2018-2019学年高中物理第十章热力学定律课时3热力学第一定律能量守恒定律学案新人教

1、学案 3 热力学第一定律能量守恒定律目标定位1.理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算律 3 知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因.知识探究一、热力学第一定律问题设计一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本无法判定是通过做功的方法，还是使用了传热的方法使它的内能增加.因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能. 既然它们在改变系统内能方面是等价的，那么当外界对系统做功为W又对系统传热为Q时，系统内能的增量 U应该是多少？答案系统内能的增量 U= Q+W要点提炼1.改变内能的两种方式：做功与热传递.两者在改变系统内能方面是等价的.2热力学第一定律：一个

2、热力学系统的内能增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：U= QFW4. 对公式 U= Q+ W符号的规定符号WQU2 理解并会运用能量守恒定基础自学落实 重点互动探究+体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少5.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 QU)的正负;(2) 根据方程U= WQ求出未知量；(3)再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况.6 气体实验定律和热力学第一定律的关系两者的结合点是体积V和温度T注意三个特殊过程的特点：(1

3、) 等温过程：内能不变， U= 0;(2) 等容过程：体积不变，W= 0;绝热过程：Q= 0.二、能量守恒定律问题设计使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递.做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能.在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？答案能量的总量保持不变.要点提炼1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另二种形式，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. 对能量守恒定律的理解(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

4、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. 能量的存在形式及相互转化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，还有诸如电磁能、 化学能、原子能等.各种形式的能通过某种力做功可以相互转化.4第一类永动机(1)定义：不需要任何动力或燃料卩能不断地对外做功的机器.不可能制成的原因：违背了能量守恒定律.延伸思考热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？答案是.、典例精析一、 热力学第一定律例 1 关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是（）A. 吸热的物体，其内能一定增加B. 体积膨胀的物体，其内能一定减少C. 放热的物体，其内能也可能增

5、加D. 绝热压缩的气体，其内能一定增加解析 做功和热传递都能改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化.答案 CD例 2 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2X105J 的功，同时空气的内能增加了1.5X105J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？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UVW Q由题意可知 W= 2X105J , U= 1.5X105J，代入上式得：554Q=AU-W1.5X10 J2X10 J=-5X10 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5X104J.答案 5X104J二、 能量守恒定律【例 3 下列对能量守恒定律的认

6、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一一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 A 选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的.B 选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面一一转化与转移.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律.所以A、B、C 正确；D 选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消 失，能量守恒定律表明能

7、量既不能创生，也不能消失，故D 错误.答案 ABC三、 热力学第一定律与气体实验定律的结合【例 4】如图 1 所示，倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S,活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为po.起初环境的热力学温度为To时，活塞到气缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L,气缸中的气体吸收的热量为Q求：/zz.UG图 1(1) 气缸内部气体内能的增量 U;(2) 最终的环境温度T.解析 密圭寸气体的压强p=po (G S)密封气体对外做功W pSX0.1L由热力学第一定律得 U=Q- W得 U

8、= Q- 0.1poSL+ 0.1LG(2)该过程是等压变化，由盖一吕萨克定律有LS=(L+ 0.1L ST0=T解得T= 1.1T。.答案(1) Q- 0.1P0SL+ 0.1LG(2)1.1T0自我”木佥;则检測学习奴果体验咸功快乐1.(热力学第一定律)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8X104J 的功，气体5的内能减少了 1.2X10 J，则根据热力学第一定律，下列各式中正确的是()454A.W=8X10 J, U=1.2X10 J,Q=4X10 JB.W=8X104J, U= 1.2X105J,Q=2X105J454C.W= 8X10 J, U=1.2X10 J,Q= 2X1

9、0 J454D.W= 8X10 J, U= 1.2X10 J,Q=4X10 J答案 B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W= 8X104J ;气体的内能减少，U取负值，即U= 1.2X105J ;根据热力学第一定律 U= Wb Q可知 Q= U- W= 1.2X105J 8X104J= 2X105J，即 B 选项正确.2.(热力学第一定律)如图 2 所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中.设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降过程中，筒内空气体积减小，空气一定()*中-A.从外界吸热 B 内能增大C.向外界放热 D .内能减小答案 C解析

10、由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行， 所以可看成温度不变， 即气体内能不变，选项 B、D 均错；由热力学第一定律U= VW Q,因为在下降过程中气体体积减小，外界对气体做了功，式中W取正号，U= 0,所以Q为负，即气体向外放热，故选项 A 错，C 对.3. （能量守恒定律）下面设想符合能量守恒定律的是（）A. 利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械B. 做一条船，利用流水的能量逆水行舟C. 通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行D. 利用核动力，驾驶地球离开太阳系答案 BCD解析 利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内

11、能使转动停止，故 A 不符合.让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故 B C 符合；禾U用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣 脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D 符合.4. （热力学第一定律与气体实验定律的综合应用）如图 3 是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的气柱长度为22 cm,现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的5气柱长度变为 2 cm,人对活塞做功 100 J,大气压强为po= 1x10 Pa,不计活塞

12、的重力.问：F图 3（1）若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？（2）若以适当的速度压缩气体，气体向外散失的热量为20 J，则气体的内能增加多少？（活塞的横截面积S= 1 cm2）答案（1）1.1x106Pa82 J解析（1）设压缩后气体的压强为P,活塞的横截面积为S, Io= 22 cm ,l= 2 cm, V）=loS,V=IS，缓慢压缩，气体温度不变由玻意耳定律得poV=pV6解得p= 1.1x10 Pa大气压力对活塞做功W=poS（Io-I） = 2 J人做功W= 100 J由热力学第一定律得U=W+W/+QQ=- 20 J 解得U= 82 J憲课堂要点小结研究对象:热力学

13、系统热力学第一定律!表达式:I公式符号的规定不同形式的能量之间可以相互转化热力学第一定律与气休实验定律的结合40 分钟课时作业题组一热力学第一定律1 关于物体内能的变化，以下说法中正确的是（）A. 物体吸收热量，内能一定增大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，内能可能不变D. 物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变答案 C解析 根据热力学第一定律 U= W Q,物体内能的变化与外界对物体做功（或物体对外界做功）和物体从外界吸热（或向外界放热）两种因素有关.物体吸收热量，但有可能同时对外 做功，故内能有可能不变甚至减小，故A 错；同理，物体对外做功的同时有可能吸热

14、，故内能不一定减少，B 错；若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能不变，C 正确；而放热与对外做功都使物体内能减少，故D 错.2.密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气（不计分子势能的变化）（）A.内能增大，放出热量 B .内能减小，吸收热量热力学第一定律, 能量守恒定律能量守.恒定律,内容 能量守恒定律 意丈永动机不可能制成:概念原因结果C.内能增大，对外界做功 D 内能减小，外界对其做功 答案 D解析 不计分子势能的变化时瓶内空气的内能只与其温度有关,料瓶变扁时瓶内空气体积减小，外界对其做功.再由热力学第一定律知此过程中瓶内空气要 放出热量，故只有选项 D 正确.定量的理想气

15、体在某一过程中，从外界吸收热量 2.5X104J,气体对外界做功 1.0X104答案 D解析 由U= WbQ可得理想气体内能变化U=- 1.0X104J+ 2.5X104J = 1.5X104J0 , 故温度升高，A、B 两项均错.因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体积变大，由 可知密度较小，故 C项错误，D 项正确.4.一定质量的气体在保持压强恒等于1.0X105Pa 的状况下，体积从 20 L 膨胀到 30 L,这一过程中气体从外界吸热 4X103J，则气体内能的变化为（）A.增加了 5X10 J B .减少了 5X10 JC.增加了 3X103J D .减少了 3X103J答案 C解析

16、 气体等压膨胀过程对外做功W pAV= 1.0X105PaX（30 20）X10-3m3= 1.0X103J.这一过程气体从外界吸热Q=4X103J .由热力学第一定律AUWbQ,由于气体对外做 功，W应取负值，则可得AU=- 1.0X103J + 4.0X103J = 3.0X103J，即气体内能增加了 3X103J .故选项 C正确.题组二能量守恒定律5.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是（）A. 机械能守恒B. 能量正在消失C. 只有动能和重力势能的相互转化D. 减少的机械能转化为内能，但总能量守恒答案 D解析自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，故A、C 项

17、错误；而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B 项错误，D 项正确.温度降低时其内能减小. 塑3.J,则该理想气体的（A. 温度降低，密度增大B .温度降低，密度减小C. 温度升高，密度增大D .温度升高，密度减小6. 如图 1 所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定的高度，则下面有关能量的转化的说法中正确的是（）A. 子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能B. 子弹的动能转变成了沙箱和子弹的热能C. 子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能D. 子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能答案 D解析 子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，一

18、部分动能转变成沙箱和子弹的内能，另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能.7“第一类永动机”不可能制成，是因为（）A. 不符合机械能守恒定律B. 违背了能量守恒定律C. 做功产生的热不符合热功当量D 找不到合适的材料和合理的设计方案答案 B8.如图 2 所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动下列说法正确的是（）图 2A. 转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B. 转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C. 转动的叶片不断搅动热水，水温升高

19、D. 叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量答案 D解析 轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知， 叶片在热水中吸收的热量一部分 释放到空气中，另一部分使叶片在热水中伸展做功， 所以叶片在热水中吸收的热量一定大于 在空气中释放的热量， D 正确.题组三热力学第一定律与气体实验定律的综合应用9.如图 3 所示，一绝热容器被隔板 K 隔成a、b两部分已知a内有一定质量的稀薄气体，b内为真空抽离隔板 K 后，a内气体进入b,最终达到平衡状态在此过程中（）A. 气体对外界做功，内能减少B. 气体不做功，内能不变C. 气体压强变小，温度降低D. 气体压强变小，温度不变答案 BD解析 抽离

20、隔板 K,a内气体体积变大，由于b内为真空，所以a内气体不做功，由热力学 第一定律可得 B 正确.内能不变，故温度不变，体积变大，由玻意耳定律可知压强变小，所 以 D 正确.10.用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图4 所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体（）图 4A. 体积减小，内能增大B. 体积减小，压强减小C. 对外界做负功，内能增大D. 对外界做正功，压强减小答案 AC解析 袋内气体与外界无热交换即Q= 0,袋四周被挤压时，体积V减小，外界对气体做正选项AC 正确，B、D 错误.11.如图 5所示，A B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时（）PA4功，根据热力学第一定律U=W- Q气体内能增大,则温度升高pV由乍=常数