2.热力学第一定律 3.能量守恒定律-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

本高中物理讲义聚焦热力学第一定律和能量守恒定律核心知识点，先通过复习改变物体内能的两种方式推出热力学第一定律，明确表达式ΔU=Q+W及各物理量符号法则，再延伸至能量守恒定律，阐释其内容及第一类永动机不能制成的原因，构建完整知识支架。 该资料以情境导入（如洒水车轮胎膨胀、全自动机械手表）激发兴趣，通过师生互动（汽缸活塞实验对比）培养科学推理能力，结合例题与针对练巩固应用。体现科学思维（模型建构、科学推理）和科学探究（问题提出、证据分析），课中辅助教师引导学生深度理解，课后帮助学生回顾知识、查漏补缺。

2.热力学第一定律　3.能量守恒定律 【素养目标】　1.通过复习改变物体内能的两种方式，推出热力学第一定律。2.掌握热力学第一定律及其表达式中各物理量的符号法则。3.能运用能量守恒定律知识解释典型的物理现象。4.知道第一类永动机不能制成的原因，能用所学知识解释一些常见的现象。 知识点一　热力学第一定律及其应用 【情境导入】　某同学观察洒水车缓慢洒水的过程时，发现洒水车的轮胎不断膨胀。(假设轮胎内气体温度不变) (1)轮胎为什么不断膨胀？ (2)轮胎内的气体是吸热还是放热？ 提示：(1)洒水车在缓慢洒水的过程中，轮胎内气体压强减小，所以气体膨胀。 (2)气体体积增大，对外界做功，由ΔU＝W可知气体内能减小，但轮胎内气体温度不变，由ΔU＝Q可知气体一定从外界吸热。 【教材梳理】 (阅读教材P50—P51完成下列填空) 1.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 (1)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。 (2)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。 (3)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值；当系统内能减少时，ΔU取负值。 【师生互动】　如图所示，利用汽缸与活塞封闭着一定质量的空气，活塞与汽缸间无摩擦、不漏气。如果把活塞固定，使汽缸内空气温度升高到某一温度，空气吸收的热量为Q1；如果不固定活塞，也使汽缸内空气温度升高到相同温度，其吸收的热量为Q2。请分析比较Q1和Q2的大小关系。 提示：Q2＞Q1。把活塞固定时，气体的体积不变，外界对气体不做功，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能，即ΔU＝Q1；活塞不固定时，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向上运动，气体对外界做功，W＜0，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是相同的，也是ΔU，根据热力学第一定律有ΔU＝Q1＝Q2＋W，由于W＜0，所以Q2＞Q1。 学生用书⬇第68页 【探究归纳】 1.公式ΔU＝Q＋W中各量符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 系统内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 系统内能减少 注意：判断系统与外界之间做功的关系，关键是看系统的体积怎样变化： (1)若系统的体积增大，则系统对外界做功，W＜0。 (2)若系统的体积减小，则外界对系统做功，W＞0。 (3)若系统的体积不变，则系统与外界之间无做功关系，W＝0。 2.几种特殊过程 (1)绝热过程：Q＝0，则W＝ΔU，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统内能的增加(减少)量。 (2)不做功的过程：W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收(放出)的热量等于系统内能的增加(减少)量。 (3)内能不变的过程：ΔU＝0，则Q＋W＝0或W＝－Q，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统放出(吸收)的热量。 一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×10 4 J的功，气体的内能减少了1.2×10 5 J，则下列各式中正确的是(　　) A.W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝4×10 4 J B.W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝－2×10 5 J C.W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝2×10 5 J D.W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝－4×10 4 J 答案：B 解析：外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU取负值，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＝－2×10 5 J，故B正确。 应用热力学第一定律的解题思路 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.确定Q、W的数值及其正负。 3.根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。 4.特别注意物理量的正负号及其物理意义。 针对练1.(2025·河南开封高二月考)健身球是一种有趣的体育健身器材。如图所示，健身者正在挤压健身球，健身球内的气体视为理想气体且在挤压过程中温度不变，下列说法正确的是(　　) A.健身球内的气体向外界释放热量 B.健身球内的气体对外界做正功 C.健身球内的气体内能变大 D.健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数不变 答案：A 解析：健身者正在挤压健身球，即外界对气体做正功，故B错误；健身球内的气体视为理想气体，则内能由温度决定，而温度不变，则健身球内的气体内能不变，故C错误；因外界对气体做正功，W＞0，气体内能不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＜0，即气体向外界释放热量，故A正确；气体的温度不变，即所有分子的平均速率不变，而体积变小，则单位体积的分子数变多，可知压强变大，则健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数变多，故D错误。故选A。 针对练2.如图所示，封闭的汽缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功为800 J，同时气体向外界放热为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 答案：A 解析：由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU＝(－200＋800) J＝600 J，一定质量的理想气体的内能只与温度有关，ΔU＝600 J＞0，故温度升高，A正确。 学生用书⬇第69页 知识点二　能量守恒定律　永动机不可能制成 【情境导入】　“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，只要人带上便能不停地走下去。 (1)“全自动”的机械手表是不是一种永动机？ (2)如果人不佩带该机械表，该表还会一直运动下去吗？ (3)人佩带该表时，该表不停地运动，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ 提示：(1)不是。(2)不会。(3)手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，维持表针走动。 【教材梳理】 (阅读教材P54—P58完成下列填空) 1.能量守恒定律的内容：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.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。 【师生互动】　某同学根据“全自动”的机械手表原理设计了如图所示的新能源汽车模型，通过磁体对铁块的吸引为汽车提供动力让汽车前进。 任务1.从能量的角度分析可以实现吗？ 任务2.热力学第一定律与能量守恒定律有什么关系？ 提示：任务1.不可以，违反了能量守恒定律。 任务2.能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程中，总能量保持不变，其范围广泛。热力学第一定律实际上是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。 【探究归纳】 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：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，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：通过电场力(或电流)做功，电能转化为机械能(或内能)；通过克服摩擦力做功，机械能转化为内能；通过克服安培力做功，机械能转化为电能等。 2.能量守恒定律的两种表达 (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，一定有其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 3.第一类永动机不可能制成的原因分析 如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝Q＋W可知，系统内能将减小。若想源源不断地对外做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 对能量守恒定律的理解 (2025·天津北辰高二期末)下列关于能量守恒定律的认识，不正确的是(　　) A.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明石子的能量消失了 B.对物体做功，物体的内能可能减小 C.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 学生用书⬇第70页 D.某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加 答案：A 解析：根据能量守恒定律可知，石子从空中落下，最后停止在地面上，石子的能量并没有消失，石子的机械能转化成了内能，故A错误；做功与传热可以改变物体的内能，对物体做功的同时，如果物体向外放热，则物体的内能可能减小，故B正确；根据能量守恒定律可知，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，故C正确；根据能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，故D正确。 针对练.有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　) A.只适用于机械能与内能的相互转化 B.只适用于能量转化过程 C.“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律 D.根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变 答案：D 解析：根据能量守恒定律可知，D正确；能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于一切能量转移和转化过程，A、B错误；“摩擦生热”实质上是克服摩擦力做功将机械能转化成了内能，其转化过程符合能量守恒定律，C错误。 第一类永动机 (多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　　) A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器 B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 答案：ABD 解析：第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律，也违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、B、D正确。 针对练.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，转轮因此能转动较长时间，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 答案：D 解析：叶片进入水中后吸热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒定律可知，转轮转动所需能量来源于 热水，热水温度会降低，故A、B、C错误；由能量守恒定律可知，叶片吸收的热量一部分转化为叶片的弹性势能，一部分释放于空气中，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $