第3章 1.功、热和内能的改变-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（人教版2019）

第三章　热力学定律 1.功、热和内能的改变 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，理解做功和传热对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别。3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。 2 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 课前自主学习 一　焦耳的实验 1．绝热过程：系统不从外界_____热，也不向外界_____热的过程。 2．代表实验 (1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。 (2)由电流的__________给液体加热，使液体温度上升。 3．内能：任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于_______________的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种_____，我们把它称为系统的内能。 吸 放 热效应 系统自身状态 能量 课前自主学习 5 二　功与内能的改变 1．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＝____________，它就等于________________________ ，即ΔU＝________。 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___________。 U2－U1 外界对系统所做的功W W 增加 减少 课前自主学习 6 三　热与内能的改变 1．传热：两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度高的物体A要降温，温度低的物体B要升温，我们说，热从____________传到了____________ 。 2．热量：外界对系统做功可以改变系统的热力学状态，而单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态。所以，_______是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 高温物体A 低温物体B 热量 课前自主学习 7 3．热与内能的改变的关系：当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝ __________，它就等于________________________，即ΔU＝ ______。 4．做功和传热的区别：做功时，内能与____________能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化，而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的____________ 。 U2－U1 外界向系统传递的热量Q Q 其他形式的 转移 课前自主学习 8 1．判一判 (1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(　　) (2)在绝热过程中，做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。(　　) (3)传热过程具有一定的方向性。(　　) (4)在任何情况下，公式ΔU＝Q都适用。(　　) (5)做功和传热都可改变物体的内能，从效果上是等效的。(　　) 提示：(1) ×　(2)×　(3)√　(4) ×　(5)√ 课前自主学习 9 2．想一想 用天然气灶加热一壶水，不一会儿水就烧开了，壶盖被反复顶起。整个过程中，壶中水(包括水蒸气)内能是如何改变的？ 提示：用天然气灶加热一壶水，是通过传热的方式使水的内能增加。水沸腾后变成的水蒸气将壶盖反复顶起，水蒸气对外做功使水蒸气的内能减小。 课前自主学习 10 课堂探究评价 探究1　焦耳的实验　功与内能的改变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 12 活动1：手冷的时候，可以哈气取暖，也可以搓手取暖，这说明要改变热力学系统的状态，有哪些方式？ 活动2：如图甲、乙是焦耳做的实验，两图中水温的升高分别是由什么引起的？ 提示：传热与做功。 提示：图甲中重物下落带动叶片搅拌容器中的水，摩擦力做功使水的温度升高。图乙中重物下落带动发电机发电，电流做功使水的温度升高。 课堂探究评价 13 活动3：实验发现，如果图甲中容器绝热性能良好，尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不同，但只要重力做的功相同，容器中水温上升的数值就相同，那么水的状态变化相同吗？ 活动4：实验发现，如果图乙中容器绝热性能良好，尽管各次电流的大小不同，通电时间也不同，但只要电流做的功相同，容器中水温上升的数值就相同，那么水的状态变化相同吗？ 提示：因为对于水这个热力学系统，体积和压强基本不变，容器中水温变化相同，所以水的状态变化相同。 提示：相同。 课堂探究评价 14 活动6：若热力学系统的内能用U表示，外界对系统做的功为W，如何用公式表示活动3、4的过程？ 提示：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，它就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 课堂探究评价 15 活动5：系统不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫作绝热过程。如图丙所示，因为重力做功仅由起点和终点决定，与路径无关，我们定义了由位置决定的重力势能。受此启发，由活动2、3、4可以定义什么物理量？ 提示：由活动2、3、4可知，如果一个热力学系统与外界没有热量传递(绝热过程)，则外界对系统做的功仅由该过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。这就使我们认识到，任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。 课堂探究评价 16 1．绝热过程：在一个热学过程中，系统不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫作绝热过程。一般来说，如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。 2．内能与内能的改变 (1)物体的内能是指物体中所有分子的热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和。一定质量的物体的内能，在微观上由分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，在宏观上体现为物体温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。 (2)当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。当物体体积变化时，分子间距离变化，分子势能发生变化。物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间的具体过程及方式无关。 课堂探究评价 17 3．做功与内能的改变的关系 (1)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。 (2)在绝热过程中，外界对系统做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，系统的内能就增加多少；系统对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，系统的内能就减少多少。 4．功和内能的区别与联系 (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，只有内能变化较大时，对应着做功较多。 课堂探究评价 18 例1　如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析中正确的是(　　) A．图甲，空气压缩引火仪内的空气被快速压缩，引火仪内空气的内能减少 B．图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起，瓶内空气的内能增大 C．图丙，试管内的水蒸气推动塞子冲出去，水蒸气的内能减少 D．图丁，汽缸内的气体推动活塞快速向下运动时，汽缸内气体的内能增大 课堂探究评价 19 [实践探究]题中几个情境有什么共同点？ 提示：过程极短，与外界交换热量较少，即与外界来不及交换热量，可认为过程绝热。 规范解答　图甲，空气压缩引火仪内的空气被快速压缩，可认为过程绝热，活塞对引火仪内空气做功，引火仪内空气的内能增加，故A错误；图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起，可认为过程绝热，瓶内空气对活塞做功，瓶内空气的内能减少，故B错误；图丙，试管内的水蒸气推动塞子冲出去，可认为过程绝热，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减少，故C正确；图丁，汽缸内的气体推动活塞快速向下运动时，可认为过程绝热，气体对活塞做功，汽缸内气体的内能减少，故D错误。 课堂探究评价 20 分析绝热过程的方法 (1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值。此过程做功的多少为内能转化的量度。 (2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了。而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W。这也是判断绝热过程的一种方法。 课堂探究评价 21 [变式训练1]　地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中(不计空气团内分子间的势能)(　　) A．体积减小，温度降低 B．体积减小，温度不变 C．体积增大，温度降低 D．体积减小，温度升高 解析　空气团在上升过程中，与外界的热交换忽略不计，外界压强逐渐减小，则在压强差的作用下，空气团体积逐渐增大，对外界做功，根据ΔU＝W，所以空气团内能逐渐减小，温度逐渐降低，故选C。 课堂探究评价 22 探究 2　热与内能的改变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 23 活动1：如图甲，将烧红的铁质农具放入水中淬火，它们各自的温度如何变化？变化的原因是什么？ 活动2：水的温度升高，水的内能如何变化？物理上称传热过程传递的是热量Q，那么这种情况如何量度内能的变化ΔU? 提示：水的温度升高，铁质农具的温度降低。因为两个物体间存在温度差，发生了传热。 提示：水的内能增大。系统状态的变化只是由传热引起的，所以内能的增量等于外界向水传递的热量，即ΔU＝Q。 课堂探究评价 24 活动3：如图乙，做功和传热都能改变物体的内能，两种方式有区别吗？ 提示：在效果上没有区别，但是在本质上有区别：做功是机械能、电能等与内能的转化，传热是不同物体(或同一物体的不同部分)之间内能的转移。 课堂探究评价 25 1．传热与内能的改变的关系 (1)传热改变系统内能的过程是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能转移的过程。 (2)在单纯的传热过程中，外界向系统传递多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界传递多少热量，系统的内能就减少多少。 2．热量和温度的区别与联系 热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内分子热运动的平均动能的标志。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。 课堂探究评价 26 3．内能和温度的区别与联系 从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，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，内能不一定增加，但理想气体的温度升高，内能一定增加。 4．热量和内能的区别与联系 (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，可以通过传热或做功两种方式来完成。 (2)热量是传热过程中的特征物理量，和功一样，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，离开过程，毫无意义。 (3)就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。 课堂探究评价 27 5．改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 传热 内能变化 外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少 系统吸收热量，内能增加；系统放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体或一个物体不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 课堂探究评价 28 例2　(多选)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则(　　) A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量 B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量 C．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量 D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低 课堂探究评价 29 [实践探究]如果不和外界发生能量交换，两者的内能之和变化吗？ 提示：不变。 规范解答　由于T1>T2，所以当它们接触在一起时，热量从铜块传向铁块，直至两者达到热平衡状态，若不和外界交换能量，则两者的内能之和保持不变，则整个过程中的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量，热平衡时，两者温度相同，故A、C正确，B、D错误。 课堂探究评价 30 传热方向与物体内能的大小无关 发生传热时，可能误认为热量是从内能大的物体传到内能小的物体上。为此要明确以下两点： (1)传热与物体内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体。 (2)传热过程中，热量可以由内能大的物体传递到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传递到内能大的物体上。 课堂探究评价 31 [变式训练2]　(多选)下列所述现象中属于利用传热的方式改变物体内能的是(　　) A．冬天，用手去拿室外的铁块，手感到冷 B．冬天，通过嘴哈气给手取暖 C．夏天，在地面上晒小麦 D．冬天，两手相互搓动取暖 解析　冬天，用手去拿室外的铁块使手变冷、通过嘴哈气给手取暖，夏天，在地面上晒小麦，都是通过传热改变物体的内能；冬天，两手相互搓动取暖是通过做功改变物体内能，故A、B、C正确，D错误。 课堂探究评价 32 课后课时作业 1．(焦耳的实验)如图所示是焦耳研究热与功 之间关系的两个典型实验，下列说法正确的是(　) A．系统状态的改变只能通过传热来实现 B．系统状态的改变只能通过做功来实现 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　系统状态的改变可通过做功或传热实现，A、B错误；焦耳通过多次实验，可得出结论：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，C正确，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 2．(做功和传热的判断)如图所示是古人锻造铁器的过程，关于改变物体内能的方式，下列说法正确的是(　　) A．加热和锻打属于传热，淬火属于做功 B．加热属于传热，锻打和淬火属于做功 C．加热和淬火属于传热，锻打属于做功 D．加热和淬火属于做功，锻打属于传热 解析　用铁锤锻打铁器，铁器会发热，属于做功改变物体内能；用火对铁器加热，铁器从火中吸收热量，把铁器放在水中淬火，铁器向水中放热，所以加热和淬火属于传热改变物体内能，故C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 3．(功与内能的改变)如图所示，厚壁容器的一端通过 胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡 住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的 压强增大到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶 塞冲出容器口后(　　) A．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少 B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加 C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少 D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　胶塞冲出容器口后，气体膨胀，对外做功。由于没来得及发生热交换，则有ΔU＝W，可知气体内能减小。内能等于物体内所有分子的热运动动能和分子势能的总和，由于气体分子间的势能可忽略，可知气体分子的平均动能减小，所以温度降低，温度计示数变小。C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　热量是过程量，不能说一个物体含多少热量，A错误；传热发生在有温度差的两物体间或一个物体的两部分间，且一般是从高温物体(或部分)传递给低温物体(或部分)，与物体内能的多少、比热容的高低均无关，B正确，C、D错误。 4．(传热)下列关于传热的说法中，正确的是(　　) A．热量一般是从含热量较多的物体传给含热量较少的物体 B．热量一般是从温度较高的物体传给温度较低的物体 C．热量一般是从内能较多的物体传给内能较少的物体 D．热量一般是从比热容大的物体传给比热容小的物体 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 5．(综合)关于系统的内能，下列说法中正确的是(　　) A．物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和叫作物体的内能 B．一个物体当它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 解析　在分子动理论中，我们把物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和定义为物体的内能，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，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，只有在单纯的传热过程中，系统吸收的热量才等于系统内能的增量，C、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 6．(做功、传热与内能的改变)关于做功、传热与内能变化的说法，正确的是(　　) A．不通过做功的过程，物体的内能也可以改变 B．不对物体做功，物体内能总保持不变 C．外力对物体做2 J的功，物体就一定增加2 J的内能 D．物体吸收热量，内能一定增加 解析　做功和传热都可以改变物体的内能，A正确，B错误；外力对物体做2 J的功，不知物体与外界的传热情况，则内能不一定增加2 J，C错误；物体吸收热量时，如果对外做功，内能不一定增加，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 7．(功与内能的改变)金属制成的汽缸中放入浸了少许乙醚的脱脂棉，有可能使其达到燃点而燃烧的过程是(　　) A．迅速向里推活塞 B．迅速向外拉活塞 C．缓慢向里推活塞 D．缓慢向外拉活塞 解析　浸了乙醚的脱脂棉较容易燃烧，但在常温或稍高于常温的情况下也不会自燃，因此，要想使其自燃必须使其周围空气的温度升高足够高，即使汽缸内部空气的内能增加量足够大。若迅速向里推活塞，该过程发生的时间较短，可视为绝热过程，活塞对汽缸内气体做功，气体内能增大，温度升高，可能达到或超过乙醚燃点引起燃烧，故A正确；迅速向外拉活塞，同理该过程可视为绝热过程，汽缸内气体对外界做功，则内能减小，温度降低，乙醚不会自燃，故B错误；缓慢向里推活塞或向外拉活塞，由于作用时间较长，汽缸内气体会与外界进行热交换，气体温度保持不变，乙醚不会自燃，故C、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 8．(综合)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 解析　物体的温度升高时，可能是外界对物体做了功，也可能物体吸收热量，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，B错误；物体沿斜面匀速下滑时，若有摩擦力做功，则物体的重力势能会转化为物体的内能，则物体的内能可能增大，C正确；热量一般从高温物体传递给低温物体，当温度相等时传热停止，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 9．(综合)器壁透热的汽缸放在恒温环境中，如图所示。汽缸内封闭着一定量的气体，气体分子间相互作用的分子力可以忽略不计。当缓慢推动活塞Q向左运动的过程中，有下列说法：①活塞对气体做功，气体分子的平均动能增加；②活塞对气体做功，气体分子的平均动能不变；③气体的单位体积分子数增大，压强增大；④气体的单位体积分子数增大，压强不变。其中说法正确的是(　　) A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　本题的关键是理解活塞缓慢推动的物理含义，推动活塞Q使活塞对气体做功，本来气体的温度应该升高，但是推动很缓慢，所以增加的内能又以热量的形式释放到周围环境中了，由于环境温度恒定，所以汽缸内气体的温度不变，气体分子的平均动能不变，①错误，②正确；由于气体被压缩，气体单位体积内的分子数增大，所以单位时间、单位面积上汽缸受到气体分子的碰撞次数增多，因此气体的压强增大，③正确，④错误。故选C。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 10．(做功、传热与内能的改变)如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动P的过程中(　　) A．外力对乙做功，甲的内能不变 B．外力对乙做功，乙的内能不变 C．乙传递热量给甲，乙的内能增加 D．乙的内能增加，甲的内能不变 解析　当活塞P向B移动时，外力对气体乙做功，气体乙的内能增加，温度升高。气体乙通过导热板B向气体甲传热，因此甲的内能增加。A、B、D错误，C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 11．(综合)夏季，长春市的天气温差比较大，充足气的车胎经过正午阳光的暴晒容易爆胎。若车胎内的气体可视为理想气体，爆胎前车胎内气体体积及质量均不变，爆胎过程时间极短。关于车胎内的气体，下列说法错误的是(　　) A．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体压强增大 B．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，内能增大 C．爆胎过程中，车胎内气体对外做功，内能减小 D．爆胎过程中，车胎内气体分子平均动能不变 解析　爆胎前气体体积不变，温度升高时，压强增大，内能增大，A、B正确；爆胎过程时间极短，气体来不及与外界热交换，其体积膨胀对外做功，则气体内能减小，温度降低，气体分子平均动能减小，故C正确，D错误。本题选说法错误的，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 12．(综合)两人共同拉锯伐木，每人在180 s内拉动60次，每次拉动的距离为75 cm，两人用的力均为20 N，做功的40%转变为内能。则每秒钟产生的热量是多少？若产生热量的20%被钢锯吸收，则60 s后钢锯的温度将升高多少？[设钢锯的比热容为1.2×102 J/(kg·℃)，钢锯的质量为0.5 kg] 答案　4 J　0.8 ℃ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析　两人每秒钟做功W＝2×eq \f(60,180)×0.75×20 J＝10 J 每秒钟产生的热量Q＝40%W＝4 J 由Q×60×20%＝cmΔt 得60 s后钢锯的温度将升高Δt＝0.8 ℃。 $$