第3章 第1、2节 热力学第一定律　能量的转化与守恒（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版 福建专用）

本讲义聚焦高中物理热力学定律核心内容，系统梳理热力学第一定律（改变内能的做功与热传递方式、ΔU=Q+W公式及符号规定、绝热等特殊情况），延伸至第一类永动机（定义、违背能量守恒的本质），最终升华到能量守恒定律（迈尔等科学家贡献、内容及普适意义），构建从具体规律到普遍定律的学习支架。 该资料以“多维度理解+微点拨+典例解析+思维建模+全方位练明”为特色，通过实际气体内能变化典例培养科学推理能力，结合永动机辨析引导质疑创新，融入能量守恒发现史渗透科学态度。课中辅助教师系统授课，课后学生可借助练习题与思维建模回顾知识，有效查漏补缺。

第3章　热力学定律 第1、2节　热力学第一定律　能量的转化与守恒 (强基课——逐点理清物理观念) 课标要求 学习目标 1.知道热力学第一定律。 2.通过有关史实，了解热力学第一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。 3.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。 1.了解热力学第一定律的内涵，能理解能量守恒定律，具有与能量守恒定律相关的比较清晰的能量观念。 2.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。 3.理解能量与能量守恒观念对世界统一性的意义。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。 逐点清(一)　热力学第一定律 　　　　　　　　　　　　　　　　 [多维度理解] 1.改变物体内能的两种方式：做功和热传递。 2.功、热量和内能改变的关系 (1)如果物体与外界无热传递，外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少。 (2)如果物体既不对外界做功，外界也不对物体做功，则物体从外界吸收热量时，它的内能增加；物体向外放出热量时，它的内能减少。 3.热力学第一定律 (1)内容：物体内能的改变量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=Q+W。 4.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 [微点拨] 1.三种特殊情况 (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)若过程中物体不做功，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)。 2.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]　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? [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，变化量为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 [思维建模] 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。 [全方位练明] 1.(双选)对于热量、功、内能这三个量，下列说法正确的是 (　　) A.热量、功、内能三个量的物理意义是等同的 B.热量和功二者可作为物体内能的量度 C.热量、功和内能的国际单位都相同 D.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的 解析：选CD　热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功、内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量，而不是内能大小的量度。故A、B错误，C、D正确。 2.(2024·重庆高考)某救生手环主要由高压气囊密闭，气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中，若气囊内气体温度不变，体积增大，则 (　　) A.外界对气囊内气体做正功 B.气囊内气体压强增大 C.气囊内气体内能增大 D.气囊内气体从外界吸热 解析：选D　气囊上浮过程，密闭气体温度不变，由玻意耳定律pV=C可知，体积变大，则压强变小，气体对外做功，故A、B错误；气体温度不变，内能不变，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU=Q+W可知Q>0，气体从外界吸热，故C错误，D正确。 逐点清(二)　第一类永动机 　　　　　　　　　　　　　　　　 [多维度理解] 1.第一类永动机：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.第一类永动机失败的原因分析：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律。 [全方位练明] 1.(双选)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，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回上端，到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是 (　　) A.一定不可能实现 B.如果忽略斜面的摩擦，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.违背了能量守恒定律 解析：选AD　维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了热力学第一定律。小球上升过程中，磁力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁力，而且磁力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，即使忽略摩擦，要想在Q处对外做功，也是没有能量来源的，所以维尔金斯“永动机”不可能实现，故选A、D。 2.(2025·福州高二月考)玩具饮水鸟如图所示。在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，鸟“喝”了一口后，又直立起来。之后，无需人的干预，小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水，然后又会直立起来。就这样周而复始，小鸟不停地点头“喝”水，成为一台神奇的“永动机”。根据所学物理知识，试分析： 饮水鸟上下运动的能量来源是　　　　。当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后，小鸟还能上下运动吗?　　　　(选填“能”或“不能”)。  解析：饮水鸟的结构如图所示，其大致原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发吸热使得头部气压小于肚子的气压，从而使肚子中的部分液体被压入头部，使鸟的重心上移，鸟的身体变得不稳开始倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟的身体再回到开始时的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，在鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复刚才的过程。综上所述，饮水鸟上下运动的能量来源是周围空气的内能，当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后，由于不能造成头部和肚子的压强差，小鸟显然不能再上下运动了。 答案：周围空气的内能　不能 逐点清(三)　能量守恒定律的发现及其应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 [多维度理解] 1.对能量守恒定律的发现做出贡献的科学家有迈尔、焦耳和亥姆霍兹。 2.能量守恒定律：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。 3.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。 4.应用 (1)各种形式的能可以相互转化。在能量转化过程中总伴有内能的产生。 (2)各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起。 (3)热力学第一定律就是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 [微点拨] (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。 [全方位练明] 1.判断下列说法是否正确。 (1)“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律。 (√) (2)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。 (×) (3)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。 (×) (4)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。 (×) 2.在一个与外界没有热交换的房间里打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将如何变化 (　　) A.降低 B.升高 C.不变 D.无法确定 解析：选B　冰箱消耗电能使冰箱内外发生热交换而达到内部制冷，把冰箱与房间看成一个系统，打开冰箱门后，冰箱与房间内的热交换发生在系统内，系统消耗的电能增加了系统的总能量，根据能量守恒定律，系统增加的能量转化为内能使房间的温度升高，故选B。 3.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，车锁内集成了定位模块与联网模块等，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 解析：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，故甲车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，故乙车是将光能转化为电能，故A、B、D错误，C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $