第3章 第1、2节 热力学第一定律 能量的转化与守恒（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第3章 热力学定律 热力学第一定律　能量的转化与守恒 (强基课——逐点理清物理观念) 第1、2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.了解热力学第一定律的内涵，能理解能量守恒定律，具有与能量守恒定律相关的比较清晰的能量观念。 2.能用证据说明第一类永动机是不可能实现的;能有依据地质疑，提出有创意的建议。 3.理解能量与能量守恒观念对世界统一性的意义。体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义，知道科学发现需要科学家共同努力。 1 逐点清(一) 热力学第一定律 2 逐点清(二) 第一类永动机 3 逐点清(三) 能量守恒定律的 发现及其应用 4 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 逐点清(一) 热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式：______和________。 2.功、热量和内能改变的关系 (1)如果物体与外界无热传递，外界对物体做功，物体的内能______;物体对外界做功，物体的内能______。 (2)如果物体既不对外界做功，外界也不对物体做功，则物体从外界吸收热量时，它的内能______;物体向外放出热量时，它的内能_____。 多维度理解 做功 热传递 增加 减少 增加 减少 3.热力学第一定律 (1)内容：物体内能的改变量ΔU等于外界对物体所做的_______与物体从外界吸收的________之和。 (2)表达式：ΔU=_______。 功W 热量Q Q+W 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 2.三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即Q=0，则ΔU=W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)若过程中物体不做功，即W=0，则ΔU=Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU=0，则W=-Q(或Q=-W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。 3.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　1.8×105 J　 [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，变化量为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。 /方法技巧/ 应用热力学第一定律解题的方法 (1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (2)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量、外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功、研究对象内能的增加量或减少量。 (3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解。 (4)特别注意物理量的正负号及其意义。 1.(多选)对于热量、功、内能这三个量，下列说法正确的是 (　　) A.热量、功、内能三个量的物理意义是等同的 B.热量和功二者可作为物体内能的量度 C.热量、功和内能的国际单位都相同 D.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的 全方位练明 √ √ 解析：热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功、内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量，而不是内能大小的量度。故A、B错误，C、D正确。 2.(2024·重庆高考)某救生手环主要由高压气囊密闭，气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中，若气囊内气体温度不变，体积增大，则 (　　) A.外界对气囊内气体做正功 B.气囊内气体压强增大 C.气囊内气体内能增大 D.气囊内气体从外界吸热 √ 解析：气囊上浮过程，密闭气体温度不变，由玻意耳定律pV=C可知，体积变大，则压强变小，气体对外做功，故A、B错误;气体温度不变，内能不变，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU=Q+W可知Q>0，气体从外界吸热，故C错误，D正确。 逐点清(二) 第一类永动机 1.第一类永动机：不消耗任何能量而能永远___________的机器。 2.第一类永动机的本质：能量能___________地创造出来。 3.第一类永动机失败的原因分析：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了__________________。 多维度理解 对外做功 无中生有 热力学第一定律 1.(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”， 如图所示。在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上 端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯 曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回上端，到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是 (　　) 全方位练明 A.一定不可能实现 B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现 C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现 D.违背了能量守恒定律 √ √ 解析：维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了热力学第一定律。小球上升过程中，磁力对小球做正功，使小球增加了机械能;但小球下落时，同样也受到磁力，而且磁力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，即使忽略摩擦，要想在Q处对外做功，也是没有能量来源的，所以维尔金斯“永动机”不可能实现，故选A、D。 2.(2024·福州高二月考)玩具饮水鸟如图所示。在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，鸟“喝”了一口后，又直立起来。之后，无需人的干预，小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水，然后又会直立起来。就这样周而复始，小鸟不停地点头“喝”水，成为一台神奇的“永动机”。根据所学物理知识，试分析： 饮水鸟上下运动的能量来源是________________。当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后，小鸟还能上下运动吗? ______ (选填“能”或“不能”)。  解析：饮水鸟的结构如图所示，其大致原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发吸热使得头部气压小于肚子的气压，从而使肚子中的部分液体被压入头部，使鸟的重心上移， 周围空气的内能 不能 鸟的身体变得不稳开始倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟的身体再回到开始时的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，在鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复刚才的过程。综上所述，饮水鸟上下运动的能量来源是周围空气的内能，当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后，由于不能造成头部和肚子的压强差，小鸟显然不能再上下运动了。 逐点清(三) 能量守恒定律 的发现及其应用 1.对能量守恒定律的发现做出贡献的科学家有______、______和___________。 2.能量守恒定律：能量既不会______，也不会______，它只能从一种形式______为其他形式，或者从一个物体______到其他物体，而能量的总值__________。 3.意义：揭示了自然科学各个分支之间的__________，是自然界内在统一性的第一个有力证据。 多维度理解 迈尔 焦耳 亥姆霍兹 消失 创生 转化 转移 保持不变 普遍联系 4.应用 (1)各种形式的能可以相互转化。在能量转化过程中总伴有_____的产生。 (2)各种互不相关的物理现象，可以用_____________联系在一起。 (3)热力学第一定律就是能量守恒定律在_______领域内的具体体现。 内能 能量守恒定律 热现象 能量守恒定律的两种表达 (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。 1.判断下列说法是否正确。 (1)“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律。 ( ) (2)工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒。 ( ) 全方位练明 √ × (3)滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，动能消失，能量不守恒。 ( ) (4)同时做自由落体运动的物体，质量越大，势能减少越快，机械能减少也越快。 ( ) × × 2.在一个与外界没有热交换的房间里打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将如何变化 (　　) A.降低 B.升高 C.不变 D.无法确定 解析：冰箱消耗电能使冰箱内外发生热交换而达到内部制冷，把冰箱与房间看成一个系统，打开冰箱门后，冰箱与房间内的热交换发生在系统内，系统消耗的电能增加了系统的总能量，根据能量守恒定律，系统增加的能量转化为内能使房间的温度升高，故选B。 √ 3.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 (　　) 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 √ 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，故甲车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，故乙车是将光能转化为电能，故A、B、D错误，C正确。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 13 解析：汽车在关闭发动机后能沿斜坡匀速运动，说明汽车运动一定受阻力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分机械能转化为内能，但能量的总量保持不变，故D正确。 1 2 3 4 5 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2.(2024·晋江高二检测)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，下列说法正确的是 (　　) A.外界对管内气体做功，气体的内能减小 B.管内气体对外界做功，气体的内能减小 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 13 解析：绳子与紫铜管间的摩擦力做功，使管壁内能增加，温度升高。通过热传递，乙醚的内能增加，温度升高，直至沸腾，管塞会被乙醚蒸汽冲开。管塞被冲开前，管内气体内能增加，温度升高，体积不变，压强变大，没有对外界做功，故D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3.(2024·建瓯高二检测)下列关于温度、内能、热量和功的说法正确的是 (　　) A.同一物体温度越高，内能越大 B.要使物体的内能增加，一定要吸收热量 C.要使物体的内能增加，一定要对物体做功 D.物体内能增加，它的温度就一定升高 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析：物体内能是物体内所有分子势能和分子动能的总和，同一物体分子势能不变，温度越高，分子平均动能越大，内能越大，故A项正确;改变物体内能的方式有做功和热传递，要使物体的内能增加，可以对物体做功，也可以从外界吸收热量，故B、C错误;物体内能是物体内所有分子势能和分子动能的总和，内能增加，可能是增加的分子势能，如一定质量的0 ℃的冰变成0 ℃的水，内能增加，但温度并没有升高，故D项错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 4.医院用如图所示的压缩式喷雾器对公共场所 进行消杀工作。给储液罐打足气，打开开关就可以 让药液喷洒出来。若罐内气体可视为理想气体且温 度保持不变，随着药液的不断喷出，则罐内气体 (　　) A.内能不断减小 B.压强不断减小 C.外界对气体做功 D.气体对外放热 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析：由于罐内气体温度保持不变，所以气体的内能保持不变，A错误;随着药液喷出，罐内气体的体积增大，由玻意耳定律可知，气体压强减小，B正确;气体的体积增大，所以气体对外界做功，C错误;由热力学第一定律ΔU=Q+W，ΔU=0，W<0，则Q>0，即气体要从外界吸热，D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 5.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为 (　　) A.它不符合机械能守恒定律 B.它违背了能量守恒定律 C.它做功产生的热量太少 D.找不到合理的设计方案和理想材料 解析：第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确，A、C、D错误。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 6.(2024·南京高二期末)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，某乘客观察发现，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 13 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 13 7.(多选)如图，水平放置的密闭绝热气缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与气缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。气缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在气缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A.弹簧恢复至自然长度 B.活塞两侧气体质量相等 C.与初始时相比，气缸内气体的内能增加 D.与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数增大 解析：初始时活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态。因活塞密封不严，可知左侧气体向右侧真空漏出，左侧气体压强变小，右侧出现气体，对活塞有向左的压力，最终左、右两侧气体压强相等，且弹簧恢复原长，故A正确; 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 由题知活塞初始时静止在气缸正中间，但由于活塞向左移动，左侧气体体积小于右侧气体体积，则左侧气体质量小于右侧气体质量，故B错误;密闭的气缸绝热，与外界没有能量交换，但弹簧弹性势能减少了，可知气体内能增加，故C正确;初始时气体在左侧且体积为整个气缸体积的一半，最终气体充满整个气缸，则初始时活塞左侧单位体积内气体分子数应该是最终状态的两倍，故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 8.(2024·开封高二期末)用气压式开瓶器开红酒瓶，如图所示，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 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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，气体内能减小，故C、D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 9.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，这样循环不已，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。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案：见解析 解析：取顶部水槽中流出的水为研究对象，在其从顶部水槽中流出至底部水槽的过程中，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去的水的重力势能。由能量的转化和守恒定律知，抽水机抽上去的水的重力势能必然小于流下来的水的重力势能，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，则根本不可能将底部水槽中的水抽至顶部水槽， 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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底部水槽中的水抽至顶部水槽，则相等时间里抽上去的水也要比流下来的水的质量小得多，最后顶部水槽中的水很快就会流光。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 B级——综合应用 10.(2024·北京高考)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体(　　) A.内能变大 B.压强变大 C.体积不变 D.从水中吸热 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析：上浮过程气泡内气体的温度不变，内能不变，故A错误;气泡内气体压强p=p0+ρ水gh，故上浮过程气泡内气体的压强减小，故B错误;由玻意耳定律pV=C知，气体的体积变大，故C错误;上浮过程气体体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU=Q+W知，气体从水中吸热，故D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 11.(2024·厦门高二质检)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 13 A.活塞迅速下压时气缸内的气体对外界做负功 B.活塞迅速下压时气缸内的气体温度可能减小 C.活塞迅速下压时气缸内的气体的压强变小 D.活塞迅速下压时气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，即W>0，Q=0，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，气体的内能ΔU增大，温度升高，气体的体积减小，则气体压强增大。故选A。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 12.(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、气缸及密封在气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，上下乘客时气缸内气体的体积变化较慢，气体与外界有充分的热交换;剧烈颠簸时气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，气缸内气体视为理想气体，则 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 13 解析：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，由热力学第一定律可知，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 13 13.如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在气缸中，活塞的面积为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 13 (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 (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 $$