第3章 第2节 热力学第一定律 第3节 能量守恒定律(Word教参)-【学霸笔记·同步精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义聚焦热力学第一定律和能量守恒定律核心知识点，系统梳理改变内能的做功与传热方式、热力学第一定律表达式ΔU=Q+W及符号法则，结合应用实例过渡到能量守恒定律内容，构建从具体规律到普遍规律的能量观念学习支架。 该资料通过气象探测气球、矿泉水瓶实验等实例，以科学推理和模型建构培养学生物理观念与科学思维，课中助力教师引导分析抽象概念，课后练习题及解析帮助学生查漏补缺，强化知识理解与应用能力。

第2节　热力学第一定律 第3节　能量守恒定律 1．掌握热力学第一定律及其表达式。　2.学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。 3．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。　4.理解永动机是不可能制成的。　 一、热力学第一定律 1．改变内能的两种方式 做功与__________。两者在改变系统内能方面是__________的。 2．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的__________与外界对它__________的和。 (2)表达式：____________。 二、热力学第一定律的应用 1．外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 2．外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值。 3．系统内能增加，ΔU为正值；系统内能减少，ΔU为负值。 三、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________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量________。 2．意义 (1)各种形式的能可以相互转化。 (2)互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。 四、永动机不可能制成 1．永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地________的机器。 2．永动机不可能制成的原因：违背了____________定律。 3．意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。 判断下列说法是否正确。 (1)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。(　　) (2)能量既可以转移又可以转化，故能量的总量是可以变化的。　(　　) (3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(　　) (4)ΔU＝W＋Q，该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。(　　) (5)永动机不能制成，因为它违背了能量转化和守恒定律。　(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√ [答案自填] 传热　等价　热量　所做的功　ΔU＝Q＋W　转化　转移　保持不变 对外做功　能量守恒 知识点一　热力学第一定律 气象探测气球内充有常温常压的氦气，从地面上升至某高空的过程中，气球内氦气的压强随外部气压的减小而逐渐减小，其温度因运行加热装置而保持不变，高空气温为－7.0 ℃，球内氦气可视为理想气体。若在此高空关闭加热装置后： (1)氦气对外界做功还是外界对氦气做功？ (2)氦气吸热还是放热？ [提示]　(1)根据＝C可知，体积减小，外界对氦气做功。 (2)在此高空，ΔU＜0，W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q＜0，即氦气向外放热。　 1．对ΔU＝W＋Q的理解 热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。 2．符号法则 (1)外界对系统做功，W＞0，即W取正值； 系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W＜0，即W取负值。 (2)外界对系统传热，也就是系统从外界吸收热量，Q＞0，即Q取正值； 外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q＜0，即Q取负值。 (3)系统内能增加，ΔU＞0，即ΔU为正值； 系统内能减少，ΔU＜0，即ΔU为负值。 3．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)若过程的始末两个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)。 角度1　内能变化的理解 　关于物体内能的变化，下列说法正确的是(　　) A．物体吸收了热量，它的内能可能减少 B．物体的机械能变化时，它的内能也一定随着变化 C．外界对物体做功，它的内能一定增加 D．物体既吸收热量，又对外界做功，它的内能一定不变 [解析]　物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关，即ΔU＝W＋Q，物体吸收热量，也可以同时对外做功，其内能有可能增加，也有可能不变，甚至减少，内能的变化量受两者共同影响，无法单一决定，故A正确，C错误；物体的内能与物体的体积、温度等因素有关，物体的机械能变化时，物体的速率或高度变化，但其体积和温度可能不变，也可能改变，则其内能可能增加、减少或不变，故B错误；由A项的分析可知ΔU＝W＋Q，物体既吸收热量，又对外做功，它的内能可能保持不变，也可能减少，还可能增加，具体决定于做功和吸热的数值，故D错误。 [答案]　A 角度2　热力学第一定律的理解 　一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×105 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J [解析]　外界对气体做了8×104 J的功，则W＝8×104 J，气体内能减少了1.2×105 J，则ΔU＝－1.2×105 J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可得，Q＝－2×105 J，故B正确，A、C、D错误。 [答案]　B 　(2024·吉林一模)某同学取一装有少量水的塑料矿泉水瓶，旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压瓶子，然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞的同时瓶内出现白雾，则(　　) A．挤压瓶子过程中，瓶内气体分子的平均动能减小 B．挤压瓶子过程中，瓶内气体内能不变 C．瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功 D．瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体温度升高 [解析]　旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压瓶子，外界对气体做正功，瓶内气体来不及发生热传导，根据热力学第一定律可知，瓶内气体内能变大，瓶内气体温度升高，则瓶内气体分子的平均动能增大，故A、B错误；然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功，瓶内气体来不及发生热传导，根据热力学第一定律可知，瓶内气体内能变小，瓶内气体温度降低，瓶内出现白雾，故C正确，D错误。 [答案]　C 　(2024·山东青岛一模)如图所示，隔板在绝热汽缸中封闭一定质量理想气体，隔板和绝热活塞间是真空。迅速抽掉隔板后气体会扩散至整个汽缸，待气体稳定后向左缓慢推动活塞至隔板原位置，整个系统密封性良好，下列说法正确的是(　　) A.扩散过程中，气体对外界做功，温度降低 B．扩散过程中，气体分子的平均速率减小导致气体压强减小 C．推动活塞过程中，活塞对气体做功，气体温度升高 D．抽掉隔板前和活塞到达隔板原位置后，气体内能相等 [解析]　抽开隔板时，气体体积变大，但是右方是真空，气体不对外做功，又没有热传递，则根据ΔU＝Q＋W可知，气体内能不变，温度不变，气体分子的平均速率不变，压强减小，故A、B错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，根据ΔU＝Q＋W可知，气体内能增大，气体分子的平均动能变大，温度升高，故D错误，C正确。 [答案]　C 知识点二　能量守恒定律和第一类永动机 有人试图制造一台“永久”的发电机。设计思想如下：先利用外界供给的电能，使电动机转动，再让电动机带动发电机发电。发电机发电后，一部分电供给电动机继续使用，电动机不再利用外界供给的电能；一部分电能供用户使用。这样，一旦这个发电机发出电来，它就可以不再使用外界的能量，自己“源源不断”地发出电来。用能量转化和守恒的知识分析说明，这样的“永动机”能实现吗？ [提示]　上述设想的能量转化过程是这样的，电能→机械能→电能→机械能＋电能(用户)。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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，所以上述能量转化过程中的能量均应是守恒的，一旦发电机发出电来就不再使用外界能量是不可能的，这种永动机不能实现。　 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、核能等。 (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．能量守恒的两种表达 (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。 3．第一类永动机失败的原因 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。 　(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(　　) A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机，是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 [解析]　不同形式的能量间的转化过程中，能量是守恒的，即某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，A正确；能量在不同的物体间发生转移的过程中，能量是守恒的，即某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，B正确；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，C正确；石子从空中落下的过程中，机械能在变化，比如受空气阻力作用使机械能减少，最后停止在地面上时机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，D错误。 [答案]　ABC 　“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为(　　) A．它不符合机械能守恒定律 B．它违背了能量守恒定律 C．没有制作它的理想材料 D．暂时找不到合理的设计方案 [解析]　第一类永动机不可能制成的原因是其违背了能量守恒定律，故B正确，A、C、D错误。 [答案]　B 1．(热力学第一定律)如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸里的空气，对空气做了90 J的功，同时空气向外散热21 J。关于汽缸里空气的内能变化情况，下列说法正确的是(　　) A．内能增加90 J B．内能增加69 J C．内能减少111 J D．内能减少21 J 解析：选B。根据题意，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得，汽缸里空气的内能变化ΔU＝－21 J＋90 J＝69 J，即汽缸里空气的内能增加了69 J。 2．(热力学第一定律)(多选)(2024·广东湛江一模)航天服是保障航天员的生命活动和正常工作的个人密闭装备。航天员穿着航天服，从地面到达太空时内部气体将急剧膨胀。若航天服内气体的温度不变，视为理想气体并将航天服视为封闭系统，则关于航天服内的气体，下列说法正确的是(　　) A．体积增大，内能减小 B．压强减小，内能不变 C．对外界做功，吸收热量 D．压强减小，分子平均动能增大 解析：选BC。由于航天服内气体视为理想气体，温度决定内能，温度不变，内能不变，温度是分子热运动平均动能的标志，故分子平均动能也不变。由于航天服内气体体积增大，气体对外界做功，温度不变，可知W<0，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知Q>0，所以航天服内气体将吸收热量，又由等温变化有p1V1＝p2V2，可知体积变大，则压强减小。 3．(能量守恒定律)(多选)下列设想符合能量守恒定律的是(　　) A．利用永久磁铁间的作用力可以制造一台永远转动的机器 B．做一条利用风能逆水航行的船 C．通过太阳照射使飞机起飞 D．不用任何燃料，河水就一定不能升温 解析：选BC。利用磁场能可能使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力不可避免，动能最终转化为内能，使转动停止，故A错误；让船先静止在水中，设计一台风力发电机使船获得足够的电能，然后把电能转化为船的动能，可使船逆水航行，故B正确；可利用太阳能电池板将光能转化成可储存的电能，然后将电能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故C正确；水坝利用河水的重力势能发电，一部分重力势能通过水轮机转化为水的内能，可使水升温，故D错误。 4．(能量守恒定律)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，当运动到小孔P处时，小铁球就会掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端的Q处，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”的认识正确的是(　　) 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，那么维尔金斯“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 解析：选D。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。 学科网（北京）股份有限公司 $