2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律課件 新人教版選修3-3.ppt

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3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律 一 熱力學(xué)第一定律1 改變內(nèi)能的方式 它們的區(qū)別和聯(lián)系 改變內(nèi)能的兩種方式 做功與熱傳遞 聯(lián)系 兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的 一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對應(yīng) 區(qū)別 做功是內(nèi)能與其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化 而熱傳遞只是不同物體 或一個物體的不同部分 之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移 2 熱力學(xué)第一定律的內(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 3 熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式 U Q W 二 能量守恒定律1 內(nèi)容 能量既不會憑空產(chǎn)生 也不會憑空消失 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)化或轉(zhuǎn)移的過程中 能量的總量保持不變 2 意義 1 能量守恒定律告訴我們 各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化 2 各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象 力學(xué)的 熱學(xué)的 電學(xué)的 磁學(xué)的 光學(xué)的 化學(xué)的 生物學(xué)的等可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起 三 永動機不可能制成閱讀教材第55 56頁 永動機不可能制成 部分 知道什么是第一類永動機 了解第一類永動機不可能制成的原因 1 第一類永動機 人們設(shè)想中的不需要任何動力或燃料 卻能不斷地對外做功的機器 2 第一類永動機不可制成的原因 違背了能量守恒定律 自我檢測1 判斷正誤 對的畫 錯的畫 1 某個物體的能量減少 必然有其他物體的能量增加 解析 能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移 在轉(zhuǎn)移的過程中能量守恒 答案 2 石子從空中落下 最后停止在地面上 說明機械能消失了 解析 石子在下落過程中 機械能在轉(zhuǎn)化 但機械能并沒有消失 而是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量 答案 3 自由擺動的秋千擺動的幅度越來越小 減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但總能量守恒 解析 秋千在擺動過程中 機械能轉(zhuǎn)化為秋千和周圍空氣的內(nèi)能 但總能量守恒 答案 4 違背能量守恒定律的過程是一定不會發(fā)生的 解析 能量守恒定律是自然界普遍遵守的定律 在所有能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中 總能量不變 答案 2 探究討論 1 氣體膨脹對外做功120J 同時從外界吸收100J的熱量 它的內(nèi)能的變化是多少 答案 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U W Q 120J 100J 20J 所以減小20J 2 下面的永動機能實現(xiàn)嗎 答案 不能 違反了能量守恒定律 3 熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律是什么關(guān)系 答案 能量守恒定律是各種形式的能相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程 總能量保持不變 它包括各個領(lǐng)域 其范圍廣泛 熱力學(xué)第一定律是物體內(nèi)能與其他形式的能之間的相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移 是能量守恒定律的具體體現(xiàn) 探究一 探究二 熱力學(xué)第一定律問題探究1 如圖甲所示 該實驗為做機械功改變系統(tǒng)狀態(tài)的焦耳實驗 該實驗是一個與外界沒有熱量交換的實驗 如果外界對物體做的功為W 物塊重力所做的功 則它的內(nèi)能怎樣改變 變化了多少 要點提示一個物體 如果它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量 那么外界對它做功為W 內(nèi)能增加量為W 探究一 探究二 2 如圖乙所示為做電功改變系統(tǒng)狀態(tài)的實驗 該系統(tǒng)沒有外界對其做功 如果電流對液體做的功 電阻發(fā)熱 為Q 它的內(nèi)能怎樣變化 變化了多少 要點提示如果外界沒有對系統(tǒng)做功 當(dāng)物體從外界吸收熱量Q 則內(nèi)能的增加量為Q 3 如果某一過程中 物體跟外界同時發(fā)生了做功和熱傳遞 那么 該物體內(nèi)能的變化 U與熱量Q及做的功W之間又滿足怎樣的關(guān)系呢 要點提示 U W Q 該式表示的是功 熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系 在物理學(xué)中叫做熱力學(xué)第一定律 探究一 探究二 知識歸納1 熱力學(xué)第一定律的意義熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的 而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系 此定律是標(biāo)量式 應(yīng)用時熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳 2 熱力學(xué)第一定律的符號法則 探究一 探究二 3 幾種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加 2 若過程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加 3 若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 U 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 判斷外界是否對氣體做功的方法一般情況下外界對氣體做功與否 需看氣體的體積是否變化 1 若氣體體積增大 表明氣體對外界做功 W0 探究一 探究二 典例剖析 例題1 若將氣泡內(nèi)的氣體視為理想氣體 氣泡從湖底緩慢上升到湖面的過程中 對外界做了0 6J的功 設(shè)湖水的溫度相等且保持不變 1 氣泡上升過程中吸收的熱量是多少 2 氣泡到達(dá)湖面后 由于太陽的照射 在溫度上升的過程中又對外界做了0 1J的功 同時吸收了0 3J的熱量 則此過程中 氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了多少 思考問題 湖水溫度不變 說明了什么 提示氣泡由湖底上升到水面過程中氣體內(nèi)能不變 探究一 探究二 解析 1 氣體溫度不變 內(nèi)能不變 由熱力學(xué)第一定律 U Q W 則Q U W 0 0 6J 0 6J 2 由熱力學(xué)第一定律得 U Q W 0 3J 0 1J 0 2J 內(nèi)能增加0 2J 答案 1 0 6J 2 0 2J應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法 1 首先應(yīng)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 U Q W列出方程進(jìn)行求解 4 特別注意的就是物理量的正負(fù)號及其物理意義 探究一 探究二 變式訓(xùn)練1一定質(zhì)量的氣體 在從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的過程中 吸收熱量280J 并對外做功120J 試問 1 這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化 2 如果這些氣體又返回到原來的狀態(tài) 并放出了240J熱量 那么在返回的過程中是氣體對外界做功 還是外界對氣體做功 做功多少 解析 1 由熱力學(xué)第一定律得 U W Q 280J 120J 160J 內(nèi)能增加了160J 2 U U 160J Q 240J 由熱力學(xué)第一定律得 W U Q 160J 240J 80J 即外界對氣體做了80J的功 答案 1 內(nèi)能增加了160J 2 外界對氣體做功80J 探究一 探究二 能量守恒定律問題探究1 不耗油的汽車能不能制成 為什么 不消耗能量的汽車呢 要點提示前者能制成而后者不能制成 這是因為可以用太陽能 電能等能源代替石油能源制造出太陽能汽車 電動汽車等 但是不消耗任何能量的汽車不可能制成 因為它違背能量守恒定律 探究一 探究二 2 如圖所示是18世紀(jì)人們發(fā)明的各種不同形式的 永動機 現(xiàn)在這些 永動機 只能在博物館中看到了 警示人們不要再做這方面的工作 試分析 永動機 不能成功的原因 要點提示永動機違背了能量守恒定律 探究一 探究二 知識歸納1 能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應(yīng)的能 機械運動有機械能 分子的熱運動有內(nèi)能 還有諸如電磁能 化學(xué)能 原子能等 各種形式的能 可以相互轉(zhuǎn)化 例如 利用電爐取暖或燒水 電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 煤燃燒 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 列車剎車后 輪子溫度升高 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等 2 能量守恒的條件與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的 例如 物體的機械能守恒 必須是只有重力做功 而能量守恒定律是沒有條件的 它是一切自然現(xiàn)象都普遍遵守的基本規(guī)律 探究一 探究二 3 能量守恒定律的重要意義 1 找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度 能量 從而把各種自然現(xiàn)象用能量的規(guī)律聯(lián)系起來 揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性 2 突破了人們關(guān)于物質(zhì)運動的認(rèn)識范圍 從本質(zhì)上表明了各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性 能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍 它是物理學(xué)中解決問題的重要思維方法 能量守恒定律與細(xì)胞學(xué)說 生物進(jìn)化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn) 由此可見其重要意義 3 具有重大實踐意義 即徹底粉碎了永動機的幻想 探究一 探究二 4 能量守恒定律中的 轉(zhuǎn)化 和 轉(zhuǎn)移 1 某種形式的能量減少 一定有其他形式的能量增加 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 探究一 探究二 典例剖析 例題2 如圖所示為沖擊擺實驗裝置 一質(zhì)量為m的子彈以v0射入質(zhì)量為M的沙箱后與沙箱合為一體 共同擺起一定高度h 則整個過程中子彈和沙箱由于相互作用所產(chǎn)生的內(nèi)能為多少 不計空氣阻力 探究一 探究二 能量守恒定律的應(yīng)用方法應(yīng)用能量守恒定律解決問題時 首先應(yīng)明確題目中涉及了哪幾種形式的能量 然后分析哪種形式的能量增加 哪種形式的能量減少 確定了研究的系統(tǒng)后 用能量守恒的觀點即可求解 探究一 探究二 變式訓(xùn)練2一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a沿abc變化到狀態(tài)c 吸收了340J的熱量 并對外做功120J 若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時 對外做功40J 則這一過程中氣體 選填 吸收 或 放出 J熱量 探究一 探究二 解析 對該理想氣體由狀態(tài)a沿abc變化到狀態(tài)c 由熱力學(xué)第一定律可得 U Q W 340J 120J 220J 即從a狀態(tài)到c狀態(tài) 理想氣體的內(nèi)能增加了220J 若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時 對外做功40J 此過程理想氣體的內(nèi)能增加還是220J 所以可以判定此過程是吸收熱量 再根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得 U Q W 得Q U W 220J 40J 260J 答案 吸收260J 1 2 3 4 5 1 在熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式 U W Q中 關(guān)于 U W Q各個物理量的正 負(fù) 下列說法正確的是 A 外界對物體做功時W為正 吸熱時Q為負(fù) 內(nèi)能增加時 U為正B 物體對外界做功時W為負(fù) 吸熱時Q為正 內(nèi)能增加時 U為負(fù)C 物體對外界做功時W為負(fù) 吸熱時Q為正 內(nèi)能增加時 U為正D 外界對物體做功時W為負(fù) 吸熱時Q為負(fù) 內(nèi)能增加時 U為負(fù)解析 根據(jù)公式 U W Q中的符號法則知選項C正確 答案 C 1 2 3 4 5 2 一定量的氣體膨脹對外做功100J 同時對外放熱40J 氣體內(nèi)能的增量 U是 A 60JB 60JC 140JD 140J解析 由熱力學(xué)第一定律得 U W Q 100J 40J 140J C項正確 答案 C 1 2 3 4 5 3 第一類永動機是不可能制成的 這是因為 A 不符合機械能守恒定律B 做功產(chǎn)生的熱量不符合熱功當(dāng)量C 違背了能量守恒定律D 找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案解析 第一類永動機違背了能量守恒定律 所以是不可能制成的 故選項C正確 答案 C 1 2 3 4 5 4 下列對能量守恒定律的認(rèn)識不正確的是 A 某種形式的能量減少 一定存在其他形式的能量增加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 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 說明機械能消失了解析 選項A是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的 選項B是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移 選項C中任何永動機都是不可能制成的 它違背了能量守恒定律 選項D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 只是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量 答案 D 1 2 3 4 5 5 噴霧器內(nèi)有10L水 上部封閉有1atm的空氣2L 關(guān)閉噴霧閥門 用打氣筒向噴霧器內(nèi)再充入1atm的空氣3L 設(shè)外界環(huán)境溫度一定 空氣可看作理想氣體 1 當(dāng)水面上方氣體溫度與外界溫度相等時 求氣體壓強 并從微觀上解釋氣體壓強變化的原因 2 打開噴霧閥門 噴霧過程中封閉氣體可以看成等溫膨脹 此過程氣體是吸熱還是放熱 簡要說明理由 1 2 3 4 5 解析 1 設(shè)氣體初態(tài)壓強為p1 體積為V1 末態(tài)壓強為p2 體積為V2 由玻意耳定律p1V1 p2V2代入數(shù)據(jù)得p2 2 5atm微觀解釋 溫度不變 分子平均動能不變 單位體積內(nèi)分子數(shù)增加 所以壓強增加 2 吸熱 氣體對外做功而內(nèi)能不變 根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知氣體吸熱 答案 1 2 5atm 2 吸熱