第3章 第2节 热力学第一定律 第3节 能量守恒定律（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义聚焦热力学第一定律和能量守恒定律核心知识点，先梳理改变内能的做功与传热两种方式，明确热力学第一定律表达式ΔU=Q+W及符号法则，再延伸至能量守恒定律内容、意义及永动机不可制成的原因，构建递进式学习支架。 资料通过气象探测气球、饮水鸟等实例分析，培养科学推理与模型建构能力，结合判断题和例题强化科学态度，课中辅助教师讲解重难点，课后练习题帮助学生巩固知识，有效查漏补缺。

第2节　热力学第一定律　 第3节　能量守恒定律 　 1．掌握热力学第一定律及其表达式。　2.学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。 3．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规律。　4.理解永动机是不可能制成的。 一、热力学第一定律 1．改变内能的两种方式 做功与传热。两者在改变系统内能方面是等价的。 2．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。 二、热力学第一定律的应用 1．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．外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值。 3．系统内能增加，ΔU为正值；系统内能减少，ΔU为负值。 三、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．意义 (1)各种形式的能可以相互转化。 (2)互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。 四、永动机不可能制成 1．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．永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。 3．意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。 判断下列说法是否正确。 (1)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。(　　) (2)能量既可以转移又可以转化，故能量的总量是可以变化的。　(　　) (3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(　　) (4)ΔU＝W＋Q，该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。(　　) (5)永动机不能制成，因为它违背了能量转化和守恒定律。　(　　) 答案：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√ 知识点一　热力学第一定律 　 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的减小而逐渐减小，其温度因运行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。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，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＝W＋Q可知，Q＜0，即氦气向外放热。 1．对ΔU＝W＋Q的理解 热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。 2．符号法则 (1)外界对系统做功，W＞0，即W取正值； 系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W＜0，即W取负值。 (2)外界对系统传热，也就是系统从外界吸收热量，Q＞0，即Q取正值； 外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q＜0，即Q取负值。 (3)系统内能增加，ΔU＞0，即ΔU为正值； 系统内能减少，ΔU＜0，即ΔU为负值。 3．几种特殊情况 (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)若过程的始末两个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)。 角度1　热力学第一定律的理解 　关于物体内能的变化，下列说法正确的是(　　) A．物体吸收了热量，它的内能可能减少 B．物体的机械能变化时，它的内能也一定随着变化 C．外界对物体做功，它的内能一定增加 D．物体既吸收热量，又对外界做功，它的内能一定不变 [解析]　物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关，即ΔU＝W＋Q，物体吸收热量，也可以同时对外做功，其内能有可能增加，也有可能不变，甚至减少，内能的变化量受两者共同影响，无法单一决定，故A正确，C错误；物体的内能与物体的体积、温度等因素有关，物体的机械能变化时，物体的速率或高度变化，但其体积和温度可能不变，也可能改变，则其内能可能增加、减少或不变，故B错误；由A项的分析可知ΔU＝W＋Q，物体既吸收热量，又对外做功，它的内能可能保持不变，也可能减少，还可能增加，具体决定于做功和吸热的数值，故D错误。 [答案]　A 　一定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＝2×105 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J [解析]　外界对气体做了8×104 J的功，则W＝8×104 J，气体内能减少了1.2×105 J，则ΔU＝－1.2×105 J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可得，Q＝－2×105 J，故B正确，A、C、D错误。 [答案]　B 角度2　热力学第一定律的应用 　(2025·北京通州区期末)一定质量的理想气体等压膨胀，下列说法正确的是(　　) A．气体的温度降低 B．气体从外界吸热 C．气体的内能减少 D．外界对气体做功 [解析]　根据盖-吕萨克定律可知，一定质量的理想气体等压膨胀过程中温度一定升高，则气体内能增大，即Δ U＞0；由于体积增大，则气体对外界做功，则W＜0；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，知Q＞0，故气体从外界吸热。 [答案]　B 　(2025·四川攀枝花市期末)一定质量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量3×106 J，对外界做功1.2×106 J，则该理想气体的　(　　) A．温度升高，密度减小 B．温度降低，密度减小 C．温度升高，密度增大 D．温度降低，密度增大 [解析]　外界对气体做功W＝－1.2×106 J，气体从外界吸收热量Q＝3×106 J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可得ΔU＝1.8×106 J＞0，说明气体内能增大，温度升高；气体对外界做功，体积V增大，而气体的质量一定，由ρ＝知，气体密度减小。 [答案]　A 　如图所示，在内壁光滑汽缸内封闭着一定质量的理想气体，用电热丝加热，使其温度升高T，若活塞固定，吸收热量为Q1；若活塞不固定，吸收热量为Q2，则Q1与Q2的大小关系(　　) A．Q1＞Q2　　　　 B．Q1＜Q2 C．Q1＝Q2 D．均有可能 [解析]　一定质量的理想气体内能由温度决定，两种情况下气体温度变化情况相同，气体内能变化量相等，即ΔU1＝ΔU2＝ΔU。第一种情况，汽缸与活塞都固定不动，气体体积不变，气体不做功W1＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q1＝ΔU1－W1＝ΔU1＝ΔU；第二种情况，活塞自由移动，气体受热膨胀，体积增大，气体对外做功W2＜0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q2＝ΔU2－W2＝ΔU－W2＞ΔU＝Q1。 [答案]　B 知识点二　能量守恒定律和第一类永动机 　 有人试图制造一台“永久”的发电机。设计思想如下：先利用外界供给的电能，使电动机转动，再让电动机带动发电机发电。发电机发电后，一部分电供给电动机继续使用，电动机不再利用外界供给的电能；一部分电能供用户使用。这样，一旦这个发电机发出电来，它就可以不再使用外界的能量，自己“源源不断”地发出电来。用能量转化和守恒的知识分析说明，这样的“永动机”能实现吗？ [提示]　上述设想的能量转化过程是这样的，电能→机械能→电能→机械能＋电能(用户)。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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，所以上述能量转化过程中的能量均应是守恒的，一旦发电机发出电来就不再使用外界能量是不可能的，这种永动机不能实现。 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、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：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．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。 3．第一类永动机失败的原因 如果没有外界热源供给热量，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。 　(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——第一类永动机，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，即某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，A正确；能量在不同的物体间发生转移的过程中，能量是守恒的，即某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，B正确；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，C正确；石子从空中落下的过程中，机械能在变化，比如受空气阻力作用使机械能减少，最后停止在地面上时机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，D错误。 [答案]　ABC 　如图所示，这是中国传统玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，小鸟“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。下列说法正确的是(　　) A．饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能 B．水杯中的水干了之后，小鸟还能点头“喝”水 C．这种玩具饮水鸟是一架永动机 D．此现象违背了热力学第一定律 [解析]　玩具饮水鸟的内部结构如图所示， 其原理是先在鸟嘴上沾一些水，水分蒸发过程中吸热，温度降低，压强减小，使得头部气压小于肚子中的气压，从而使肚子中的部分液体压入头部，使重心上移，鸟的身体变得不稳定而发生倾斜，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流回到肚子中，使鸟的身体再回到开始的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复前面的运动过程，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，A正确；根据上述分析可知，当水杯中的水干了之后，不能蒸发制冷，不能形成头部和肚子内空气的压强差，小鸟不能再上下运动，即小鸟不能点头“喝”水，B错误；这种玩具饮水鸟仍然遵循能量守恒定律，此现象没有违背热力学第一定律，不是一架永动机，C、D错误。 [答案]　A 1．(热力学第一定律)如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸里的空气，对空气做了90 J的功，同时空气向外散热21 J。关于汽缸里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．内能减少111 J D．内能减少21 J 解析：选B。根据题意，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得，汽缸里空气的内能变化ΔU＝－21 J＋90 J＝69 J，即汽缸里空气的内能增加了69 J。 2．(热力学第一定律)(2025·江西重点中学盟校第一次联考)如图所示，在某固定绝热容器中，左侧装有一定质量的某种理想气体，右侧为真空，某时刻把隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至达到新的平衡，气体的温度(　　) A．升高　　　　　 B．不变 C．降低 D．无法确定 解析：选B。气体自由膨胀，气体体积变大但并不对外做功，W＝0，由热力学第一定律的表达式ΔU＝W＋Q以及容器绝热可知内能ΔU＝0，即温度不变。 3．(热力学第一定律)如图所示的是压力保温瓶结构简图，活塞a与液面之间密闭了一定质量的气体。假设封闭气体为理想气体且与外界没有热交换，则向下压a的过程中，瓶内气体　(　　) A．内能增大 B．体积增大 C．压强不变 D．温度不变 解析：选A。压缩气体时，气体体积减小，外界对气体做功，则W＞0，因为气体与外界没有热交换，则Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU＞0，即气体的内能增大，温度升高，压强变大。 4．(能量守恒定律)如图所示，柱形容器内封有一定质量的空气，质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成。另有质量为M的物块从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止。在这一过程中，空气内能的改变量ΔU、外界对气体所做的功W与物块及活塞的重力势能变化关系是(　　) A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh C．ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔh D．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh 解析：选C。物块与活塞碰撞时有机械能损失，根据能量守恒可知物块和活塞重力势能减少量大于气体内能的增加量，由于此过程绝热，根据热力学第一定律可得ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔh。 学科网（北京）股份有限公司 $