第1节 热力学第一定律-【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（粤教版2019）

第一节　热力学第一定律 【素养目标】　1.理解内能的概念及其决定因素。　2.明确分子势能与分子间距离的关系。　3.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解做功和热传递改变内能的异同点。　4.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。　5.知道热力学第一定律，并会应用其解决问题。 知识点一　物体的内能 [情境导学]　(1)物体由于运动而具有的能量叫作动能，分子有没有动能？ (2)电荷与电荷间存在静电相互作用，电荷具有电势能。分子间也存在着相互作用，分子是否具有势能？ 提示：(1)有。分子有一定的质量，又在不停地做无规则运动，因此分子都具有动能。 (2)分子间具有分子势能。 (阅读教材P56完成下列填空) 1．分子势能：由于分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决定的势能。 2．分子动能：物体内部的分子由于做热运动而具有的动能。 3．内能：物体中所有分子的动能和分子势能的总和，叫作物体的内能。 [问题探究]　(1)类比重力做功与重力势能变化的关系，弹力做功与弹性势能变化的关系，思考分子力做功与分子势能变化的关系？ (2)物体运动得越快，其内能就越大吗？静止在地面上的物体，内能为零吗？ 提示：(1)分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增加。 (2)物体运动得越快，物体动能越大，但内能不一定越大。静止在地面上的物体内部的分子在永不停息地做热运动，物体的内能不为零。 角度1　分子力做功与分子动能、分子势能的关系 设有甲、乙两分子，甲固定在O点，r0为其平衡位置间的距离，现在使乙分子由静止开始只在分子力作用下由距甲0.5r0处开始沿直线向远处运动，则(　　) A．乙分子的加速度先减小，后增大 B．乙分子到达r0处时速度最大 C．分子力对乙一直做正功，分子势能减小 D．乙分子在r0处时，分子势能最大 答案：B 解析：从0.5r0处到r0处分子力表现为斥力且减小，则加速度减小，从r0处到无穷远处分子力表现为引力且先增大后减小，则加速度先增加后减小，故A错误；从0.5r0处到r0处，乙分子受到斥力，做加速运动，通过r0处后受到引力，做减速运动，在r0处分子力为0，则加速度a＝0，速度最大，故B正确；从0.5r0到r0处分子力做正功，分子的势能减小，通过r0处后，分子力做负功，分子的势能增大，说明分子在r0处的势能最小，故C、D错误。 学生用书↓第48页 1．分子动能 (1)组成物体的每个分子都在不停地做无规则运动，因此分子具有动能。由于分子运动的无规则性，研究单个分子的动能没有意义。 (2)分子的平均动能指物体内所有分子做热运动动能的平均值。温度升高时，分子的平均动能增大，温度是分子热运动平均动能的标志。 2．分子势能 (1)由分子间的相对位置决定，随分子间距离的变化而变化。分子势能是标量，正、负表示的是大小，具体的值与零势能点的选取有关。 (2)分子力、分子势能与分子间距离的关系(下图中选定两分子间距离为无穷远时的分子势能为零) 分子间距离r r＝r0 r>r0 r<r0 分子力F 等于零 表现为引力 表现为斥力 分子力做功W － 分子间距增大时，分子力做负功 分子间距减小时，分子力做负功 分子势能Ep 最小 随分子间距的增大而增大 随分子间距的减小而增大 针对练．(多选)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远(未超出分子力的作用范围)的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是(　　) A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增大，势能减小 B．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小 C．在r＝r0时，分子势能最小，动能为零 D．在r＝r0时，分子势能小于零 答案：AD 解析：r0为分子间的平衡距离，在r>r0阶段，分子力表现为引力，相互靠近时F做正功，分子动能增加，势能减小，故A正确；在r<r0阶段，分子力表现为斥力，相互靠近时F做负功，分子动能减小，势能增加，故B错误；由以上分析可知，在r＝r0时，分子势能最小，动能最大，故C错误；由于两分子相距无穷远时分子势能为零，在r>r0阶段，相互靠近时F做正功，势能减小，故在r＝r0时，分子势能小于零，故D正确。 角度2　物体内能的理解 关于质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气，下列说法中正确的是(　　) A．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能相同 B．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能相同 C．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能不相同 D．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能不相同 答案：C 解析：温度是分子平均动能的标志，所以100 ℃的水的分子平均动能等于100 ℃的水蒸气的分子平均动能。相同质量的水和水蒸气的分子数相同，体积不同，故分子势能不相同，故内能不相同，故A、B、D错误，C正确。 1．内能的决定因素 (1)从宏观上看：物体内能的大小由物体的物质的量、温度和体积三个因素决定。 (2)从微观上看：物体的内能由组成物体的分子总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定。 2．物态变化对内能的影响：一些物质在物态发生变化时(如冰的熔化、水沸腾变为水蒸气)，温度不变。此过程中分子的平均动能不变，但由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化。 知识点二　改变物体内能的两种方式 [情境导学]　在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升，如图甲所示；另一个实验是通过电流的热效应给液体加热，如图乙是与焦耳实验原理相同的实验装置示意图。 学生用书↓第49页 (1)焦耳的这两个实验说明改变内能有哪两种方式？ (2)若克服摩擦力做1 J的功使水内能增加1 J；电流生成的1 J的焦耳热也能使水的内能增加1 J，则这两种方式在改变内能上有什么关系？ 提示：(1)做功和热传递。 (2)这两种方式在改变内能上是等效的。 (阅读教材P56－P58完成下列填空) 1．做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的。 2．热量：因热传递而使物体内能变化的量。 [问题探究]　图中女孩和男孩分别通过哈气和搓手使手变暖和，这两种增加内能的方式有何不同？哈气时手增加的内能来源于哪里？搓手时增加的内能是什么能量转化而来的？ 提示：女孩是通过热传递的方式，使得内能增加；男孩是通过做功的方式，使得内能增加。哈气时手增加的内能来源于呼出的空气；搓手时增加的内能由机械能转化而来。 下列说法正确的是(　　) A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的 B．外界对物体做功，物体的内能一定增大 C．物体吸收热量，温度一定升高 D．热量总是由内能大的物体传向内能小的物体 答案：A 解析：热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种方式，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的传递方向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误。 1．内能和热量 (1)内能是状态量，由系统的状态决定，状态确定时，系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化，可以通过热传递和做功两种方式来完成。 (2)热量是过程量，是热传递过程中的特征物理量，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，有过程，才有变化。 (3)对某一状态而言，只有“内能”，不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。 2．热量与温度 热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但传递的是热量，而不是温度。　　 针对练．礼花喷射器原理如图所示，通过扭动气阀可释放压缩气罐内的气体产生冲击，将纸管里填充的礼花彩条喷向高处，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．通过热传递方式改变自身的内能 答案：B 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、D错误，B正确。 学生用书↓第50页 知识点三　热力学第一定律及其应用 [情境导学]　气缸内有一定质量的气体，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(做功或热传递)更明显。这是为什么呢？ 提示：给气缸加热，即向气缸内气体传热，气缸内气体的内能会增加；压缩气体，外界对气体做功，也会使气缸内气体的内能增加。所以两种方式同时作用时，气体内能的变化比单一方式更明显。 (阅读教材P58－P59完成下列填空) 1．热力学第一定律的内容：物体内能的增加量ΔU等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和。 2．表达式：ΔU＝Q＋W。 3．应用 　　　物理量 意义　　　 符号　 W Q ΔU ＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能 增加 － 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 [问题探究]　如图所示，用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，则气体自发扩散前后内能变化了吗？为什么？气体在被压缩的过程中内能如何变化？为什么？ 提示：气体向真空扩散过程中对外不做功，且又因为气缸绝热，可知气体自发扩散前后内能不变。气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因气缸绝热，则气体内能增大。 一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 答案：B 解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B正确。 应用热力学第一定律解题的一般步骤 1．根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负。 2．根据ΔU＝Q＋W列方程求出未知量。 3．再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。 针对练．(2023·广东潮州高二期末)如图所示，内壁光滑的气缸竖直放置在水平桌面上，气缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收了热量280 J，气体的内能增加了160 J，则下列说法正确的是(　　) A．外界对气体做功120 J B．气体对外界做功120 J C．外界对气体做功440 J D．气体对外界做功440 J 答案：B 解析：由题意知Q＝280 J，ΔU＝160 J，由热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W，解得W＝－120 J，即气体对外界做功120 J，故B正确，A、C、D错误。 学生用书↓第51页 1．(鲁科版P39T2)晶体在熔化过程中吸收的热量主要用于(　　) A. 增加分子动能 B．增加分子势能 C．增加分子势能和分子动能 D．不增加分子势能和分子动能 答案：B 解析：晶体熔化过程温度不变，分子平均动能不变，吸收的热量主要用于增加分子势能。故选B。 2．关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是(　　 ) A．物体的温度改变时，其内能必定改变 B．物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能也不一定改变 C．物体对外做功，其内能必定改变，物体向外传出一定热量其内能必定改变 D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变 答案：B 解析：一定质量的物体，其内能由温度和体积共同决定。物体的温度改变时，其内能不一定改变，A错误；做功和传热是改变物体内能的两种方式。若物体对外做功为W，同时吸收的热量为Q，且若W>Q，则物体的内能减少；若W＝Q，则物体的内能不变；若W<Q，则物体的内能增加，B正确，C、D错误。 3.(粤教版P60T3改编)如图所示，瓶内装有少量的水，瓶口已塞紧，水上方气体中有水蒸气，用打气筒向瓶内打气，当塞子从瓶口跳出时，瓶内出现“白雾”，这一现象产生的原因可以用下面三句话解释：①水蒸气凝结成小水珠；②瓶内气体推动瓶塞做功，内能减小；③温度降低。三句话正确的顺序是(　　) A．①②③ B．②③① C．③①② D．②①③ 答案：B 解析：根据题意，因果顺序的进程为：瓶内气体推动瓶塞做功→瓶内气体内能减小→温度降低→瓶内水蒸气液化成小水珠，即“白雾”，故B正确。 4.(2023·广东广州高二校考阶段练习)用活塞压缩气缸里的空气，对空气做了900 J的功，同时气缸向外散热210 J，气缸里空气的内能改变了(　　) A．900 J B．210 J C．690 J D．1 110 J 答案：C 解析：由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝－210 J＋900 J＝690 J，故选C。 学科网（北京）股份有限公司 $$