第3章 第1节 热力学第一定律-【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课件PPT（粤教版2019）

第三章　热力学定律 第一节　热力学第一定律 1．明确物体内能的概念，知道分子动能与分子势能的影响因素.2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解做功和热传递对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别.3.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 目录 1 2 3 课前自主学习 科学思维 课堂探究评价 4 课后课时作业 课前自主学习 一　物体的内能 1．分子势能：由于分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的__________决定的势能．当分子间的距离为_____________时，分子间的作用力_____，分子势能最小． 2．分子动能：物体内部的分子由于做_________还具有分子动能． 3．物体的内能：物体中_____分子的动能和分子势能的_____，叫作物体的内能．物体的内能跟物体的_____和______都有关系． 相对位置 平衡间距 为零 热运动 所有 总和 温度 体积 课前自主学习 5 二　改变物体内能的两种方式 1._______可以改变物体的内能． (1)气体被压缩时，外界对气体做功，气体的温度______，内能______． (2)气体膨胀对外做功，气体的温度_______，内能_______． 2.__________也可以改变物体的内能． (1)将灼热的小铁块放入一盆水中，铁块的温度______，内能_____；水的温度______，内能______． (2)热量：热传递过程中物体内能___________称为热量． 做功 升高 增加 下降 减小 热传递 降低 减少 升高 增加 变化的量 课前自主学习 6 3．对于改变物体的内能来说，热传递和做功是______的．区别是：做功的实质是内能与其他形式的能之间的_______，热传递是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的_______． 三　热力学第一定律 1．内容：物体内能的增加量ΔU等于物体_______________和外界对物体做的功W之和． 2．表达式：ΔU＝_________． 等效 转化 吸收的热量Q Q＋W 转移 课前自主学习 7 1．判一判 (1)分子势能可能为正值、负值、零值．(　　) (2)温度变化，分子动能改变，因而物体的内能一定发生变化．(　　) (3)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．(　　) (4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的．(　　) (5)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．(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)× 课前自主学习 8 2．想一想 (1)类比弹性势能，分析为什么分子势能与物体的体积有关． 提示：物体的体积变化时，分子间的距离变化，分子力做功，弹簧弹力做功时弹性势能变化，类似地，分子力做功时分子势能也会变化． (2)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，是通过热传递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 9 课堂探究评价 课堂任务 　　物体的内能 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 11 活动1：分子间存在着相互作用力，可以证明分子间的作用力所做的功与路径无关，则分子组成的系统具有什么形式的能？ 提示：分子势能． 课堂探究评价 12 活动2：图甲是分子间作用力F与分子间距r的关系图．若取无穷远处分子间势能为零，试根据图甲，由功能关系大致画出分子势能Ep与分子间距r的关系图． 提示： 课堂探究评价 13 活动3：我们知道运动的物体具有动能，如图乙， 做无规则热运动的分子具有动能吗？ 提示：具有． 活动4：从扩散现象和布朗运动可知，温度升高时分子的热运动加剧，由此你能猜想到什么？ 提示：温度升高时分子热运动的动能增大． 课堂探究评价 14 活动5：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，称为物体的内能．从宏观上看，物体的内能与什么有关？ 提示：因为分子热运动的动能与温度有关，分子势能与物体的体积有关，所以从宏观上看，物体的内能与物体的温度、体积有关． 课堂探究评价 15 1．分子动能 (1)组成物体的每个分子都在不停地做无规则热运动，因此分子具有动能．由于分子热运动的无规则性，研究单个分子的动能没有意义． (2)平均动能指物体内所有分子的动能的平均值．温度升高时，分子的平均动能增大，温度是分子热运动的平均动能的标志． 课堂探究评价 16 2．分子势能 (1)由分子间的相对位置决定，随分子间距离的变化而变化．分子势能是标量，正、负表示的是大小，具体的值与零势能点的选取有关． (2)分子力、分子势能与分子间距离的关系(取无穷远处分子间势能为零) 课堂探究评价 17 (3)物体分子间距离的变化的宏观表现为物体的体积变化，所以物体体积变化时，分子势能一般也发生变化． 分子间距离r r＝r0 r＞r0 r＜r0 分子力F 等于零 表现为引力 表现为斥力 分子力做功W 分子间距增大时，分子力做负功 分子间距减小时，分子力做负功 分子势能Ep 最小 随分子间距的增大而增大 随分子间距的减小而增大 课堂探究评价 18 3．物体的内能 (1)定义：物体中所有分子的动能和分子势能的总和． (2)影响因素：物体的温度和体积等． 课堂探究评价 19 4．内能和机械能的区别和联系 项目 内能 机械能 常见形式 分子的热运动动能、分子势能 物体的动能、重力势能或弹性势能 存在原因 物体内大量分子的热运动和分子间存在相互作用力 物体做机械运动、物体发生弹性形变、被举高 影响因素 物质的量、物体的温度和体积 物体的质量、机械运动的速度、离地高度、弹性形变量、劲度系数 联系 在一定条件下可以相互转化 课堂探究评价 20 例1　(多选)如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间的距离的关系如图中曲线所示．F>0为斥力，F<0为引力．a、b、c、d为x轴上的四个特定的位置．现把乙分子从a处由静止释放，向左最远运动到d，则(　　) A．乙分子由a到b做加速运动，由b到c做减速运动 B．乙分子由a到c做加速运动，到达c时速度最大 C．乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减小 D．乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增大 课堂探究评价 21 (1)在乙分子运动的过程中，分子间作用力对乙分子做功情况怎样？ (2)分子间作用力做功与分子势能有什么关系？ 提示：先做正功后做负功． 提示：W分子力＝－ΔEp.分子间作用力做正功，分子势能减小；分子间作用力做负功，分子势能增大． 课堂探究评价 22 规范解答　乙分子由a到c的过程，一直受到甲分子的引力作用而做加速运动，到c时速度达到最大，而后受到甲分子的斥力作用做减速运动，A错误，B正确．乙分子由a到b的过程中所受引力做正功，分子势能一直减小，C正确．乙分子从b到c的过程中，引力做正功，分子势能减小，从c到d的过程中，克服斥力做功，分子势能增大，故D错误． 课堂探究评价 分子势能图像问题的解题技巧 首先要明确分子势能、分子间作用力与分子间距离关系图像中拐点与交点意义的不同．分子势能图像的最低点(最小值)对应的距离是分子间平衡距离r0，而分子间作用力图像的最低点(引力最大值)对应的距离大于r0；分子势能图像与r轴交点对应的距离小于r0，而分子间作用力图像与r轴交点对应的距离表示平衡距离r0. 其次要把图像上的信息转化为分子间距离，再求解其他问题． 课堂探究评价 [变式训练1－1]　关于分子动能，下列说法正确的是(　　) A．某种物体的温度是0 ℃，说明物体中分子热运动的平均动能为零 B．物体温度升高时，每个分子的动能都增大 C．物体温度升高时，速率小的分子数目减少，速率大的分子数目增多 D．物体的运动速度越大，则物体的温度越高 解析　某种物体的温度是0 ℃，物体中分子热运动的平均动能并不为零，因为分子在永不停息地运动，A错误；当温度升高时，分子的热运动变剧烈，速率小的分子数目减少，速率大的分子数目增多，分子热运动的平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，B错误，C正确；物体的运动速度越大，说明物体的动能越大，这并不能代表物体内部分子的热运动越剧烈，则物体的温度不一定越高，D错误． 课堂探究评价 25 [变式训练1－2]　下列说法中正确的是(　　) A．温度低的物体内能小 B．温度低的物体分子热运动的平均速率小 C．做加速运动的物体，由于速度越来越大，因此物体分子的平均动能越来越大 D．物体的体积改变，内能不一定改变 课堂探究评价 26 解析　内能是物体内所有分子的热运动动能和分子势能的总和，温度低只表示物体分子的平均动能小，而分子势能不一定小，内能不一定小，故A错误；温度低的物体，分子热运动的平均动能小，但不同物质的分子质量一般不同，而分子动能不仅与分子速率有关，也与分子质量有关，故B错误；分子无规则运动的剧烈程度只与物体的温度有关，而与物体的宏观运动情况无关，故C错误；物体的体积改变，分子势能改变，但内能不一定改变，D正确． 课堂探究评价 27 课堂任务 　　改变物体内能的两种方式 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 28 活动1：“摩擦生热”现象说明了什么？ 提示：做功可以改变物体的内能． 活动2：如图甲所示，在一个厚壁的玻璃筒里 放一小块浸有乙醚的棉花，迅速压下活塞，能观察 到什么现象？为什么？ 提示：能观察到玻璃筒中的棉花被点燃．气体被压缩，活塞对筒内的气体做功，气体内能增加，因为气体压强不太大，温度在常温范围内，所以可视为理想气体，可忽略分子间势能，则分子热运动的平均动能增大，筒内温度升高． 课堂探究评价 29 活动3：如图乙所示，在长圆柱形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，另一端用卡子卡住一个可移动的胶塞．用打气筒慢慢向容器打气，增大容器内的压强．当容器内的压强增大到一定程度时，打开卡子，气体冲开胶塞，可以从灵敏温度计观察到容器的温度会发生什么变化？为什么？ 提示：容器中的温度降低．因为气体膨胀对外做功，内能减小，而气体可视为理想气体，所以分子的平均动能减小，气体温度降低． 课堂探究评价 30 活动4：如图丙，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？内能如何变化？ 提示：水的温度升高，内能增加；铁质农具的温度降低，内能减少． 活动5：如图丁，做功和热传递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：做功是机械能等与内能的转化，热传递是不同物体(或同一物体的不同部分)之间内能的转移． 课堂探究评价 31 1．理想气体的内能只跟温度有关，与体积无关．因为理想气体分子间距较大，可忽略分子间的相互作用力，即忽略分子间势能． 2．做功与内能的改变的关系 (1)做功改变物体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，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少． 课堂探究评价 32 注：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，系统与外界来不及交换热量，系统与外界交换的热量就很少，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程． 3．热传递与内能的改变的关系 (1)热传递改变物体内能的过程是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的转移． 课堂探究评价 33 (2)热传递与物体的内能的多少无关，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． (3)热量与内能 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．而热量是热传递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．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 34 4．改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 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 35 例2　如图所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气．以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中(　　) A．E甲不变，E乙减小 B．E甲不变，E乙增大 C．E甲增大，E乙不变 D．E甲增大，E乙减小 课堂探究评价 36 (1)绝热过程的特点是什么？ (2)绝热过程中，非真空膨胀情况下，气体体积变化时，一定有外界对气体做功或气体对外界做功吗？ 提示：系统与外界没有热交换． 提示：是的．绝热过程中，气体体积减小，则外界对气体做功，气体内能增大；气体体积增大，则气体对外界做功，气体内能减小． 课堂探究评价 37 规范解答　已知气缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气．在将拉杆缓慢向外拉的过程中，对乙气室中气体来讲，气体对外界做功，内能减小；对甲气室中气体来讲，外界对气体做功，内能增大．故D正确． 课堂探究评价 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；若系统对外界做正功，系统内能减少．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，内能的变化也确定了．而功是能量转化的量度．这也是判断绝热过程的一种方法． 课堂探究评价 [变式训练2]　关于做功、热传递与内能变化的说法，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　做功和热传递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． 课堂探究评价 40 课堂任务 　　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”． 课堂探究评价 41 活动1：如图甲，绝热气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ΔU1是多少？ 提示：由于没有热量交换，所以ΔU1＝W. 课堂探究评价 42 活动2：如图乙，同一绝热气缸，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ΔU2是多少？ 提示：由于只有热量传递，所以ΔU2＝Q. 课堂探究评价 43 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ΔU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ΔU是一个确定的值，即ΔU＝ΔU1＋ΔU2＝Q＋W. 课堂探究评价 44 活动4：在改变系统的内能方面，做功和热传递是等效的．如图丙，压缩气缸中的气体，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ΔU，则ΔU与外界做的功W和气体吸收的热量Q有什么关系？ 提示：因为做功和热传递是等效的，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W′完成，则W′＝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＋W′，它等于气体内能的变化量ΔU，即ΔU＝W＋W′，结合上式可得ΔU＝Q＋W.(也可以假设整个过程只有热传递) 课堂探究评价 45 对热力学第一定律的理解 (1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了内能的变化量与做功和热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时单位统一为国际单位制中的焦耳． 课堂探究评价 46 (2)对公式ΔU＝Q＋W中物理量符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 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 课堂探究评价 47 (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． 课堂探究评价 48 例3　(1)一定质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，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3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.3×105 J，则气体的内能怎样变化？ 答案　(1)外界对气体做了功　1.6×105 J (2)增加了1.2×105 J 课堂探究评价 49 气体内能的变化由什么决定？ 提示：由热传递情况和做功情况共同决定． 规范解答　(1)根据热力学第一定律表达式中的符号的含义，知Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J 由ΔU＝W＋Q，得W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J W为正值，说明是外界对气体做了功，且做了1.6×105 J的功． (2)Q＝3.5×105 J，W＝－2.3×105 J 则ΔU＝Q＋W＝1.2×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加了1.2×105 J. 课堂探究评价 50 1．应用热力学第一定律时的注意事项 (1)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． 课堂探究评价 [变式训练3]　如图所示，一导热气缸放在水平面上，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，已知气缸高度为h，开始活塞在气缸中央，初始温度为t ℃，活塞面积为S，大气压强为p0.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Δx，封闭气体吸收了Q的热量(气缸始终未离开地面)，求： (1)环境温度升高了多少度？ (2)气体的内能的变化量． 课堂探究评价 52 课堂探究评价 53 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·Δx＝pS·Δx＝p·ΔV，此式适用于任何形状容器的气体． 课堂探究评价 54 科学思维 第一章第二节我们学过分子力随分子间距变化的关系曲线图，根据功能关系，借助微元累积思维，就能大致画出分子势能曲线图．而根据功能关系，借助变化率的概念(比较思维)及极限思维，可知Ep­r曲线的斜率表示－F(F为分子力)，由此可根据Ep­r曲线大致画出F­r曲线． 科学思维 微元累积思维、比较思维在分子力、分子势 能问题中的应用 56 例　“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中油膜的形成是分子力的作用效果．图甲为分子力F随分子间距r的变化图线，图乙为某同学参照图甲所作的分子势能Ep随分子间距r的变化图线．请你对图乙的合理性作出分析，填在表格相应的位置中． 科学思维 微元累积思维、比较思维在分子力、分子势 能问题中的应用 57 指出合理或不合理之处并简述理由 合理之处 不合理之处 r＝r0处Ep最小．理由：r＞r0时，随着r减小，分子引力做正功，分子势能减小；r＜r0时，随着r减小，分子斥力做负功，分子势能增大；所以r＝r0处Ep应最小． ①r＝r1处Ep＝0不合理．理由：分子力做的功W＝F·Δr＝－ΔEp，则F­r图线与r轴围成图形的面积表示分子势能的变化量大小，故r＝r1处的Ep应比r→∞处的Ep小，即应该小于0，而不应该等于0. ②在r＞r0范围内，r＝r2处Ep­r图像的斜率应最大．理由：分子力做的功W＝F·Δr＝－ΔEp，所以Ep­r图像斜率的绝对值表示分子力F的大小；由图甲可知，在r＞r0范围内，r＝r2处F最大，则r＝r2处Ep­r图像的斜率应最大． 科学思维 微元累积思维、比较思维在分子力、分子势 能问题中的应用 58 规范解答　合理之处：r＝r0处Ep最小．理由：r＞r0时，随着r减小，分子引力做正功，分子势能减小；r＜r0时，随着r减小，分子斥力做负功，分子势能增大；所以r＝r0处Ep应最小． 不合理之处：①r＝r1处Ep＝0不合理．理由：分子力做的功W＝F·Δr＝－ΔEp，则F­r图线与r轴围成图形的面积表示分子势能的变化量大小，故r＝r1处的Ep应比r→∞处的Ep小，即应该小于0，而不应该等于0. ②在r＞r0范围内，r＝r2处Ep­r图像的斜率应最大．理由：分子力做的功W＝F·Δr＝－ΔEp，所以Ep­r图像斜率的绝对值表示分子力F的大小；由图甲可知，在r＞r0范围内，r＝r2处F最大，则r＝r2处Ep­r图像的斜率应最大． 科学思维 微元累积思维、比较思维在分子力、分子势 能问题中的应用 方法感悟　比较思维常用于分析物理图像的斜率，微元累积思维常用于分析物理图像的面积，在力学、电学、热学中的应用很普遍，应熟练掌握，能做到触类旁通． 科学思维 微元累积思维、比较思维在分子力、分子势 能问题中的应用 60 课后课时作业 1．(物体的内能)(多选)关于物体的内能，下述说法中正确的是(　　) A．物体的内能只与物体内分子的动能有关 B．物体内所有分子的动能与分子势能的总和叫作物体的内能 C．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 D．一个物体内能的多少与它的机械能多少无关 解析　根据物体的内能的定义，物体的内能是物体内所有分子的热运动动能与分子势能的总和，A错误，B正确．物体的机械能变化时，内能不一定变化，二者没有必然联系，因而C错误，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 2．(热量、功和内能)下列关于热量、功和内能三者的说法正确的是(　　) A．热量、功、内能三者的物理意义相同 B．热量、功都可以作为物体内能的量度 C．热量、功、内能的单位不相同 D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 解析　物体的内能是指物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，热量、功、内能这三者的物理意义不同，A错误；热量是表示在热传递过程中物体内能变化的多少，而功也是量度物体内能改变的多少，即热量、功都可以作为物体内能变化的量度，B错误；热量、功、内能三者的单位都是焦耳，C错误；热量和功是过程量，内能是状态量，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 3．(分子势能)关于分子势能，下列说法中正确的是(设两分子相距无穷远时分子势能为零)(　　) A．体积增大，分子势能增大，体积缩小，分子势能减小 B．当分子间距离r＝r0时，分子间作用力为零，所以分子势能为零 C．当分子间作用力表现为引力时，体积越大，分子势能越大 D．当分子间作用力表现为斥力时，体积越大，分子势能越大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 解析　根据题意，两个分子相距无穷远时分子势能为零，当两个分子从无穷远处越来越近时，分子间引力做正功，分子势能减小，当r＝r0时，分子势能减小到最小，但不为零，故B错误；当分子间作用力表现为引力时，体积增大，分子间距增大，分子力做负功，分子势能增大，故C正确；当分子间作用力表现为斥力时，体积增大，分子间距增大，分子力做正功，分子势能减小，同理可知，体积缩小，分子势能增大，故A、D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 4.(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 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，ΔU＝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，W>0，由ΔU＝Q＋W可知，Q<0，即气体向外界放热，B正确，A、C、D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 5.(物体的内能)(多选)某同学做了如下实验：先把空烧瓶放 入冰箱冷冻，取出后迅速用一个气球紧套在烧瓶颈上，再将烧 瓶放进盛满热水的烧杯里，气球胀大起来，忽略气球胀大过程 中对气体的力的影响，如图所示．与烧瓶放进热水前相比，放 进热水后，关于密闭气体的说法正确的是(　　) A．分子平均动能增大 B．分子势能减小 C．无法判断内能的变化 D．内能增大 解析　由于温度升高，所以密闭气体分子的平均动能增大，故A正确；气体膨胀过程中，相邻气体分子间的平均距离从远大于平衡距离r0处开始增大，则相邻分子间的势能增大，结合A项分析可知，密闭气体的内能增大，故B、C错误，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 6.(做功、热传递与内能的改变)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 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向气体甲传递热量，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 13 14 15 课后课时作业 16 17 7．(热力学第一定律的应用)在一个大气压下，1 kg的100 ℃的水变为1 kg的100 ℃的水蒸气的过程，下列说法中正确的是(　　) A．内能不变，对外界做功，一定是吸热过程 B．内能增加，吸收的热量等于内能的增加量 C．内能不变，吸收的热量等于对外界做的功 D．内能增加，从外界吸热，吸收的热量等于对外界做的功和增加的内能之和 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 解析　水变成同温度的水蒸气时，分子间距从r0增大到约10r0，体积要扩大约1000倍，故需克服大气压力对外做功，同时克服分子力做功，分子势能增加，内能增加，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，则Q＝ΔU－W，其中W为负值，故D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 8．(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7.0×104 J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程(　　) A．气体从外界吸收热量2.0×105 J B．气体向外界放出热量2.0×105 J C．气体从外界吸收热量6.0×104 J D．气体向外界放出热量6.0×104 J 解析　由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝－1.3×105 J－7.0×104 J＝－2.0×105 J，即此过程气体向外界放出热量2.0×105 J，B正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 9．(热力学第一定律的应用)(多选)人类在采取节能减排措施的同时，也在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术，在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，已知海水越深温度越低，则此过程中(　　) A．外界对封闭气体做负功 B．封闭气体向外界传递热量 C．封闭气体向外界传递的热量大于外界对封闭气体做的功 D．封闭气体由于气体分子密集程度增大，而使压强增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 解析　封闭气体体积减小，外界对气体做正功，A错误；封闭气体温度降低，内能减小，即ΔU＜0，外界对气体做正功，即W＞0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知Q＜0，则此过程封闭气体放热，且|W|<|Q|，B、C正确；容器在海水中下降，所处位置压强增大，则封闭气体压强增大，而海水越深温度越低，即气体分子平均速率减小，则压强增大的原因是气体体积减小，气体分子密集程度增大，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 10．(热力学第一定律的应用)如图所示，一定质量理想气体经历A→B的等压过程，B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中B→C过程中内能减少900 J．求A→B→C过程中气体对外界做的总功． 解析　A→B过程，外界对气体做的功W1＝－p(VB－VA) B→C过程，根据热力学第一定律，外界对气体做的功W2＝ΔU 则A→B→C过程中气体对外界做的总功 W＝－(W1＋W2) 代入数据得W＝1500 J. 答案　1500 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 11.(综合)(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体(　　) A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小 C．对外界做负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 12．(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 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 13 14 15 课后课时作业 16 17 13．(综合)(多选)如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子沿x轴运动，设无穷远处分子势能为0，两分子间的分子势能Ep与两分子间距离的关系如图中曲线所示．图中分子势能的最小值为－E0.若两分子所具有的总能量为0，则下列说法中正确的是(　　) A．乙分子在P点(x＝x2)时，加速度最大 B．乙分子在P点(x＝x2)时，其动能为E0 C．乙分子在Q点(x＝x1)时，处于平衡状态 D．乙分子的运动范围为x≥x1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 解析　当分子间距离为r0时，分子势能最小，则x2＝r0，故乙分子在P点时分子间作用力为零，加速度为零，处于平衡状态，由于两分子所具有的总能量为0，故乙分子在P点时，其动能为E0，A、C错误，B正确；由于分子动能不可能为负值，故分子势能最大为零，即乙分子的运动范围为x≥x1，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 14.(综合)(多选)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p­T图像如图所示，已知该气体在状态A时的体积为1×10－3 m3，则下列说法中正确的是(　　) A．状态A的气体体积比状态B的气体体积大 B．该气体在状态C时的体积为3×10－3 m3 C．该气体从状态A到状态B的过程中对外界放热 D．该气体从状态A到状态B再到状态C的过程中，气体向外界传递的热量为200 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 15.(综合)(多选)某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成．如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体(　　) A．在a→b的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能 B．在状态a和c时气体分子的平均动能可能相等 C．在d→a的过程中，单位时间内撞击气缸壁的分子数增多 D．在一次循环过程中气体吸收的热量大于放出的热量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 名师点拨　根据W＝pΔV，利用微元累积法可知，p­V图像与V轴所围面积表示外界对气体做的功(或气体对外界做的功)，这个结论在分析理想气体图像与热力学第一定律的综合问题时很有用，应熟练掌握． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 87 16．(综合)在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043 cm3变为1676 cm3.在物理学中，单位质量的物质在一定温度下从液态变成气态时，所吸收的热量叫作汽化热．已知水的汽化热为2263.8 J/g.一个标准大气压p＝1.013×105 Pa.求1 g水在沸腾汽化的过程中： (1)体积膨胀时对外界做的功W； (2)吸收的热量Q； (3)增加的内能ΔU. 答案　(1)169.7 J　(2)2263.8 J　(3)2094.1 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 解析　取1 g水为研究系统，把大气视为外界． (1)等压(大气压)膨胀时对外界做的功： W＝p(V2－V1)＝1.013×105×(1676－1.043)×10－6 J≈169.7 J. (2)吸收的热量：Q＝mL＝1×2263.8 J＝2263.8 J. (3)根据热力学第一定律，增加的内能： ΔU＝Q＋(－W)＝2263.8 J＋(－169.7 J)＝2094.1 J. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 17.(综合)如图所示为某同学设计的减震器原理图．导热性 能良好的密闭气缸深度为h，横截面积为S，托盘、连杆及活塞 总质量为M，将物体轻轻放在托盘上，气缸内的活塞会下沉． 为保证减震效果，活塞与缸底间距不得小于0.1h.开始时环境温 度为T0，托盘上未放置物体，活塞处于缸体的中间位置．已知气体内能和温度的关系式为U＝kT(k为常数)，外界大气压强为p0，重力加速度为g. (1)求缸内气体的压强p1； (2)若环境温度保持不变，求在托盘上放置物体的最大质量mmax； (3)现在托盘上放上质量为第(2)问中所述的物体，稳定后，再对气缸缓慢加热一段时间，使活塞又回到缸体正中间．求加热过程中气体从外界吸收的热量Q. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 课后课时作业 16 17 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 答案　(1)·(273＋t) ℃ (2)Q－(p0S－G)Δx 解析　(1)活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体压强不变，由盖－吕萨克定律可知：eq \f(V,T)＝eq \f(ΔV,ΔT) 其中V＝eq \f(1,2)Sh，ΔV＝ΔxS，T＝(t＋273) K 解得环境升高的温度Δt＝ΔT＝eq \f(2Δx,h)·(273＋t) ℃. (2)设气缸内压强为p 对活塞，由平衡条件得：pS＝p0S－T 对重物，由平衡条件得：T＝G 封闭气体对外做功：W＝pSΔx＝(p0S－G)Δx 由热力学第一定律得： ΔU＝Q＋(－W)＝Q－(p0S－G)Δx. 解析　袋内气体与外界无热交换即Q＝0，充气袋四周被挤压时，袋内气体体积V减小，对外界做负功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，袋内气体内能增大，温度升高，由eq \f(pV,T)＝c知压强增大，故A、C正确，B、D错误． 解析　根据eq \f(pV,T)＝c有p＝eq \f(c,V)T，由p­T图可知AB直线上各点与原点连线的斜率相等，则A、B两状态气体体积相等，A错误；A、C两状态温度相同，根据pAVA＝pCVC可得VC＝3×10－3 m3，B正确；气体从状态A到状态B体积不变，即WAB＝0，温度降低，即ΔUAB<0，由ΔUAB＝WAB＋QAB，可知QAB<0，所以气体从状态A到状态B的过程中对外界放热，C正确；气体从A到B的过程，WAB＝0，从B到C的过程气体体积增大，气体对外做功，即WBC<0，而从A到B再到C的过程，初末温度相同，则ΔUAC＝0，由热力学第一定律知ΔUAC＝WAB＋WBC＋QAC，可知QAC>0，即气体从外界吸热且吸收的热量为QAC＝－WBC＝pΔV＝1×105×(2×10－3) J＝200 J，D错误． 解析　由于a→b是绝热过程，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，A正确；由于a→b的过程气体的内能增加，温度升高，b→c的过程，体积不变，压强增大，根据eq \f(p,T)＝c，可知温度升高，因此Tc>Ta，可得在状态a时气体分子的平均动能小于状态c时气体分子的平均动能，B错误；在d→a的过程中，气体体积不变，根据eq \f(p,T)＝c可知温度降低，单位体积内分子数不变，分子运动的平均速率减小，因此单位时间内撞击气缸壁的分子数减少，C错误；根据W＝pΔV，利用微元累积法可知，p­V图像与V轴所围面积表示外界对气体做的功(或气体对外界做的功)，所以在一次循环过程中，封闭图像围成的面积等于气体对外做的功，根据热力学第一定律，可知整个过程吸热，也就是气体吸收的热量大于放出的热量，D正确． 答案　(1)＋p0　(2)4M＋ (3)4kT0＋2(Mg＋p0S)h 解析　(1)对托盘、连杆及活塞整体由平衡条件得 p1S＝Mg＋p0S 解得p1＝eq \f(Mg,S)＋p0. (2)托盘上放置最大质量的物体时，活塞恰好距离缸底0.1h，设此时气体压强为p2，以封闭气体为研究对象，整个过程气体温度不变，由玻意耳定律，有 p1·0.5hS＝p2·0.1hS 活塞距离缸底0.1h时，对物体和托盘、连杆及活塞整体受力分析，有 p2S＝(M＋mmax)g＋p0S 联立解得mmax＝4M＋eq \f(4p0S,g). (3)对气体加热，活塞再次回到缸体正中间过程，气体压强不变，设活塞回到缸体正中间时气体的温度为T1，由盖－吕萨克定律有eq \f(0.1hS,T0)＝eq \f(0.5hS,T1) 根据题意可得这一过程封闭气体的内能变化量 ΔU＝kΔT＝k(T1－T0) 外界对气体做的功W＝－p2ΔV＝－p2·(0.5－0.1)hS 由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W 联立解得Q＝4kT0＋2(Mg＋p0S)h. $$