第3章 1 功、热和内能的改变-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（人教版）

1　功、热和内能的改变 第三章　热力学定律 [学习目标]　1.了解焦耳的两个实验的原理,知道做功和传热的实质。2.知道做功和传热是改变内能的两种方式,明确两种方式的区别(重难点)。3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。 课时作业 巩固提升 要点1　焦耳的实验 要点2　功和内能的改变 要点3　热和内能的改变 内容索引 要点1　焦耳的实验 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.绝热过程:系统不从外界　　　,也不向外界　　　的过程。  2.代表性实验 (1)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 　　　。  (2)通过电流的　　　　给液体加热。  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 　　　两个状态决定,不依赖于做功的具体过程和方式。  4.内能:只依赖于热力学系统　　　　　的物理量。  吸热 放热 上升 热效应 始末 自身状态 [思考与讨论] (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)在教材图3.1-1和图3.1-2 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或者仅由电流热效应引起。 (2)①重物下落,减少的重力势能转为系统的内能;②重物带动发电机工作,将机械能转化为电能,发电机工作,将电能转化为液体的内能。 焦耳的两个代表性实验 归纳 关键能力 合作探究 两个实验 实验一 实验二 实验 装置     两个实验 实验一 实验二 做功 方式 通过重物下落带动叶片搅拌容器中的水,靠叶片与水的摩擦使水温升高,通过机械功实现能量的转化 通过重物下落使发电机发电,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 外界对系统做功数值上相同,系统温度上升的数值相同,内能改变相同 [例1]　如图是研究内能改变与功之间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方式无关,仅与做功数量有关 D.在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变不仅与做功方式有关,还与做功数量有关 [答案]　C [解析]　通过这两个实验可得出的结论是在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关,故选项C正确。 [针对训练]　1.(多选)如图为焦耳实验装置图,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。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 AC 解析:该实验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,内能的改变是由做功引起的,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。 二 要点2　功和内能的改变 15 1.功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中,当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时,内能的变化量ΔU=U2-U1,等于外界对系统所做的功W,即ΔU=　　。  2.理解 (1)ΔU=W的适用条件是　　　过程。  (2)在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能　　　;系统对外做功,系统的内能　　　。  梳理 必备知识 自主学习 W 绝热 增加 减少 [思考与讨论] 打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气的时候,就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你试着去摸一下打气筒的外壳有什么感觉?这是怎么回事呢? 提示:打气筒外壳温度升高甚至烫手,这是由于打气时活塞压缩气体,对气体做功,使气体内能增加,温度升高。 1.功和内能的区别 (1)功是过程量,内能是状态量。 (2)在绝热过程中,做功一定能引起系统内能的变化。 (3)系统的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,内能变化越大时,对应着做功越多。 归纳 关键能力 合作探究 2.功和内能的关系 (1)做功可以改变系统的内能,功是系统内能转化的量度。在国际单位制中,内能和功的单位都是焦耳。 (2)绝热过程中功和内能变化的关系 当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的改变量ΔU就等于外界对系统所做的功W,即ΔU=U2-U1=W。 即在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能增加,外界对系统做多少功,系统的内能就增加多少;系统对外界做功,系统的内能减少,系统对外界做多少功,系统的内能就减少多少。 3.做功改变系统内能的实质 做功改变系统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,做功使系统内能发生变化时,内能改变的多少用做功的数值来量度。 [例2]　(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置,它主要由汽缸和活塞组成。开箱时,密闭于汽缸内的压缩气体膨胀,将箱盖顶起,如图所示。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 AD [解析]　气体膨胀,气体对外做正功,W<0,又因为气体与外界无热量交换,由此可知气体内能减小,ΔU<0,B、C错误,D正确;因忽略气体分子间的相互作用,没有分子势能,所以分子平均动能减小,A正确。 [例3]　如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,面积为0.1 m2,处于静止状态时,被封闭气体的高度为50 cm。现在活塞上方加一质量为15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少。(p0=1.01×105 Pa,g取10 m/s2) [答案]　1 030 J [解析]　由于汽缸及活塞均绝热,故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能,即ΔU=W外=(m活塞+m物体)gΔh+p0SΔh=(5+15)×10×0.1 J +1.01×105×0.1×0.1 J=1 030 J。 [针对训练]　2.如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施加一竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离后,气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力,则被密封的气体(　　) A.温度升高,压强增大,内能减少 B.温度降低,压强增大,内能减少 C.温度升高,压强增大,内能增加 D.温度降低,压强减小,内能增加 C 解析:向下压活塞,活塞对气体做功,气体的内能增加,温度升高,气体的体积减小,可得出气体的压强增大,故选项C正确。 三 要点3　热和内能的改变 27 1.传热 (1)发生条件:物体间的　　　不同。  (2)发生过程:温度不同的物体相互接触时,温度高的物体要降温,温度低的物体要升温,　　从高温物体传到低温物体。  梳理 必备知识 自主学习 温度 热 2.热和内能 (1)单纯地对系统传热也能改变系统的　　　　状态,即传热能改变系统的　　　。  (2)热量:在单纯的传热过程中系统　　　　　的量度。  (3)单纯的传热过程中内能的变化 ①公式:ΔU=U2-U1,　　　　　　　;  ②系统吸热,Q为正,系统内能　　　;系统放热,Q为负,系统内能 　　　。  热力学 内能 内能变化 ΔU=Q 增加 减少 3.做功和传热的区别和等效性 (1)做功时内能与其他形式的能发生　　　,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。  (2)做功和传热改变内能的方式不同,但效果是相同的。 转化 [思考与讨论] 下图是传热的三种方式——传导、对流和辐射。 (1)这三种方式在传递能量时有什么共同点? (2)传热和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同? 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)传热是内能在物体间(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。 1.功、内能、热量和温度的区别与联系 (1)内能与温度:从宏观上看,温度表示的是物体的冷热程度;从微观上看,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。物体的温度升高,其内能一定增加。但向物体传递热量,物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。 归纳 关键能力 合作探究 (2)热量和内能 ①内能是由系统的状态决定的,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,可以通过传热和做功两种方式来完成。 ②热量是传热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,离开过程,毫无意义。 ③对某一状态而言,只有“内能”,根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。 (3)热量与温度:热量是系统的内能变化的量度,而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。传热的前提条件是两个系统之间要有温度差,传递的是热量而不是温度。 (4)热量与功:热量和功都是系统内能变化的量度,都是过程量,一定量的热量与一定量的功相当,热量可以通过系统转化为功,功也可以通过系统转化为热量,但它们之间有着本质的区别。 2.热传递与内能改变的关系 (1)在单纯热传递中,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)在单纯热传递中,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)热传递改变物体内能的过程是物体间内能转移的过程,热传递使物体的内能发生变化时,内能改变的多少可用热量来量度。 [例4]　关于热传递,下列说法正确的是(　　) A.热传递的实质是温度的传递 B.物体间存在着温度差,才能发生热传递 C.热传递可以在任何情况下进行 D.物体内能发生改变,一定是吸收或放出了热量 B [解析]　热传递实质上是热量在两物体间或同一物体不同部分间的转移,故A错误;热传递发生的条件是物体间存在温度差,高温物体放出热量,低温物体吸收热量,若两物体温度相同,它们之间便不会发生热传递,故B正确,C错误;物体吸收或放出热量,内能会发生变化,但内能变化不一定是热传递引起的,还可以用做功的方式改变内能,故D错误。 [例5]　(多选)在外界不做功的情况下,物体的内能增加了50 J,下列说法正确的是(　　) 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.物体分子的平均动能可能不变 BD [解析]　在外界不做功的情况下,内能的改变量等于传递的热量,内能增加50 J,一定是吸收了50 J的热量,故A错,B对;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,所以内能增加了50 J并不一定是分子动能增加了50 J,物体分子的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,例如,在冰熔化成水的过程中吸热但温度并不升高,故C错,D对。 [针对训练]　3.(多选)以下关于热量、功和内能三者的说法正确的是(　　) A.三者单位相同,物理意义相同 B.热量和功是内能的量度 C.热量和功由过程决定,而内能由物体状态决定 D.系统内能增加了100 J,可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J,也可能是外界单纯地对系统传热100 J CD 解析:热量、功和内能三者尽管单位相同,但物理意义有本质区别,A错误;热量和功由过程决定,内能由物体状态决定,热量和功是内能变化的量度,B错误,C正确;对一个绝热过程ΔU=W=100 J,对一个单纯热传递过程ΔU=Q=100 J,D正确。 4.在以下事例中,通过传热的方式来改变物体内能的是(　　) A.两小球碰撞后粘合起来,同时温度升高 B.冬天暖气为房间供暖 C.点燃的爆竹在空中爆炸 D.汽车的车轮与地面相互摩擦发热 B 解析:改变内能的方式有两种:做功和传热,传热指内能的转移,而不是其他形式的能转化为内能。两小球碰撞后粘在一起,温度升高,是机械能转化为内能,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;点燃的爆竹在空中爆炸,是化学能转化为内能,故C错误;车轮与地面摩擦生热,是机械能转化为内能,故D错误。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.景颇族祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体,在此压缩过程中(　　) A.气体温度升高,压强不变 B.气体温度升高,压强变大 C.气体对外界做正功,气体内能增加 D.外界对气体做正功,气体内能减少 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:压缩气体时,外界对气体做正功,气体内能增加,温度升高,压强增大,选项B正确。 2.指出下面例子中通过热传递改变物体内能的是(　　) 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:物体在阳光照射下温度升高是通过热传递的方式来改变物体内能的,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.热量传递方向与两物体的温度有关 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 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.关于内能、温度和热量,下列说法正确的是(　　) A.物体的温度升高时,一定吸收热量 B.物体沿斜面下滑时,内能将增大 C.物体沿斜面匀速下滑时,内能可能增大 D.内能总是从高温物体传递给低温物体,当内能相等时传热停止 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:物体的温度升高时,可能是外界对物体做了功,不一定吸收热量,选项A错误;物体沿光滑斜面下滑时,没有摩擦力做功,则物体的内能不会增大,选项B错误;物体沿斜面匀速下滑时,可能有摩擦力做功转化为物体的内能,则物体的内能可能增大,选项C正确;热量总是从高温物体传递给低温物体,当温度相等时传热停止,选项D错误。 5.在绝热过程中,外界压缩气体做功20 J。下列说法正确的是(　　) A.气体内能一定增加20 J B.气体内能增加必定小于20 J C.气体内能增加可能小于20 J D.气体内能可能不变 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:做功的过程是能量转化的过程,在绝热过程中,外界对物体做多少功,物体的内能就增加多少,所以选项A正确。 6.关于系统的内能,下述说法正确的是(　　) A.物体内所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能 B.当一个物体的机械能发生变化时,其内能也一定发生变化 C.外界对系统做了多少功W,系统的内能就增加多少,即ΔU=W D.系统从外界吸收了多少热量Q,系统的内能就增加多少,即ΔU=Q 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:在分子动理论中,我们把物体内所有分子的分子动能与分子势能的总和定义为物体的内能,故A正确;物体的内能与机械能是两个不同的物理概念,两者没有直接关系,物体的机械能发生变化时,物体的内能可能不变,故B错误;只有当系统与外界绝热时,外界对系统做的功才等于系统内能的增量,同理,只有在单纯的热传递过程中,系统吸收(或放出)的热量才等于系统内能的变化量,故C、D错误。 7.如图所示,在大口的玻璃瓶内装一些水,水的上方有水蒸气。然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口,并给瓶内打气,当打到某一状态时,瓶塞会跳起来。当瓶塞跳起时,我们会看到瓶内出现了“白雾”。对于“白雾”的形成,下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠 B.这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气 C.这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾 D.瓶内空气推动瓶塞做功,空气的内能减小,温度降低,使水蒸气液化形成小水滴 答案:D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:当用打气筒向瓶内打气时,外界对系统做功,使系统的内能增加,温度升高,压强增大,使瓶塞从瓶口中喷出。形成“白雾”的原因是,在塞子突然跳起时,气体绝热膨胀对外做功,内能减少,温度下降,水蒸气有一部分被液化成小水滴,故选项D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [B组　综合强化练] 8.如图所示,带有活塞的汽缸中封闭着一定质量的气体(不考虑分子势能)。将一个热敏电阻(电阻值随温度升高而减小)置于汽缸中,热敏电阻与汽缸外的欧姆表连接,汽缸和活塞均具有良好的绝热性能。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.若拉动活塞使汽缸内气体体积增大,需施加一定的拉力,说明气体分子间有引力 B.若拉动活塞使汽缸内气体体积增大,则欧姆表读数将变小 C.若发现欧姆表读数变大,则汽缸内气体内能一定增大 D.若发现欧姆表读数变大,则汽缸内气体内能一定减小 答案:D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:气体分子间的距离已经超过分子间作用力起作用的范围,所以不能说明分子间有引力,故A错误;若拉动活塞使汽缸内气体体积增大,气体对外做功,内能减小,温度降低,热敏电阻阻值增大,则欧姆表示数将变大,故B错误;发现欧姆表读数变大时,热敏电阻阻值变大,说明温度降低,则气体内能减小,故C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 9.(多选)小明用废圆珠笔芯做一种玩具:铁丝的一端缠绕棉花,用水打湿后从一端塞入笔芯内,将笔芯的另一端用力在马铃薯上戳一下拔出来,然后用力推铁丝,马铃薯小块高速飞出,能打出几米远。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中,笔芯内密封气体的温度升高 B.在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中,气体对外做功 C.马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能 D.马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功 答案:AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:在快速推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中,外界对笔芯内封闭气体做功,内能增加,气体的温度升高,故A正确,B错误;马铃薯小块高速飞出时,笔芯内气体对马铃薯小块做功,气体内能减小,即马铃薯小块高速飞出的动能来自气体的内能,故C正确,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10.(多选)如图所示,一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分。已知a内有一定质量的稀薄气体,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,不计分子间的势能。在此过程中,下列说法正确的是(　　) A.气体对外界做功,内能减少 B.气体不做功,内能不变 C.气体压强变小,温度不变 D.单位时间内撞击容器壁的分子数减少 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 BCD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:稀薄气体向b部分扩散没有对外界做功,W=0,故选项A错误;绝热容器内的稀薄气体与外界不发生传热也没做功,所以气体内能不变,故选项B正确;根据题意知,气体体积增大,压强减小,气体的内能不变,则温度不变,故选项C正确;温度不变,分子的平均动能不变,压强减小,说明单位时间内和容器壁碰撞的分子数目减少,故选项D正确。 11.(多选)如图所示,带有活塞的汽缸中密封着一定质量的理想气体(不考虑气体分子势能),汽缸和活塞均具有良好的绝热性能。将一个热敏电阻(随温度升高,电阻变小)置于汽缸中,热敏电阻与汽缸外的欧姆表连接,汽缸固定不动,缸内活塞可自由移动且不漏气,活塞下挂一沙桶,沙桶装满细沙时活塞恰好静止。现将沙桶底部钻一小洞,细沙缓缓漏出,则下列说法正确的是(　 　) A.外界对气体做功,气体的内能增大 B.气体对外界做功,气体的内能减小 C.气体的压强增大,体积减小 D.欧姆表指针偏转角度逐渐增大 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ACD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:在细沙缓慢漏出的过程中,沙桶对活塞向下的拉力逐渐减小,活塞在大气压的作用下向上运动,外界对气体做功,气体的内能增大,温度升高,体积减小,压强增大,由于热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,则欧姆表示数减小,指针偏转角度逐渐增大,故A、C、D正确,B错误。 [C组　培优选做练] 12.在下列三幅图中,有关功与内能的说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.图1中迅速下压活塞,硝化棉会燃烧起来,说明热传递可以使物体的温度升高 B.图2中重物下落带动叶片转动,由于叶片向水传递热量而使水的温度升高 C.图3中降落的重物使发电机发电,电流对水做功使水的温度升高 D.做功和热传递都可以使物体的内能增加 答案:D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:图1中通过压缩活塞对气体做功,气体内能增加,温度升高,达到硝化棉的着火点,使硝化棉燃烧,并不是热传递使物体温度升高的,故A错误;图2中重物下落带动叶片转动,由叶片对水做功而使水的温度升高,故B错误;图3中降落的重物使发电机发电,电流对电阻做功使电阻发热,然后电阻把热量传递给水,使水的温度升高,故C错误;做功和热传递都可以使物体的内能增加,故D正确。 $$