3.2 热力学第一定律 3.3 能量守恒定律 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦热力学第一定律（ΔU=Q+W）和能量守恒定律，通过课堂导练的必备知识填空搭建学习支架，衔接改变内能的两种方式与定律表达式，结合永动机设想等实际问题引导学生应用定律分析，梳理前后知识脉络。 特色在于符号法则表格化呈现W、Q、ΔU正负值，结合压缩空气、膨化食品袋等生活实例及历史永动机案例，培养学生能量观念与科学推理能力，问题链设计激发质疑创新，例题变式训练提升解决实际问题的物理观念，参考答案详细便于自主学习与教学评估。

第三章　热力学定律 2-3．热力学第一定律 能量守恒定律 【课标要求】理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。 【学习目标】 1．理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题。 2．理解并会运用能量守恒定律解决实际问题。 3．知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 【学习重难点】 重点：1．热力学第一定律ΔU＝Q＋W的理解； 2．能量守恒定律。 难点：ΔU＝Q＋W中三个物理量正负号的理解。 课堂导练 必备知识 一、热力学第一定律 1．改变内能的两种方式：______________________________。 2．热力学第一定律：____________________________________。 3．热力学第一定律的表达式：___________。 4．热力学第一定律的应用： (1)ΔU的正负：_______________________________________。 (2)W的正负：_______________________________________。 (3)Q的正负：_______________________________________。 二、能量守恒定律 1．能量守恒定律 (1)内容：_____________________________________________________________________________________________。 (2)两种表达 ①某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等； ②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 2．永动机不可能制成 (1)第一类永动机：______________________________。 (2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。 1．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少？ 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．下面的设想符合能量守恒定律吗？请简述理由。 （1）利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械。 （2）造一条没有动力系统的船在水面上行驶。 （3）通过太阳照射飞机，使飞机不带燃料也能飞行。 点评点拨 一、热力学第一定律 如果一个系统的内能增加，则系统一定从外界吸热且外界也一定对系统做了功，这种说法正确吗，为什么? 热力学第一定律的符号法则 正负值 做功W 热量Q 内能的变化ΔU 取正值“+” 外界对系统做功 (系统体积减小) 系统从外界吸收热量 系统的内能增加 取负值“-” 系统对外界做功 (系统体积增大， 不考虑真空扩散) 系统向外界放出热量 系统的内能减少 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传热这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系. 2．做功情况看气体的体积. 3．与外界绝热，则不发生热传递，此时Q=0. 4．如果研究对象是理想气体，则由于理想气体不考虑分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化. 几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q=0，ΔU=W，外界对系统所做的功等于系统的内能变化量. (2)若过程中不做功，即W=0，则ΔU=Q，外界向系统传递的热量等于系统的内能变化量. (3)若过程的始末状态系统的内能不变，即ΔU=0，则W+Q=0或W=-Q，外界对系统所做的功等于系统放出的热量或系统对外界所做的功等于系统吸收的热量. 例1． 为切实保护好自然生态环境，国家倡导广大出游者“带垃圾下山”。已知随着海拔的降低，环境的温度、气压均升高。某游客从山顶携带密闭空玻璃瓶到达山脚，忽略玻璃瓶形变产生的影响，瓶内气体可视为理想气体，则在下山过程中 （ ） A．瓶内气体放热 B．瓶内气体对外做正功 C．瓶内气体分子内能减少 D．瓶内气体分子平均动能增加 变式训练1． 膨化食品包装袋内通常会封闭少量气体，包装袋不漏气，且该部分气体可视为理想气体，下列说法中正确的是(　　) A．用手轻捂包装袋，一段时间后，袋内气体膨胀且内能可能不变 B．将包装袋放入冷藏室，一段时间后，所有分子动能减小且内能减小 C．用筷子缓慢拍打包装袋，袋内气压变大且从外界吸热 D．用筷子快速拍打包装袋，单位体积内气体分子数变多，内能增大 二、能量守恒定律 如图所示是17~18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”，这些永动机能实现真正的永动么？ 能量守恒定律的意义 1．找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量的规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性. 2．突破了人们关于物质运动的认识范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性.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.恩格斯把能量守恒定律与细胞学说、生物进化论并称19世纪的三大发现，由此可见其重要意义. 3．具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想. 能量守恒定律中的“转化”和“转移” 1．转化：某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量等于增加量. 2．转移：某个物体的能量减少，一定有其他物体的能量增加，且减少量等于增加量. 永动机不可制成的原因及分析 (1)原因：违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的. (2)分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2-U1=W，就是说，永动机对外做功，则W＜0，那么一定有U2＜U1，即系统内能减少，所以系统对外做功是要以减少内能为代价的.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. 例2． 下列关于第一类永动机的说法正确的是（ ） A．永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器 B．永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C．永动机不能制成的原因是技术问题 D．永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 变式训练2． 下列关于能量守恒定律的认识不正确的是（ ） A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机不可能制成 D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了 变式训练3． 大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·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。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（　　） A．符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题 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 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．（ ） （2）做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的．（ ） （3）在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量．（ ） （4）热传递只能发生在两个物体间，同一物体不能发生热传递．（ ） 【参考答案】 课堂导练 必备知识 【答案】 一、1．改变内能的两种方式：做功与传热。两者对改变系统的内能是等价的。 2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W。 4．热力学第一定律的应用： (1)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值，当系统内能减小时，ΔU取负值。 (2)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 (3)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。 二、1．能量守恒定律 (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，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 (2)两种表达 ①某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等； ②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 2．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)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。 1．【答案】690J 展示讨论 1．【答案】（1）不符合。理由见解析；（2）不符合。理由见解析；（3）符合。理由见解析 点评点拨 一、热力学第一定律 【答案】 思维探究 错误.由热力学第一定律可知，只要Q+W＞0，系统的内能就增加，因此存在三种可能情况： (1)外界对系统做功且系统从外界吸热； (2)外界对系统所做的功大于系统向外界放出的热量； (3)系统对外界所做的功小于系统从外界吸收的热量。 例1．【答案】D 变式训练1．【答案】A 二、能量守恒定律 【答案】 思维探究 不能。 例2．【答案】AD 变式训练2．【答案】D 变式训练3．【答案】D 小结小测 二、课堂小测 【答案】 × √ × × 学科网（北京）股份有限公司 $