统与外界绝热 共性 外界对系统做的功相等时，系统温度上升的数值相同，内能改变相同 　　 针对练．(多选)如图为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料制作容器，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是(　　 ) A．这个装置可测定热量与做功的关系 B．做功增加了水的热量 C．做功增加了水的内能 D．功和热量是完全等价的，无区别 答案：AC 解析：该装置可测定做功和热量的关系，A正确；该实验是绝热过程，没有热传递，内能的改变是由于做功，C正确；做功表示能量的转化，而热量表示热传递中内能的转移，二者有区别，B、D错误。 知识点二　功与内能的改变 [情境导学]　如图为古代人们“钻木取火”的情景，请思考：“钻木取火”的原理是什么？ 提示：“钻木取火”是通过摩擦生热的方式将机械能转化为内能，使木材内能增加、温度升高并达到着火点而燃烧。 (阅读教材P48—P49完成下列填空) 在绝热过程中，系统内能的变化量等于外界对系统所做的功，即ΔU＝W。 1．ΔU＝W适用条件是绝热过程。 2．在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。 [问题探究]　如图所示，用绝热隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。 (1)抽开隔板后气体自发扩散前后内能变化了吗？为什么？ 学生用书第73页 (2)将气体压回到原来的体积的过程中内能如何变化？为什么？ 提示：(1)没变化。气体向真空扩散的过程中不对外做功，且又因为气缸绝热，可知气体自发扩散前后内能不变。 (2)内能增大。将气体压回到原来的体积的过程中活塞对气体做功，因气缸绝热，则气体内能增大。 (多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成，如图所示。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起。在此过程中，若缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体(　　) A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做正功，内能减小 答案：AD 解析：气体膨胀，气体对外做正功，又因为气体与外界无热量交换，可知气体内能减小，B错误，D正确；因忽略气体分子间的相互作用，没有分子势能，气体内能减小，所以分子平均动能减小，A正确，C错误。 1．做功与内能的改变的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 (2)在绝热过程中：W＝ΔU＝U2－U1。 ①外界对物体做功，则W＞0。外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少； ②物体对外界做功，则W＜0。物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。 2．功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)在绝热过程中，做功越多，内能变化越大；做功越少，内能变化越小。 注意：内能大，做功不一定多。　　 针对练1.(多选)礼花喷射器原理如图所示。通过扭动气阀可释放绝热压缩气罐内气体产生冲击，将纸管里填充的礼花彩条喷出，营造气氛。在喷出礼花彩条的过程中，罐内气体(　　) A．温度保持不变 B．内能减少 C．分子热运动加剧 D．通过做功的方式改变自身的内能 答案：BD 解析：高压气体膨胀对外做功，气体内能转化为礼花的机械能，气体内能减少，温度降低，分子热运动减慢，故A、C错误，B正确；气体对外做功，内能减少，这是通过做功的方式改变自身的内能，故D正确。故选BD。 针对练2.如图所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。U甲、U乙分别表示甲、乙两气室中理想气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中(　　 ) A．U甲不变，U乙减小 B．U甲不变，U乙增大 C．U甲增大，U乙不变 D．U甲增大，U乙减小 答案：D 解析：对甲气室内的理想气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲气室内的气体做功，其内能增大；对乙气室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能减小，D正确，A、B、C错误。 知识点三　热与内能的改变 [情境导学]　(1)如图所示，把铁棒用酒精灯的火焰加热，铁棒的温度会升高，该过程中铁棒的内能怎么变化？改变内能的方式是什么？ (2)如果铁棒不用加热的方式，而是用铁锤连续敲击铁棒，铁棒的温度也会升高，则该过程中铁棒的内能怎么变化？改变内能的方式是什么？ (3)比较问题(1)、(2)，说明了什么？ 提示：(1)铁棒的内能增大；改变内能的方式是传热。 (2)铁棒的内能增大；改变内能的方式是做功。 (3)传热和做功都能改变物体的内能。 (阅读教材P49完成下列填空) 1．传热 (1)条件：物体的温度不同。 (2)方向：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热从高温物体传到了低温物体。 学生用书第74页 2．单纯的传热过程 (1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 (2)热量与内能的改变的关系：内能的变化量等于外界向系统传递的热量，即ΔU＝Q。 3．传热与做功在改变系统内能上的异同 (1)做功和传热都能引起系统内能的改变。 (2)做功时，内能与其他形式的能发生转化，而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 [问题探究]　(1)如图为传热的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？ (2)一根金属棒的温度升高了，即它的内能增加了，你能判断出它是通过传热还是做功的方式使内能增加的吗？这两种方式在改变物体内能的本质上有什么不同？ 提示：(1)三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。 (2)不能；传热是内能在不同物体(或一个物体的不同部分)之间的转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化。 角度一　传热与内能变化的关系 (多选)物体与外界没有做功关系的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法中正确的是(　　 ) A．一定是物体放出了50 J的热量 B．一定是物体吸收了50 J的热量 C．一定是物体分子动能增加了50 J D．物体的分子平均动能可能不变 答案：BD 解析：在外界不做功的情况下，系统内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等能量的热量，故A错误，B正确；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能，故C错误，D正确。 1．传热的实质 传热的实质是内能的转移，转移内能的多少由热量量度。 2．传热与内能变化的关系 在单纯的传热中：①系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少，即Q吸＝ΔU。 ②系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少，即Q放＝－ΔU。　　 3．温度、内能、功、热量等物理量的区别 内能与温度 从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。对于理想气体，气体的温度升高，其内能一定增加，但向气体传递热量，内能却不一定增加(因为气体可能对外做了功) 内能与功、热量 内能是由系统状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过传热或做功两种途径来完成。而热量是传热过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功” 热量与温度 热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内分子做无规则运动剧烈程度的标志 　　 角度二　做功和传热两种方式的比较 (多选)下列关于做功和传热的说法正确的是(　　 ) A．做功和传热的实质是相同的 B．做功和传热可以同时发生 C．做功和传热在改变物体内能上是等效的 D．做功和传热是对同一过程的两种说法 答案：BC 解析：做功和传热在改变物体内能上是等效的，但有着本质区别。做功是内能和其他形式能量间的相互转化，外界对物体做功，其他形式的能转化为物体的内能；物体对外界做功，物体的内能转化为其他形式的能。而传热是将高温物体的内能传递给低温物体，或是将同一物体高温部分的内能传递给低温部分。做功和传热互不影响，所以二者可以同时进行。故B、C正确，A、D错误。 学生用书第75页 改变内能的两种方式的比较 项目 做功 传热 内能变化 在绝热过程中，外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 在单纯的传热过程中，物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的相互转化 不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的转移 相互联系 都能引起系统内能的改变 　　 针对练1.对于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是(　　) A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关 B．热量、功和内能的物理意义相同 C．热量和功都可以作为内能的量度 D．内能大的物体具有的热量多 答案：A 解析：热量和功是过程量，与过程有关；而内能是状态量，与状态有关，故A正确；热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，热量反映了能量转移的多少，功是能量转化的量度，内能是物体内所有分子动能和势能之和。做功和热量都可以作为改变物体内能变化的量度，而不可以作为内能的量度，故B、C错误；热量是过程量，不是状态量，不能说内能大的物体具有的热量多，故D错误。 针对练2.(多选)在以下事例中，物体内能改变的方式描述正确的是(　　) A．两小球碰撞后粘合起来，同时温度升高，属于传热方式 B．冬天暖气为房间供暖，属于传热方式 C．电流通过电阻后电阻发热，属于做功方式 D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热，属于做功方式 答案：BCD 解析：两小球碰撞后粘在一起，温度升高，是通过做功的方式来改变物体内能的，故A错误；冬天暖气为房间供暖，是通过传热的方式来改变物体内能的，故B正确；电流通过电阻后电阻发热，是通过电流做功的方式改变电阻内能的，故C正确；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，是通过做功的方式来改变物体内能的，故D正确。 1.(多选)(鲁科版选择性必修第三册·P61·T2)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。当充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体(　　) A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小 C．对外界做负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小 答案：AC 解析：充气袋四周被挤压时，体积减小，外界对气体做功，因为气体与外界无热交换，可知气体的内能增大，故A正确；气体的内能增大，则温度升高，根据＝C(恒量)可知，气体的压强必定增大，故B、D错误；气体的体积减小，气体对外界做负功，内能增大，故C正确。故选AC。 2．下面例子中通过传热改变物体内能的是(　　) A．感到手冷时，搓搓手就会觉得暖和些 B．擦火柴时，火柴头上的红磷温度升高到红磷的燃点，火柴燃烧起来 C．物体在阳光照射下温度升高 D．反复弯折一根铁丝，弯折的部分温度升高 答案：C 解析：物体在阳光照射下温度升高是通过传热来改变物体内能的，搓手取暖、擦火柴以及反复弯折铁丝均是通过做功改变物体内能的。故选C。 3．下列关于内能与热量的说法中，正确的是(　　) A．马铃薯所含热量高 B．内能越大的物体热量也越多 C．热量总是从内能大的物体流向内能小的物体 D．热量自发传递方向与两物体的温度有关 答案：D 解析：热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，此外，两物体之间热量的自发传递方向只与它们的温度有关，与它们的内能无关。故选D。 4.(多选)(2024·山东烟台市高二检测)已知飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”。因此将飞船此设施专门做成了一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图所示，相通的舱A、B之间装有阀门K，指令舱A中充满气体(视为理想气体)，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换，打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡，则舱内气体(　　) A．气体对外不做功，内能不变 B．气体分子势能增大，内能增大 C．气体分子单位时间内对单位面积的舱壁碰撞的次数将增多 D．气体分子单位时间内对单位面积的舱壁碰撞的次数将减少 答案：AD 解析：打开阀门K后，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以气体不对外做功；理想气体分子间作用力忽略不计，所以气体分子间没有分子势能，又因为系统与外界无热交换，且气体没有做功，则气体的温度不变，内能不变，A正确，B错误；气体体积变大，温度不变，则压强减小，所以气体分子单位时间内对单位面积的舱壁碰撞的次数将减少，C错误，D正确。故选AD。 学科网（北京）股份有限公司 $$