浙江专版2023-2024学年新教材高中物理新人教版选择性必修第三册 3.1 功热和内能的改变（课件+训练提升）（2份）VIP

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1功、热和内能的改变

课前·基础认知

课堂·重难突破

素养·目标定位

随堂训练

素养目标定位

目标素养

1.通过焦耳的两个实验,知道什么是绝热过程,理解做功与内能改变的数量关系。

2.知道热传递的热量与内能变化的关系。

3.知道做功和热传递是改变内能的两种方式,且对改变系统内能是等效的。

4.掌握内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。

知识概览

课前·基础认知

一、焦耳的实验

1.绝热过程:系统不从外界吸热,也不向外界放热,这样的过程叫作绝热过程。

2.代表性实验。

(1)两个实验的比较。

两个实验实验一实验二

做功方式通过重物下落带动叶片搅拌水,靠叶片与水摩擦使水温升高通过重物下落使发电机发电,电流通过电阻丝做功使水温升高

实验条件容器及其中的水组成的系统与外界绝热共性外界对系统做功数值上相同,系统温度上升数值相同,内能改变相同(2)实验结论:在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的。也就是说,要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定,而与做功的方式无关。

微探究1下图是古人钻木取火的假想图,在钻木取火的过程中,为什么木块能够冒烟并最终能够生火,试从物理学角度进行解释。

提示:钻木取火的过程是对木块进行做功的过程,木块内能的增加来源于外界对木块做的功。

二、功与内能的改变

1.内能:任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于

系统自身状态的物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度,所以这个物理量必定是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。

2.功和内能:在绝热过程中,外界对系统做的功等于系统内能的增加量,即W=ΔU。

微判断(1)系统只从外界吸热,而不向外界放热的过程就是绝热过程。()

(2)在绝热过程中,外界对系统做多少功,内能就能增加多少。

()

(3)擦划火柴,火柴头着火,是通过做功改变了物体的内能。

()

(4)电流通过导体,导体发热,是通过做功改变了物体的内能。

()

×

√

√

√

三、热与内能的改变

1.热量:它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。

2.热和内能改变的关系:在单纯的传热的过程中,当系统从状态1达到状态2时,内能的变化量ΔU=U2-U1=Q。

微探究2某同学做了一个小实验:先把空的

烧瓶放入冰箱冷冻,一小时后取出烧瓶,并迅

速把一个气球紧密地套在瓶颈上,然后将烧

瓶放进盛满热水的桶里,气球逐渐膨胀起来。

(1)烧瓶内空气的内能增加了还是减少了

(2)请解释气球膨胀的原因。

提示:(1)增加了。

(2)由于热水的温度较高,将烧瓶放进盛满热水的桶里,气体吸收热量,内能增加,温度升高,体积增大,逐渐膨胀起来。

课堂·重难突破

重难归纳

1.内能:物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和分子势能之和。

(1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和相互作用力决定,宏观上体现为物体的温度和体积,因此物体的内能是一个状态量。

一对功与内能改变的理解

(2)在系统不吸热也不放热的绝热过程中,状态发生的变化是由于做功造成的,伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化,系统自身的能量称为内能。

(3)造成系统内能变化的量与做功方式无关,与做功的数量有关。

(4)内能是状态量,由物体的状态、温度、体积、质量决定。

2.(1)做功与内能变化的关系:当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W,用公式表示为ΔU=U2-U1=W。

(2)系统内能的改变量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关,与做功的过程、方式无关。

(3)功和内能的区别。

①功是过程量,内能是状态量。

②在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化。

③物体的内能大,并不意味着做功多,在绝热过程中,只有变化较大时,对应着做功较多。

打气筒是日常生活中的工具,当我们用打气筒

给自行车打气的时候,就是在克服气体压力和

摩擦力做功。打气的过程中你试着去摸一下

打气筒的外壳,有什么感觉如何解释

提示:外壳温度升高。打气过程中,压缩气体

做功,使系统的内能增加,温度升高。

典例剖析

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m0的物体从活塞上方的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,下述空气内能的改变量ΔU、外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能的变化关系正确的是()

A.m0gh+mgΔh=ΔU+WB.ΔU=W,W=m0gh+mgΔh

C.ΔU=W,W<m0gh+mgΔhD.ΔU≠W,W=m0gh+mgΔh

C

解析:物体与活塞碰撞时有机械能损失,因此物体和活塞重力势能的减少量大于气体内能的增加量;根据功与内能增加量的关系可知,外界对气体所做的功W与空气内能的变化量相等,因此ΔU=W,W<m0gh+mgΔh,选项C正确,A、B、D错误。特别注意物体与活塞碰撞时有机械能损失。

规律总结分析绝热过程的方法

1.在绝热的情况下,若外界对系统做正功,系统内能增加,ΔU为正值;若系统对外界做正功,系统内能减少,ΔU为负值。此过程做功的多少为内能转化多少的量度。

2.在绝热过程中,内能和其他形式的能一样也是状态量,气体的初、末状态确定了,即在初、末状态的内能也相应地确定了,内能的变化ΔU也确定了。而功是能量转化的量度,所以ΔU=W,即W为恒量,这也是判断绝热过程的一种方法。

学以致用

(多选)下图为焦耳实验装置图,用绝热性能良好的材料将容器包好,重物下落带动叶片搅拌容器里的水,引起水温升高。关于这个实验,下列说法正确的是()

A.这个装置可测定重物机械能的改变

与水的内能改变的比值

B.做功增加了水的热量

C.做功增加了水的内能

D.功和热量是完全等价的,无区别

AC

解析:将做功过程和吸热过程在同等条件下比较,可测出重物机械能的改变与水的内能改变的比值,故选项A正确;做功增加了水的内能,热量只是热传递过程中内能改变的量度,故选项B错误,C正确;功是能量转化的量度,而热量是热传递过程中内能转移的量度,可见功和热量含义是不同的,选项D错误。

重难归纳

1.热传递。

(1)热量从高温物体传递到低温物体,或从物体的高温部分传递到低温部分,叫作热传递。

(2)热传递的三种方式:热传导、热对流和热辐射。

2.热传递的实质。

热传递实质上传递的是能量,结果是改变了系统的内能,传递能量的多少用热量来量度。

二对热与内能改变的理解

3.传递的热量与内能改变的关系。

(1)在单纯热传递中,系统从外界吸收多少热量,系统的内能就增加多少,即Q吸=ΔU。

(2)在单纯热传递中,系统向外界放出多少热量,系统的内能就减少多少,即Q放=-ΔU。

4.改变内能的两种方式的比较。

比较项目做功热传递

内能变化外界对物体做功,物体的内能增加;物体对外界做功,物体的内能减少物体吸收热量,内能增加;物体放出热量,内能减少

物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体的不同部分之间内能的转移

相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能上的效果是相同的“围炉夜话”是古代中国文人认为非常有生活情趣的一种活动。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点

提示:炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传递向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。

典例剖析

(多选)一铜块和一铁块质量相等,铜块的温度T1比铁块的温度T2高,当它们接触在一起时,如果不和外界交换能量,则()

A.从两者开始接触到热平衡的整个过程中,铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量

B.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内,铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量

C.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内,铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量

D.达到热平衡时,两者的温度相等

ACD

解析:热平衡条件是温度相等,热传递的方向是从温度高的物体传向温度低的物体。在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量,因此选项A、C、D正确,B错误。

规律总结热量和内能的关系

1.热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义,因此不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量。

2.在系统与外界只发生热传递时,系统吸收多少热量,系统内能就增加多少;系统放出多少热量,系统内能就减少多少。

学以致用

关于物体的内能和热量,下列说法正确的有()

A.热水的内能比冷水的内能多

B.温度高的物体其热量必定多,内能必定大

C.在热传递过程中,内能大的物体其内能将减小,内能小的物体其内能将增大,直到两物体的内能相等

D.在热传递过程中,热量从高温物体传递到低温物体,直到两物体的温度相同为止

答案:D

解析:物体的内能由温度、体积及物体的质量决定,不是只由温度决定,故选项A、B错误;在热传递过程中,热量由高温物体传给低温物体,而与物体的内能大小无关,所以完全有可能是内能大的物体内能增大,内能小的物体内能减小,故选项C错误,D正确。

随堂训练

1.关于热传递,下列说法正确的是()

A.热传递是温度的传递

B.物体的内能发生了改变,一定是吸收或放出了热量

C.热传递可以在任何情况下进行

D.物体间存在着温度差,才能发生热传递

答案:D

解析:热传递的实质是能量的传递,故选项A错误;物体的内能发生了改变,可能是由于发生了热传递,也可能是由做功导致的,故选项B错误;热传递必须在有温度差的情况下进行,故选项C错误;物体间存在着温度差,才能发生热传递,故选项D正确。

2.对内能的理解,下列说法正确的是()

A.系统的内能是由系统的状态决定的

B.做功可以改变系统的内能,但是单纯地对系统传热不能改变系统的内能

C.不计分子之间的分子势能,质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能

D.1g100℃水的内能大于1g100℃水蒸气的内能

答案:A

解析:系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量,所以是由系统的状态决定的,故选项A正确;做功和热传递都可以改变系统的内能,故选项B错误;质量和温度相同的氢气和氧气的分子平均动能相同,但它们的物质的量不同,内能不同,故选项C错误;在1g100℃的水变成100℃水蒸气的过程中,分子间距离变大,要克服分子间的引力做功,分子势能增大,所以1g100℃水的内能小于1g100℃水蒸气的内能,故选项D错误。

3.对于热量、功和物体的内能这三个物理量,下列叙述正确的是()

A.热量、功、内能三者的物理意义相同

B.热量和功都可以作为物体内能的量度

C.热量、功、内能的单位肯定不相同

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

答案:D

解析:热量、功和内能是三个不同的物理量,它们的物理意义不同,故选项A错误;功与热量都是能量转化的量度,都可以作为物体内能变化的量度,但不是物体内能的量度,故选项B错误;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳,故选项C错误;功和热量是由过程决定的,内能是由物体的状态决定的,故选项D正确。

4.(多选)关于物体内能,下列说法正确的是()

A.将物体举高或使它们的速度增大,是利用做功来使物体内能增大的

B.阳光照晒衣服,衣服的温度升高,是利用热传递来改变物体内能的

C.物体在空中自由下落是用做功来增加物体内能的

D.拉弯的弓把箭射出去,箭在空气中飞行的过程中,内能增加

答案:BD

解析:将物体举高或使它们的速度增大,是利用做功来使物体机械能增大的,与内能无关,故选项A错误。阳光照晒衣服,衣服的温度升高,是利用热传递来改变物体内能的,故选项B正确。物体在空中自由下落,重力做功,增加动能,与内能无关,故选项C错误。拉弯的弓把箭射出去,箭在空气中飞行的过程中,克服空气阻力做功,内能增加,故选项D正确。

5.在绝热过程中,外界压缩气体做功20J,下列说法正确的是

()

A.气体内能一定增加20J

B.气体内能增加必定小于20J

C.气体内能增加可能小于20J

D.气体内能可能不变

答案:A

解析:做功的过程是能量转化的过程,在绝热过程中,外界对气体做多少功,气体内能就增加多少,选项A正确。第三章热力学定律

1功、热和内能的改变

课后·训练提升

基础巩固

一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)

1.下列现象中,通过做功改变物体内能的是()

A.放入电冰箱中的食物温度降低

B.夏天,在阳光的照射下,柏油路面温度升高

C.给自行车轮胎充气时,气体温度升高

D.用火炉烧水,水的温度升高

答案:C

解析:放入电冰箱中的食物温度降低,夏天在阳光的照射下柏油路面温度升高,用火炉烧水水的温度升高,这三种方法都是通过热传递改变物体的内能,是能量的转移过程,故选项A、B、D不符合题意。给自行车轮胎充气时气体温度升高,是压缩气体通过对气体做功改变物体内能,选项C符合题意。

2.下列关于内能的认识正确的是()

A.物体的内能只跟物体的温度有关

B.物体的内能只跟物体的体积有关

C.物体的内能只能通过热传递的形式才能改变

D.物体的内能可以通过做功来改变

答案:D

解析:物体的内能与温度和体积都有关,故选项A、B错误;改变内能的方式有做功和热传递,故选项C错误,D正确。

3.下列关于做功和热传递的说法正确的是()

A.做功和热传递的实质是相同的

B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的

C.做功和热传递是对同一过程中的两种说法

D.做功和热传递是不可能同时发生的

答案:B

解析:做功的实质是能量的转化,热传递的实质是能量的转移,故选项A、C错误;如果拿一个物体放到你面前,告诉你它的内能发生改变了,你是不可能知道到底是做功还是热传递使它的内能发生改变的,也就是说做功和热传递在改变内能的作用效果上是相同的,故选项B正确;做功和热传递是可能同时发生的,故选项D错误。

4.下图是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验,那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是()

A.热量可由高温物体传给低温物体

B.机械能守恒

C.在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关

D.在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变不仅与做功方式有关,还与做功数量有关

答案:C

解析:焦耳通过多次实验,最后得到的结论是在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关,故选项C正确,其余选项不是焦耳实验的结论。

5.关于温度、热量、功和内能,以下说法正确的是()

A.同一物体温度高时,含有的热量多

B.物体的内能越大,含有的热量就越多,温度也越高

C.外界对系统做功W,内能必定增加

D.两物体之间发生热传递的条件是存在温度差

答案:D

解析:热量是一个过程量,是物体间进行热传递时内能的转移量,不能说物体含有多少热量,故选项A、B错误;由于做功和热传递都可引起系统内能的变化,只根据做功无法准确判断系统内能的变化,故选项C错误;物体间发生热传递的条件是存在温度差,故选项D正确。

6.如图所示,在大口的玻璃瓶内装一些水,水的上方有水蒸气。然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口,并给瓶内打气,当打到某一状态时,瓶塞会跳起来。当瓶塞跳起时,我们会看到瓶内出现了“白雾”。对于“白雾”的形成,下列说法正确的是()

A.这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠

B.这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气

C.这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾

D.瓶内空气推动瓶塞做功,空气的内能减小,温度降低,使水蒸气液化形成小水滴

答案:D

解析:当用打气筒向瓶内打气时,外界对系统做功,使系统的内能增加,温度升高,压强增大。使瓶塞从瓶口中喷出形成“白雾”的原因是,在塞子突然跳起时,气体绝热膨胀对外做功,内能减少,温度下降,水蒸气有一部分液化成小水滴,形成“白雾”,故选项D正确,A、B、C错误。

二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)

7.下述关于物体内能的说法正确的是()

A.物体的内能仅与温度有关

B.任何物体都具有内能

C.做功不可以改变物体的内能

D.热传递可以改变物体的内能

答案:BD

解析:内能与物体的温度、质量、状态等有关,故选项A错误;任何物体都具有内能,故选项B正确;做功和热传递都可以改变物体的内能,故选项C错误,D正确。

8.下列关于热传递的说法正确的是()

A.热量是从含热量较多的物体传到含热量较少的物体

B.热量是从温度较高的物体传到温度较低的物体

C.热量是从内能较多的物体传到内能较少的物体

D.热量是热传递过程中物体内能变化的量度

答案:BD

解析:热量不是状态量,不能说含有或者具有多少热量,故选项A错误;在热传递的过程中热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体,而不是从内能较多的物体传到内能较少的物体,故选项B正确,C错误;热量是热传递过程中物体内能变化的量度,故选项D正确。

三、非选择题

9.指出下面各例中物体内能的改变是通过什么方式实现的。

(1)池水在阳光照射下温度升高:。

(2)汽车刹车后轮胎的温度升高:。

(3)火柴在火上被点燃:。

答案:(1)热传递(2)做功(3)热传递

能力提升

一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)

1.下列说法正确的是()

A.只有通过做功,才能改变物体的内能

B.气体被压缩时,外界对气体做功,气体内能减少

C.物体的温度越高,分子热运动的平均动能越大

D.物体分子热运动的动能的总和,就是物体的内能

答案:C

解析:内能改变的两种方式是做功和热传递,选项A错误;气体被压缩时,外界对气体做功,但是气体可能吸收热量,内能变化无法确定,选项B错误;温度是描述物体冷热程度的物理量,是物体内分子平均动能大小的标志,温度越高,分子平均动能越大,选项C正确;内能是物体内所有分子势能和分子动能的总和,选项D错误。

2.关于温度和内能,下列说法正确的是()

A.物体的内能等于物体的势能和动能的总和

B.物体的内能变化时,它的温度一定改变

C.同种物质,温度高的内能肯定比温度低的内能大

D.分子质量不同的物体,如果温度相同,物体分子的平均动能也相同

答案:D

解析:物体的内能等于物体内所有分子动能和分子势能之和,选项A错误;物体内能变化时,有可能分子势能发生变化,它的温度不一定改变,选项B错误;同种物体,当温度高的质量小、而温度低的质量大时,温度低的物体的内能有可能比温度高的物体的内能大,选项C错误;温度是物体分子平均动能的标志,温度相同,物体分子的平均动能相同,选项D正确。

3.如图所示,太阳能热水器是一种能够将太阳能转化为内能的装置。这种装置可以使装置内的水温度升高,这种改变水的内能的方式是()

A.做功

B.热传递

C.既有做功也有热传递

D.电流的热效应

答案:B

解析:太阳能热水器是通过吸收太阳能,通过热传递的方式将水加热,故选项B正确。

4.地面附近有一正在上升的空气团,它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强随高度增加而降低,则该空气团在上升过程中(不计空气团内分子间的势能)()

A.体积减小,温度降低

B.体积减小,温度不变

C.体积增大,温度降低

D.体积减小,温度升高

答案:C

解析:空气团与外界的热交换忽略不计,大气压强随高度上升逐渐减小,空气团体积逐渐增大,对外界做功,所以内能逐渐减小,则温度逐渐降低,故选项C正确,A、B、D错误。

5.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

答案:D

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,大气压力通过活塞对水做负功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。

二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)

6.下列有关热现象和内能的说法正确的是()

A.把物体缓慢举高,其机械能增加,内能不变

B.盛有气体的容器做加速运动时,容器中气体的内能必定会随之增大

C.电流通过电阻后电阻发热,它的内能增加是通过“做功”方式实现的

D.分子间引力和斥力