第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律 讲义-2025-2026学年高二下学期物理沪科版选择性必修第三册

该高中物理讲义以热力学第一定律和能量守恒定律为核心，通过情景导学引入，用表格系统梳理ΔU、W、Q的符号规定及特殊情况，结合思考问题构建知识脉络，突出定律内涵与应用逻辑。 讲义亮点在于专题讲练设计，涵盖选择、计算等题型，如“气泡上升过程能量变化”“汽车刹车能量转化”等实例，培养科学推理与模型建构素养。提供解题步骤指导，助力不同层次学生掌握方法，支持教师精准教学与学生自主复习。

普高物理2021新教材选修3第12章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律（讲义）--学生版 （定稿） 普高物理2021新教材选修3第12章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律（讲义） 知识点1、热力学第一定律 情景导学： 汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。这是为什么呢？ 1、改变内能的两种方式： 与 。两者对改变系统的内能是 。 2、热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的 与外界对它 的和。 3、热力学第一定律的表达式：ΔU＝ 。 4、热力学第一定律的应用： 4.1、ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取 值，当系统内能减小时，ΔU取 值。(均选填“正”或“负”) 4.2、W的正负：外界对系统做功时，W取 值；系统对外界做功时，W取 值。(均选填“正”或“负”) 4.3、Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取 值；系统向外界传递热量时，Q取 值。(均选填“正”或“负”) 5、对热力学第一定律的理解 5.1、热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的过程是等价的，而且给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。 5.2、定律的表达式ΔU＝Q＋W是标量式。 5.3、应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。 6、公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 7、判断是否做功的方法 一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。 7.1、若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0。 7.2、若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。 8、几种特殊情况 8.1、若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 8.2、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。 8.3、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。 9、应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负； (2)根据ΔU＝W＋Q列方程求出未知量； (3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。 思考：如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定质量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气)，也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些？为什么？ 专题讲练1 1.1、热力学第一定律的理解 1、(多选)下列过程可能发生的是(　 　) A.物体吸收热量，对外做功，同时内能增加 B.物体吸收热量，对外做功，同时内能减少 C.外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少 D.外界对物体做功，同时物体放热，内能增加 2、下列说法正确的是(　 　) A．物体放出热量，其内能一定减少 B．物体对外做功，其内能一定减少 C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加 D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 3、做功和传热都可以改变物体的内能，以下说法正确的是(　 　) A.物体放出热量，内能一定减少 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，内能一定减少 D.物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少 4、(多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是( 　　) A.在大气中绝热膨胀时，气体内能减少 B.在真空中绝热膨胀时，气体内能不变 C.气体吸收热量，气体的内能一定增加 D.外界对气体做功，气体内能一定增加 5、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 6、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为(　 　) A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J 7、如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸内的空气，对空气做了90 J的功，同时空气向外散热21 J，关于汽缸内空气的内能变化情况，下列说法正确的是(　 　) A．内能增加90 J B．内能增加69 J C．内能减小111 J D．内能减少21 J 8、一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有(　 　) A．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2 C．W1＝W2 D．Q1>Q2 9、(多选)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增加 C．外界对瓶内气体做正功 D．传热使瓶内气体的内能增加 10、列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减震，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界环境温度保持不变，汽缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中，当上下乘客时，气体的内能________(选填“增加”“减少”或“不变”)，气体从(向)外界________(选填“吸热”或“放热”)；剧烈颠簸时，________________(选填“外界对气体”或“气体对外界”)做功，气体的温度________(选填“升高”“降低”或“不变”)。 1.2、热力学第一定律的应用 1、(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是(　 　) A.气体自发扩散前后内能相同 B.气体在被压缩的过程中内能增大 C.在自发扩散过程中，气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功 2、一个带活塞的气缸内盛有一定量的气体，若此气体的温度随其内能的增大而升高，则（　 　） A．将热量传给气体，其温度必升高 B．压缩气体，其温度必升高 C．压缩气体，同时气体向外界放热，其温度必不变 D．压缩气体，同时将热量传给气体，其温度必升高 3、某同学将一气球打好气后，不小心碰到一个尖利物体而迅速破裂，则在气球破裂过程中（ 　） A．气体对外界做功，温度降低 B．外界对气体做功，内能增大 C．气体内能不变，体积增大 D．气体压强减小，温度升高 4、当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现车胎气嘴处的温度明显降低，则在这个过程中（　 　） A．气体对外做功，同时向外散发热量 B．气体对外做功，车胎内气体温度降低，从外界吸热 C．外界对车胎内气体做功，车胎内气体向外传递热量 D．外界对车胎内气体做功，同时向车胎内气体传递热量 5、如图，内壁光滑的汽缸竖直放置在水平桌面上，汽缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280 J，并对外做功120 J。 (1)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？ (2)某人在上一问的基础上又接着提了后一个问题，说：“有人使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A时的体积和温度，气体放出的热量是150 J，那么返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。 6、如图所示是封闭的汽缸，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 7、一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能)，则下列说法正确的是(　 　) A．气泡对外做功，内能不变，同时放热 B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热 C．气泡内能减少，同时放热 D．气泡内能不变，不吸热也不放热 8、如图所示，导热良好的圆筒形汽缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与汽缸之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体(　 　) A．对外做功，其内能减少 B．温度不变，与外界无热量交换 C．分子碰撞缸壁时的平均作用力减小 D．分子在单位时间内对单位面积活塞的碰撞次数减少 9、如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，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，下列说法正确的是(　 　) A．大气压力对水做功，水的内能减小 B．水克服大气压力做功，水的内能减小 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 10、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空气分成两部分。两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，拔掉销钉活塞能上、下自由移动。现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定。下列说法正确的是(　 　) A．活塞上升 B．P部分气体温度不变 C．两部分气体内能之和不变 D．两部分气体内能之和增大 11、如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程(　 　) A.Ep全部转化为气体的内能 B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能 D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 12、如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时所吸收的热量分别为QA、QB，则(　 　) A.QA＝QB B.QA<QB C.QA>QB D.无法确定 13、空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？ 14、汽缸内封闭了一定质量、压强p＝1.0×105 Pa、体积V＝2.0 m3的理想气体，现使气体保持压强不变，体积缓慢压缩至V′＝1.0 m3，此过程气体向外界释放了Q＝1.2×105 J的热量，则： (1)压缩过程外界对气体做了多少功？ (2)气体内能变化了多少？ 15、若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，对外界做了0.6 J的功，(设上下湖水的温度相等且保持不变) (1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？ (2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？ 16、如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的汽缸内，活塞可沿汽缸无摩擦地滑动。活塞横截面积S＝1.0×10－3 m2，质量m＝2 kg，汽缸竖直放置时，活塞相对于底部的高度为h＝1.2 m，室温等于27 ℃；现将汽缸置于77 ℃的热水中，已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，取g＝10 m/s2，求： (1)平衡时活塞离汽缸底部的距离； (2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J，气体内能的变化量。 知识点2、能量守恒定律　永动机不可能制成 情景导学： 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，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？ 1、能量守恒定律 1.1、内容：能量既不会凭空 ，也不会凭空 ，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，能量的总量 。 1.2、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。 2、永动机不可能制成 2.1、第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地 的机器。 2.2、第一类永动机由于违背了 ，所以不可能制成。 3、热力学第一定律与能量守恒定律的比较 3.1、能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 3.2、热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 4、能量的存在形式及相互转化 4.1、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、核能等。 4.2、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。 5、能量守恒的两种表达 5.1、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。 5.2、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。 6、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知，系统内能将减小。若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 专题讲练2 1、有关能量的转化和守恒定律，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 2、 (多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(　 　) A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 3、有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是(D) A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能 C．化学能转化为光能 D．机械能转化为电能 4、(多选)下列说法正确的是(　BC　) A.随着科技的发展，永动机是可以制成的 B.在低速运动时，宏观物体的运动服从牛顿运动定律 C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的 D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生 5.(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 6、如图所示，容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A气体的密度小，B气体的密度大。抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合。设在此过程中气体吸热Q，气体内能的增加量为ΔE，则(　 　) A.ΔE＝Q B.ΔE<Q C.ΔE>Q D.ΔE＝0 7、(多选)细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为m的小球，如图所示。使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动。下列说法正确的是(　 ) A.小球机械能不守恒 B.小球能量正在消失 C.小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化 D.总能量守恒，但小球的机械能减少 8、下列说法正确的是(　 　) A．条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生了感应电流，说明电能是可以被创造的 B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量是可以凭空产生的 9、(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能源源不断对外做功的机器 B．随着科技的发展，第一类永动机可以制成 C．第一类永动机不可能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律 10、(多选)行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象所包含的相同物理过程是(　 ) 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 11、(多选)如图所示，长木板A放在光滑的水平地面上，物体B以水平速度v0冲上A后，由于摩擦力作用，最后停止在木板A上，则从B冲到木板A上到相对木板A静止的过程中，下述说法中正确的是(　CD　) A.物体B动能的减少量等于系统损失的机械能 B.物体B克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量 C.物体B损失的机械能等于木板A获得的动能与系统损失的机械能之和 D系统克服摩擦力做的总功等于系统内能的增加量 12、构建和谐型、节约型社会深得民心，节能器材遍布于生活的方方面面，自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接。当骑车者用力蹬车或电动车自动滑行时，电动车就可以连通发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。现有某人骑车以5kJ的初动能在粗糙的水平路面上滑行，第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化关系如图所示直线a所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化关系如图曲线b所示，则第二次向蓄电池所充的电能可接近（　 　） A．5 kJ B．4 kJ C．3 kJ D．2 kJ 13、某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积为S＝3.2 dm2的保温圆筒，筒内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半径为R＝6 400 km，试估算出太阳向地球表面辐射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt) 14、北京时间2019年4月10日21时，在全球七大城市同时发布由“事件视界望远镜”观测到位于室女A星系（M87）中央的超大质量黑洞照片，如图（甲）所示。宇宙中的天体在不断向外辐射电磁波，人们利用射电望远镜收集来自天体的电磁波进行观测，如图（乙）所示。天体甲距地球1万光年，M87的黑洞距离地球5500万光年，假设天体甲和M87的黑洞辐射功率相同，忽略电磁波在传播过程中的损耗，用一架射电望远镜接收到甲发出的电磁波功率为P1，则该望远镜接收到的来自M87的黑洞发出的电磁波功率为（　 　） A．P1 B．P1 C．5500P1 D．55002P1 15、如图所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门如图甲），当落潮时，开闸放水发电（如图乙）。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为（ρ水取1.0×103kg/m3，g取10m/s2）（　 ） A．2.6×104kW B．5.2×104kW C．2.6×105kW D．5.2×105kW 16、电动车以电力为能源，一般使用铅酸电池或锂离子电池进行供电；太阳能电动车在此基础上，将太阳能转化成电能对车供电，很大程度上降低了电动车的使用成本，而且非常环保。太阳能电动车能量管理系统软件程序不仅要能够监测和记录传感器的输入，而且还应包括有电源组在内的电动汽车功能模块，这个模块系统以电动源组、控制系统和负载为主要对象，通过优化计算，可以使电动车在任何速度和负载下都达到最佳的运行效率。现假设太阳能电动车的电能可以全部输出且输出功率恒定，已知太阳光垂直照射到地面上时，单位面积的辐射功率为P0，太阳能电池的光电转换效率为n，电池板面积为S，太阳能电动车质量为m，在水平公路上行驶时所受的阻力恒定，经过时间t，太阳能电动车达到了最大行驶速度vm．在时间t内太阳能电动车行驶的距离为（ ） A． B． C． D． 17、某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m＝2×103kg，驱动电机的输入的最大电流I＝400A，电压U＝300V．在此行驶状态下，g＝10m/s2．求： （1）若该汽车所受阻力与车重的最大比值为0.15，驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率为P机，求该汽车可以达到的最大速度。 （2）设想改用纯太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需太阳能电池板的最小面积。（已知太阳辐射的总功率P0＝4×1026W，太阳到地球的距离r＝1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%，球体的表面积公式S＝4πR2。） （3）太阳能是清洁能源，为什么在马路上很少看到纯太阳能汽车？我们可以从哪些方面对纯太阳能汽车进行改进，达到既充分利用太阳能又切实可行的目标？ 18、太阳光垂直射到地面上时，地面S＝1m2的面积上接收的太阳光的功率P＝1.4kW其中可见光部分约占45%，普朗克常量h＝6.6×10﹣34J•s．（结果保留2位有效数字） (1)假如认为可见光的波长约为λ＝0.55μm，日地间的距离R＝1.5×1011m，估算太阳每秒辐射出的可见光子数为多少； (2)若已知地球的半径R0＝6.4×106m，估算地球接收的太阳光的总功率。 1 物理学习的核心在于思维 最基本的知识、方法才是最重要的； 30%兴趣+30%信心+30%方法+10%勤奋+l%天赋>100%成功初三物理暑假课程 学科网（北京）股份有限公司 $普高物理2021新教材选修3第12章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律（讲义）--教师版 （定稿） 普高物理2021新教材选修3第12章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律（讲义） 知识点1、热力学第一定律 情景导学： 汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。这是为什么呢？ 答案　给汽缸加热，即向汽缸内传热，汽缸内气体的内能会增加，压缩气体，外界对气体做功，也会使汽缸内气体的内能增加，所以两种方式同时作用时，气体内能的变化比单一方式更明显。 1、改变内能的两种方式：做功与传热。两者对改变系统的内能是等价的。 2、热力学第一定律：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。 3、热力学第一定律的表达式：ΔU＝ Q＋W 。 4、热力学第一定律的应用： 4.1、ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值，当系统内能减小时，ΔU取负值。(均选填“正”或“负”) 4.2、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。(均选填“正”或“负”) 4.3、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。(均选填“正”或“负”) 5、对热力学第一定律的理解 5.1、热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的过程是等价的，而且给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。 5.2、定律的表达式ΔU＝Q＋W是标量式。 5.3、应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。 6、公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 7、判断是否做功的方法 一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。 7.1、若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0。 7.2、若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。 8、几种特殊情况 8.1、若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 8.2、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。 8.3、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。 9、应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负； (2)根据ΔU＝W＋Q列方程求出未知量； (3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。 思考：如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定质量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气)，也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些？为什么？ 答案　活塞与汽缸都固定不动时，气体的体积不变，没有做功过程发生，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能即为ΔU＝Q1，如果活塞可以自由滑动，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向外运动，对外做功，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Q1，根据热力学第一定律ΔU＝Q1＝W＋Q2，由于W<0，所以Q2>Q1。 专题讲练1 1.1、热力学第一定律的理解 1、(多选)下列过程可能发生的是(　ABD　) A.物体吸收热量，对外做功，同时内能增加 B.物体吸收热量，对外做功，同时内能减少 C.外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少 D.外界对物体做功，同时物体放热，内能增加 解析　当物体吸收的热量多于物体对外做的功时，物体的内能就增加，A正确；当物体吸收的热量少于物体对外做的功时，物体的内能就减少，B正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能一定增加，C错误；当物体放出的热量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D正确。 2、下列说法正确的是(　C　) A．物体放出热量，其内能一定减少 B．物体对外做功，其内能一定减少 C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加 D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 3、做功和传热都可以改变物体的内能，以下说法正确的是(　D　) A.物体放出热量，内能一定减少 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，内能一定减少 D.物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少 解析　物体放出热量，若外界同时对物体做更多的功，则内能增加，故A错误；物体对外做功，若同时从外界吸收更多的热量，则内能增加，故B错误；物体吸收热量；同时对外做功，若二者相等，则内能不变，故C错误；物体放出热量，同时对外做功，则内能一定减少，故D正确。 4、(多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是(AB　　) A.在大气中绝热膨胀时，气体内能减少 B.在真空中绝热膨胀时，气体内能不变 C.气体吸收热量，气体的内能一定增加 D.外界对气体做功，气体内能一定增加 解析　当气体绝热时，有Q＝0，而膨胀时，有W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU<0，即气体的内能减小，故A正确；气体在真空中膨胀时因没有对外做功的对象，有W＝0，而绝热过程Q＝0，由ΔU＝Q＋W，可知ΔU＝0，则气体的内能不变，故B正确；气体吸收热量时Q>0，但不清楚做功情况，则无法判断内能的变化情况，故C错误；外界对气体做功W>0，而不知道热传递的情况，则不清楚内能的变化情况，故D错误。 5、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，则下列各式正确的是(　B　) 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 解析　 因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确。 6、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为(　B　) A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J 解析　由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝Q＋W＝(2 000－800)J＝1 200 J，故B正确。 7、如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸内的空气，对空气做了90 J的功，同时空气向外散热21 J，关于汽缸内空气的内能变化情况，下列说法正确的是(　B　) A．内能增加90 J B．内能增加69 J C．内能减小111 J D．内能减少21 J 解析　根据题意，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得，汽缸内空气的内能变化为ΔU＝－21 J＋90 J＝69 J，即汽缸内空气的内能增加了69 J。故选B。 8、一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有(　A　) A．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2 C．W1＝W2 D．Q1>Q2 解析　一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，说明整个变化过程内能的变化为零，根据热力学第一定律可得：ΔU＝W1－W2＋Q1－Q2＝0， 可得Q1－Q2＝W2－W1，因为没有具体的变化过程，所以无法判断W1与W2的大小关系，也无法判断Q1与Q2的大小关系，A正确，B、C、D错误。 9、(多选)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(　BD　) A．瓶内气体的密度增大 B．瓶内气体分子的平均动能增加 C．外界对瓶内气体做正功 D．传热使瓶内气体的内能增加 解析　由题图可知，当温度升高时，烧瓶内气体的变化为等压膨胀，故瓶内气体的密度减小，气体分子的平均动能增加，瓶内气体对外做功，选项B正确，A、C错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量，选项D正确。 10、列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减震，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界环境温度保持不变，汽缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中，当上下乘客时，气体的内能________(选填“增加”“减少”或“不变”)，气体从(向)外界________(选填“吸热”或“放热”)；剧烈颠簸时，________________(选填“外界对气体”或“气体对外界”)做功，气体的温度________(选填“升高”“降低”或“不变”)。 答案　不变　放热　外界对气体　升高 解析上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，则气体温度不变，内能不变，即ΔU＝0； 在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即W>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q<0，所以气体对外放出热量； 剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换，即Q＝0，在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即W>0； 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU>0，即气体的内能增加，温度升高。 1.2、热力学第一定律的应用 1、(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是(　ABD　) A.气体自发扩散前后内能相同 B.气体在被压缩的过程中内能增大 C.在自发扩散过程中，气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功 解析　因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，选项B、D正确。 2、一个带活塞的气缸内盛有一定量的气体，若此气体的温度随其内能的增大而升高，则（　D　） A．将热量传给气体，其温度必升高 B．压缩气体，其温度必升高 C．压缩气体，同时气体向外界放热，其温度必不变 D．压缩气体，同时将热量传给气体，其温度必升高 3、某同学将一气球打好气后，不小心碰到一个尖利物体而迅速破裂，则在气球破裂过程中（　A　） A．气体对外界做功，温度降低 B．外界对气体做功，内能增大 C．气体内能不变，体积增大 D．气体压强减小，温度升高 4、当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现车胎气嘴处的温度明显降低，则在这个过程中（　B　） A．气体对外做功，同时向外散发热量 B．气体对外做功，车胎内气体温度降低，从外界吸热 C．外界对车胎内气体做功，车胎内气体向外传递热量 D．外界对车胎内气体做功，同时向车胎内气体传递热量 5、如图，内壁光滑的汽缸竖直放置在水平桌面上，汽缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280 J，并对外做功120 J。 (1)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？ (2)某人在上一问的基础上又接着提了后一个问题，说：“有人使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A时的体积和温度，气体放出的热量是150 J，那么返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。 答案　(1)160 J，增加　(2)见解析 解析　(1)根据热力学第一定律可知 ，汽缸内封闭气体的内能变化量为 ΔU＝Q＋W＝[280＋(－120)] J＝160 J 即内能增加了160 J。 (2)若气体从B状态又返回A状态，则气体的内能变化量为ΔU′＝ΔU＝－160 J 根据热力学第一定律可知，气体由B状态返回A状态的过程中有ΔU′＝Q′＋W′ 则W′＝ΔU′－Q′＝(－160＋150) J＝－10 J，即气体从B状态返回A状态过程中，对外做功为10 J。 但从B状态到A状态，气体体积减少，应为外界对气体做功，显然结果与实际情况不符，故该问题题设有误，该过程不可能发生。 6、如图所示是封闭的汽缸，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800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的(　A　) 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 解析　由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度升高，A选项正确。 7、一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能)，则下列说法正确的是(　B　) A．气泡对外做功，内能不变，同时放热 B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热 C．气泡内能减少，同时放热 D．气泡内能不变，不吸热也不放热 解析　在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，W<0，由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，ΔU＝0，由ΔU＝W＋Q知，Q>0，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功，故B正确。 8、如图所示，导热良好的圆筒形汽缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与汽缸之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体(　D　) A．对外做功，其内能减少 B．温度不变，与外界无热量交换 C．分子碰撞缸壁时的平均作用力减小 D．分子在单位时间内对单位面积活塞的碰撞次数减少 解析　缓慢取走铁砂的过程中，活塞对封闭气体的压强减小，因温度不变，由pV＝C知V变大，活塞会缓慢上升，气体膨胀对外做功，W＜0，汽缸导热良好，缸内气体温度保持不变，即ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知Q＞0，即气体要从外界吸收热量 ，故A、B错误；由上面的分析可知缸内气体温度不变，即气体分子的平均动能不变，所以分子与缸壁碰撞时的平均作用力不变，故C错误；因为缸内气体体积增大，所以缸内气体分子数密度减小，分子的平均动能不变，则在单位时间内气体分子对单位面积活塞的碰撞次数减少，故D正确。 9、如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，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，下列说法正确的是(　D　) A．大气压力对水做功，水的内能减小 B．水克服大气压力做功，水的内能减小 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 解析　平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积为S1，移动距离为l1，大气压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA＝p0S1l1，平衡前，B容器中的活塞向上移动，设B中活塞横截面积为S2，移动距离为l2，水通过活塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和，即WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，选项A、B错误。大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，没有热交换，但是水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，水的重力势能减小，根据能量守恒定律，减少的水的势能转化为水的内能，水的内能增加，选项C错误，D正确。 10、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空气分成两部分。两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，拔掉销钉活塞能上、下自由移动。现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定。下列说法正确的是(　D　) A．活塞上升 B．P部分气体温度不变 C．两部分气体内能之和不变 D．两部分气体内能之和增大 解析　根据热学知识可知P部分气体压强较大，又活塞受到竖直向下的重力，所以拔掉销钉后，活塞下降，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，由于汽缸和活塞都是绝热的，可知Q为零，两部分气体既不吸热也不放热。P部分气体对Q部分气体做功，因此P部分气体内能减小，温度降低，Q部分气体内能增加，温度升高；活塞下移，活塞的重力势能减小，根据能量守恒定律可知活塞重力势能的减少量等于P、Q两部分气体内能之和的增加量，两部分气体的内能之和增大，故D正确，A、B、C错误。 11、如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程(　D　) A.Ep全部转化为气体的内能 B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能 D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 解析　以活塞为研究对象，设气体压强为p1，活塞质量为m，横截面积为S，末态时压强为p2，初态F弹＞mg十p1S，由题意可得末态位置必须高于初位置，否则不能平衡，则由ΔU＝W(绝热)。W为正，ΔU必为正，温度升高，内能增加，活塞重力势能增加，末态时，由力的平衡条件知F弹′＝mg十p2S，仍然具有一部分弹性势能，故D正确，A、B、C错误。 12、如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时所吸收的热量分别为QA、QB，则(　C　) A.QA＝QB B.QA<QB C.QA>QB D.无法确定 解析　根据Q＝cmΔt可知，A、B升高相同的温度需要的能量是相同的。由于受热膨胀，A的重心升高，重力势能增加，吸收的热量QA一部分用于升温，剩余部分用于增加重力势能，即QA＝Q＋ΔEpA；B受热膨胀重心降低，重力势能减少，吸收的热量QB和减少的重力势能共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEpB，显然QA>QB。C正确。 13、空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？ 答案　5×104 J 解析　选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W 由题意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J，代入上式得：Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J 负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104 J。 14、汽缸内封闭了一定质量、压强p＝1.0×105 Pa、体积V＝2.0 m3的理想气体，现使气体保持压强不变，体积缓慢压缩至V′＝1.0 m3，此过程气体向外界释放了Q＝1.2×105 J的热量，则： (1)压缩过程外界对气体做了多少功？ (2)气体内能变化了多少？ 答案　(1)1.0×105 J　(2)减少了2×104 J 解析　(1)外界对气体做的功 W＝p·ΔV＝p(V－V′)，解得W＝1.0×105 J。 (2)由热力学第一定律得，汽缸内气体内能的变化量，ΔU＝Q＋W＝－1.2×105 J＋1.0×105 J＝－2×104 J 即气体内能减少了2×104 J。 15、若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，对外界做了0.6 J的功，(设上下湖水的温度相等且保持不变) (1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？ (2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？ 答案　(1)0.6 J　(2)0.2 J 解析　(1)气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得 Q＝ΔU－W＝0－(－0.6 J)＝0.6 J。 (2)由热力学第一定律得 ΔU′＝Q′＋W′＝0.3 J＋(－0.1 J)＝0.2 J，内能增加了0.2 J。 16、如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的汽缸内，活塞可沿汽缸无摩擦地滑动。活塞横截面积S＝1.0×10－3 m2，质量m＝2 kg，汽缸竖直放置时，活塞相对于底部的高度为h＝1.2 m，室温等于27 ℃；现将汽缸置于77 ℃的热水中，已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，取g＝10 m/s2，求： (1)平衡时活塞离汽缸底部的距离； (2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J，气体内能的变化量。 答案　(1)1.4 m　(2)增加4.8 J 解析　(1)设平衡时活塞距汽缸底部的距离为h2，取封闭气体为研究对象，气体发生等压变化，由盖—吕萨克定律得＝ 解得h2＝1.4 m (2)在此过程中气体对外做功 W＝p0S(h2－h)＋mg(h2－h) 由热力学第一定律得ΔU＝Q－W 解得ΔU＝4.8 J，气体内能增加4.8 J。 知识点2、能量守恒定律　永动机不可能制成 情景导学： 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，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？ 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，供手表指针做机械运动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。 1、能量守恒定律 1.1、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。 1.2、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。 2、永动机不可能制成 2.1、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。 2.2、第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。 3、热力学第一定律与能量守恒定律的比较 3.1、能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 3.2、热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 4、能量的存在形式及相互转化 4.1、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、核能等。 4.2、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。 5、能量守恒的两种表达 5.1、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。 5.2、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。 6、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知，系统内能将减小。若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 专题讲练2 1、有关能量的转化和守恒定律，下列说法正确的是(　D　) A.只适用于机械能与内能的相互转化 B.只适用能量转化过程 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 能量的转化和守恒定律是自然界普遍遵循的一个规律，适用于一切能量和一切物理过程，故D正确，AB、C错误。 2、 (多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(　ABC　) A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 解析　不同形式的能量间的转化过程中能量是守恒的，A正确；能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，B正确；任何永动机都不可能制成，它违背了能量守恒定律，C正确；石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用和与地面碰撞，机械能减少，转化成了其他形式的能量，D错误。 3、有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是(D) A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能 C．化学能转化为光能 D．机械能转化为电能 解析　根据题意用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，即压电陶瓷片完成的能量转化是机械能转化为电能，故选D。 4、(多选)下列说法正确的是(　BC　) A.随着科技的发展，永动机是可以制成的 B.在低速运动时，宏观物体的运动服从牛顿运动定律 C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的 D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生 解析　永动机违反能量守恒定律，即使随着科技的发展，永动机也是不可以制成的，A错误；牛顿运动定律适用于宏观低速的物体运动，B正确；“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不能凭空产生的，D错误。 5.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　AD　) 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 解析　第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、D正确。 6、如图所示，容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A气体的密度小，B气体的密度大。抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合。设在此过程中气体吸热Q，气体内能的增加量为ΔE，则(　B　) A.ΔE＝Q B.ΔE<Q C.ΔE>Q D.ΔE＝0 解析　抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布，其重心升高，重力势能增加。由能量守恒定律知，增加的重力势能由内能转化而来，所以内能的增加量小于吸收的热量，故选项B正确。 7、(多选)细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为m的小球，如图所示。使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动。下列说法正确的是(　 AD ) A.小球机械能不守恒 B.小球能量正在消失 C.小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化 D.总能量守恒，但小球的机械能减少 解析　小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动，说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能，即机械能不守恒，故A正确；小球的机械能转化为内能，能量的种类变了，但能量不会消失，故B错误；小球摆动过程中，重力势能和动能相互转化的同时，机械能不断地转化为内能，故摆动的幅度越来越小，但总能量守恒，故C错误，D正确。 8、下列说法正确的是(　C　) A．条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生了感应电流，说明电能是可以被创造的 B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量是可以凭空产生的 解析　磁铁穿过线圈过程中是机械能转化成了电能，故A错误；太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，故B错误；马儿奔跑时同样需要消耗能量，故“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，故C正确；不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的，它不违背能量守恒定律，故D错误。 9、(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　AD　) A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器 B．随着科技的发展，第一类永动机可以制成 C．第一类永动机不可能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律 解析　第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不可能制成的原因，故A、D正确，B、C错误。 10、(多选)行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象所包含的相同物理过程是(　AD) 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 解析　这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁体下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确。四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁体是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D正确。 11、(多选)如图所示，长木板A放在光滑的水平地面上，物体B以水平速度v0冲上A后，由于摩擦力作用，最后停止在木板A上，则从B冲到木板A上到相对木板A静止的过程中，下述说法中正确的是(　CD　) A.物体B动能的减少量等于系统损失的机械能 B.物体B克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量 C.物体B损失的机械能等于木板A获得的动能与系统损失的机械能之和 D系统克服摩擦力做的总功等于系统内能的增加量 解：物体B以水平速度冲上木板A后，由于摩擦力作用，B减速运动，木板A加速运动，根据能量守恒定律，物体B动能的减少量等于木板A增加的动能和系统产生的热量之和，故A错误；根据动能定理，物体B克服摩擦力做的功等于物体B损失的动能，故B错误；由能量守恒定律可知，物体B损失的机械能等于木板A获得的动能与系统损失的机械能之和，故C正确；由能量守恒定律，整个系统克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量，故D正确。 12、构建和谐型、节约型社会深得民心，节能器材遍布于生活的方方面面，自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接。当骑车者用力蹬车或电动车自动滑行时，电动车就可以连通发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。现有某人骑车以5kJ的初动能在粗糙的水平路面上滑行，第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化关系如图所示直线a所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化关系如图曲线b所示，则第二次向蓄电池所充的电能可接近（　D　） A．5 kJ B．4 kJ C．3 kJ D．2 kJ 解：第一次关闭自充电装置，由图线①知道10m停止运动，动能变为0，则只有滑动摩擦力做负功f乘10m，根据功能关系，大小等于原来的初动能5000J；即：f×10＝5000…①； 解得：f＝500N； 第二次启动自充电装置，由图线②知道6m停止运动，动能变为0，则滑动摩擦力做负功f乘6m，根据功能关系，大小等于初动能减去向蓄电池所充的电能E，即：f×6＝5000﹣E…②； 解得：E＝5000﹣500×6＝2000J＝2kJ； 所以第二次向蓄电池所充的电能是2kJ；故D正确，ABC错误； 13、某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积为S＝3.2 dm2的保温圆筒，筒内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半径为R＝6 400 km，试估算出太阳向地球表面辐射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt) 答案　8.3×1016 W 解析　太阳辐射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2 J≈3.7×103 J，则太阳在3 min内向地球表面辐射的能量Q总＝·πR2＝×3.14×(6 400×103)2 J≈1.49×1019 J，则辐射功率P＝＝ W≈8.3×1016 W。 14、北京时间2019年4月10日21时，在全球七大城市同时发布由“事件视界望远镜”观测到位于室女A星系（M87）中央的超大质量黑洞照片，如图（甲）所示。宇宙中的天体在不断向外辐射电磁波，人们利用射电望远镜收集来自天体的电磁波进行观测，如图（乙）所示。天体甲距地球1万光年，M87的黑洞距离地球5500万光年，假设天体甲和M87的黑洞辐射功率相同，忽略电磁波在传播过程中的损耗，用一架射电望远镜接收到甲发出的电磁波功率为P1，则该望远镜接收到的来自M87的黑洞发出的电磁波功率为（　B　） A．P1 B．P1 C．5500P1 D．55002P1 解：（1）天体甲和M87的黑洞辐射功率P0相同，则以天体为球心，天体与地球间距为半径的球体的球面上，接收功率为：P 天体甲距地球为R1＝1万光年，黑洞距地球为R2＝5500万光年，则有： 解得：P2P1，故B正确，ACD错误。 15、如图所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门如图甲），当落潮时，开闸放水发电（如图乙）。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为（ρ水取1.0×103kg/m3，g取10m/s2）（　B　） A．2.6×104kW B．5.2×104kW C．2.6×105kW D．5.2×105kW 解：利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮，退潮后水坝内水的势能增加： W水＝G△h＝mg△h＝ρ水Vg△h＝ρ水Shg△h＝ρ水Sgh△h， 海水平均潮差为3.0m，则水的重心下降的高度△hm＝1.5m 则水的势能可转变为电能： W电＝W水×10%＝ρ水Sgh△h×10%＝1.0×103×5.0×108×10×3.0×1.5×0.1J＝2.25×1012J。 每天2次涨潮，则该电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为PW═5.2×104kW，B正确。 16、电动车以电力为能源，一般使用铅酸电池或锂离子电池进行供电；太阳能电动车在此基础上，将太阳能转化成电能对车供电，很大程度上降低了电动车的使用成本，而且非常环保。太阳能电动车能量管理系统软件程序不仅要能够监测和记录传感器的输入，而且还应包括有电源组在内的电动汽车功能模块，这个模块系统以电动源组、控制系统和负载为主要对象，通过优化计算，可以使电动车在任何速度和负载下都达到最佳的运行效率。现假设太阳能电动车的电能可以全部输出且输出功率恒定，已知太阳光垂直照射到地面上时，单位面积的辐射功率为P0，太阳能电池的光电转换效率为n，电池板面积为S，太阳能电动车质量为m，在水平公路上行驶时所受的阻力恒定，经过时间t，太阳能电动车达到了最大行驶速度vm．在时间t内太阳能电动车行驶的距离为（ D ） A． B． C． D． 解：电动车的最大功率为P＝nP0S，当牵引力和阻力相等时，有最大速度vm，vm，得f， 由动能定理得：nP0St，解得：x．故D正确，ABC错误。 17、某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m＝2×103kg，驱动电机的输入的最大电流I＝400A，电压U＝300V．在此行驶状态下，g＝10m/s2．求： （1）若该汽车所受阻力与车重的最大比值为0.15，驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率为P机，求该汽车可以达到的最大速度。 （2）设想改用纯太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需太阳能电池板的最小面积。（已知太阳辐射的总功率P0＝4×1026W，太阳到地球的距离r＝1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%，球体的表面积公式S＝4πR2。） （3）太阳能是清洁能源，为什么在马路上很少看到纯太阳能汽车？我们可以从哪些方面对纯太阳能汽车进行改进，达到既充分利用太阳能又切实可行的目标？ 解：（1）汽车机械功率为：P机＝90%UI＝90%×300×400W＝108000W 当汽车的牵引力大小等于阻力时，有最大速度。则： F牵＝f＝0.15G车＝3×103N P机＝F牵•v； 代入数据解得：v＝36m/s （2）当阳光垂直电池板入射时，所需电池板的面积最小，设为S，由题意得： S•15%＝P电 代入数据解得：S≈726.7m2 （3）由上问可知所需太阳能电池板的最小面积为726.7m2，太大了，不能够在马路上自由行驶，所以很少看到。我们可以通过提高太阳能电池的转化率、电机的驱动转化率和车的车重。可以从这些方面进行改进。 答：（1）汽车可以达到的最大速度36m/s； （2）所需太阳能电池板的最小面积约为726.7m2 （3）由上问可知所需太阳能电池板的最小面积为726.7m2，太大了，不能够在马路上自由行驶，所以很少看到。我们可以通过提高太阳能电池的转化率、电机的驱动转化率和车的车重。可以从这些方面进行改进。 18、太阳光垂直射到地面上时，地面S＝1m2的面积上接收的太阳光的功率P＝1.4kW其中可见光部分约占45%，普朗克常量h＝6.6×10﹣34J•s．（结果保留2位有效数字） (1)假如认为可见光的波长约为λ＝0.55μm，日地间的距离R＝1.5×1011m，估算太阳每秒辐射出的可见光子数为多少； (2)若已知地球的半径R0＝6.4×106m，估算地球接收的太阳光的总功率。 解：（1）P＝1.4kW＝1.4×103W, 设地面上lm2的面积上每秒接受的可见光子数为n，则有：Pt×45%＝nh• 代入数据解得：n＝1.75×1021个/m2。 设想一个以太阳为球心，以日地间距离R为半径的大球面包围着太阳，大球面接受的光子数即太阳辐射的全部光子数，则所求的可见光光子数为： N＝n×4πR2＝1.75×1021×4×3.14×（1.5×1011）2＝5.0×1044。 （2）地球背着阳光的半个球面没有接收到太阳光，地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直，接收太阳光辐射且与太阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆平面的面积，则地球接受太阳光的总功率为： P地＝P•πR02＝1.4×3.14×（6.4×106）2＝2×1014kW。 答：（1）太阳每秒辐射出的可见光光子数为5.0×1044个。 （2）地球接受太阳光的总功率为2×1014kW。 1 物理学习的核心在于思维 最基本的知识、方法才是最重要的； 30%兴趣+30%信心+30%方法+10%勤奋+l%天赋>100%成功初三物理暑假课程 学科网（北京）股份有限公司 $