3.1 热力学第一定律&3.2 能量的转化与守恒（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

物理选择性必修 第三册 第 3 章 热力学定律 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.理解热力学第一定律。 2．会用ΔU＝W＋Q解决相关问题。 理解能量的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象。 知道第一类永动机不可能制成。 了解能量守恒定律的发现过程。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 1.改变物体内能的两种方式：_____和________。 2．功、热量和内能改变的关系(1)如果一个物体既不吸热也不放热，那么，当外界对它做功时，物体内能_____，且增加量____外界做的功；当物体对外界做功时，物体内能____，且减少量______物体做的功。(2)如果一个物体既不对外界做功，外界也不对它做功，那么当物体从外界吸热时，物体内能____，其增加量____吸收的热量；当物体向外放热时，物体内能____，其减少量_____放出的热量。 3．热力学第一定律❶(1)内容：如果物体与外界之间同时存在做功❷和热传递的过程，那么物体内能的改变量ΔU等于外界对物体____________与物体从外界_____________之和。 [对应学生用书P47] 知识点一 热力学第一定律 必备知识/自主学习 做功 增加 减少 等于 减少 热传递 等于 等于 所做的功W 吸收的热量Q 增加 等于 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 1.能量守恒定律的发现(1)迈尔的发现：体力和体热必定来源于食物中的_______，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以_________的，如果动物的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是_____的。(2)焦耳的研究①1840年，焦耳通过实验得出了焦耳定律，从而给出了电能向内能转化的_____关系，为发现普遍的能量守恒定律打下了基础。②焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研_________问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。 (2)表达式：ΔU＝________。 4．第一类永动机❸(1)概念：不消耗任何能量而能永远___________的机器。(2)结果：17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但无一例外，这类设计方案都以_____而告终。(3)原因：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了________________。 对外做功 失败 热功转换 化学能 相互转化 知识点二 能量的转化❹与守恒 守恒 Q＋W 热力学第一定律 定量 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 1．热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同。( ) 2．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定。( ) 3．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。( ) 4．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了。( ) (3)亥姆霍兹的贡献从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的______。 2．能量守恒定律(1)内容：能量既不会_____，也不会_____，它只能从一种形式_____为其他形式，或者从一个物体_____到其他物体，而能量的总值_________。(2)意义：揭示了自然科学各个分支之间的_________，是自然界内在_______的第一个有力证据。 统一性 消失 思考判断 × √ × 创生 转化 转移 保持不变 普遍联系 统一性 √ 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 批注❶：此定律给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。是标量式，应用时单位应统一为国际单位制中的焦耳(J)。 批注❷：判断气体是否做功的方法 判断气体是否做功的方法 (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。 批注❸：(1)永动机：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。 (2)历史上设计的几种永动机 螺旋永动机　滚球永动机　 软臂永动机　磁力永动机 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 批注❹：能量转化的实例 　风能→电能　　 电能→内能 太阳能→电能　　 化学能→电能 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 关键能力/互动探究 [对应学生用书P48] 探究点一　功、热量与内能改变的关系　(物质观念之形成) ▶情境探究 1．用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？ 2．如图所示的是热传递的三种方式——传导、对流和辐射。 答案： (1)三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。 (2)热传递是内能在物体间(或一个物体的不同部分之间)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化。 (1)这三种方式在传递能量时有什么共同点？(2)热传递和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？ 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 ▶探究归纳 1．做功与内能的变化的关系 (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。 2．热传递与内能变化的关系 (1)在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即ΔU＝U2－U1＝Q。(2)传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 3．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 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 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 ▶对点例练 【例1】如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞。用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前(　　) A．外界对管内气体做功，气体内能增大 B．管内气体对外界做功，气体内能减小 C．管内气体内能不变，压强变大 D．管内气体内能增大，压强变大 D 解析： 绳与金属管间的摩擦，使管壁内能增大，温度升高。通过热传递，乙醚的内能增大，温度升高，直至沸腾，管塞会被冲开。管塞被冲开前管内气体内能增大，压强变大，D正确。 方法技巧 做功与内能的变化 做功改变物体内能的一种方法是改变物体内部的分子的平均动能，即改变温度；另一种方法是通过做功改变物体的体积从而改变内能的大小。不过要注意的是气体的体积减小时分子势能不一定增加。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 [练1] (多选)对于热量、功和内能三个量，下列说法正确的是(　　) A．热量、功和内能三个量的物理意义是等同的 B.热量和功二者可作为物体内能大小的量度 C.热量、功和内能的国际单位都相同 D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的 解析： 热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量度而不是内能大小的量度，A、B错误，C、D正确。 CD 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 探究点二　热力学第一定律及应用　(科学思维之提升) ▶情景探究 “全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。“全自动”机械手表是不是一种永动机？ 1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定 答案： 不是，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表发条做机械运动。 ▶探究归纳 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 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 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，系统内能的增加量(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：始末状态一定质量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．根据热力学第一定律，Q＝0表明气体被绝热压缩时，外界所做的功全部用来增加气体内能，体积变小、温度升高、压强增大；气体绝热膨胀时，气体对外做功是以减小内能为代价的，体积变大、温度降低、压强减小。气体绝热膨胀降温是液化气体获得低温的重要方法。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 ▶对点例练 D 【例2】(2022·山东烟台高二期末)如图所示的是一定质量的理想气体由状态A经过状态B变为状态C又变回状态A的变化过程的V-T图像，各状态参量标注如图。已知理想气体的内能与热力学温度成正比，关于气体的以上变化过程，下列说法正确的是(　　) A．图中TA为150 KB．AB过程与BC过程吸热一样多C．由图中坐标可求出C状态的压强D．在经历ABCA回到A的全过程中气体放热 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 解析： 方法技巧 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 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 [练2](2022·上海位育中学高二期中)下列说法中正确的是(　　) A．对物体做功，同时物体放热，物体的内能一定减小 B．对物体做功，同时物体吸热，物体的内能一定减小 C．物体对外做功，同时放热，物体的内能一定减小 D．物体对外做功，同时吸热，物体的内能一定减小 C 对物体做功，同时物体放热，根据热力学第一定律可知，当对物体做的功大于物体放出的热量时，物体的内能将增大，A错误；对物体做功，同时物体吸热，根据热力学第一定律可知，物体的内能一定增大，B错误；物体对外做功，同时放热，根据热力学第一定律可知，物体的内能一定减小，C正确；物体对外做功，同时吸热，根据热力学第一定律可知，当物体吸收的热量大于对外做的功时，物体的内能将增大，D错误。 解析： 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 [练3]一定质量的理想气体(分子力不计)，体积由V膨胀到V′。如果通过压强不变的过程实现，对外做功大小为W1，传递热量的值为Q1，内能变化为ΔU1；如果通过温度不变的过程来实现，对外做功大小为W2，传递热量的值为Q2，内能变化为ΔU2，则(　　) A．W1>W2，Q1＜Q2，ΔU1>ΔU2B．W1>W2，Q1>Q2，ΔU1>ΔU2C．W1＜W2，Q1＝Q2，ΔU1>ΔU2D．W1＝W2，Q1>Q2，ΔU1>ΔU2 B 解析： 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 探究点三　能量守恒定律　(科学思维之提升) ▶要点归纳 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、原子能等。 (2)各种形式的能，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．守恒是否需要条件 (1)与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功。 (2)能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。 3．由能量守恒分析第一类永动机失败的原因 系统对外做功要以系统本身的能量减少为代价。若想源源不断地做功，系统就必须不断从外界获取能量使自己回到初始状态，在无外界能量供给的情况下这是不可能的。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 解析： 【例3】水能不产生污染物，是一种清洁能源。某瀑布的流量可达每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m。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10 m/s2) 水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能每秒钟流下的水的质量为m＝ρV＝1×103×6 000 kg＝6×106 kg每秒钟水减少的机械能为E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得Eη＝Pt，解得P＝3×109×50% W＝1.5×109 W。 答案： 1.5×109 W 方法技巧 应用能量守恒定律的思路方法 (1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式。 (2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点： ①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加。②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 解析： [练4] 风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%。则单位时间内最多可提升的水的质 量为__________。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练5](生活情境)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(　　) A．压强变大　　　　B．对外界做功 C．对外界放热 D．分子平均动能变大 B 解析： 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 [练6] (生活情境)(多选)现在骑自行车成为一种流行的运动，而山地自行车更是受到大众的青睐。山地自行车前轮有气压式减震装置来抵抗颠簸，其原理如图所示，随着骑行时自行车的颠簸，活塞上下振动，在汽缸内封闭气体的作用下，起到延缓震动的目的，如果路面不平，下列关于该减震装置的说法正确的是(　　) A．活塞迅速下压时汽缸内的气体温度不变 B．活塞迅速下压时汽缸内的气体压强增大 C．活塞下压后迅速反弹时汽缸内有些气体分子的速率增大 D．活塞下压后迅速反弹时汽缸内气体的内能增加 BC 如果活塞迅速下压，活塞对气体做功，气体来不及散热，则由热力学第一定律可知，气体内能增加，温度升高，压强增大，A错误，B正确；活塞下压后迅速反弹时，气体对外做功，来不及吸热，气体内能减少，温度降低，气体分子的平均速率减小，但不是每个气体分子的速率都减小，有些分子的速率可能增大，C正确，D错误。 解析： 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 [练7] (探究情境)17世纪70年代，英国赛斯特城的约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。下列关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是(　　) A．满足能量守恒定律，所以可能实现 B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现 C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现 D．违背能量转化和守恒定律，不可能实现 D 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。铁球上升过程中，磁场力对铁球做正功，使铁球的机械能增加；但铁球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以，维尔金斯“永动机”不可能实现。 解析： 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 谢谢观看！ 根据题图，A到B为等压变化，根据 eq \f(VA,TA)＝ eq \f(VB,TB)，代入数据得TA＝200 K，A错误；AB过程是等压变化，由图可知VB>VA，TB>TA可知，气体对外做功，气体内能增加，气体吸收热量，BC过程是等容变化，由题图TB<TC，气体不对外做功，气体内能增加，气体吸收热量，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，AB过程吸热量多，B错误；由于A、B压强未知，无法求得C状态的压强，C错误；A到B过程，气体对外做功，B到C过程，气体不做功，C到A过程，外界对气体做功，AB过程的斜率小于CA过程的斜率，则AB过程的压强小于CA过程的平均压强，即p1<p2，全过程气体对外界做功为W＝－p1ΔV＋p2ΔV>0，整个过程温度不变，则ΔU＝Q＋W＝0，则Q<0，气体放热，D正确。 气体体积由V膨胀到V′，由 eq \f(pV,T)＝C可知，在等压变化中，压强不变，则气体对外做功大小W1＝pS eq \f(V′－V,S)＝p(V′－V)，因为气体膨胀，所以温度升高，气体的内能增加，所以ΔU1>0，气体吸热；在等温变化中，气体内能不变，即ΔU2＝0，所以ΔU1>ΔU2，因为气体膨胀，对外做功，所以吸收的热量等于对外做的功，即W2＝Q2，且因为气体膨胀，压强减小，所以气体对外做功大小 W2＝p1(V′－V)，则有W1>W2，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q1>Q2，A、C、D错误，B正确。 eq \f(πd2ρv3,20gh) 在时间t内吹在风车上的空气的质量为 m1＝ eq \f(1,4)πd2·vt·ρ， 风的动能Ek＝ eq \f(1,2)m1v2＝ eq \f(1,8)πd2v3tρ。 根据题意 eq \f(1,8)πd2v3tρ×50%×80%＝mgh， 则 eq \f(m,t)＝ eq \f(πd2ρv3,20gh)。 在水不断喷出的过程中，罐内气体的温度始终保持不变，根据 eq \f(pV,T)＝C可知，气体体积增加、压强减小，A错误；气体膨胀，体积增大，则气体对外界做功，B正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体温度不变，内能不变，气体对外做功，吸收热量，C错误；温度是分子平均动能的标志，温度不变则分子的平均动能不变，D错误。 $$