2019高中物理 第十章 热力学定律 课时3 热力学第一定律 能量守恒定律学案 新人教版选修3-3.doc
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1、1学案学案 3 3 热力学第一定律热力学第一定律 能量守恒定律能量守恒定律目标定位 1.理解热力学第一定律,并会运用于分析和计算.2.理解并会运用能量守恒定律.3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因一、热力学第一定律问题设计一根金属丝经过某一物理过程,温度升高了,除非事先知道,否则根本无法判定是通过做功的方法,还是使用了传热的方法使它的内能增加因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能既然它们在改变系统内能方面是等价的,那么当外界对系统做功为W,又对系统传热为Q时,系统内能的增量 U应该是多少?答案 系统内能的增量 UQW.要点提炼1改变内能的两种方式:做功与热传递两者在
2、改变系统内能方面是等价的2热力学第一定律: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3热力学第一定律的表达式:UQW.4对公式 UQW符号的规定符号WQU体积减小,外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加体积增大,热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少5.应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正负;(2)根据方程 UWQ求出未知量;(3)再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况6气体实验定律和热力学第一定律的关系两者的结合点是体积V和温度T.注意三个特殊过程的特点:(1)等温过程:内能不变,U0;(2)
3、等容过程:体积不变,W0;(3)绝热过程:Q0.2二、能量守恒定律问题设计使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程,热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能在能量发生转化或转移时,能量的总量会减少吗?答案 能量的总量保持不变要点提炼1能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变2对能量守恒定律的理解(1)某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加,且减少量和增加量一定相等(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等3能量的存
4、在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有诸如电磁能、化学能、原子能等各种形式的能通过某种力做功可以相互转化4第一类永动机(1)定义:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器(2)不可能制成的原因:违背了能量守恒定律延伸思考热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗?答案 是一、热力学第一定律例 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绝热压缩的气体,其内能一定增加解析 做功和热传递都能改变物体的内能,不能依据一种方式的变化就判断
5、内能的变化答案 CD例 2 空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了 2105 J 的功,同时空气的内能增加了 1.5105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?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 UWQ.3由题意可知W2105 J,U1.5105 J,代入上式得:QUW1.5105 J2105 J5104 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 5104 J.答案 5104 J二、能量守恒定律例 3 下列对能量守恒定律的认识正确的是( )A某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加B某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加C不需要任何外界的动力
6、而持续对外做功的机器第一类永动机是不可能制成的D石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了解析 A 选项是指不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的B 选项是指能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,这正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移第一类永动机是不可能制成的,它违背了能量守恒定律所以 A、B、C 正确;D 选项中石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用,机械能可能减少,但机械能并没有消失,能量守恒定律表明能量既不能创生,也不能消失,故 D 错误答案 ABC三、热力学第一定律与气体实验定律的结合例 4 如图 1 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
7、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p0.起初环境的热力学温度为T0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:图 1(1)气缸内部气体内能的增量 U;(2)最终的环境温度T.解析 (1)密封气体的压强pp0(G/S)密封气体对外做功WpS0.1L由热力学第一定律得 UQW得 UQ0.1p0SL0.1LG(2)该过程是等压变化,由盖吕萨克定律有LS T0L0.1LST4解得T1.1T0.答案 (1)Q0.1p0SL0.1LG (2)1.1T01(热力学第一定律
8、)一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了 8104 J 的功,气体的内能减少了 1.2105 J,则根据热力学第一定律,下列各式中正确的是( )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 因为外界对气体做功,W取正值,即W8104 J;气体的内能减少,U取负值,即 U1.2105 J;根据热力学第一定律 UWQ,可知QUW1.2105 J8104 J2105 J,即 B 选项正确2(热力学第一定律)如图 2 所示,
9、某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中设水温均匀且恒定,筒内空气无泄漏,不计气体分子间的相互作用,则被淹没的金属筒在缓缓下降过程中,筒内空气体积减小,空气一定( )图 2A从外界吸热 B内能增大C向外界放热 D内能减小答案 C解析 由于不计气体分子之间的相互作用,且整个过程缓慢进行,所以可看成温度不变,即气体内能不变,选项 B、D 均错;由热力学第一定律 UWQ,因为在下降过程中气体体积减小,外界对气体做了功,式中W取正号,U0,所以Q为负,即气体向外放热,故选项 A 错,C 对3(能量守恒定律)下面设想符合能量守恒定律的是( )A利用永久磁铁间的作用力,造一台永远转动的机械B做一条船,利用流水
10、的能量逆水行舟C通过太阳照射飞机,即使飞机不带燃料也能飞行D利用核动力,驾驶地球离开太阳系5答案 BCD解析 利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能,但由于摩擦力的不可避免性,动能最终转化为内能使转动停止,故 A 不符合让船先静止在水中,设计一台水力发电机使船获得足够电能,然后把电能转化为船的动能使船逆水航行;同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性,使光能转化为飞机的动能,实现飞机不带燃料也能飞行,故 B、C 符合;利用反冲理论,以核动力为能源,使地球获得足够大的能量,挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系,故 D 符合4. (热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)如图 3 是用导热性能良好
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