3.1 热力学第一定律&3.2 能量守恒定律及其应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第一节　热力学第一定律 第二节　能量守恒定律及其应用 课程内容要求 核心素养提炼 1.理解热力学第一定律，学会利用热力学第一定律分析有关问题． 2．理解能量守恒定律，知道它是自然界普遍遵循的基本规律． 3．学会用能量守恒定律分析有关问题． 4．知道什么是第一类永动机，知道第一类永动机不可能制成的原因． 1.物理观念：热力学第一定律、能量守恒定律、永动机． 2．科学思维：热力学第一定律的理解和应用，永动机不可能制成的原因． 3．科学态度与责任：树立能量守恒的世界观，运用科学知识指导实践活动． [对应学生用书P46] 1．分子动能：分子不停地做无规则运动，做热运动的分子也具有动能． 2．分子势能：由于分子间存在着相互作用力，所以分子具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能． 3．物体的内能 (1)定义：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和． (2)决定因素：物体的内能由温度、体积、物质的量共同决定． (3)分子的热运动对应的动能，是内能的一部分，物体的机械运动对应的动能，是机械能的一部分． [思考]　如图是分子势能与分子间距离的关系图像． (1)分子间距离为多大时，分子系统具有的势能最小？ (2)分子间作用力为引力时，分子势能与分子间距离的关系是怎样的？ 提示　(1)当r＝r0时，即分子间相互作用力为零时，分子势能最小． (2)当分子间作用力为引力时，分子势能随分子间距离的增大而增大． 1．功与物体内能改变 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． 2．热与物体内能改变 系统吸热，系统内能增加；系统放热，系统内能减少． 3．做功和热传递的区别和等效性 (1)做功时内能与其他形式的能发生转化，而传热只是不同物体之间内能的转移． (2)做功和热传递改变内能的方式不同，但效果是相同的． [思考]　幼儿园里一般都有滑梯，小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热，这是为什么？ 提示　小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加． 1．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和． (2)表达式：ΔU＝Q＋W． 2．热力学第一定律的应用 公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 － 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 [判断] (1)物体吸收热量，内能一定增大．(×) (2)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．(√) 1．内容 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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，在转化和转移过程中其总量不变． 2．意义 (1)各种形式的能可以相互转化． (2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起． 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．不可制成的原因：违背了能量守恒定律． [对应学生用书P48] 探究点一　分子势能与分子距离及分子力做功的关系 当两分子距离为平衡距离r0时，分子力F＝0，此时分子势能一定为零吗？ 提示　不一定，当两分子从距离大于r0处逐渐靠近过程中分子力先做正功，后做负功，分子势能先减小后增大，相距r0时最小，但不一定为零． 1．分子势能与分子间距离的关系 分子势能的大小与分子间的距离有关，距离发生变化时，分子力做功，分子势能发生变化．分子势能随分子间距离的变化情况如图所示(取无穷远处Ep为0). (1)当分子间的距离r＞r0时，分子势能随分子间距离的增大而增大． (2)当分子间的距离r＜r0时，分子势能随分子间距离的减小而增大． (3)当r＝r0时，分子势能最小． 2．分子势能的变化与分子力做功的关系 (1)分子力做正功，分子势能减少；分子力做负功，分子势能增加． (2)数量关系：W＝－ΔEp＝Ep1－Ep2. 如图所示，甲分子固定于坐标原点O，乙分子从无穷远a处由静止释放，在分子力的作用下靠近甲．图中b点合外力表现为引力，且为数值最大处，d点是分子靠得最近处．则下列说法正确的是(　　) A．乙分子在a点势能最小 B．乙分子在b点动能最大 C．乙分子在c点动能最大 D．乙分子在d点加速度为零 C　[乙分子由a运动到c，分子力表现为引力，分子力做正功，动能增大，分子势能减小，所以乙分子在c处分子势能最小，在c处动能最大，故A、B错误，C正确；由题图可知，乙在d点时受到的分子力最大，所以乙分子在d处的加速度最大，故D错误．] [训练1]　如图为两分子系统的势能Ep与两分子间距离r的关系曲线．下列说法正确的是 (　　) A．当r大于r1时，分子间的作用力表现为引力 B．当r小于r2时，分子间的作用力表现为斥力 C.当r由∞到r1变化过程中，分子间的作用力先变大再变小 D.在r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做负功 B　[分子间距等于r0时分子势能最小，即r0＝r2.当r小于r2时分子力表现为斥力，当r大于r2时分子力表现为引力，A项错误，B项正确；当r由∞到r1变化过程中，分子力先是引力变大后变小，后是斥力变大，C项错误；在r由r1变到r2的过程中，分子斥力做正功分子势能减小．D项错误．] 探究点二　改变物体内能的两种方式 如图所示，把浸有乙醚的一小团棉花放在厚玻璃筒的底部，当很快地向下压活塞时，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，为什么浸有乙醚的棉花会燃烧起来呢？ 提示　因为压缩空气做功，使空气温度升高，达到了乙醚的燃点． 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，物体的内能减小 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 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 [特别提醒] (1)内能与热量的区别：内能是状态量，由系统的状态决定；热量是过程量，由传热过程决定． (2)内能的改变与热量的联系：在单纯的传热过程中，系统内能的增加量等于外界向系统传的热量． 如图几幅图中，有关功与内能的说法中正确的是(　　) 图3 A.图1中迅速下压活塞，棉花会燃烧起来，说明热传递可以使物体的温度升高 B．图2中重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传递热量而使水的温度升高 C．图3中降落的重物使发电机发电，电流对水做功使水的温度升高 D．做功和热传递都可以使物体的内能增加 D　[图1中通过压缩活塞对空气做功，气体内能增加，温度升高，达到棉花着火点，使棉花燃烧，并非是热传递使温度升高，故A错误；图2中重物下落带动叶片转动，由叶片对水做功而使水的温度升高，故B错误；图3中降落的重物使发电机发电，电流对电阻做功使电阻发热，然后电阻把热量传递给水，使水的温度升高，故C错误；做功和热传递都可以使物体的内能增加，故D正确．] [训练2]　(多选)下列所述现象中属于利用热传递的方式来传热的是(　　) A．冬天，用手去拿室外的铁块，手感到冷 B．夏天，开空调一段时间后整个房间内温度降低 C．子弹打穿木板后其温度升高 D．冬天，用暖水袋暖手 AD　[冬天，室外温度低，手温度高，用手拿铁块时，手上的温度直接通过热传递的方式传到铁块上．用暖水袋暖手，道理同上．开空调后整个房间内温度降低，是空气通过对流的方式使热空气降温．子弹打穿木板时摩擦力做功，使其温度升高．所以A、D正确．] [训练3]　关于物体的内能以及变化，以下说法正确的是(　　) A．物体的温度改变时，其内能必定改变 B．物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能也不一定改变 C．物体对外做功，其内能必定改变，物体向外传出一定热量其内能必定改变 D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变 B　[一定质量的物体，其内能由温度和体积共同决定．物体的温度改变时，其内能不一定改变，所以A错误；做功和热传递是改变物体内能的两种方式．若物体对外做功为W，同时吸收的热量为Q，且若W＞Q，则物体的内能减少；若W＝Q，则物体的内能不变；若W＜Q，则物体的内能增加．所以B正确，C、D错误．] [训练4]　(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体(　　) A.对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做正功，内能减小 AD　[气体膨胀，气体对外做正功，又因为气体与外界无热量交换，由此可知气体内能减小，D正确；因忽略气体分子间相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减小，A正确．] 探究点三　热力学第一定律的理解和应用 如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题： (1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？ (2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？ 提示　(1)由图可知，气体的变化为等压膨胀，一定是对外做功． (2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量．由盖­吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加． 1．几种特殊情况： (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功． (2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量． (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功). 2．判断是否做功的方法：一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化． (1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0. (2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0. 如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B.此过程中，气体压强p＝1.0×105 Pa，吸收的热量Q＝7.0×102 J，求此过程中气体内能的增量． 解析　一定质量的理想气体等压变化．由盖­吕萨克定律得＝， 则VB＝＝8.0×10－3m3. 气体对外做的功W＝p(VB－VA)＝2.0×102 J， 根据热力学第一定律ΔU＝Q－W， 解得ΔU＝5.0×102 J. 答案　5.0×102 J [训练5]　一定量的气体，从外界吸收热量6.2×105 J，内能增加4.7×105 J．则下列说法中正确的是(　　) A．气体对外做功1.5×105 J B．外界对气体做功1.7×105 J C．气体对外做功1.7×105 J D．外界对气体做功1.5×105 J A　[由题意，气体吸收热量为Q＝6.2×105 J，内能增加了ΔU＝4.7×105 J，设外界对气体做功为W，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得：W＝ΔU－Q＝4.7×105 J－6.2×105 J＝－1.5×105 J，即气体对外界做功1.5×105 J．故选A.] [训练6]　一定质量的理想气体从状态A经状态B变化到状态C，其p­图像如图所示，求该过程中气体吸收的热量Q. 解析　A→B过程，外界对气体做的功W1＝p(VA－VB) B→C过程W2＝0 根据热力学第一定律得ΔU＝(W1＋W2)＋Q A和C的温度相等ΔU＝0 代入数据解得Q＝2×105 J． 答案　2×105 J 探究点四　能量守恒定律和第一类永动机 有一种所谓“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． (1)这是不是一种永动机？ (2)如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ (1)提示　这不是永动机． (2)提示　手表戴在手腕上，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．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来． 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，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．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；而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．第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的．若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的． 下列有关能量的描述正确的是(　　) A.“又要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律 B.工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒 C．滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，动能消失，能量不守恒 D．同时做自由落体运动的物体，质量越大，势能减少越快，机械能减少也越快 A　[马儿跑的时候需要消耗能量，而草能够为马儿提供能量，因此“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，故A正确；工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，损失的电能转化为内能，该过程能量仍守恒，故B错误；滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，减小的动能转化为内能，能量守恒，故C错误；同时做自由落体运动的物体，运动的快慢与质量无关，减少的势能转化为动能，机械能不变，故D错误．] [训练7]　“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它(　　) A．不符合热力学第一定律 B．做功产生的热量太少 C．由于有摩擦、热损失等因素的存在 D．找不到合适的材料和合理的设计方案 A　[第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，即热力学第一定律，故A正确，B、C、D错误．] [训练8]　由能量守恒定律可知(　　) A．能量可以被消灭，也可以被创生 B．因为能量是守恒的，所以不可能发生能源危机 C．因为能量是守恒的，所以不需要节约能源 D．不同形式的能量之间可以相互转化 D　[能量不能被创生，也不能被消灭，故A错误；能量虽然是守恒的，总量不变，但是我们可以利用的能源是有限的，故一定要注意节约能源，防止能源危机，故B、C错误；不同形式的能量之间可以相互转化，总量不变，故D正确．] [对应学生用书P52] 1．(分子距离与分子势能)分子间距离增大时，分子势能将(　　) A．增加　　　　　　　　　 B．减小 C．不变 D．不能确定 D　[分子势能的变化与分子力做功紧密联系．当分子力做正功时，分子势能减小；当分子力做负功时，分子势能增大．当r＞r0时，r增大．分子力做负功，分子势能增大；当r＜r0时，r增大，分子力做正功，分子势能减小．由此可知选项D正确．] 2．(热力学第一定律)气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化可能是(　　) A．减小20 J B．增大20 J C．减小220 J D．增大220 J B　[研究对象为气体，外界对其做功W＝－100 J，吸收热量Q＝120 J，由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J. ΔU＞0，说明气体的内能增加．] 3．(能量守恒定律)在光滑水平面上停放一木块，一子弹水平射穿木块．对此过程，下列说法中正确的是(　　) A．摩擦力(子弹与木块间)对木块做的功等于木块动能的增加量 B．摩擦力对木块做的功完全转化为木块的内能 C．子弹减少的机械能等于子弹与木块增加的内能 D．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与内能之和 A　[对木块由能量守恒定律可判断出A项正确，子弹克服摩擦力做功而减少的机械能，转化为木块、子弹的内能和木块的动能，故B、C、D三项错误．] 4．(第一类永动机)至今为止，第一类永动机从来没有成功过，其原因是(　　) A．机械制造的技术没有过关 B．违反了牛顿运动定律 C.违反了电荷守恒定律 D．违反了能量守恒定律 D　[第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量的转化和守恒定律．] 5．(热力学第一定律的应用)一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问： (1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子的平均动能是增加还是减少？ 解析　(1)气体从外界吸热为：Q＝4.2×105 J 外界对气体做功为W＝－6×105 J 由热力学第一定律： ΔU＝W＋Q＝－6×105 J＋4.2×105 J＝－1.8×105 J ΔU为负，说明气体的内能减少了．所以，气体内能减少了1.8×105 J. (2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了． (3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了． 答案　(1)减少　1.8×105 J　(2)增加　(3)减少 学科网（北京）股份有限公司 $$