第3章 第1、2节 热力学第一定律 能量守恒定律（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（教科版）

　第三章　热力学定律 第1、2节　热力学第一定律　能量守恒定律 [核心素养导学] 物理观念 (1)知道热力学第一定律的内容。 (2)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原理。 (3)知道第一类永动机是不可能实现的。 科学思维 能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。 科学探究 探究能量的转化过程和总量的变化情况。 科学态度与责任 (1)理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 (2)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、热力学第一定律 1.改变内能的两种方式:做功和　　　　都可以改变物体的内能,而且这两种方式是　　　的。  2.绝热过程中,对系统做功时内能的变化量与功的关系:ΔU=W。 3.外界没有对系统做功的过程中,系统内能的变化量与传递热量的关系:ΔU=Q。 4.当外界既对系统做功又对系统传热时,内能的变化量:ΔU=Q+W。 5.热力学第一定律的内容 在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中,系统的内能增加量ΔU等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和。 6.第一类永动机不可能制成 (1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,能持续不断地　　　　　的机器。  (2)第一类永动机不可能制成的原因:违背了　　　　　　　　。  二、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　　　为另一种形式,或者从一个物体　　　　到另一个物体,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　　　　　。  (2)各种物理现象可以用　　　　　　　联系在一起。  1.给旱区送水的消防车停在水平地面上。在缓慢放水的过程中,若车胎不漏气且胎内气体温度不变,不计分子间的势能,试分析气体的吸放热情况。 2.“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,表针却能不停地转动。由此,有人设想了如图所示的新能源汽车。 请对以下说法作出判断: (1)“全自动”机械手表是一种永动机。 (　 ) (2)如图所示的新能源汽车是能够实现的。 (　 ) (3)“全自动”机械手表是通过手臂的运动获得能量,供手表指针转动,不是永动机。 (　 ) 新知学习(一)|热力学第一定律的理解及应用 [任务驱动] 　　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? [重点释解] 1.公式ΔU=Q+W中符号的规定 符号 Q W ΔU + 物体吸热 外界对物体做功 内能增加 - 物体放热 物体对外界做功 内能减少 2.三种特殊情况 (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)。 3.判断是否做功的方法 一般情况下看物体的体积是否变化: (1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0。 (2)若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>0。 [典例体验] 　　[典例]　一定质量的实际气体从外界吸收了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? 尝试解答: /方法技巧/ 　　 应用热力学第一定律解题的方法 　　(1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (2)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量;外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功;研究对象内能的增加量或减少量。 (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意义。 [针对训练] 1.(2025·河北高考)某同学将一充气皮球遗忘在操场上,找到时发现因太阳暴晒皮球温度升高,体积变大。在此过程中若皮球未漏气,则皮球内封闭气体 (　 ) A.对外做功 B.向外界传递热量 C.分子的数密度增大 D.每个分子的速率都增大 2.如图所示,密封的矿泉水瓶中,距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中,小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶,小瓶下沉到底部;松开后,小瓶缓慢上浮。上浮过程中,小瓶内气体 (　 ) A.内能减少 B.对外界做正功 C.增加的内能大于吸收的热量 D.增加的内能等于吸收的热量 新知学习(二)|对能量守恒定律的理解 [任务驱动] 文艺复兴时期,达·芬奇制造的永动机装置如图所示。他认为右边的重球比左边的重球离轮心更远些,两边不均衡的作用力会使轮子沿箭头方向转动不息。请问该装置属于第几类永动机,并请说明这类永动机为什么不能成功。 [重点释解] 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、原子能等。 (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.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的 例如,物体的机械能守恒,必须是只有重力或系统内的弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。 3.能量守恒定律中的“转化”和“转移” (1)某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加,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。 4.第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界热源供给热,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。 [典例体验] 　　[典例]　(多选)空调市场上有很多变频空调,据专家介绍变频空调比定频的要节能,因为定频空调开机时就等同于汽车启动时,很耗能,是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机,等温度高了再继续启动。这样的频繁启动,耗电多,而变频空调启动时有一个由低到高的过程,运行过程是自动变速来保持室内温度,从开机到关机中间不停机,而是达到设定温度后就降到最小功率运行,所以比较省电。阅读上述介绍后,以下说法合理的是 (　 ) A.变频空调节能,运行中不遵守能量守恒定律 B.变频空调运行中做功少,转化能量多 C.变频空调在同样工作条件下运行效率高,省电 D.变频空调与定频空调做同样功时,消耗同样电能 听课记录: [针对训练] 1.“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它 (　 ) A.不符合热力学第一定律 B.做功产生的热量太少 C.由于有摩擦、热损失等因素的存在 D.找不到合适的材料和合理的设计方案 2.下列有关能量的描述正确的是 (　 ) A.“既要马儿跑得快,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律 B.工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,该过程能量不守恒 C.滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,动能消失,能量不守恒 D.同时做自由落体运动的物体,质量越大,势能减少越快,机械能减少也越快 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉物理观念——认识历史上的永动机 1.(选自鲁科版教材“物理聊吧”)如图是历史上曾经出现的几种永动机的设想示意图:图(a)是想利用短杆上的重球产生的作用,使轮子不停地转动;图(b)是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处,再流下冲击轮子的叶片,使轮子不停地转动;图(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升,带动轮子不停地转动。 请仔细分析这些永动机的设想,指出它们不可能实现的原因。 ◉科学思维——热力学第一定律的应用 2.(选自粤教版教材课后练习)如图所示,一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B。此过程中,气体压强p=1.0×105 Pa,吸收的热量Q=7.0×102 J,求此过程中气体内能的增量。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.(2024·北京高考)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮,将气泡内的气体视为理想气体,且气体分子个数不变,外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体 (　 ) A.内能变大 B.压强变大 C.体积不变 D.从水中吸热 2.目前,共享单车作为绿色出行的交通工具,已成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁,车锁内集成了GPS模块与联网模块等,这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能:甲车靠小型发电机踩动单车时线圈在磁场中转动产生电能,如图甲所示;乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能,如图乙所示。这两种共享单车获取电能时,都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化,下列说法中正确的是 (　 ) A.都是把机械能转化为电能 B.都是把光能转化为电能 C.甲车把机械能转化为电能,乙车把光能转化为电能 D.甲车把光能转化为电能,乙车把机械能转化为电能 3.(多选)某校“科创社”在学校操场进行水火箭发射、航模飞行等展示活动。此次活动激起了该校师生在工作和学习之余的科技创新热情。水火箭是一种用水的压力来推进的模型火箭,同学们利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞,灌入三分之一的水后,利用打气筒充入空气,等到达一定的压力后喷水获得反冲力而发射。喷水过程可以认为瓶内气体与外界绝热,则在喷水阶段 (　 ) A.瓶内气体体积增大,外界对气体做正功 B.瓶内气体内能减小,温度降低 C.喷水阶段机械能转换为内能 D.瓶内气体压强减小,即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小 课下请完成课时跟踪检测(十一) 1 / 8 学科网（北京）股份有限公司 第三章　热力学定律 第1、2节　热力学第一定律　能量守恒定律 落实必备知识 [预读教材] 一、 1.热传递　等价　6.(1)对外做功　(2)热力学第一定律 二、 1.转化　转移　保持不变　2.(1)相互转化　(2)能量守恒定律 [情境创设] 1.提示:由于车胎内气体温度不变,故气体分子的平均动能不变,内能不变。放水过程中气体体积增大,对外做功,由热力学第一定律可知,车胎内气体吸热。 2.(1)×　(2)×　(3)√ 强化关键能力 新知学习(一) [任务驱动] (1)提示:由图可知,气体的变化为等压膨胀,一定是气体对外做功。 (2)提示: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。 [典例]　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,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,分子力做负功,气体分子势能增加。 (3)因为气体内能减少,同时气体分子势能增加,说明气体分子的平均动能一定减少。 答案:(1)减少　1.8×105 J　(2)增加　(3)减少 [针对训练] 1.选A　皮球体积变大,气体膨胀,对外界做功,W<0,太阳暴晒使气体温度升高,ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q>0,气体从外界吸收热量,故A正确,B错误;皮球未漏气,球内气体分子总数不变,体积变大,气体分子的数密度减小,故C错误;温度升高,气体分子平均动能增大,但并非每个分子的速率都增大,故D错误。 2.选B　小瓶内的空气可视为理想气体,在小瓶缓慢上浮的过程中,瓶内空气的温度随水温升高,内能增加,故A错误;同时,瓶内空气的压强减小,由理想气体的状态方程=C,可知体积增大,气体对外界做正功,故B正确;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,由于ΔU>0,W<0,则Q>0,可见气体吸收的热量大于增加的内能,故C、D错误。 新知学习(二) [任务驱动] 提示:该装置属于第一类永动机,这一设计不可能成功,因为不消耗任何能量却能永远转动的机械,违反了能量守恒定律。 [典例]　选CD　自然界的一切过程都遵守能量守恒定律,A错误;功是能量转化的量度,做同样的功,消耗同样电能,B错误,D正确;由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率高,C正确。 [针对训练] 1.选A　“第一类永动机”是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,即热力学第一定律,故A正确,B、C、D错误。 2.选A　马儿跑的时候需要消耗能量,而草能够为马儿提供能量,因此“既要马儿跑得快,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律,故A正确;工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,损失的电能转化为内能,该过程能量仍守恒,故B错误;滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,减小的动能转化为内能,能量守恒,故C错误;同时做自由落体运动的物体,运动的快慢与质量无关,减少的势能转化为动能,机械能不变,故D错误。 浸润学科素养和核心价值 一、 1.提示:图(a)设计,利用了杠杆的原理,认为左侧球的力臂长,力矩大,右侧球的力臂短,力矩小,故轮能逆时针转动,实际上,左侧球不如右侧球数量多,左、右力矩平衡,轮子不可能永远转动。 图(b)设计,利用棉线吸水到高处,水流下时推动轮子上的叶片转动,实际上棉线吸水是由于水的表面张力,当棉线吸水后,表面张力等于水的重力和摩擦阻力时,吸水停止,上边的水流完后,轮子也就不再转动了。 图(c)设计,右边的物体浸在水中,受浮力作用,推动右侧重物上升,左侧重物下降,带动轮子不停地转动。实际上,上面的重物漏出水面,下面的重物进入右侧容器时,就算不考虑漏水的技术问题,也应考虑下面进入的重物要承受上面水的压力,这个压力很大,可抵消上面几个重物所受的浮力,因此,这个永动机也就无法永动了。 2.解析:气体发生等压变化,由= 得:VB=VA=8.0×10-3 m3, 因VB>VA,气体对外界做功, W=-p(VB-VA)=-1.0×105×(8.0×10-3-6.0×10-3)J=-2.0×102 J, 根据热力学第一定律ΔU=W+Q, 可得:ΔU=-2.0×102 J+7.0×102 J=5.0×102 J。 答案:气体内能增加了5.0×102 J 二、 1.选D　上浮过程气泡内气体的温度不变,内能不变,故A错误;气泡内气体压强p=p0+ρ水gh,故上浮过程气泡内气体的压强减小,故B错误;由玻意耳定律pV=C知,气体的体积变大,故C错误;上浮过程气体体积变大,气体对外做功,由热力学第一定律ΔU=Q+W知,气体从水中吸热,故D正确。 2.选C　甲车靠小型发电机踩动单车时线圈在磁场中转动产生电能,故是将机械能转化为电能;乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能,故是将光能转化为电能。故A、B、D错误,C正确。 3.选BD　在喷水过程中,瓶内气体体积增大,气体对外界做功,W<0,故A错误;在喷水过程中,瓶内气体与外界绝热,Q=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,瓶内气体内能减小,温度降低,故B正确;喷水阶段气体内能减小,而物体运动,机械能增加,所以内能转化为机械能,故C错误;瓶内气体压强减小,即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小,故D正确。 $