高中物理 第4章 熱力學定律與能量守恒 4_1 熱力學第一定律 4_2 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程教師用書 滬科版選修3-3

《高中物理 第4章 熱力學定律與能量守恒 4_1 熱力學第一定律 4_2 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程教師用書 滬科版選修3-3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《高中物理 第4章 熱力學定律與能量守恒 4_1 熱力學第一定律 4_2 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程教師用書 滬科版選修3-3（9頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

4．1　熱力學第一定律 4．2　能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.掌握功與內能的關系，掌握熱量和內能的關系．(重點) 2．正確認識做功和熱傳遞在改變內能上是等效的，但本質是不同的． 3．知道熱力學第一定律的內容、公式，并能用其解決問題．(重點、難點) 4．了解第一類永動機及其不可能制成的原因． 5．知道能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的過程，體會自然界的統(tǒng)一性．(重點) 6．理解能量守恒定律的內涵及外延，并解釋自然現(xiàn)象．(重點、難點) 熱力學第一定律 1．做功和內能的改變 (1)絕熱過程 系統(tǒng)跟外界之間不發(fā)生熱交換，這時系統(tǒng)經(jīng)歷的過程叫做絕熱過程． (2)關系式 ΔU＝U2－U1＝W. 2．熱傳遞和內能的改變 (1)熱傳遞的三種方式 傳導、對流、輻射． (2)關系式 ΔU＝U2－U1＝Q. 3．熱力學第一定律 (1)改變物體內能的兩種方式 做功和熱傳遞． (2)物體內能的改變 ①如果物體與外界無熱傳遞，若外界對物體做功，則物體的內能增加；若物體對外做功，物體的內能減少． ②如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體吸收熱量時，它的內能增加；物體放出熱量時，它的內能減少． (3)熱力學第一定律 ①內容：物體內能的增加量ΔU，等于外界對物體所做的功W與物體從外界吸收的熱量Q之和． ②表達式：ΔU＝W＋Q. ③符號規(guī)則：物體從外界吸收熱量，外界對物體做功，則Q＞0，W＞0；反之Q＜0，W＜0；若ΔU＞0表示物體內能增加，ΔU＜0表示物體內能減小． ④意義：一個物體內能增加，必定有其他物體對它做功，或向它傳遞熱量．與此同時，對此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少等量的能量，而系統(tǒng)的總能量保持不變．在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中，能量可以發(fā)生轉移或轉化，在轉移或轉化過程中總能量守恒． 1．在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做多少功，內能就能增加多少．(√) 2．熱量一定從內能多的物體傳遞給內能少的物體．() 3．做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的．(√) 給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面．在緩慢放水的過程中，若車胎不漏氣且胎內氣體溫度不變，不計分子間的勢能，試分析氣體的吸、放熱情況． 圖411 【提示】　由于車胎內氣體溫度不變，故氣體分子的平均動能不變，內能不變．放水過程中氣體體積增大，對外做功，由熱力學第一定律可知，車胎內氣體吸熱． 1．改變內能的兩種方式的比較 (1)等效的理解 等效是指做功和熱傳遞在改變物體內能上可以取得相同的效果．兩種方式均可以改變物體的內能，如果我們不知道系統(tǒng)所經(jīng)歷的具體過程時，僅從內能的改變上無法區(qū)分系統(tǒng)所采用的是做功，還是熱傳遞方式使其內能發(fā)生變化的．所以做功和熱傳遞是等效的． (2)兩種方式的區(qū)別 比較項目 做功 熱傳遞 內能變化 外界對物體做功，物體的內能增加 物體對外界做功，物體的內能減少 物體吸收熱量，內能增加 物體放出熱量，內能減少 物理實質 其他形式的能與內能之間的轉化 不同物體間或同一物體不同部分之間內能的轉移 相互聯(lián)系 做一定量的功或傳遞一定量的熱在改變內能的效果上是相同的 (3)內能及內能的變化 ①內能是狀態(tài)量，物體的內能對應物體所處的狀態(tài)． ②內能的變化是過程量，通過做功和熱傳遞可以改變物體的內能，即做功和熱傳遞都是過程量． (4)內能、熱量、功的區(qū)別 ①就某一狀態(tài)而言，只有“內能”，根本不存在什么“熱量”和“功”，因此，不能說一個系統(tǒng)中含有“多少熱量”或“多少功”． ②一個物體內能的多少是無法測量的，但物體內能的變化是可以測量的． 2.對熱力學第一定律的理解 (1)熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能過程是等效的，而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系．此定律應用時各量的單位應統(tǒng)一． (2)對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定 符號 W Q ΔU ＋ 外界對物體做功 物體吸收熱量 內能增加 － 物體對外界做功 物體放出熱量 內能減少 (3)判斷是否做功的方法 一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化． ①若物體體積增大，表明物體對外界做功，W＜0； ②若物體體積變小，表明外界對物體做功，W＞0. 3．熱力學第一定律的應用應注意的問題 (1)在應用過程中應特別分清W、Q的正負號，以便準確地判斷ΔU的正、負． (2)幾種特殊情況： ①若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內能的增加． ②若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加． ③若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量． 4．第一類永動機的特點 不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器． 5．第一類永動機不可能制成 一切與熱現(xiàn)象有關的過程，能量一定守恒．第一類永動機本質上都是認為能量能夠無中生有地創(chuàng)造出來，這違背了熱力學第一定律，因而是不可能實現(xiàn)的． 1．關于物體的內能和熱量，下列說法中正確的有(　　) A．質量相等的熱水和冷水相比較，熱水的內能比冷水的內能多 B．溫度高的物體其熱量必定多，內能必定大 C．在熱傳遞過程中，內能大的物體其內能將減小，內能小的物體其內能將增大，直到兩物體的內能相等 D．在熱傳遞過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止 E．熱量是熱傳遞過程中內能轉移的量度 【解析】　物體的內能由溫度、體積及物體的質量決定，不是只由溫度決定，故A對、B錯；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內能大小無關，所以完全有可能是內能大的物體內能繼續(xù)增大，內能小的物體內能繼續(xù)減小，故C項錯、D項對；關于熱量的論述，E項是正確的． 【答案】　ADE 2．下列過程，可能發(fā)生的是(　　) 【導學號：35500040】 A．物體吸收熱量，對外做功，同時內能增加 B．物體吸收熱量，對外做功，同時內能減少 C．外界對物體做功，同時物體吸熱，內能減少 D．外界對物體做功，同時物體放熱，內能增加 E．物體對外界做功，同時物體放熱，內能增加 【解析】　根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，故由此可確定A、B、D正確，C、E錯誤． 【答案】　ABD 3．(2016西安高二檢測)一定質量的氣體從外界吸收了4.2105 J的熱量，同時氣體對外做了6105 J的功，問： (1)物體的內能是增加還是減少？變化量是多少？ (2)分子勢能是增加還是減少？ (3)分子的平均動能是增加還是減少？ 【解析】　(1)氣體從外界吸收的熱量為 Q＝4.2105 J 氣體對外做功W＝－6105 J 由熱力學第一定律 ΔU＝W＋Q＝(－6105 J)＋(4.2105 J) ＝－1.8105 J ΔU為負，說明氣體的內能減少了 所以，氣體內能減少了1.8105 J. (2)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了． (3)因為氣體內能減少，同時氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動能一定減少了． 【答案】　(1)減少　1.8105 J　(2)增加　 (3)減少 氣體狀態(tài)變化與物理量對應方法 (1)絕熱過程：氣體與外界沒有熱傳遞． (2)導熱良好：氣體與外界有熱交換，且與外界溫度保持相同． (3)體積減小，外界對氣體做功；體積增大(不是對真空膨脹)，氣體對外界做功． (4)溫度升高，理想氣體的內能增加；溫度降低，理想氣體的內能減少． 能量守恒定律 1．漫長的發(fā)現(xiàn)之路 (1)1800年，意大利科學家伏打發(fā)明“伏打電堆”，實現(xiàn)了化學運動與電運動之間的轉化． (2)1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，揭示了電與磁之間的聯(lián)系． (3)1821年，法拉第制成了“電磁旋轉器”，實現(xiàn)了電運動和機械運動之間的轉化． (4)邁爾觀點：體力和體熱必定來源于食物中的化學能，內能、化學能、機械能都是等價的，是可以相互轉化的，如果動物體的能量輸入與支出是平衡的，那么，所有這些形式的能在量上必定是守恒的． (5)焦耳的研究 ①確定了電能向內能轉化的定量關系． ②用了近40年的時間，不懈地鉆研熱功轉換問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(jù)． (6)亥姆霍茲的貢獻 從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程，揭示了它們之間的統(tǒng)一性． 2．能量守恒定律及其應用 (1)內容 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化為另一種形式，或者從一個系統(tǒng)(物體)轉移到另一個系統(tǒng)(物體)，在轉化和轉移的過程中其總量不變． (2)意義 揭示了自然科學各個分支之間的普遍聯(lián)系，是自然界內在統(tǒng)一性的第一個有力證據(jù)． (3)應用 ①各種形式的能可以相互轉化．但能量轉化過程中總伴有內能的損失． ②各種互不相關的物理現(xiàn)象，可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起． 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒．(√) 有一種所謂“全自動”機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去．這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？ 圖412 【提示】　這不是永動機．手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動．若將此手表長時間放置不動，它就會停下來． 1．自然界中能量的存在形式 物體運動具有機械能、分子熱運動具有內能、電荷具有電能、原子核內部的運動具有原子能等，可見，在自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應． 2．不同形式能量之間的轉化 “摩擦生熱”是通過克服摩擦做功將機械能轉化為內能；水壺中的水沸騰時水蒸汽對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內能轉化為機械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉化為內能，汽缸內燃油燃燒釋放的內能通過燃氣推動活塞做功而轉化為機械能等．這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉化，且這一轉化過程是通過做功來完成的． 3．太陽能的轉化 【說明】　自然界中各種形式的能量可以相互轉化，說明不同的運動形式也可以相互轉化． 4．對能量守恒定律的理解 (1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等． (2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等． (3)各種形式的能在轉化和轉移過程中總量守恒無需任何條件，而某種或幾種形式的能的守恒是有條件的．例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力做功． (4)意義：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認識到，任何一部機器，只要對外做功，都要消耗能量，都只能使能量從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體，而不能無中生有地創(chuàng)造能量．不消耗能量，卻可以源源不斷地對外做功的機器(第一類永動機)是不可能制成的． 4．下列對能量的轉化和守恒定律的認識正確的是(　　) A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加 B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加 C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器——第一類永動機是不可能制成的 D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了 E．汽車剎車而停止，汽車的動能消失了 【解析】　A選項是指不同形式的能量間的轉化，轉化過程中能量是守恒的，B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉移，轉移過程中能量是守恒的．這正好是能量守恒定律的兩個方面——轉化與轉移．第一類永動機是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，所以A、B、C正確；D選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不會創(chuàng)生，也不會消失，故D、E是錯誤的． 【答案】　ABC 5．說出下列過程中是什么能量轉化為內能． (1)物體沿粗糙斜面下滑 ； (2)變壓器發(fā)熱 ； (3)汽油機內氣體燃燒后變成高溫氣體 ； (4)車刀切下熾熱鐵屑 ． 【解析】　物體沿斜面下滑，克服摩擦力做功，機械能轉化為內能；電流通過變壓器線圈發(fā)熱，電能轉化為內能；氣體(燃料)燃燒后變成高溫氣體，化學能轉化為內能；車刀切下熾熱的鐵屑，克服摩擦力做功，機械能轉化為內能． 【答案】　(1)機械能——內能　(2)電能——內能 (3)化學能——內能　(4)機械能——內能 應用能量守恒定律的思路方法 (1)能量守恒的核心是總能量不變，因此在應用能量守恒定律時應首先分清系統(tǒng)中哪些能量在相互轉化，是通過哪些力做功實現(xiàn)的，這些能量分別屬于哪些物體，然后再尋找合適的守恒方程式． (2)在應用能量守恒定律分析問題時，應明確兩點： ①哪種形式的能量減少，哪種形式的能量增加． ②哪個物體的能量減少，哪個物體的能量增加．