第3章 2 热力学第一定律 3 能量守恒定律-【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）

2　热力学第一定律 3　能量守恒定律 第三章　热力学定律 [学习目标]　1.理解热力学第一定律,并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重点)。2.理解并会运用能量守恒定律解决实际问题(难点)。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 课时作业 巩固提升 要点1　热力学第一定律及应用 要点2　能量守恒定律和第一类永动机 内容索引 要点1　热力学第一定律及应用 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.热力学第一定律 (1)改变内能的两种方式:　　　和　　　。  (2)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　　　与外界对它所　　　　　的和。  ②表达式:ΔU=　　　　　。  做功 传热 热量 做的功 Q+W 2.热力学第一定律的应用 公式ΔU=Q+W中符号的规定 符号 W Q ΔU + 外界对系统做功 系统吸收热量 内能　　  - 系统对外界做功 系统放出热量 内能　　  增加 减少 [思考与讨论] 如图所示,快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J,气体内能改变了多少?若保持气体体积不变,汽缸向外界传递10 J的热量,气体内能改变了多少?若推动活塞对汽缸内气体做功10 J的同时,汽缸向外界传递10 J的热量,气体的内能改变了多少? 提示:内能增加了10 J;减少了10 J;没改变。 1.对公式ΔU=Q+W符号的规定 归纳 关键能力 合作探究 符号 W Q ΔU + 体积减小,外界对热力学系统做功 热力学系统吸收热量 内能增加 - 体积增大,热力学系统对外界做功 热力学系统放出热量 内能减少 2.气体状态变化的几种特殊情况 (1)绝热过程:Q=0,则ΔU=W,系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或系统对外界)做的功。 (2)等容过程:W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量。 (3)等温过程:理想气体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)。 3.判断气体是否做功的方法 一般情况下看气体的体积是否变化。 (1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W<0。 (2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,W>0。 [例1]　一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能),则下列说法正确的是(　　) A.气泡对外做功,内能不变,同时放热 B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热 C.气泡内能减少,同时放热 D.气泡内能不变,不吸热也不放热 B [解析]　在气泡缓慢上升的过程中,气泡外部的压强逐渐减小,气泡膨胀,对外做功,W<0,由于外部恒温,且气泡缓慢上升,故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度,内能不变,ΔU=0,由ΔU=W+Q知,Q>0,故需从外界吸收热量,且吸收的热量等于对外界所做的功,故B正确。 [例2]　一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量,内能增加了4.2×105 J。 (1)是气体对外界做了功,还是外界对气体做了功?做了多少焦耳的功? (2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变,但是内能增加了1.6×105 J,计算结果W=-1.0×105 J,是负值,怎样解释这个结果? (3)在热力学第一定律ΔU=Q+W中,W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义? [答案]　(1)外界对气体做了功　1.6×105 J　(2)(3)见解析 [解析]　(1)由热力学第一定律知ΔU=W+Q, 将Q=2.6×105 J,ΔU=4.2×105 J代入上式得 W=ΔU-Q=4.2×105 J-2.6×105 J=1.6×105 J, W>0,说明外界对气体做了1.6×105 J的功。 (2)如果吸收的热量Q=2.6×105 J,内能ΔU增加了1.6×105 J,计算结果为W=-1.0×105 J,说明气体对外界做功1.0×105 J。 (3)在公式ΔU=Q+W中,ΔU>0,系统内能增加;ΔU<0,系统内能减少。 Q>0,系统吸热;Q<0,系统放热。 W>0,外界对系统做功;W<0,系统对外界做功。 名师点评 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.根据方程ΔU=W+Q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。 [针对训练]　1.如图所示,密封的矿泉水瓶中,距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中,小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶,小瓶下沉到底部;松开后,小瓶缓慢上浮。上浮过程中,小瓶内气体(　　) A.内能减少 B.对外界做正功 C.增加的内能大于吸收的热量 D.增加的内能等于吸收的热量 B 解析:由于越接近矿泉水瓶口,水的温度越高,因此小瓶上浮的过程中,小瓶内气体温度升高,内能增加,A错误;在小瓶上浮的过程中,小瓶内气体的温度逐渐升高,压强逐渐减小,根据=C知气体体积增大,气体对外界做正功,B正确;根据热力学第一定律ΔU=W+Q知吸收的热量大于增加的内能,C、D错误。 2.一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 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ΔU=Q+W可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,选项B正确。 二 要点2　能量守恒定律和第一类永动机 20 1.能量守恒定律 (1)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　　　为其他形式,或者从一个物体　　　到别的物体,在转化或转移的过程中, 　　　　　　保持不变。  (2)意义 ①各种形式的能可以　　　 　　。  ②各种物理现象可以用　　　　　　　联系在一起。  梳理 必备知识 自主学习 转化 转移 能量的总量 相互转化 能量守恒定律 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　　　　　的机器。  (2)不可制成的原因:违背了　　　　　定律。  对外做功 能量守恒 [思考与讨论] (1)不耗油的汽车能不能制成,为什么?不消耗能量的汽车呢? (2)如图所示是18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”,现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了,警示人们不要再做这方面的工作。试分析“永动机”不能成功的原因。 提示:(1)前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。 (2)永动机违背了能量守恒定律。 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:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,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,利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能。 归纳 关键能力 合作探究 2.能量守恒的两种表达 (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 如果没有外界供给能量而对外做功,由ΔU=Q+W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。 [例3]　(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.不需要任何外界的动力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 ABC [解析]　A选项是指不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的,B选项是指能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移;第一类永动机是不可能制成的,它违背了能量守恒定律,所以A、B、C正确。D选项中石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用,机械能可能减少,但机械能并没有消失,而是转化成其他形式的能,能量守恒定律表明能量既不能创生,也不能消失,故D错误。 [例4]　某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量,他用一个横截面积为S=3.2 dm2的保温圆筒,筒内装有质量为m=0.4 kg的水,让太阳光垂直照射t=3 min,水升高的温度Δt=2.2 ℃,已知水的比热容c=4.2×103 J/(kg· ℃),地球半径为R=6 400 km,试估算出太阳向地球表面辐射能量的功率。(提示:Q=cmΔt) [答案]　8.3×1016 W [解析]　太阳辐射到水中的能量Q=cmΔt=4.2×103×0.4×2.2 J ≈3.7×103 J,则太阳在3 min内向地球表面辐射的能量Q总=·πR2=×3.14×(6 400×103)2 J≈1.49×1019 J,则辐射功率P== W≈8.3×1016 W。 [针对训练]　3.(多选)细绳一端固定在天花板上,另一端拴一质量为m的小球,如图所示。使小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动。下列说法中正确的是(　　) A.小球机械能不守恒 B.小球能量正在消失 C.小球摆动过程中,只有动能和重力势能在相互转化 D.总能量守恒,但小球的机械能减少 AD 解析:小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动,说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能,即机械能不守恒,故A项正确;小球的机械能转化为内能,能量的种类变了,但能量不会消失,故B项错误;小球长时间摆动过程中,重力势能和动能相互转化的同时,机械能不断地转化为内能,故摆动的幅度越来越小,但总能量守恒,故C项错误,D项正确。 4.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,转轮因此能较长时间转动。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.叶片从热水中吸收的热量一定大于向空气中释放的热量 答案:D 解析:形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水,由能量守恒知转轮转动所需能量来源于热水,水温降低,故A、B、C错误;由能量守恒知,叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能,一部分释放于空气中,故D正确。 三 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.关于内能的变化,以下说法正确的是(　　) A.物体吸收热量,内能一定增大 B.物体对外做功,内能一定减少 C.物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变 D.物体放出热量,同时对外做功,内能可能不变 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:根据热力学第一定律ΔU=W+Q,物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关。物体吸收热量,内能不一定增大,因为物体可能同时对外做功,故内能还可能不变或减少,A错误,C正确;物体对外做功,若同时吸收热量,内能还可能不变或增大,B错误;物体放出热量,同时对外做功,内能一定减少,D错误。 2.气体膨胀对外做功100 J,同时从外界吸收了120 J的热量,它的内能的变化情况是(　　) A.减小20 J　　　　　　　　 B.增大20 J C.减小220 J D.增大220 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:研究对象为气体,外界对其做功W=-100 J,吸收热量Q=120 J,由热力学第一定律有ΔU=W+Q=-100 J+120 J=20 J。ΔU>0,说明气体的内能增大。 3.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有(　　) A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2 C.W1=W2 D.Q1>Q2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:因为该气体从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,所以内能没有变化,即ΔU=0。根据热力学第一定律可知W1-W2+Q1-Q2=ΔU=0,即Q1-Q2=W2-W1。 4.北京春秋两季的昼夜温差较大,细心的司机发现从早晨到中午,车胎的体积和胎内气体的压强都会变大。若这段时间胎内气体质量不变,且可将其视为理想气体,那么从早晨到中午这段时间内,车胎内的气体(　　) A.对外界做功,内能减小 B.对外界做功,内能不变 C.吸收热量,内能不变 D.吸收的热量大于对外所做的功 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:车胎的体积和胎内气体的压强都会变大,由=C可知,气体温度升高,则气体内能增大,又因气体对外做功,根据热力学第一定律可知,气体吸收的热量大于对外所做的功,故选D。 5.一定量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104 J,气体对外界做功1.0×104 J,则该理想气体的(　　) A.温度降低,密度增大 B.温度降低,密度减小 C.温度升高,密度增大 D.温度升高,密度减小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:由ΔU=W+Q可得理想气体内能变化量ΔU=-1.0×104 J+2.5×104 J =1.5×104 J>0,故气体温度升高,A、B两项错误;因为气体对外做功,所以气体一定膨胀,体积变大,由ρ=可知气体密度变小,故C项错误,D项正确。 6.(多选)行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离,最后停下;流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰;降落伞在空中匀速下降;条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈,线圈中产生电流。上述不同现象所包含的相同物理过程是(　　) A.物体克服阻力做功 B.物体的动能转化为其他形式的能量 C.物体的势能转化为其他形式的能量 D.物体的机械能转化为其他形式的能量 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用,汽车主要受摩擦阻力,流星、降落伞受空气阻力,条形磁体下落受磁场阻力,因而物体都克服阻力做功,A正确。四个物体的运动过程中,汽车是动能转化成了内能,流星、降落伞、条形磁体是重力势能转化成其他形式的能,总之是机械能转化成了其他形式的能,D正确。 7.在光滑水平面上停放一木块,一子弹水平射穿木块。对此过程,下列说法中正确的是(　　) A.摩擦力(子弹与木块间)对木块做的功等于木块动能的增加量 B.摩擦力对木块做的功完全转化为木块的内能 C.子弹减少的机械能等于子弹与木块增加的内能 D.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与内能之和 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:对木块由动能定理可判断出A项正确;子弹克服摩擦力做功而减少的机械能,转化为木块、子弹的内能和木块的动能,故B、C、D三项错误。 8.下列说法正确的是(　　) A.随着科技的发展,第一类永动机是可能制成的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了 C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的 D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量是可能凭空产生的 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:第一类永动机违背了能量守恒定律,故永远无法制成,A项错误;太阳照射到宇宙空间的能量均能转化成其他形式的能量,B项错误;马儿奔跑时同样需要消耗能量,故“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的,C项正确;不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动的“全自动”手表是不存在的,它违背了能量守恒定律,D项错误。 [B组　综合强化练] 9.如图所示,内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上,其右端由于有挡板,厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸,汽缸内封闭着一定质量的理想气体,活塞距汽缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热,活塞缓慢移动,一段时间后停止加热,此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2,外部大气压强为1×105 Pa,加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J,则封闭气体的内能变化量为(　　) A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:由题意可知,气体先做等压变化,活塞运动到挡板处后再做等容变化,等压变化过程气体对外做功,则W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2 J= -800 J,由热力学第一定律可知,封闭气体的内能变化量为ΔU=Q+W= (2 000-800)J=1 200 J,故B正确。 10.如图所示,容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体,A气体的密度小,B气体的密度大。抽去隔板,加热气体,使两部分气体均匀混合。设在此过程中气体吸收的热量为Q,气体内能的增加量为ΔU,则(　　) A.ΔU=Q B.ΔU<Q C.ΔU>Q D.ΔU=0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:抽去隔板,加热气体,使两部分气体均匀分布,其重心升高,气体对外做功,即W<0,由热力学第一定律ΔU=Q+W知ΔU<Q,故选项B正确。 11.如图所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门(如图甲),当落潮时,开闸放水发电(如图乙)。设海湾水库面积为5.0×108 m2,平均潮差为3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3,g取10 m/s2)(　　) A.2.6×104 kW B.5.2×104 kW C.2.6×105 kW D.5.2×105 kW 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:利用潮汐发电,就是将水的重力势能转化为电能,水能转化为电能的效率是10%,一次涨潮,退潮后水坝内水的势能改变量W水=GΔh=mgΔh=ρ水VgΔh=ρ水SghΔh,海水平均潮差为3.0 m,则水的重心下降的高度Δh= m=1.5 m,则水的势能可转变为的电能W电=W水×10%=ρ水SghΔh×10%=1.0×103×5.0×108×10×3.0×1.5×0.1 J=2.25×1012 J。每天两次涨潮,则该电站一天能发电4.5×1012 J,所以每天的平均功率为P= W≈5.2×104 kW,故B正确。 12.汽缸内封闭了一定质量的理想气体,压强p=1.0×105 Pa,体积V= 2.0 m3,现使气体保持压强不变,体积缓慢压缩至V'=1.0 m3,此过程气体向外界释放了1.2×105 J的热量,求: (1)压缩过程外界对气体做了多少功? (2)气体内能变化了多少? 答案:(1)1.0×105 J　(2)减少了2×104 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:(1)外界对气体做的功 W=pΔV=p(V-V') 解得W=1.0×105 J。 (2)由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量 ΔU=Q+W=-1.2×105 J+1.0×105 J=-2×104 J 即气体内能减少了2×104 J。 [C组　培优选做练] 13.图甲中空气炸锅是一种新型的烹饪工具,图乙为某型号空气炸锅的简化模型图,空气炸锅中有一气密性良好的内胆,内胆内的气体可视为质量不变的理想气体,已知胆内初始气体压强为p0=1.0×105 Pa,温度为T0=300 K,现启动加热模式使气体温度升高到T=450 K,此过程中气体吸收的热量为Q=8.0×103 J,内胆中气体的体积不变,求: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (1)此时内胆中气体的压强p; (2)此过程内胆中气体的内能增加量ΔU。 答案:(1)1.5×105 Pa　(2)8.0×103 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:(1)根据题意可知,气体体积不变,气体为等容变化,根据查理定律可得= 解得p=1.5×105 Pa。 (2)根据热力学第一定律有ΔU=W+Q 由于气体的体积不变,所以W=0 又因Q=8.0×103 J 所以ΔU=8.0×103 J。 $$