人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：3 1 功、热和内能的改变

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第1节功、热和内能的改变学习目标要求核心素养和关键能力1.了解焦耳的两个实验的原理。2.知道做功和传热是改变内能的两种方式及做功、传热与内能改变的关系。3.明确内能、功、热量和温度四个物理量的区别和联系。1.科学思维用等效思维理解做功和热传递在改变物体内能上的等效性。2.科学探究体会焦耳实验的科学探究过程。一、焦耳的实验1.绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。2.代表实验(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。(2)通过电流的热效应给水加热。3.实验结论：在各种不同的绝热过程中，系统状态变化相同，则外力所做的功相同，与做功的方式无关。二、功和内能的改变1.内能：依赖于一个热力学系统自身状态的物理量，是热力学系统的一种能量。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变化量，即ΔU＝W。(1)ΔU＝W适用条件是绝热过程。(2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少。〖判一判〗(1)从微观角度说，内能是所有分子的动能和势能之和。(√)(2)从宏观角度说，内能是只依赖于热力学系统自身状态的物理量。(√)(3)功是状态量，内能是过程量。(×)(4)外界对物体做功多，就意味着物体的内能大。(×)三、热与内能的改变1.传热(1)条件：物体的温度不同。(2)过程：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到低温物体。(3)传热的三种方式：热传导、热对流、热辐射。2.热和内能(1)单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态，即传热能改变物体的内能。(2)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。(3)单纯的传热过程中内能的变化。①公式：ΔU＝Q。②物体吸热，Q为正；物体放热，Q为负。〖判一判〗(1)若A、B两物体接触但没有传热，则两物体所包含的热量相等。(×)(2)做功和传热的共同点是都能使系统内能改变。(√)(3)一物体先后经过几个不同的物理过程，其温度均从t1升高到t2，则在这些过程中物体一定从外界吸收相同的热量。(×)(4)高温物体内能多，低温物体内能少。(×)探究1做功和内能的改变■情境导入如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。观察瓶塞跳出时瓶内的变化我们研究的是瓶塞跳出的过程，而研究的对象即“系统”是什么？在瓶塞跳出的过程中，是外界在对系统做功还是系统在对外界做功？这个过程中系统的内能有什么变化？你从什么现象推断出它的内能发生了变化？〖答案〗当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内的瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气，在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功，在这个过程中系统的内能减少，瓶内的瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气液化形成的无数小液滴，水蒸气液化过程中内能减少。■归纳拓展1.做功与内能变化的关系(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W＞0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W＜0。物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。2.功与内能的区别(1)功是过程量，内能是状态量。(2)物体的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多。特别提醒(1)外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少。(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。在绝热过程中，系统内能的变化量等于外界对系统所做的功。〖例1〗(多选)如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.这个装置可测定热功当量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〖答案〗AC〖解析〗该实验测定做功和内能变化的关系，可以测定热功当量，A正确；该实验是绝热过程，没有传热，改变内能的方式是做功，C正确；做功表示能量的转化，而热量表示传热中内能的转移，二者有区别，B、D错误。〖例2〗如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体()A.温度升高，压强增大，内能减少B.温度降低，压强增大，内能减少C.温度升高，压强增大，内能增加D.温度降低，压强减小，内能增加〖答案〗C〖解析〗向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，由eq\f(pV,T)＝C可得出气体的压强增大，故选项C正确。〖针对训练1〗如图所示的容器中，A、B中各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定，A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。打开阀门前，A中水面比B中水面高，打开阀门后，A中的水逐渐向B中流，最后达到同一高度，在这个过程中()A.大气压力对水做功，水的内能增加B.水克服大气压力做功，水的内能减少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〗打开阀门K稳定后，容器A、B中的水面相平，相当于图中画斜线部分的水从A移到B，这部分水的重力势能减少了，即重力对水做了功，同时大气压力对A容器中的水做正功为p0SAhA，对B容器中的水做负功为p0SBhB，因为两部分水的体积相等，所以大气压力对水做的总功为零。由于容器绝热，系统与外界之间没有热交换，而重力对系统做正功，故水的内能增加，选项D正确。探究2热和内能的改变■情境导入(1)用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？(2)如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射。①这三种方式在传递能量时有什么共同点？②传热和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？〖答案〗(1)说明做功和传热都能改变物体的内能。(2)①三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。②传热是内能在物体间(或一个物体的不同部分之间)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化。■归纳拓展1.内能与温度：从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。物体的内能由温度、体积及物质的量(物体的质量)决定。2.热量和内能(1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化，可以通过传热和做功两种方式来完成。(2)热量是传热过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。(3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。3.热量与温度：热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。传热的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。4.热量与功：热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，但它们之间有着本质的区别。5.改变内能的两种方式的比较比较项目做功传热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的效果上是相同的〖例3〗关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有()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.在传热过程中，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.在传热过程中，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(物质的量)决定，不是只由温度决定，故A、B错误；在传热过程中，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继续增大，内能小的物体内能继续减小，故C错误，D正确。〖例4〗(多选)关于热量、功和内能的下列说法中正确的是()A.热量、功、内能三者的物理意义等同B.热量、功都可以作为物体内能的量度C.热量、功都可以作为物体内能变化的量度D.热量、功、内能的单位相同〖答案〗CD〖解析〗物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和传热两种途径，这三者的物理意义不同，A错误；热量是表示在传热过程中物体内能变化的多少，而功也是用做功的方式量度物体内能变化的多少，B错误，C正确；三者的单位都是焦耳，D正确。〖针对训练2〗一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(若不计气泡内空气分子势能的变化)，则()A.气泡对外做功，内能不变，同时放热B.气泡对外做功，内能不变，同时吸热C.气泡内能减少，同时放热D.气泡内能不变，不吸热也不放热〖答案〗B〖解析〗在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减少，温度降低。但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。故选项B正确。1.(做功与内能变化)景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过程中()A.气体温度升高，压强不变B.气体温度升高，压强变大C.气体对外界做正功，气体内能增加D.外界对气体做正功，气体内能减少〖答案〗B〖解析〗在压缩过程中推杆对气体做正功，气体的内能增加，温度升高，根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C可知，气体的压强变大，故B正确。2.(做功与内能变化)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()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〖答案〗D〖解析〗本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况。对甲室内的气体，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，内能减小，故选项D正确。3.(传热与内能变化)(多选)关于传热，下列说法正确的是()A.传热中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体B.两个物体间发生传热的条件是它们之间有温度差C.在传热中热量一定从内能多的物体传向内能少的物体D.内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生传热〖答案〗BD〖解析〗热量的概念只有在涉及能量传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，A错误；物体间发生传热的条件是物体间存在温度差，B正确；在传热中，热量一定从温度高的物体传向温度