3.2 热力学第一定律 3.3 能量守恒定律( 第1课时 )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与能量守恒定律，通过改变内能的两种方式（做功、热传递）设计递进问题，从单一过程到复合过程引导学生推导定律表达式，搭建从具体实例到规律总结的学习支架，衔接内能改变的前置知识。 特色在于以问题链（如内燃机冲程计算、永动机案例分析）和生活实例（全自动机械手表）驱动学习，培养科学思维中的科学推理与模型建构能力，强化能量观念，检测反馈题覆盖不同情境，助力学生深化理解，落实科学态度与责任。

第2、3节 热力学第一定律 能量守恒定律 第1课时 热力学第一定律 能量守恒定律 学案 2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册 学号： 班级： 姓名： 【学习目标】 1. 理解热力学第一定律，能用热力学第一定律解决简单问题． 2. 理解能量守恒定律． 3. 知道第一类永动机是不可能制成的． 【活动方案】 1. 如图所示为改变内能的两种方式，回答下列问题： (1)如果物体和外界不发生热交换，当外界对物体做了8 J功，物体内能变化了多少？如果物体只与外界有热交换，没有做功，外界传给物体6 J热量，物体的内能变化了多少？ (2)如果物体内能在改变的过程中，既有热传递又有做功．外界对物体做了8 J的功，同时物体吸收6 J热量，物体内能变化了多少？ (3)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，这个关系叫作热力学第一定律．热力学第一定律的表达式为　　　　　　　　． 注意热力学第一定律表达式中物理量符号的规定： ①W：外界对系统做功，W＞0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W＜0，即W为负值． ②Q：外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q＞0，即Q为正值；外界对系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q＜0，即Q为负值． ③ΔU：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． 2. 一定质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，则下列各式中正确的是(　　) 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＝2×104 J D. W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 总结：应用热力学第一定律解决问题的思路． (1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统． (2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功． (3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解． (4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义． 3. 如图甲所示，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于 2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功．内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J． (1)求上述压缩过程中气体内能的变化量； (2)燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动 0.1 m，其做的功相当于9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为 30 J，求此做功过程气体内能的变化量． 　　 甲　压缩冲程　　　　　　乙　做功冲程 1. 19世纪自然科学三大发现分别是细胞学说、生物进化论和能量守恒定律．阅读教材，了解人类对于能量守恒的认识过程． (1)能量转化和守恒定律：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　　　　保持不变． (2)能量守恒定律是一个普遍适用的定律，热力学第一定律是只研究　　　　与　　　　　　　　　　　　发生转化时的能量守恒关系． 2. 风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，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的高度，效率为80%，则单位时间最多可提升的水的质量是多少？（重力加速度为g） 1. 生活中的物理：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．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ 2. 如图所示是历史上有名的一种永动机的设计．从图上看，设计者为什么认为这个机器会永远运动下去？不用能量的概念，你能不能说明它不会永远运动下去？ 3. 某物质循环一周恢复到初始状态，不吸热而向外放热或做功，这叫“第一类永动机”．第一类永动机不能制成的原因是什么？谈谈永动机给我们的启示． 4. 如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是(　　) A. 转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B. 转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C. 转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D. 叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 【检测反馈】 1. 二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术．在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计气体温度的变化，二氧化碳可视为理想气体，则此过程中(　　) A. 封闭气体对外界做正功 B. 封闭气体向外界传递热量 C. 封闭气体分子的平均动能增大 D. 封闭气体从外界吸收热量 2. 如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的(　　) A. 温度升高，内能增加600 J B. 温度升高，内能减少200 J C. 温度降低，内能增加600 J D. 温度降低，内能减少200 J （第2题） （第5题） （第6题） 3. 关于内能的变化，以下说法正确的是(　　) A. 物体吸收热量，内能一定增大 B. 物体对外做功，内能一定减少 C. 物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D. 物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变 4. 一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105 Pa的状况下，体积从20 L膨胀到30 L，这一过程中气体从外界吸热4×103 J，则气体内能的变化为(　　) A. 增加了5×103 J　 B. 减少了5×103 J C. 增加了3×103 J　 D. 减少了3×103 J 5. 用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体(　　) A. 体积减小，内能减少 B. 体积减小，压强减小 C. 对外界做负功，内能增大　 D. 对外界做正功，压强减小 6. 如图所示为简易测温装置，玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体，当温度升高时(　　) A. 瓶内气体的密度增大 B. 瓶内气体分子的平均动能不变 C. 外界对瓶内气体做正功 D. 热传递使瓶内气体的内能增加 7. 如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在此过程中(　　) A. 气体对外界做功，温度降低，内能减少　 B. 气体对外界做功，温度不变，内能不变 C. 气体不做功，温度不变，内能不变　 D. 气体不做功，温度不变，内能减少 8. 一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出．对于这一过程，下列说法中正确的是(　　) A. 子弹减少的机械能等于木块增加的机械能 B. 子弹减少的动能等于木块增加的动能 C. 子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和 D. 子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和 9. “第一类永动机”不可能制成，是因为(　　) A. 不符合机械能守恒定律 B. 违背了能量守恒定律 C. 做功产生的热不符合热功当量 D. 找不到合适的材料和合理的设计方案 10. 一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，问： (1)这些气体的内能发生了怎样的变化？ (2)如果这些气体又返回到原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？ 【参考答案】 【活动方案】 活动一： 1. (1)增加了8 J；增加了6 J. (2)增加了14 J. (3)ΔU＝Q＋W 2. B　因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J．B正确． 3. (1)175 J　(2)－930 J，即气体内能减少了930 J. 活动二： 1. (1)转化　转移　总量 (2)内能　其他形式的能 2. 设在t时间内吹在风车上的空气的质量为m1， 则m1＝πd2·vt·ρ， 风的动能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ， 根据题意有 πd2v3tρ×50%×80%＝mgh， 则 ＝. 活动三： 1. 这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来． 2. 这种永动机是在一个轮子的边缘等距地安装12根活动短杆，杆的自由端分别套上一个重球．无论轮子转到什么位置，右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些．设想，右边甩过去的重球作用在离轴较远的位置，就会迫使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时为止．但是，实际上轮子转动一两圈后就停了下来，在这种永动机的设计中，我们总可以找到一个平衡位置，在这个位置上，各个力恰好相互抵消．不再有任何推动力使它运动．永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，变成不动机． 3. 违背能量守恒定律．任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量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，而不能无中生有地创造能量．热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”．人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律． 4. D　轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知，叶片在热水中吸收的热量一部分释放到空气中，另一部分使叶片在热水中伸展做功，所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，D正确． 【检测反馈】 1. B　因为不计气体的温度变化，气体分子的平均动能不变，即ΔU＝0，C错误；因为气体体积减半，故外界对气体做功，即W＞0，A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＜0，即气体向外界传递热量，B正确，D错误． 2. A　对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J．内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，A正确． 3. C 4. C　气体等压膨胀过程对外做功W＝pΔV＝1.0×105 Pa×(30－20)×10-3 m3＝1.0×103 J．这一过程气体从外界吸热Q＝4×103 J.由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于气体对外做功，W应取负值，则可得ΔU＝－1.0×103 J＋4.0×103 J＝3.0×103 J，即气体内能增加了3×103 J．故C正确． 5. C　根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，Q＝0，外界压缩气体，气体体积减小，外界对气体做正功，内能增大，温度升高，由＝C可知压强增大，C正确，A、B、D错误． 6. D 7. C　气体向真空膨胀，不做功；此为绝热容器，无热传递，Q＝0.故C正确． 8. D　9. B 10. (1)由热力学第一定律得 ΔU＝W＋Q＝280 J－120 J＝160 J， 内能增加了160 J. (2)ΔU′＝－ΔU＝－160 J，Q′＝－240 J， 由热力学第一定律得 W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J， 即外界对气体做了80 J的功． 学科网（北京）股份有限公司 $