2017年高中物理第三章热力学基础第二讲热力学第一定律第三讲能量守恒定律教案粤教版选修

1、第二讲热力学第一定律第三讲能量守恒定律目标定位1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式2 能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知道第一类永动机是不可能制成的产预习导学 臺梳理-识记*点拨_一、热力学第一定律1. 定律内容：一个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.2. 数学表达式： U= Q+W二、能量守恒定律1. 大量事实表明，各种形式的能量可以相互转化，并且在转化过程中总量保持不变 _ .2. 能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化成另一种形式,或者从一个物体转移到

2、别的物体，在转化和转移的过程中其总量保持不变3. 能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一三、永动机不可能制成1. 第一类永动机：人们把设想的不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器称为第一类 永动机2. 第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成歹课堂讲义 M理解深化探究_一、热力学第一定律1.对热力学第一定律的理解(1)对U= VW Q的理解：做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对系统所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于系统内能的增加U,即U=Q+ W对U Q W符号的规定1功W外界对系统做功，V0,即W为正值；系统对外界做功，

3、V0;系统放热为负：Q0.23内能变化：系统内能增加，U0, 即卩U为正值；系统内能减少，U0,即U为负值2.判断是否做功的方法一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化.(1) 若系统体积增大，表明系统对外界做功，W0;(2) 若系统体积变小，表明外界对系统做功，W0.【例 1】 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？答案 5X104J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U= VW Q5由题意可知 W= 2X10 J,5 .U=1.5X10 J,代入上式得554Q= U

4、- W=1.5X10 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.借题发挥应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功.(3) 根据热力学第一定律U=QWMU 出方程进行求解.(4) 特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义针对训练一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8X104J 的功，气体的内能减少了51.2X10 J,则下列各式中正确的是()454A.W=8X10 J, U=1.2X10 J,Q=4X1

5、0 J455B.W=8X10 J, U= 1.2X10 J,Q= 2X10 JC.W= 8X104J, U=1.2X105J,Q=2X104J454D.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 ；内能减少，U取负值，即 U= 1.2X105J;根据热力学第一定律 U=WWQ可知Q=U- W= 1.2X105J 8X104J = 2X105J,B 选项正确.二、能量守恒定律31.不同形式的能量之间可以相互转化(1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等不同形式的能量之间可以相互转化

6、，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等2.能量守恒定律及意义各种不同形式的能之间相互转化时保持总量不变意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19 世纪自然科学的三大发现之3.第一类永动机是不可能制成的不消耗能量能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机，其前景是诱人的但因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律【例 2】如图 1 所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度 大，加热气体，并使两部分气体混合均匀， 设此过程中气体吸热为Q气体内能的增量为 U,则（

7、）A图 1A. U= QB. UQD.无法比较答案 B解析 因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的 重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知， 吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能故正确答案为 B.【例 3】第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机（）A. 不符合机械能守恒定律B. 违背了能量守恒定律C. 没有合理的设计方案D. 找不到合适的材料答案 B三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积.注意三种特殊过程的特

8、点：41. 等温过程：内能不变， U= 02. 等容过程：体积不变，W= 053.绝热过程：C# 0【例 4 如图 2 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：(1) 气缸内部气体内能的增量 U;(2) 最终的环境温度T.答案Q-0.1poSL+ 0.1LG(2)1.1ToG解析(1)密圭寸气体的压强p=poS密封气体对外做功W pSX0.

9、1L由热力学第一定律U= Q- W得 U= Q- 0.1P0SL+ 0.1LG(2)该过程是等压变化，LS_L+ 0.1L S元=T巩固应用反愦热力学第一定律的理解和应用1.用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图3 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()A. 体积减小，内能增大B. 体积减小，压强减小由盖吕萨克定律有解得T= 1.1T0戸对点练习全图 2图 36C. 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 充气袋被挤压时，体积减小，压强增大，同时外界对气体做功，又因为袋内气体与外界无热交换，故其内能增大，A、C 选项正确.2.关于内能

10、的变化，以下说法正确的是（）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=VW Q物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关， 物体吸收热量，内能也不一定增大，因为物体可能同时对外做功， 故内能有可能不变或减少， A 错；物体对外做功，还有可能吸收热量、内能可能不变或增大，B 错、C 正确；放出热量,同时对外做功，内能一定减少，D 错误.能量守恒定律的理解和应用3.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小， 下列说法正确的是（）A. 机械能守恒B. 能量正在

11、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减小，说明机械能在减少，减少的机械能等于克服阻力、摩擦力做的功，增加了内能气体实验定律和热力学第一定律的结合4.如图 4 所示，两个截面积都为S的圆柱形容器，右边容器高为H,上端封闭，左边容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为M的活塞.两容器由装有阀门的极细管道相连，容器、活塞和细管都是绝热的 .开始时阀门关闭，左边容器中装有理想气体，平衡时活塞到 容器底的距离为H,右边容器内为真空.现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达 到新的平衡，此时理想气体的温度增加为原来的1.

12、4 倍，已知外界大气压强为po,求此过程中气体内能的增加量.7图 483答案-（M肝pS）H5解析 理想气体发生等压变化设封闭气体压强为P，分析活塞受力有pS=M少poS设气体初态温度为T,活塞下降的高度为x,3解得x=：H,又因系统绝热，即Q=05外界对气体做功为W=poSx根据热力学第一定律U=Q+ W所以U=|（M叶poS）H蒙题组则练塞解嵯二纠偏二检測_（时间：60 分钟）题组一热力学第一定律的应用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，其内能也可能增加D. 绝热压缩的物体，其内能一定增加

13、答案 CD解析 做功和传热都可以改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化.2. 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. 物体对外做功，同时物体放热，内能增加答案 AB解析 当物体吸收的热量多于对外做的功时，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，则物体的内能必增加，C 错误；物体对外做功，同时物体放热，则物体的内能必减少，D 错误.3. 如图 1 所示是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气

14、体，对缸内气体做功800J，同时气体系统达到新平衡，由盖吕萨克定律HS H x+H ST=14T9向外界放热 200J，缸内气体的（）10A.温度升高，内能增加600JB.温度升高，内能减少200JC.温度降低，内能增加600JD.温度降低，内能减少200J答案 A解析 对一定质量的气体，由热力学第一定律 U= W/F Q 可知， U= 800J + （ 200J）=600J , U为正表示内能增加了 600J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A 正确.（可视为理想气体）将（）A. 内能增大，放出热量B. 内能增

15、大，吸收热量C. 内能减小，放出热量D. 内能减小，吸收热量答案 C解析 一定质量的理想气体的内能由温度决定，当温度降低时，内能减少，积不变，W= 0,由热力学第一定律 U=WFQ可得 Q 0,故气体放热，正确答案为C 项.5.给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体（）A.从外界吸热 B.对外界做负功C.分子平均动能减小D.内能增加答案 A解析 胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程温度不变，分子平均动能和内能不变体积增大气体对外界做正功根据热力学第一定律气体一定从外界吸热6.夏季烈日下的高速路面温度很高，汽车

16、行驶过程中轮胎与路面摩擦也产生大量的热因此高速行驶的汽车容易爆胎而出现事故， 酿成悲剧对车胎爆裂这一现象下列说法正确的是（假 设升温过程轮胎容积不变）（）4.小明同学将喝空的饮料瓶遗留在车内,当夜晚来临，车内温度降低时,密闭在瓶内的气体 U(吸热)13.如图 7 所示，导热材料制成的横截面积相等、长度均为45cm 的气缸A、B通过带有阀门的管道连接初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧，在A内充满压强pA=2.8x105Pa 的理想气体，B内充满压强pB= 1.4x105Pa 的理想气体，忽略连接气缸的管道体 积，室温不变，现打开阀门，求：15图 7(1) 平衡后活塞向右移动的距离和

17、B中气体的压强；(2) 自打开阀门到平衡，B内气体是吸热还是放热(简要说明理由).答案 (1)15cm2.1x10 Pa(2)放热，理由见解析解析(1)活塞向右运动后，对A气体，有PALS=p(L+x)S对B气体，有PBLS=p(Lx)S得x= 15cm5p= 2.1 x 10 Pa(2)活塞C向右移动，对B中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律 可知B内气体放热14.如图 8 是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为 22cm,现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的空气柱长度为 2cm,人对活塞做功 100J，大气压 强为po= 1x105Pa,不计活塞的重力.问：(