3.1 功、热和内能的改变（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册同步学案（人教版）

本高中物理讲义聚焦“功、热和内能的改变”核心知识点，从焦耳实验原理切入，建立绝热过程中功与内能的关系（ΔU=W），再延伸到传热过程中热与内能的关系（ΔU=Q），明确做功与传热在改变内能上的区别与等效性，搭建系统学习支架。 该资料通过问题探究（如焦耳实验分析、硝化棉燃烧实验）培养科学探究能力，对比表格（做功与传热比较）深化能量观念，例题与自我诊断强化科学推理。课中辅助教师引导概念理解，课后助力学生通过训练查漏补缺，提升物理观念与科学思维。

　热力学定律 3．1　功、热和内能的改变 学习 目标 1.了解焦耳的两个实验的原理，认识焦耳实验探究对建立热力学规律的意义。 2．会用功能关系构建内能的概念。 3．知道做功与传热在改变系统内能上的区别，并会区分热量和内能的概念。 4．理解做功与内能的改变和传热与内能的改变的关系，会解释相关的现象。 一、焦耳的实验 1．绝热过程：系统不从外界吸热也不向外界放热的过程。 2．代表性实验 (1)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 (2)通过电流的热效应给液体加热。 3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。 4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。 二、功与内能的改变 1．功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2．理解 (1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程。 (2)在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。 三、热与内能的改变 1．传热 (1)条件：物体的温度不同。 (2)传热：热从高温物体传到了低温物体。 2．热和内能 (1)热量：热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 (2)热与内能的改变 当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。 (3)传热与做功在改变系统内能上的异同 ①做功和传热都能引起系统内能的改变。 ②做功时，内能与其他形式的能发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 [自我诊断] 1．判断下列说法的正误 (1)绝热过程是系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。( √ ) (2)做功改变内能的实质是能量的转移。( × ) (3)传热改变内能的实质是能量的转移。( √ ) (4)功是状态量，内能是过程量。( × ) (5)热量是从内能大的物体传到内能小的物体上。( × ) (6)在绝热过程中，系统对外界做的功等于系统内能的增加量。( × ) 2．使物体的内能发生改变的方法很多：a.电炉通电后发热；b.一杯开水放在桌面上冷却；c.阳光照射下冰块熔化；d.锯木头时，锯片发烫；e.人坐在火炉旁取暖；f.用打气筒给自行车打气后，打气筒变热。其中属于做功使物体内能改变的是________；属于热传递使物体内能改变的是________。 答案：adf　bce 一、功和内能的改变 [问题探究] 　(1)在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升；另一个实验是通过电流的热效应给液体加热。焦耳的这两个实验说明了什么问题？ (2)如图，在有机玻璃筒底放少量的硝化棉(燃点较低)，迅速压下活塞，观察硝化棉的变化。 ①你能看到什么现象？实验现象说明了什么？ ②图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？ 答案：(1)绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末状态决定，与做功的具体过程和方式无关。 (2)①可以看到硝化棉燃烧。实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。②迅速按下活塞是为了减少传热，尽量创造一个绝热条件。 [知识深化] 1．做功与内能变化的关系 (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，外界对物体做功，则W>0，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；物体对外界做功，则W<0。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．功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多。 【特别提醒】 (1)外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少。 (2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。 　如图所示，在大口的玻璃瓶内装些水，水的上方有水蒸气。然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口，并给瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来。当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现了“白雾”。对于“白雾”的形成，下列说法正确的是(　　) A.这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠 B.这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气 C.这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾 D.瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减小，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴 解析：选D　当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出。形成“白雾”的原因是，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分被液化成小水滴，形成“白雾”，故选项D正确，A、B、C错误。 　如图所示的柱形容器内封有一定质量的空气。质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成，另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B后静止。这一过程中，容器内空气内能的改变量ΔU，外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能变化量的关系是(　　) A.Mgh＋mg·Δh＝ΔU＋W B.ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh C.ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔh D.ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh 解析：选C　绝热时Q＝0，ΔU＝W；但物体落在活塞上时，有一部分机械能在碰撞时转化为内能，这些内能没能被封闭气体吸收，因此W<Mgh＋mgΔh，故C正确。 二、热和内能的改变 [问题探究] 　(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)如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射。 ①这三种方式在传递能量时有什么共同点？ ②传热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？ 答案：(1)做功和热传递都可以改变物体的内能 (2)①都改变物体内能 ②传热的实质是内能的转移做功的实质是内能与其他形式能转化 [知识深化] 1．传热 热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫作传热。 2．传热的实质 传热实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。 3．传递的热量与内能改变的关系 (1)在单纯的传热过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少，即Q吸＝ΔU。 (2)在单纯的传热过程中，系统向外界放出多少热量，系 统的内能就减少多少，即Q放＝－ΔU。 (3)做功和传热的比较 做功 传热 与ΔU 的关系 在绝热过程中，ΔU＝W 单纯对系统传热时，ΔU＝Q 实质 内能与其他形式能的转化 内能的转移 联系 虽然实质不同，但做功和传热在改变系统内能上是等效的 　　　两物体接触后发生了传热，下列说法正确的是(　　) A.内能大的物体向内能小的物体传递热量 B.密度大的物体向密度小的物体传递热量 C.含热量多的物体向含热量少的物体传递 D.分子平均动能大的物体向分子平均动能小的物体传递热量 解析：选D　在传热过程中，热量从温度高的物体传向温度低的物体，而温度是分子热运动的平均动能的标志，温度越高，分子平均动能越大。因此两物体接触后发生了传热时，是分子平均动能大的物体向分子平均动能小的物体传递。选项D正确，A、B、C错误。 　(多选)下列说法正确的是(　　) A.做功和热传递在改变物体内能上是等效的 B.每一个分子都有势能和动能，分子动能与分子势能之和就是分子内能 C.只有热传递才可以改变物体的内能 D.一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大 解析：选AD　做功和热传递在改变物体内能上是等效的，A正确；分子势能存在于分子之间，单个的分子不存在分子势能，组成物质的所有分子动能与分子势能之和是物体的内能，故B错误；做功与热传递都可以改变物体的内能，故C错误；一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大，D正确。 [针对训练] 关于物体的内能和热量，下列说法中正确的是(　　) A.热水的内能比冷水的内能多 B.温度高的物体其热量必定多，内能必定大 C.在热传递过程中，内能大的物体其内能将减少，内能小的物体其内能将增加，直到两物体的内能相等 D.热量是热传递过程中，内能转移多少的量度 解析：选D　内能是物体内所有分子动能和势能的总和，宏观上看，其大小取决于物体的温度、体积、物质的量，温度高只能说明其分子的平均动能大，因为物质的量不一定相同，所以并不能说明它的分子总动能大，更不能说明它的内能大，A选项错误；热量是一个过程量，说哪个物体具有热量是毫无意义的，且温度高内能也不一定大，B选项错误；热传递的目的是传递内能，但是物体之间发生热传递的条件并不是内能不相等，而是温度不同，热传递的最终结果也不是内能相等，而是温度相同，C选项错误；热量是热传递过程中内能转移的量度，是一个过程量，D选项正确。 1．(多选)如图所示为焦耳实验的装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是(　　) A.这个装置可测定热功当量 B.做功增加了水的热量 C.做功增加了水的内能 D.功和热量是完全等价的，无区别 解析：选AC　将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误。 2．(多选)下列所述现象中属于利用热传导的方式来传热的是(　　) A.冬天，用手去拿室外的铁块，手感到冷 B.夏天，开空调后一段时间整个房间内温度降低 C.在地面上晒小麦 D.冬天，用暖水袋暖手 解析：选AD　冬天，室外的铁块温度低，手温度高，用手拿铁块时，手上的热量直接通过热传导的方式传到铁块上。用暖水袋暖手，道理同上。开空调后一段时间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。晒小麦是依靠太阳热辐射来吸收热量的，故A、D正确。 3．如图所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则(　　) A.A球吸收的热量较多 B.B球吸收的热量较多 C.两球吸收的热量一样多 D.无法确定 解析：选B　A、B两球升高同样的温度，体积变化又相同，则二者内能的变化相同，而B球是处在水银中的，B球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此B球吸收的热量较多一些，B正确。 4．如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0 ＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2) 解析：由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1 J＋1.01×105×0.1×0.1 J＝1030 J。 答案：1 030 J 学科网（北京）股份有限公司 $