2024-2025学年高中物理第十章热力学定律1功和内能学案新人教版选修3-3

PAGE6-功和内能一、焦耳的试验1．试验目的：精确地测定做功和热传递对于系统的影响，以及功和热量的相互关系．2．焦耳的两个最具代表性的试验：一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个是通过电流的热效应给水加热．3．绝热过程：不从外界吸热，也不向外界放热的过程叫做绝热过程．4．结论：要使系统状态通过绝热过程发生变更，做功的多少只由过程的始末两个状态确定，而与做功的方式无关．二、功和内能1．功与系统内能变更的关系：做功可以变更系统的内能．(1)外界对系统做功，系统的内能增加．在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功，即ΔU＝U2－U1＝W.(2)系统对外界做功，系统的内能削减．在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就削减多少，即W＝－ΔU.2．在绝热过程中，功是系统内能转化的量度．打气筒是日常生活中的一种工具，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．打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳？有什么感觉？打气筒的温度上升了，这是怎么回事呢？提示：做功的过程是能量转化的过程，做功使得系统的内能增加了，所以温度上升．考点一功、内能、内能变更之间的关系1．内能与内能的变更的关系(1)物体的内能是指物体内全部分子的动能和势能之和．在微观上由分子数和分子热运动猛烈程度和相互作用力确定，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．(2)当物体温度变更时，分子热运动猛烈程度发生变更，分子平均动能变更．物体体积变更时，分子间距离变更，分子势能发生变更，因此物体的内能变更只由初、末状态确定，与中间过程及方式无关．2．做功与内能的变更的关系做功变更物体内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．例如在绝热过程中做功使物体内能发生变更时，内能变更了多少用做功的数值来量度．外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就削减多少．压缩气体时，外界对气体做了功，气体的内能增加，气体内能的增加量等于外界对气体做的功；气体膨胀，是气体对外界做功，气体内能削减，气体内能的削减量等于气体膨胀对外做的功．3．功和内能的区分功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量，做功过程中，能量肯定会发生转化而内能不肯定变更，但内能变更时，不肯定有力做功，也可能是由热传递变更物体的内能．物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变更大，才可能做功多．【例1】如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一只灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动的胶塞．用打气筒渐渐向筒内打气，使容器内的压强增加到肯定程度，这时读出温度计示数．打开卡子，胶塞冲出容器后()A．温度计示数变大，试验表明气体对外界做功，内能削减B．温度计示数变大，试验表明外界对气体做功，内能增加C．温度计示数变小，试验表明气体对外界做功，内能削减D．温度计示数变小，试验表明外界对气体做功，内能增加气体膨胀对外做功，做功可以变更物体的内能．【解析】依据功是能量转化的量度，对外做了多少功，就意味着转化了多少能量．本例中由于是厚壁容器，打开卡子后，气体快速膨胀，这样的过程可以当作绝热过程，由此推断，转化的应是系统的内能，即气体对外做功，系统的内能削减，温度降低．选项C正确．【答案】C总结提能绝热过程是指系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程，有些题目从叙述中就已经明确是否为绝热过程，有些没有明确的，就要依据实际状况做出推断，像本题快速膨胀类可以理解为是绝热的过程，而缓慢的过程则不能认为是绝热的过程．(多选)如图所示，绝热容器内被活塞封闭肯定质量的气体，现压缩气体使其体积减小，则(BC)A．气体对外界做功，内能增加B．外界对气体做功，内能增加C．温度上升，压强变大D．温度上升，压强变小解析：“绝热容器”说明与外界没有热交换，压缩气体，外界对气体做功，内能增加，故A错，B对；对志向气体而言，温度上升，由气体压强的定义知，其压强必变大，故C对，D错．故正确答案为B、C.考点二内能与机械能的区分和联系1．区分：物体的内能与机械能是两个不同的物理概念．内能是由大量分子热运动和分子间的相对位置所确定的能．机械能是物体做机械运动和物体形变所确定的能．物体具有内能的同时可以具有机械能．物体的机械能在肯定条件下可等于零，但物体的内能不行能等于零，因为分子在永不停息地做无规则运动，它们之间有相互作用．2．联系：内能和机械能在肯定条件下可以相互转化，且总量保持不变．【例2】暖瓶中盛有0.5kg、25℃的水，一位同学想用上下摇摆的方法使冷水变为开水，设每摇摆一次水的落差为15cm，每分钟摇摆30次，不计全部热散失，他约需多长时间可以把水“摇开”？[c水＝4.2×103J/(kg·℃)，g取10m/s2]此问题中能量转化方向是：上摇时同学消耗自身的能量，通过对水做功转化为水的重力势能，下降时水的重力势能转化为动能再转化为水的内能，由于不计一切热散失，水的重力势能的削减量等于水的内能的增加量．【解析】设“摇开”水需时间为t，水升温ΔT，由W＝ΔU得：30mg·Δh·t＝c水mΔT，代入数据得t＝eq\f(4.2×103×100－25,30×10×0.15)min＝7×103min，即“摇开”水约需7×103min，约为5天．【答案】5天总结提能解决本题的关键是明确能量转化的方向，即知道原委是哪种能量转化为水的内能．此类问题体现物理与社会、生活相联系的特点，需仔细审题，挖掘出题目中的有用信息，建立物理模型是解题的关键．地面旁边有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽视不计．已知大气压强随高度增加而降低，则该气团在此上升过程中(不计气团内分子间的势能)(C)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．体积增大，温度不变解析：空气团与外界热交换忽视不计，随高度上升压强渐渐减小，体积渐渐增大对外界做功，所以内能渐渐减小，则温度渐渐降低，只有C正确，A、B、D均错误．1．如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气．以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中(D)A．E甲不变，E乙减小B．E甲不变，E乙增大C．E甲增大，E乙不变D．E甲增大，E乙减小解析：本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都历经绝热过程，内能变更取决于做功的状况．对甲室内的志向气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能应减小．2．金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气快速向外溢出，待筒内外压强相等时，马上关闭开关．在外界保持恒温的条件下，经过一段较长的时间后，再次打开开关，这时出现的现象是(B)A．筒外空气流向筒内B．筒内空气流向筒外C．筒内外有空气交换，处于动平衡态，筒内空气质量不变D．筒内外无空气交换解析：因高压空气急剧外溢时，气体来不及充分与外界发生热交换，可近似看成绝热膨胀过程，气体对外做功，内能削减，所以关闭开关时，筒内气体温度较外界偏低，再经过较长时间后，筒内外气体温度相同．对筒内剩余气体分析，属等容升温过程，压强要上升，大于外界气压，所以再打开开关时，筒内气体要流向筒外．3.如图所示，汽缸放置在水平地面上，质量为m的活塞将汽缸分成甲、乙两气室，两气室中均充有气体，汽缸、活塞是绝热的且不漏气．起先活塞被销钉固定，现将销钉拔掉，活塞最终静止在距原位置下方h处，设活塞移动前后甲气体内能的变更量为ΔE，不计气体重心变更的影响，下列说法正确的是(B)A．ΔE＝mgh B．ΔE>mghC．ΔE<mgh D．以上三种状况均有可能解析：气体甲体积减小，外界对它做正功，其中包括mgh和乙气体分子对活塞的力做功W乙，且为正功，ΔE＝mgh＋W乙．4.如图所示的传动装置中，皮带始终保持v＝3m/s的速度水平匀速前进．m＝1kg的物体无初速地放到皮带上A处，若物体与皮带的动摩擦因数μ＝0.15，AB相距s＝4.5m，则物体从A运动到B的过程中，由于摩擦产生的热量为多少焦？(g取10m/s2)解析：物体运动的加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg＝0.15×10m/s2＝1.5m/s2