第3章 2.热力学第一定律 3．能量守恒定律-【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）

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 2.热力学第一定律 3.能量守恒定律 孩心康养定位 1.理解热力学第一定律，能应用热力学第一定律分析和解决实际问题。2理解能量守恒定律， 知道能量守恒定律是自然界的普遍规律。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 课前自主学习 一 热力学第一定律 1.功和热：spl0)做功和supl02传热这两种方法在改变系统的内能方面是等价的，即 一定数量的功与确定数量的热相对应。 2.内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的sp103)热量与外界对它所做 的spl04)功的和。 3.表达式：△U=lsp105O+W 二热力学第一定律的应用 1.外界对系统做功时，W取splO1)正值；系统对外界做功时，W取splO2)负值。 2.外界对系统传递的热量Q取s四l(03)正值：系统向外界传递的热量Q取supl04)负值。 三能量守恒定律 内容：supl01)能量既不会凭空产生，也不会凭空spl02)消失，它只能从一种形式」 sp1O3转化为其他形式，或者从一个物体spl04)转移到别的物体，在转化或转移的过程 中，能量的spl05)总量保持不变。 四永动机不可能制成 1.第一类永动机：它不需要任何spl0)动力或spl02燃料，却能不断地对外做功。 2.不可能制成的原因：违背了spl03)能量守恒定律。 ○课前检测 1.判-判 ()对物体做功，其内能必定改变：物体向外传出一定热量，其内能必定改变。()》 (2)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。() (3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。() 1 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 提示：(1)×(2)×(3)W 2.想一想 一个氢气球从手中松脱后，随着上升的高度增大，会不断膨胀，温度也会降低。假设一段时 间内氢气球对大气做功W,放出热量Q,则氢气球的内能变化了多少？ 提示：根据热力学第一定律，氢气球的内能变化量△U=一W一Q,即氢气球的内能减小了W +Q。 课堂搽究评价 探究1热力学第一定律及其应用 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，绝热汽缸中有一定质量的气体，用外力压缩气体对气体做功W,使它从状 态1变到状态2，气体内能的变化量△是多少？ 提示：由于没有热量交换，所以△=W。 活动2：如图乙，同一绝热汽缸，接着从状态2开始，保持气体体积不变，将气体加热至状 态3，传递的热量为Q,此过程气体内能的变化量△巧是多少？ 提示：由于只有热量传递，所以△U2=Q。 活动3：内能的变化量只与始末状态有关，那么从状态1到状态3，气体的内能变化量△U是 一个确定的值吗？是多少？ 提示：因为内能的变化量只与始末状态有关，所以从状态1到状态3，气体的内能变化量△U 是一个确定的值，即△U=△十△U2=Q十W。 活动4：在改变系统的内能方面，做功和传热是等价的。如图丙，压缩汽缸中的气体，同时 给气体加热，气体从状态A变到状态B,相应的内能变化量为△山，则△U与外界做的功W和 气体吸收的热量Q有什么关系？ 2 享学科网书城国 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 提示：因为做功和传热是等价的，我们可以假设气体吸收的热量Q导致的内能的变化改由外 界做功”完成，则=Q。对于假设的过程，气体和外界没有热交换，外界做的总功为W十 酽，它等于气体内能的变化量△U,即△U=W+,结合上式可得△U=Q十W(也可以假设整 个过程只有传热)。 得 出 结 论 对热力学第一定律的理解 ()热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方式是等价的，而且给出了内能 的变化量与做功和传热之间的定量关系，此定律是标量式，应用时单位统一为国际单位制中 的焦耳。 (②)对公式△U=Q十W中物理量符号的规定 符号 W g △U + 外界对系统做功 外界对系统传热 系统内能增加 系统对外界做功 系统向外界传热 系统内能减少 (3)几种特殊情况 ①若过程是绝热的，即Q=0,则外界对系统所做的功等于系统内能的变化量。 ②若过程中不做功，即W=0,则系统吸收的热量等于系统内能的变化量。 ③若过程中系统的始末状态的内能相同，则外界对系统做的功和系统吸收的热量之和一定为 零。 实践提升 例1(1)一定质量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J,是气体对 外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？ (2)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105J的热量，同时气体对外界做功2.3×105J,则气体 的内能怎样变化？ [实践探究]气体内能的变化由什么决定？ 提示：由传热情况和做功情况共同决定。 [规范解答劄](1)根据热力学第一定律表达式中的符号的含义，知Q=2.6×105J,△U=4.2×10 J 由△U=W+Q,得W=△U-Q=4.2×105J-2.6×105J=1.6×10J 3 令学科网书城国 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 W为正值，说明是外界对气体做了功，且做了1.6×105J的功。 (20=3.5×105J,W=-2.3×105J 则△U=Q+W=1.2×105J △U为正值，说明气体的内能增加了1.2×10的J。 [答案](1)外界对气体做了功1.6×105J (2)增加了1.2×105J ☒规律点拨 1.应用热力学第一定律时的注意事项 ()应用热力学第一定律时，要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (②)应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则 来解释其意义。 2.热力学第一定律的综合应用技巧 热力学第一定律的考查一般与气体实验定律相综合，要抓住“气体体积增大时，气体对外界 做正功：体积减小时，外界对气体做正功”的关键点：当某气体是理想气体时，其内能只由 温度决定。 [变式训练】如图所示，一导热汽缸放在水平而上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活 塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，己知汽缸高度为h,开始活塞在汽缸中央，初始 温度为t℃，活塞面积为S,大气压强为%。物体重力为G,活塞质量及一切摩擦不计，缓 慢升高环境温度，使活塞上升△x,封闭气体吸收了Q的热量（汽缸始终未离开地面前，求： ()环境温度升高了多少度？ (2)气体的内能的变化量。 答案(1)24h·(273+0℃ (2)2-(S-G△x 解析(1)活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖一吕萨克定律 可知：T=4WT 其中V=12Sh,AV=AxS,T=(L+273)K 解得环境升高的温度 令学科网书城国 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 △t=△T=2xh·(273+0℃. (2)设汽缸内压强为P 对活塞，由平衡条件得：pS=PoS-T 对重物，由平衡条件得：T=G 封闭气体对外做功：W=pSAx=(PS-G)Ax 由热力学第一定律得： AU=Q+(-W)=Q-(S-G)△x。 [名师点拨]由功的定义及气体压强的定义可知，气体做的功W=F:△x=S△x=p△广，此 式适用于任何形状容器的气体。 探究2能量守恒定律 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 师生互动 活动1：如图甲是真空玻璃罩中的弹性皮球弹跳的频闪照片，皮球弹跳的最大高度越来越低， 它的机械能哪里去了？ 提示：如果只有重力和皮球的弹力做功，皮球的机械能应该守恒。弹跳的高度越来越低，是 因为摩擦力做功，部分机械能转化为内能。 活动2：图甲中皮球在木板上弹跳，最终停止运动（玻璃罩绝热），皮球和木板的机械能及内能 之和变化吗？ 提示：根据功能关系，克服摩擦力做功W,机械能减少量△E=W,摩擦力做功使皮球和木板 的温度升高，内能增大，皮球和木板之间可能发生热量的传递，但因与外界绝热，根据热力 学第一定律，皮球和木板的内能增加量△U=W。整个过程机械能减少，内能增加，根据△E =W=△U,皮球和木板的机械能与内能之和不变。 活动3：如图乙，一部充满电的手机，单纯听音乐能用40小时，如果同时亮屏能用9小时， 如果打电话能用5小时，这些过程说明能量的转化有什么特点？ 提示：这说明一定量的电能可以转化成一定量的声能，也能转化成少量的声能和较多的光能， 还能转化成极少的声能和大量的电磁能，说明一种能量可以转化成其他形式的能量，并在转 5 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 化过程中有一定的数量关系。 活动4：根据以上活动以及机械能守恒定律、热力学第一定律，可以有什么猜想？ 提示：能量既不会凭空产生，也不会凭室消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从 一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 活动5：结合活动4中的猜想分析，若不再施加动力，图丙中的机器会水远运动下去吗？为 什么？ 提示：不会。因为机器在运动过程中与空气间有摩擦，各种转抽间也会有摩擦，内能会增加， 故若不再施加动力，机器最终会停下来。 得 出 结 论 1.能量的存在形式及相互转化 各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，还有诸如电磁 能、化学能、原子能等。 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。 2能量守恒定律的适用范围和重要意义 (1)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程，它是一切自然现象都遵守的基本规律。 (2)能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问 题的重要思维方法。能量守恒定律是自然科学长期发展和进步的结果，是普遍、和谐、可靠 的自然规律之一。 3第一类永动机不可能制成 (①)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。 (2)不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。 实践提升 例2水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量 可达每秒6000m3,而且一年四季流量稳定，瀑布落差50m。若利用这一资源发电，设其效 率为50%，估算发电机的输出功率。(g取10ms2) [实践探究](1)水能发电时能量转化的情况是什么？ 提示：水的机械能转化为电能。 6 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 (2)效率为50%的含义是什么？ 提示：水的机械能即落差为50m的一定质量的水的重力势能，在发电时只有50%可以转化 为电能。 [规范解答水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。 尼亚加拉瀑布每秒钟流下的水的质量为： m=p/=1×103×6000kg=6×106kg 每秒钟水减少的机械能为： E=mgh=6×106×10×50J=3×109J 设发电机的输出功率为P,则由能量守恒定律可得：E)=Pt 解得：P=3×109×50%W=1.5×109W。 [答案11.5×109W 心规律点拨 应用能量守恒定律解题的方法步骤 (1)认清有多少种形式的能（例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等）在相互转化。 (②)分别写出减少的能量△E4和增加的能量△E增的表达式。 (③)根据下列两种思路列出能量守恒方程：△E被=△E墙，①某种形式的能减少，一定存在其他 形式的能增加，且减少量与增加量一定相等。 ②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等。 (4)代入数据，计算结果。 [变式训练2]一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时汽车的功率为P,已知汽 车的总效率为，所使用的汽油的热值为g(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)， 现油箱中还有质量为m的汽油，则汽车还能行驶多远？（设汽车的质量为0 答案mqnv)P+Mw32P 解析油箱中汽油燃烧放出的能量：E=gm 设汽车匀速行驶：需要的能量： E'=Pt=Pxlv 而E=E 设油箱中汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为龙，则由动能定理知一F:·2=0一12弘M2 又P=Fr·U,汽车行驶的距离：x=x1十 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 以上各式联立解得：x=mqyP+v32P. 课后课时作业 A组©合格性水平训练 1.(能量守恒定律)有关能量的转化和守恒定律，下列说法正确的是() A.只适用于机械能与内能的相互转化 B.只适用于能量转化过程 C.“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律 D.根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变 答案D 解析根据能量守恒定律的内容可知，D正确；能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于 一切能量转移和转化过程，故A、B错误：摩擦生热的实质是摩擦力做功将机械能转化成了 内能，其转化过程符合能量守恒定律，故C错误。 2.(热力学第一定律的应用)如图所示，某同学将空的薄金属桶开口向下压入水中。设水温均 匀且恒定，桶内空气无泄漏（不计气体分子间的相互作用），则被淹没的金属桶在缓慢下降过 程中，桶内空气(） A.从外界吸热 B.向外界放热 C.内能增大 D,内能减小 答案B 解析由于不计气体分子间的相互作用，所以气体是理想气体，内能只与温度有关，而金属 桶导热性能良好，桶内气体温度始终与水温相同，所以气体温度不变，内能不变，△U=0: 气体压强增大，根据玻意耳定律可知体积减小，外界对气体做功，W0,由△U=Q十W可知 ,Q<0,即气体向外界放热，B正确，A、C、D错误。 3.(热力学第一定律的应用)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J, 气体内能减少1.3×105J,则此过程() A.气体从外界吸收热量2.0×10的J 8 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 B.气体向外界放出热量2.0×105J C.气体从外界吸收热量6.0×10J D.气体向外界放出热量6.0×10J 答案B 解析由热力学第一定律△U=W+Q得，Q=△U-W=一1.3×10J-7.0×104J=-2.0× 10的J,即此过程气体向外界放出热量2.0×10J,B正确。 4.(热力学第一定律的应用)如图是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里的气体容积、质量不变，且可 视为理想气体，爬高过程中，温度减小，则气体() A.对外做功 B.内能减小 C.吸收热量 D.压强不变 答案B 解析由于爬高过程中氧气瓶里的气体体积不变，故气体不对外做功，W=0,而温度减小， 则气体内能减小，△U<0,根据热力学第一定律△U=W+Q可知，Q<0,即气体放出热量， 故A、C错误，B正确；爬高过程中氧气瓶里的气体容积、质量均不变，温度减小，根据理 想气体状态方程pT=C,可知气体压强减小，故D错误。 5.(热力学第一定律的应用)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02m。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2×105Pa。已知活塞的横截面积为0.04m2,外部大气压强为1×105Pa,加 热过程中封闭气体吸收的热量为2000J,则封闭气体的内能变化量为() A.4001 B.1200J 9 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 C.2000J D.2800J 答案B 解析由题意可知，气体先做等压变化，活塞运动到挡板处之后做等容变化，等压变化过程 气体对外界做功，大小为W=pSx=1×10的×0.04×0.2J=800J,由热力学第一定律可知，封 闭气体的内能变化量为△U=Q一W=2000J-800J=1200J,故B正确。 6.(热力学第一定律和能量守恒定律的综合应用)如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、 B两部分气体，A的密度小，B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热Q、气体内能增量为△/，则( A.△U=Q B.AU<O C.AU-O D.无法比较 答案B 解析两部分气体混合后，因B的密度大，故气体重心升高，重力做负功，即外界对气体做 的功W<0,由热力学第一定律△U=W十Q,得△U-Q<0,即△<Q,故选B。 7.(热力学第一定律的应用)〔多选)一定量的理想气体从状态a变化到状态b,其过程如T 图上从a到b的线段所示。在此过程中() A.气体一直对外做功 B.气体的内能一直增加 C.气体一直从外界吸热 D.气体吸收的热量等于其内能的增加量 答案ABC 解析从a到b,体积一直增大，则气体一直对外做功，故A正确：从a到b,气体温度升 高，可知气体内能增加，故B正确：由上述分析可知，W0,△>0，根据热力学第一定律 10