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word（人教版2019）

令学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 第三章 热力学定律 1.功、热和内能的改变 孩心养定位 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。 课前自主学习 焦耳的实验 1.绝热过程：系统不从外界spl01)吸热，也不向外界spl(02放热的过程。 2.代表实验 ()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sp1O3)热效应给液体加热，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splO4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spl05)能量，我们把它称为系统的内能。 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 △U=sup1(01山一山，它就等于splO2外界对系统所做的功形，即△U=spl03亚。 2.在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能sp1O4增加：系统对外做功，系统的内 能supl(05)减少 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splO1)高温物体A传到了splO2)低温物体B。 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 1 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 热力学状态。所以，sp03)热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 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△U =supl04)U-U,它就等于spl05)外界向系统传递的热量Q,即△U=spl06)O 4.做功和传热的区别：做功时，内能与sp107)其他形式的能（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sp1O8)转移。 ○课前检测 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△U=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)N(4)×(⑤V 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”。 2 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 装水的容器 绝 材料 固定在 容墨内 同定在轴 上的叶片 甲焦耳的实验装置 -温度计 000a 发电机》四 重物 乙与焦耳实验原理相同 的实验装置示意图 师生互动 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？ 提示：传热与做功。 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：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。 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？ 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。 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：相同。 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 3 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 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和联系。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。 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△U=U,一山，它就等于外界对系统所做的功W,即△U=W。 得出结论 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 ()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。 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 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 ()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。 实践提升 例】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 [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，水幕气的内能减少，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。 [答案]C 心规律点拨 分析绝热过程的方法 (1)在绝热的情沉下，若外界对系统做正功，系统内能增加，△了为正值：若系统对外界做正 功，系统内能减少，△U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、 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 末状态的内能也相应地确定了，内能的变化△U也确定了。而功是能量转化的量度，所以△U =W。这也是判断绝热过程的一种方法。 [变式训练】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 答案C 解析空气团在上升过程中，与外界的热交换忽略不计，外界压强逐浙减小，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△=W,所以空气团内能逐渐减小，温度 逐渐降低，故选C。 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”。 师生互动 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？ 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。 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△U? 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△U=Q。 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 6 令学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 热是不同物体（或同一物体的不同部分）之间内能的转移。 得 出结 论 1.传热与内能的改变的关系 ()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 条件是两个系统之闻要有温度差，传递的是热量而不是温度。 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 ()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”。 5.改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 传热 外界对系统做功，系统的内能增加；系 系统吸收热量，内能增加；系统放出热 内能变化 统对外界做功，系统的内能减少 量，内能减少 不同物体或一个物体不同部分之间内 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 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 实 践提升 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 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，钥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，钥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 [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T>T,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。 [答案]AC 口规律点拨 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： ()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。 [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 答案ABC 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, 8 享学科网书城国 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 B、C正确，D错误。 课后课时作业 A组©合格性水平训练 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 () 温度计 搅排器 重物一 承物 量热器内简 绝热 电阻堂 搅拌叶片 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米实现 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 答案C 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。 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() 加热 锻打 火 A.加热和锻打属于传热，淬火属于做功 B.加热届于传热，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.加热和淬火届于做功，锻打属于传热 9 亨学科网书城圆 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 答案C 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。 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() 灵敏温 度计 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 答案C 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△U=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。 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休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 答案B 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 问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。 10