2.热力学第一定律 3.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（人教版2019）

2．热力学第一定律　3.能量守恒定律 【素养目标】　1.通过复习改变物体内能的两种方式，推出热力学第一定律。2.知道ΔU＝Q＋W的含义，体会其中辩证的哲学思想，提高理解能力。3.能用所学知识解释一些常见的现象，培养分析能力。4.能结合阅读材料概述能量守恒定律的发现过程，提高概括整合能力。5.能运用能量守恒定律知识解释典型的物理现象，提高综合应用能力。6.知道第一类永动机不能制成，并能说出其不能制成的原因，培养分析解释能力。 知识点一　热力学第一定律及其应用 [情境导学]　如图所示，气缸内有一定质量的气体，如果压缩气体的同时给气缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。 (1)这是为什么呢？ (2)如果压缩气体对气体做功为W，同时给气缸传热为Q，则气体的内能怎么变化？ 提示：(1)因为压缩气体过程外界对气体做功，使气体的内能增加；同时给气缸加热，也会使气体的内能增加，故气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。 (2)气体的内能增加，ΔU＝Q＋W。 (阅读教材P50—P51完成下列填空) 1．热力学第一定律 (1)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。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 2．热力学第一定律的应用 (1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 (2)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。 (3)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值；当系统内能减小时，ΔU取负值。 [问题探究]　如图所示，利用气缸与活塞封闭着一定质量的空气，活塞与气缸间无摩擦、不漏气。 (1)如果把活塞固定，使气缸内空气温度升高到某一温度，空气吸收的热量为Q1； (2)如果不固定活塞，也使气缸内空气温度升高到相同温度，其吸收的热量为Q2。 请分析比较Q1和Q2的大小关系？ 提示：Q2＞Q1。把活塞固定时，气体的体积不变，外界对气体不做功，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能，即ΔU＝Q1；活塞不固定时，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向上运动，外界对气体做功为W(W＜0)，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是相同的，也是ΔU，根据热力学第一定律有ΔU＝Q1＝Q2＋W，由于W<0，所以Q2>Q1。 一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×10 4 J的功，气体的内能减少了1.2×10 5 J，则下列各式中正确的是(　　 ) A．W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝4×10 4 J B．W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝－2×10 5 J C．W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝2×10 5 J D．W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝－4×10 4 J 答案：B 解析：外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU为负值，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q＝－2×10 5 J，故B正确。 学生用书第77页 1.热力学第一定律的理解 (1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的过程是等价的，而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W是标量式。 (3)应用时表达式中各量的单位应统一为国际单位焦耳。　　 2．公式ΔU＝Q＋W中各量符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 注意：判断系统与外界之间做功的关系，关键是看系统的体积怎样变化： (1)若系统的体积增大，则系统对外界做功，W＜0。 (2)若系统的体积减小，则外界对系统做功，W＞0。 (3)若系统的体积不变，则判断系统与外界之间无做功关系，W＝0。 3．几种特殊过程 (1)绝热过程：Q＝0，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)不做功的过程：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)内能不变的过程：ΔU＝0，则W＋Q＝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。 针对练1.(2024·河南开封市高二月考)健身球是一种有趣的体育健身器材。如图所示，健身者正在挤压健身球，健身球内的气体视为理想气体且在挤压过程中温度不变，下列说法正确的是(　　) A．健身球内的气体向外界释放热量 B．健身球内的气体对外界做正功 C．健身球内的气体内能变大 D．健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数不变 答案：A 解析：健身者正在挤压健身球，即外界对气体做正功，故B错误；健身球内的气体视为理想气体，其内能只有分子动能，则内能由温度决定，而温度不变，则健身球内的气体内能不变，故C错误；因外界对气体做正功W>0，气体内能不变ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q<0，即气体向外界释放热量，故A正确；气体的温度不变，即所有分子的平均速率不变，而体积变小，则单位体积的分子数变多，可知压强变大，则健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数变多，故D错误。故选A。 针对练2.如图所示，封闭的气缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功为800 J，同时气体向外界放热为200 J，则缸内气体的(　　) A．温度升高，内能增加600 J B．温度升高，内能减少200 J C．温度降低，内能增加600 J D．温度降低，内能减少200 J 答案：A 解析：由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得ΔU＝(－200＋800) J＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度升高，选项A正确。 知识点二　能量守恒定律　永动机不可能制成 [情境导学]　请思考下列问题： (1)冬天手冷的时候，我们的双手互相搓搓，手就会暖和一些，这个过程中能量是如何转化的？ (2)有一种所谓“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：(1)人体内的化学能转化为机械能，机械能又转化为内能。 (2)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P54—P58完成下列填空) 1．能量守恒定律的内容：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 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，却能不断地对外做功的机器。 (2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。 学生用书第78页 [问题探究] 1.某同学设计了如图所示的新能源汽车模型，通过磁铁对铁块的吸引为汽车提供动力让汽车前进，从能量的角度分析可以实现吗？ 提示：不可以。违反了能量守恒定律。 2．热力学第一定律与能量守恒定律有什么关系？ 提示：能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程中，总能量保持不变，其范围广泛。热力学第一定律实际上是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。 (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．不需要任何动力或燃料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；石子在下落和碰撞过程中机械能转化为了石子及其周围物体的内能，机械能并没有消失，D错误。 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：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，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：通过电场力(或电流)做功，电能转化为机械能(或内能)；通过克服摩擦力做功，机械能转化为内能；通过克服安培力做功，机械能转化为电能等。 2．能量守恒定律的两种表达 (1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，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．第一类永动机不可能制成的原因分析 如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝Q＋W可知，系统内能将减小。若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。　　 针对练1.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　　 ) A．第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器 B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 答案：ABD 解析：第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律，也违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、B、D正确。 针对练2.有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　 ) A．只适用于机械能与内能的相互转化 B．只适用能量转化过程 C．“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律 D．根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变 答案：D 解析：根据能量守恒定律的内容可知D正确；能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于一切能量转移和转化过程，故A、B错误；“摩擦生热”实质上是摩擦力做功将机械能转化成了内能，其转化过程符合能量守恒定律，故C错误。 学生用书第79页 知识点三　热力学第一定律与气体实验定律及图像的综合应用 角度一　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 如图所示，一U形玻璃管竖直放置，右端开口，左管用光滑活塞和水银封闭一段空气柱。外界大气压为p0＝1.0×105 Pa，封闭气体的温度t0＝27 ℃，玻璃管的横截面积为S＝5.0 cm2，管内水银柱及空气柱长度如图所示。已知水银的密度为ρ＝13.6×103 kg/m3，重力加速度g＝10 m/s2，T＝t＋273 K。封闭气体的温度缓慢降至t1＝－3 ℃。 (1)求温度t1＝－3 ℃时空气柱的长度L； (2)已知该过程中气体向外界放出5.0 J的热量，求气体内能的变化量。(结果保留2位有效数字) 答案：(1)36 cm　(2)－2.5 J 解析：(1)气体做等压变化，由盖吕萨克定律得＝ 解得L＝36 cm。 (2)封闭气体的压强p＝p0＋ρgΔh＝1.272×105 Pa 外界对气体做功W＝pS(L0－L)≈2.5 J 由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，其中Q＝－5 J 可得ΔU＝－2.5 J，即内能减少了2.5 J。 解决热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的一般思路 　　 针对练．(2021·江苏高考)如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在气缸中，活塞的横截面积为S，与气缸底部相距L，气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，活塞与气缸间的滑动摩擦力为Ff，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： (1)该过程中气体内能的增加量ΔU； (2)最终温度T。 答案：(1)Q－(p0S＋Ff)L　(2)T0 解析：(1)活塞缓慢向右移动时受力平衡，则有 p1S＝p0S＋Ff 气体对外界做功，则有W＝－p1SL 根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W 解得ΔU＝Q－(p0S＋Ff)L。 (2)活塞发生移动前，气体发生等容变化，则有 ＝ 活塞向右移动L的过程中，气体发生等压变化，则有＝ 且V2＝2V1＝2SL 解得T＝T0。 学生用书第80页 角度二　热力学第一定律与气体图像的综合应用 一定质量的理想气体从状态A经状态B变化到状态C，其p-图像如图所示，求该过程中气体吸收的热量Q。 解题指导：(1)A→B过程为等压膨胀过程。 (2)B→C过程为等容降压过程。 (3)A、C温度相等。 答案：2×105 J 解析：A→B过程为等压膨胀过程，外界对气体做的功W1＝p(VA－VB) B→C过程为等容降压过程，则W2＝0 根据热力学第一定律得ΔU＝Q＋(W1＋W2) A和C的温度相等，则ΔU＝0 代入数据解得Q＝2×105 J。 热力学第一定律与气体图像相结合的解题思路 1．根据气体的图像分析气体的状态变化，根据状态变化过程灵活选择气体实验定律或者理想气体的状态方程分析有关问题。 2．根据体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功。 3．根据温度的变化分析气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。 4．应用热力学第一定律判断是吸热还是放热。由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体的状态变化是吸热过程还是放热过程。　　 针对练．(2024·江苏淮安市高二检测)如图描述了一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ab的延长线过原点，则下列说法正确的是(　　) A．气体从状态a到b的过程，气体体积增大 B．气体从状态b到c的过程，一定向外界放出热量 C．气体从状态c到d的过程，外界对气体做功 D．气体从状态d到a的过程，气体的内能减小 答案：D 解析：气体从状态a到b的过程，图线的延长线过原点，是等容变化，气体体积不变，故A错误；气体从状态b到c的过程，是等压变化，温度升高，内能增加，根据理想气体状态方程＝C可知体积变大，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知是吸热过程，故B错误；气体从状态c到d的过程，是等温变化，压强减小，根据理想气体状态方程＝C可知体积变大，气体对外界做功，故C错误；气体从状态d到a的过程，温度降低，内能减小，故D正确。故选D。 1.夏天，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂。若越接近水面， 湖水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内的气体看作理想气体。则上升过程中，以下说法正确的是(　　 ) A．气泡内气体的内能可能不变 B．气泡上升过程中可能会放热 C．气泡内气体的压强增大 D．气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力变小 答案：D 解析：根据题意可知，越往上温度越高，故气泡温度升高，内能变大，故A错误；气泡内气体的压强p＝p0＋ρgh，深度h减小，气泡内气体压强减小，气泡体积变大，外界对气体做负功，W<0，气泡内能增大，ΔU>0，根据ΔU＝Q＋W可知Q>0，故气泡吸热，故B、C错误；气泡内气体压强减小，根据气体压强定义及其微观意义可知，气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小，故D正确。 2．如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用 学生用书第81页 形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能转动较长时间，下列说法正确的是(　　 ) A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 答案：D 解析：叶片进入水中后吸热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒定律可知，转轮转动所需能量来源于热水，热水温度会降低，故A、B、C错误；由能量守恒定律可知，叶片吸收的热量一部分转化为叶片的弹性势能，一部分释放于空气中，故D正确。 3.如图为某理想气体的p -T图像，下列说法正确的是(　　 ) A．由A到B的过程，气体对外做功，内能增加 B．由A到B是等容过程，B到C是等压过程，气体在C状态时的体积比在B状态时的体积大 C．由B到C的过程，外界对气体做功，放出热量 D．由B到C的过程，气体温度升高，所有气体分子的动能都增大 答案：B 解析：由题图可知，由A到B的过程为等容升温的过程，因体积不变，故W＝0，而温度升高了，则内能增大，故A错误；由B到C的过程是等压升温的过程，由理想气体状态方程可知，气体体积增大，故B正确；B到C的过程，体积变大，则气体对外界做功(W<0)，而温度升高，说明内能增大(ΔU>0)，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q>0，即气体要吸热，故C错误；由B到C的过程气体温度升高，则气体分子的平均动能增大，但并不是所有气体分子的动能都增大，故D错误。 4．(粤教版选择性必修第三册·P63·例题)一天，小程浏览到了一则关于“节能电热水器”的广告，对于广告中提到的“用一小时热水仅耗一度电”的宣传产生了怀疑，如何验证这则广告的真实性？你能够利用所学知识进行判断吗？[水的比热容c约为4.2 kJ/(kg·℃)] 答案：见解析 解析：用一小时热水耗一度电，说明电热水器的功率为1 kW，即每秒提供W＝1 kJ的电功。而以一般热水器出水量为0.1 L/s、水温提升10 ℃计算，则每秒流出的水所需吸收的热量为 Q＝cmΔt＝4.2×0.1×10 kJ＝4.2 kJ 显然Q>W，故该广告为虚假广告。 学科网（北京）股份有限公司 $$