2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第3講 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 新人教版選修3-3.doc

2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第3講 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 新人教版選修3-3目標(biāo)定位1.理解熱力學(xué)第一定律，并掌握其表達(dá)式.2.能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律.4.知道第一類永動機(jī)是不可能制成的一、熱力學(xué)第一定律1內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和2數(shù)學(xué)表達(dá)式：UQW.二、能量守恒定律1大量事實(shí)表明，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變2能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變3能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的規(guī)律之一三、永動機(jī)不可能制成1第一類永動機(jī)：人們把設(shè)想的不消耗能量的機(jī)器稱為第一類永動機(jī)2第一類永動機(jī)由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成一、熱力學(xué)第一定律1對熱力學(xué)第一定律的理解(1)對UWQ的理解：做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能，如果系統(tǒng)跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么外界對系統(tǒng)所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加U，即UQW.(2)對U、Q、W符號的規(guī)定功W：外界對系統(tǒng)做功，W>0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功，W<0，即W為負(fù)值熱量Q：系統(tǒng)吸熱為正，Q>0；系統(tǒng)放熱為負(fù)，Q<0.內(nèi)能變化：系統(tǒng)內(nèi)能增加，U>0，即U為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，U<0，即U為負(fù)值2判斷是否做功的方法一般情況下外界對系統(tǒng)做功與否，需看系統(tǒng)的體積是否變化(1)若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對外界做功，W<0；(2)若系統(tǒng)體積變小，表明外界對系統(tǒng)做功，W>0.例1空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案5104 J解析選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UWQ.由題意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得QUW1.5105 J2105 J5104 J.負(fù)號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.借題發(fā)揮應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學(xué)系統(tǒng)(2)分別列出物體或系統(tǒng)吸收或放出的熱量；外界對物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對外所做的功(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW列出方程進(jìn)行求解(4)特別注意的是物理量的正負(fù)號及其物理意義針對訓(xùn)練一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則下列各式中正確的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B解析因?yàn)橥饨鐚怏w做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，B選項(xiàng)正確二、能量守恒定律1不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動形式都有對應(yīng)的能，如機(jī)械運(yùn)動對應(yīng)機(jī)械能，分子熱運(yùn)動對應(yīng)內(nèi)能等(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，如“摩擦生熱”機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，“電爐取熱”電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等2能量守恒定律及意義各種不同形式的能之間相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時能量的總量保持不變意義：一切物理過程都適用，比機(jī)械能守恒定律更普遍，是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一3第一類永動機(jī)是不可能制成的(1)不消耗能量而能源源不斷地對外做功的機(jī)器，叫第一類永動機(jī)因?yàn)榈谝活愑绖訖C(jī)違背了能量守恒定律，所以無一例外地歸于失敗(2)永動機(jī)給我們的啟示人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律例2如圖1所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為U，則()圖1AUQ BU<QCU>Q D無法比較答案B解析因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢能，另一部分增加內(nèi)能故正確答案為B.三、氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合點(diǎn)是溫度和體積注意三種特殊過程的特點(diǎn)：1等溫過程：內(nèi)能不變，U02等容過程：體積不變，W03絕熱過程：Q0例3如圖2所示，倒懸的導(dǎo)熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物體，大氣壓強(qiáng)恒為p0，起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時，活塞到汽缸底面的距離為L.當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，汽缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：圖2(1)汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量U；(2)最終的環(huán)境溫度T.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T0解析(1)密封氣體的壓強(qiáng)pp0密封氣體對外做功WpS0.1L由熱力學(xué)第一定律UQW得UQ0.1p0SL0.1LG(2)該過程是等壓變化，由蓋呂薩克定律有解得T1.1T0熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1一定量的氣體從外界吸收了2.6105 J的熱量，內(nèi)能增加了4.2105 J.(1)是氣體對外界做了功，還是外界對氣體做了功？做了多少焦耳的功？(2)如果氣體吸收的熱量仍為2.6105 J不變，但是內(nèi)能增加了1.6105 J，計算結(jié)果W1.0105 J，是負(fù)值，怎樣解釋這個結(jié)果？(3)在熱力學(xué)第一定律UWQ中，W、Q和U為正值、負(fù)值各代表什么物理意義？答案見解析解析(1)根據(jù)UWQ得WUQ，將Q2.6105 J，U4.2105 J代入式中得：W1.6105 J>0，說明外界對氣體做了1.6105 J的功(2)如果吸收的熱量Q2.6105 J，內(nèi)能增加了1.6105 J，即U1.6105 J，則W1.0105 J，說明氣體對外界做功(3)在公式UWQ中，U>0，物體內(nèi)能增加；U<0，物體內(nèi)能減少Q(mào)>0，物體吸熱；Q<0，物體放熱W>0，外界對物體做功；W<0，物體對外界做功2關(guān)于內(nèi)能的變化，以下說法正確的是()A物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大B物體對外做功，內(nèi)能一定減少C物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變D物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變答案C解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，物體內(nèi)能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關(guān)，物體吸收熱量，內(nèi)能不一定增大，因?yàn)槲矬w可能同時對外做功，故內(nèi)能有可能不變或減少，A錯；物體對外做功，還有可能吸收熱量，內(nèi)能可能不變或增大，B錯，C正確；放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少，D錯誤能量守恒定律的理解和應(yīng)用3自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是()A機(jī)械能守恒B能量正在消失C只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒答案D解析自由擺動的秋千擺動幅度減小，說明機(jī)械能在減少，減少的機(jī)械能等于克服阻力做的功，增加了內(nèi)能氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合4如圖3所示，兩個截面積都為S的圓柱形容器，右邊容器高為H，上端封閉，左邊容器上端是一個可以在容器內(nèi)無摩擦滑動的質(zhì)量為M的活塞兩容器由裝有閥門的極細(xì)管道相連，容器、活塞和細(xì)管都是絕熱的開始時閥門關(guān)閉，左邊容器中裝有理想氣體，平衡時活塞到容器底的距離為H，右邊容器內(nèi)為真空現(xiàn)將閥門緩慢打開，活塞便緩慢下降，直至系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，此時理想氣體的溫度增加為原來的1.4倍，已知外界大氣壓強(qiáng)為p0，求此過程中氣體內(nèi)能的增加量圖3答案(Mgp0S)H解析理想氣體發(fā)生等壓變化設(shè)封閉氣體壓強(qiáng)為p，分析活塞受力有pSMgp0S設(shè)氣體初態(tài)溫度為T，活塞下降的高度為x，系統(tǒng)達(dá)到新平衡，由蓋呂薩克定律得解得xH又因系統(tǒng)絕熱，即Q0外界對氣體做功為WpSx根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW所以U(Mgp0S)H(時間：60分鐘)題組一熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是()A吸熱的物體，其內(nèi)能一定增加B體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少C放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加D絕熱壓縮的物體，其內(nèi)能一定增加答案CD解析做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化2下列過程可能發(fā)生的是()A物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加B物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能減少C外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能減少D外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加答案ABD解析當(dāng)物體吸收的熱量多于對外做的功時，物體的內(nèi)能就增加，A正確；當(dāng)物體吸收的熱量少于對外做的功時，物體的內(nèi)能就減少，B正確；外界對物體做功，同時物體吸熱，則物體的內(nèi)能必增加，C錯誤；當(dāng)物體放出的熱量少于外界對物體做的功時，物體的內(nèi)能增加，D正確3如圖1所示是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800 J，同時氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的()圖1A溫度升高，內(nèi)能增加600 JB溫度升高，內(nèi)能減少200 JC溫度降低，內(nèi)能增加600 JD溫度降低，內(nèi)能減少200 J答案A解析對一定質(zhì)量的氣體，由熱力學(xué)第一定律UWQ可知，U800 J(200 J)600 J，U為正表示內(nèi)能增加了600 J，對氣體來說，分子間距較大，分子勢能為零，內(nèi)能等于所有分子動能的和，內(nèi)能增加，氣體分子的平均動能增加，溫度升高，選項(xiàng)A正確4給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面，在緩慢放水過程中，若車胎不漏氣，胎內(nèi)氣體溫度不變，不計分子間勢能，則胎內(nèi)氣體()A從外界吸熱 B對外界做負(fù)功C分子平均動能減小 D內(nèi)能增加答案A解析胎內(nèi)氣體經(jīng)歷了一個溫度不變、壓強(qiáng)減小、體積增大的過程溫度不變，分子平均動能和內(nèi)能不變體積增大，氣體對外界做正功根據(jù)熱力學(xué)第一定律氣體一定從外界吸熱題組二能量守恒定律5一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，并從中穿出對于這一過程，下列說法中正確的是()A子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的機(jī)械能B子彈減少的動能等于木塊增加的動能C子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的動能與木塊增加的內(nèi)能之和D子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊增加的內(nèi)能之和答案D解析射穿木塊的過程中，由于相互間摩擦力的作用使得子彈的動能減小，木塊獲得動能，同時產(chǎn)生熱量，且系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在數(shù)值上等于系統(tǒng)機(jī)械能的損失A，B項(xiàng)沒有考慮到系統(tǒng)增加的內(nèi)能，C項(xiàng)中應(yīng)考慮的是系統(tǒng)減少的機(jī)械能等于系統(tǒng)增加的內(nèi)能故正確答案為D.6汽車關(guān)閉發(fā)動機(jī)后，沿斜面勻速下滑的過程中()A汽車的機(jī)械能守恒B汽車的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化C汽車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，汽車的總能量減少D汽車的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，汽車的總能量守恒答案C解析汽車能勻速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，一部分內(nèi)能散發(fā)出去，汽車的總能量減少7一物體獲得一定初速度后，沿著一粗糙斜面上滑，在上滑過程中，物體和斜面組成的系統(tǒng)()A機(jī)械能守恒 B總能量守恒C機(jī)械能和內(nèi)能增加 D機(jī)械能減少，內(nèi)能增加答案BD解析物體沿斜面上滑的過程中，有摩擦力對物體做負(fù)功，所以物體的機(jī)械能減少，由能量守恒定律知，內(nèi)能應(yīng)增加，能的總量不變8如圖2所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置，一子彈水平射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定的高度，則下面有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()圖2A子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的熱能C子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的動能D子彈動能的一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能答案D解析子彈射入沙箱的過程中，要克服摩擦阻力做功，一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能題組三氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)第一定律的結(jié)合9如圖3所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，空氣一定()圖3A從外界吸熱 B內(nèi)能增大C向外界放熱 D內(nèi)能減小答案C解析由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進(jìn)行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項(xiàng)B、D均錯；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，因?yàn)樵谶@個過程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W>0，U0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯，C對正確答案為C.10如圖4所示，a、b、c、d表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標(biāo)軸，dc平行于縱坐標(biāo)軸，ab的延長線過原點(diǎn)，以下說法正確的是()圖4A從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱B從狀態(tài)c到b，氣體放熱C從狀態(tài)a到d，氣體對外做功D從狀態(tài)b到a，氣體吸熱答案BCD解析從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變，但是由于壓強(qiáng)減小，所以體積增大，對外做功，還要保持內(nèi)能不變，一定要吸收熱量，故A錯；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個降壓、降溫過程，同時體積減小，外界對氣體做功，而氣體的內(nèi)能還要減小(降溫)，就一定要伴隨放熱的過程，故B對；氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個等壓、升溫的過程，同時體積增大，所以氣體要對外做功，C正確；氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是個等容變化過程，隨壓強(qiáng)的增大，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，而在這個過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內(nèi)能的增大是因?yàn)闅怏w吸熱的結(jié)果，故D對題組四綜合應(yīng)用11如圖5所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A先后經(jīng)過等壓、等容和等溫過程完成一個循環(huán)，A、B、C狀態(tài)參量如圖所示，氣體在狀態(tài)A的溫度為27 ，求：圖5(1)氣體在狀態(tài)B的溫度TB；(2)氣體從ABC狀態(tài)變化過程中與外界交換的總熱量Q.答案(1)600 K(或327)(2)2p0V0解析(1)A到B的過程是等壓變化，有代入數(shù)據(jù)得TB600 K(或327 )(2)根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UQW其中W2p0V0解得Q2p0V0(吸熱)12如圖6所示，導(dǎo)熱材料制成的截面積相等、長度均為45 cm的汽缸A、B通過帶有閥門的管道連接初始時閥門關(guān)閉，厚度不計的光滑活塞C位于B內(nèi)左側(cè)，在A內(nèi)充滿壓強(qiáng)pA2.8105 Pa的理想氣體，B內(nèi)充滿壓強(qiáng)pB1.4105 Pa的理想氣體，忽略連接汽缸的管道體積，室溫不變，現(xiàn)打開閥門，求：圖6(1)平衡后活塞向右移動的距離和B中氣體的壓強(qiáng)；(2)自打開閥門到平衡，B內(nèi)氣體是吸熱還是放熱(簡要說明理由)答案(1)15 cm2.1105 Pa(2)放熱，理由見解析解析(1)活塞向右移動達(dá)到穩(wěn)定后，對A氣體，有pALSp(Lx)S對B氣體，有pBLSp(Lx)S得x15 cmp2.1105 Pa(2)活塞C向右移動，對B中氣體做功，而氣體做等溫變化，內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律可知B內(nèi)氣體放熱13如圖7是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開始時封閉的空氣柱長度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的空氣柱長度為2 cm，人對活塞做功100 J，大氣壓強(qiáng)為p01105 Pa，不計活塞的重力問：圖7(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，向外散失的熱量為20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫截面積S1 cm2)答案(1)1.1106 Pa(2)82 J解析(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得p0V0pV解出p1.1106 Pa(2)大氣壓力對活塞做功W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J由熱力學(xué)第一定律UW1W2QQ20 J解得U82 J