第1节 热力学第一定律 第2节 能量的转化与守恒-【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（鲁科版）

本讲义聚焦热力学第一定律与能量转化守恒核心知识点，先通过做功和热传递两种改变内能的方式引入定律（ΔU=W+Q），再结合第一类永动机案例揭示其违背能量守恒的本质，最后阐述能量守恒定律的发现历程与应用，构建从具体规律到普遍守恒的知识支架。 该资料以核心素养为导向，通过判断正误强化物理观念（能量观念），设置气象探测气球等探究问题培养科学思维（科学推理），结合迈尔、焦耳等科学家贡献渗透科学态度与责任。课中助力教师引导学生分析活塞做功等实景问题，课后通过针对练（如p-V图综合应用）帮助学生查漏补缺，提升知识应用能力。

第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 【核心素养目标】 物理观念 了解热力学第一定律的内涵，理解能量守恒定律，具有与能量守恒定律相关的比较清晰的能量观念。 科学思维 能用证据说明第一类永动机是不可能实现的；能有依据地质疑，提出有创意的建议。 科学态度与责任 能通过了解热力学定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义，知道科学发现需要科学家共同努力。 一、功、热量与内能 1．改变内能的两种方式：做功和热传递。 2．物体内能的改变 判断下列物体内能变化的情况： (1)如果一个物体既不吸热也不放热，当外界对它做功时，物体内能将增加，当物体对外界做功时，物体内能将减少。 (2)如果一个物体既不对外界做功，外界也不对它做功，当物体从外界吸热时，物体内能将增加，当物体向外放热时，物体内能将减少。 3．热力学第一定律 (1)内容：物体内能的增加量ΔU等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和。 (2)表达式：ΔU＝W＋Q。 二、第一类永动机 1．第一类永动机：有人幻想的一种不消耗任何能量而能永远对外做功的机器。 2．第一类永动机的本质：能量能无中生有地创造出来。 3．第一类永动机不能制造成功的原因：违背了热力学第一定律。 三、能量守恒定律的发现 1．迈尔的发现：体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的。 2．焦耳的研究 (1)确定了电能向内能转化的定量关系。 (2)用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。 3．亥姆霍兹的贡献：从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性。 四、能量守恒定律及其应用 1．内容：能量既不会消失，也不会创生，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其他物体，而能量的总值保持不变。 学生用书第46页 2．意义：揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据。 3．应用 (1)能量转化过程中总伴有内能的产生。 (2)人类所需的绝大部分能量都直接或间接地来自太阳。 (3)在各种能量的转化过程中，能量都是守恒的。 1．判断正误 (1)热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同。(×) (2)物体对外做功，内能一定减少。(×) (3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。(√) (4)做功和热传递在改变物体的内能效果上是等效的，所以做功过程和热传递过程是一样的。(×) (5)某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加。(√) (6)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。(×) (7)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(√) 2．链接实景 如图所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，汽缸向外界传递10 J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对汽缸内气体做功10 J的同时，汽缸向外界传递10 J的热量，气体的内能改变了多少？ 提示：内能增加了10 J；减少了10 J；0。 知识点一　对热力学第一定律的理解 如图所示，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减小而逐渐减小，其温度因启动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。试探究：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，探测气球体积减小，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＝Q＋W可知，Q<0，即氦气对外放热。 1．热力学第一定律的理解 与热力学第一定律相对应的符号法则 做功W 热量Q 内能的改变ΔU 取正值“＋” 外界对物体做功 物体从外界吸收热量 物体的内能增加 取负值“－” 物体对外界做功 物体向外界放出热量 物体的内能减少 2．几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。 学生用书第47页 一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问： (1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子的平均动能是增加还是减少？ 答案：(1)气体内能减少了1.8×105 J　(2)气体的分子势能增加　(3)气体分子的平均动能减少 解析：(1)气体从外界吸热，故Q＝4.2×105 J， 气体对外做功，故W＝－6×105 J， 由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝－6×105 J＋4.2×105 J＝－1.8×105 J。 ΔU为负值，说明气体的内能减少了，所以，气体内能减少了1.8×105 J。 (2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子间作用力做负功，气体的分子势能增加。 (3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少。 应用热力学第一定律解题的思路与步骤 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．应特别注意物理量的正负号及其物理意义。 针对练1．一定质量的理想气体在某一过程中，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＝2×105 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝－4×104 J 答案：B 解析：由符号法则可知，外界对气体做功W取正值，气体内能减少，ΔU为负值，代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105 J，故B正确。 针对练2．压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，对压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。假定在一次放气过程中，锅内气体对压力阀及外界做功1.5 J，并向外界释放了2.5 J的热量，则下列说法正确的是(　　) A．锅内原有气体的内能没有发生变化 B．锅内原有气体的内能增加了3 J C．锅内原有气体的内能减少了3 J D．锅内原有气体的内能减少了4 J 答案：D 解析：根据热力学第一定律知，ΔU＝Q＋W＝－4 J，即锅内气体内能减少了4 J，故D正确。 知识点二　气体实验定律和热力学第一定律的综合应用 如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题： (1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？ (2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？ 提示：(1)由题图可知，气体的变化为等压膨胀，气体对外做功。 (2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖—吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。 1．判断是否做功的方法 一般情况下外界对气体做功与否，需看气体的体积是否变化。 (1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 (2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。 2．热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路 (1)利用体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功。 (2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。 学生用书第48页 (3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热。由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体的状态变化是吸热过程还是放热过程。 一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图所示的p -V图线描述，其中D→A 为等温线，气体在状态A时温度为TA＝300 K，试求： (1)气体在状态C时的温度TC； (2)若气体在A→B过程中吸热1 000 J，则在A→B过程中气体内能如何变化，变化了多少。 答案：(1)375 K　(2)气体内能增加了400 J 解析：(1)D→A为等温线，则TD＝TA＝300 K 气体由C到D为等压变化，由盖—吕萨克定律得 ＝ 得TC＝＝375 K。 (2)气体由A到B为等压变化，则W＝－pΔV＝－2×105×3×10-3 J＝－600 J 由热力学第一定律得 ΔU＝Q＋W＝1 000 J－600 J＝400 J 则气体内能增加了400 J。 针对练1．如图所示为某理想气体的p -T图像，下列说法正确的是(　　) A．由A到B的过程，气体对外做功，内能增加 B．由A到B是等容过程，B到C是等压过程，气体在C状态时的体积比在B状态时的体积大 C．由B到C的过程，外界对气体做功，放出热量 D．由B到C的过程，气体温度升高，所有气体分子的动能都增大 答案：B 解析：由A到B的过程为等容升温的过程，因体积不变，则W＝0，而温度升高了，则内能增大，故A错误；由B到C的过程是等压升温的过程，比较B点、C点与坐标原点连线的斜率可知，C点的斜率小，则气体体积大，故B正确；B到C的过程，体积变大，则气体对外做功(W<0)，而温度升高说明内能增大(ΔU>0)，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q>0，即气体要吸热，故C错误；由B到C的过程气体温度升高，反映气体分子的平均动能增大，而气体分子的热运动是统计规律，不能体现所有气体分子的动能都增大，故D错误。 针对练2．如图所示，竖直放置的导热圆柱形容器开口向上，用质量m＝10 kg的活塞密封一部分理想气体，活塞在容器内能自由滑动且保持水平，容器内侧的底面积S＝(50cm2)，开始时气体的温度t1＝27 ℃，活塞到容器底的距离L＝20 cm。在气体从外界吸收Q＝60 J热量的过程中，活塞缓慢上升的距离L′＝2 cm。已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2，T＝t＋273 K。求： (1)活塞停止上升时容器内气体的温度t2； (2)密闭气体内能的增加量ΔU。 答案：(1)57 ℃　(2)48 J 解析：(1)活塞缓慢上升过程发生等压变化 V1＝SL，T1＝t1＋273 K V2＝S(L＋L′)，T2＝t2＋273 K 由盖—吕萨克定律可得＝ 解得t2＝57 ℃。 (2)设活塞封闭理想气体的压强为p，活塞缓慢上升过程中受力平衡，则有pS＝p0S＋mg 气体体积增大，外界对气体做负功，由做功公式可得 W＝－pSL′ 由热力学第一定律可得ΔU＝Q＋W 解得ΔU＝48 J。 知识点三　应用能量守恒定律进行计算 1．在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？ 提示：能量的总量不会减少。 2．图为一种所谓“全自动”的机械手表，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？ 提示：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。 学生用书第49页 1．能量的形式 (1)宏观物体运动——机械能。 (2)分子热运动——内能。 (3)电荷和电场——电势能。 2．不同形式能量之间的转化 (1)摩擦生热——机械能转化为内能。 (2)水蒸气将壶盖顶起——内能转化为机械能。 (3)用电炉子加热——电能转化为内能。 (4)燃煤取暖——化学能转化为内能。 3．太阳能的转化 4．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。 5．应用能量守恒定律的思路方法 (1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式。 (2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点： ①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加。 ②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加。 (多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是(　　) A．物体克服阻力做功 B．物体的动能转化为其他形式的能量 C．物体的势能转化为其他形式的能量 D．物体的机械能转化为其他形式的能量 答案：AD 解析：这四种现象中的物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确。四个物体运动过程中，汽车是动能转化成其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成其他形式的能，D正确。故选A、D。 一颗质量为m＝10 g的子弹以200 m/s的速度射入放在光滑水平面上质量为M＝2 kg的木块并穿出。穿出木块时子弹的速度变为40 m/s，木块速度为0.8 m/s。设子弹在木块中所受的阻力不变，在此过程中子弹和木块共获得多少内能？若这些内能有30%被子弹吸收，则可以使子弹升高多少摄氏度？子弹的比热容为1.3×102 J/(kg·℃)。 答案：191.36 J　44.16 ℃ 解析：系统损失的机械能转化为系统增加的内能。ΔE损＝mv02－(mvm2＋MvM2)＝×0.01×2002 J－(×0.01×402 J＋×2×0.82 J)＝191.36 J，被子弹吸收的热量Q＝ΔE损×30%＝cmΔt, 所以Δt＝＝ ℃＝44.16 ℃。 能量守恒定律的应用技巧 1．能量守恒定律是自然界中一个最基本的规律，同时，它又可以与很多其他物理规律(如：平抛运动、碰撞、圆周运动等)结合，解决一些综合性很强的题目。 2．解决这类题目应明确研究过程中哪些能量发生了转化、各种能量的表达形式，然后由相应物理规律结合能量守恒定律求解。　　 针对练1．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是(　　) A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能 B．电灯发光是电能转化为光能 C．核电站发电是电能转化为内能 D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能 答案：B 解析：太阳灶烧水是光能转化为内能，电灯发光是电能转化为光能，核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入凉水中是化学能转化为内能，故选项B正确，A、C、D错误。 学生用书第50页 针对练2．一个铁块沿斜面匀速滑下，关于铁块的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是(　　) A．铁块的机械能和内能都不变 B．铁块的机械能减少，内能不变 C．铁块的机械能增加，内能增加 D．铁块的机械能减少，内能增加 答案：D 解析：铁块沿斜面匀速下滑时，动能不变势能减小，所以铁块的机械能一定减少。铁块沿斜面能匀速滑下，斜面一定是不光滑的，铁块下滑时克服摩擦力做功，铁块损失的机械能转化为铁块和斜面的内能，因此铁块的温度会略有升高，内能增加。故选项D正确，A、B、C错误。 针对练3．高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下说法中不正确的是(　　) A．只有重力做功，冰雹下落时机械能守恒 B．冰雹的势能部分转化为冰雹的动能 C．冰雹的内能增大 D．冰雹的机械能不守恒 答案：A 解析：除了重力做功，还有阻力做功，所以冰雹下落时机械能不守恒，A错误，D正确；冰雹的势能转化为冰雹的动能与内能，故冰雹的内能增大，B、C正确。故选A。 1．下面的例子中，通过热传递改变物体内能的是(　　) A．擦火柴，使火柴开始燃烧 B．阳光照在湖面上，使湖水升温 C．用锯条锯木头，使锯条变热 D．搓搓手，会感觉暖和些 答案：B 解析：擦火柴使火柴燃烧，用锯条锯木头，使锯条变热以及用“搓手”的方法取暖，是通过相互摩擦，克服摩擦力做功，机械能转化成内能，都是通过做功的方式改变内能，故A、C、D错误；阳光照在湖面上，使湖水升温，是通过热传递的方式改变内能的，故B正确。 2．如图所示的容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定，A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。开始A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡，在这个过程中(　　) A．大气压力对水做功，水的内能增加 B．水克服大气压力做功，水的内能减少 C．大气压力对水不做功，水的内能不变 D．大气压力对水不做功，水的内能增加 答案：D 解析：由于水的体积不变，故p0SAhA＝p0SBhB，即大气压力对A做的正功与B克服大气压力做的功相等，故大气压力不做功。但水的重力势能减少了，它转化为水的内能，所以水的内能增加了，故选项D正确，A、B、C错误。 3．三峡水力发电站是我国最大的水力发电站，三峡水库水位落差约100 m，水的流量约1.35×104 m3/s。船只通航需要3 500 m3/s的流量，其余流量全部用来发电，水流冲击水轮机发电时，水流的机械能有20%转化为电能。按照以上数据估算，如果三峡电站全部用于城市生活用电，它可以满足约多少个百万人口城市生活用电(设三口之家平均每家每月用电240度，g＝10 m/s2)(　　) A．2个 B．6个 C．18个 D．90个 答案：C 解析：用于发电的水流量为Q＝1.35×104 m3/s－3.5×103 m3/s＝1.0×104 m3/s，发电功率为P＝×20%，水的质量为m＝pV，t时间内流水的体积为V＝Qt，则P＝0.2ρQgh，又ρ＝1.0×(103kg/m3)，g＝10 m/s2，h＝100 m，解得P＝2×109 W，三口之家平均每家每月用电240度，则用电的平均功率为＝＝＝ kW＝×103 W，可供给用户数为n＝＝6×106，人口数为N＝3n＝18×106，即可满足18个百万人口城市的生活用电。选项C正确。 4．如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105 Pa，经历A→B→C→A的过程，整个过程中对外界放出61.4 J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。 答案：138.6 J 解析：整个过程中，外界对气体做的功W＝WAB＋WCA，且WCA＝pA(VC－VA)，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，联立以上各式得WAB＝－(Q＋WCA)，代入数据得WAB＝－138.6 J，即气体对外界做的功为138.6 J。 学科网（北京）股份有限公司 $