2019年物理粤教选修3-3学案 第三章+第一节+内能+功+热量+Word版含解析

第一节内能__功__热量
1．从宏观上看，物体的内能与物体的温度和体积都有关系。从微观看，温度升高，分子平均动能增加，因而物体的内能增加，体积变化时，分子势能变化，因而物体的内能发生变化。
2．做功可以改变物体的内能，若物体与外界无热量交换，外界对物体做功，物体内能增加，物体对外界做功，物体内能减少，且做功的多少等于物体内能的变化。
3．热传递也可以改变物体的内能。高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体，若热传递过程中没有做功过程，低温物体吸收的热量等于它内能的增加，高温物体放出的热量等于它内能的减少。
4．做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但它们的实质不同，做功对应的是其他形式的能与内能的相互转化，热传递是物体间内能的转移。
5．焦耳通过实验测定了机械功与所产生的热量之间的关系，称为热功当量，它等于4.18 J·cal－1。
功和内能
1.实验探究
(1)实验一：如图1所示，迅速压下活塞可以使厚壁玻璃筒内浸有乙醚的棉花燃烧。
图1
(2)实验二：如图2所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数， 打开卡子，胶塞冲出容器口后，温度计示数明显变小。
图2
(3)实验结论：压缩气体对气体做功，气体温度升高，内能增加；气体对外做功，气体温度降低，内能减小。气体被压缩或膨胀做功，气体的内能发生变化。
2．对功和内能关系的理解
(1)内能与内能变化的关系：
①物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和。因此物体的内能是一个状态量。
②当物体温度变化时，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关。
(2)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。
(3)功和内能的区别：
①功是过程量，内能是状态量。
②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。
③物体的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化较大时，对应着做功较多
(1)设初态内能为U1，末态内能为U2，内能的变化量为ΔU，ΔU＝U2－U1，ΔU>0，内能增加；ΔU<0，内能减少。
(2)在绝热过程中ΔU＝W。
1．[多选]改变物体的内能的下列方式中，属于做功的方式的是(　　)
A．搓搓手会感到手暖和些
B．汽油机汽缸内被压缩的气体
C．车刀切下的炽热铁屑
D．物体在阳光下被晒热
解析：选ABC　搓手时克服摩擦力做功，机械能转化为内能；汽缸压缩气体，对气体做功；车刀切削钢件，克服摩擦力做功，机械能转化为内能，使切下的铁屑温度升高，都是通过做功使物体的内能发生改变。物体在阳光下被晒热，不属于做功的方式。
热和内能
1.热传递
(1)定义：高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体，这种没有做功而使物体内能改变的现象称为热传递。
(2)方式：热传导、热对流、热辐射。
(3)条件：存在温度差。
2．热量(Q)
是热传递过程中物体内能变化的量度。
3．热传递改变物体内能的实质
内能从一个物体转移到另一个物体或者从一个物体的高温部分转移到低温部分，在这个没有做功的过程中，吸收热量的物体内能增加，放出热量的物体内能减少，内能的变化由热量来量度，即ΔU＝Q。
4．温度、内能、热量和功的比较
概念
含义
区别和联系
温度
表示物体冷热程度的物理量，是物体分子平均动能的标志，是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义
(1)温度和内能是状态量，热量和功是过程量，就某一状态而言只有内能，而无“热量”和“功”
(2)热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，其实质是内能的转移
(3)可以利用做功和热传递来改变物体的内能
内能
物体内所有分子的动能和势能的总和，是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能
热量
热量是热传递过程中内能的改变量，用来量度热传递过程中内能转移的多少
功
做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程
(1)做功和热传递均能改变物体的内能，仅从内能的改变上无法知道系统用的做功还是热传递方式使其内能发生变化的，因此，做功和热传递在改变物体内能上是等效的。
(2)热传递改变物体内能的过程是物体间内能的转移，做功对应的是其他形式的能与内能的转化过程。
2．下列关于内能与热量的说法中，正确的是(　　)
A．马铃薯所含热量高
B．内能越大的物体热量也越多
C．热量总是从内能大的物体流向内能小的物体
D．热量总是从温度高的物体流向温度低的物体
解析：选D　选项A是一种很常见的说法，在日常生活中似无须计较，但从物理学的角度来看，却有不妥，热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，选项A错；说法B与说法A存在相同的错误，此外，物体的内能与热量之间，在数量上没有必然联系，选项B错；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们的内能无关，选项C错。
做功和内能的变化
[例1]　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。现对活塞施以一竖直向下的压力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，压强减小，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
[解析]　由于F对密闭的气体做功，容器及活塞绝热，所以Q＝0，由功和内能的关系知理想气体内能增大，T升高，再根据＝C，V减小，p增大，选项C正确。
[答案]　C
借　题　
发　挥
解决这类问题，应把握以下两点：
(1)改变内能的决定因素，内能是宏观物理量，属于整个物体。
(2)做功与内能改变的关系。
对内能、功和热量的理解
[例2]　物体的内能增加了20 J，下列说法中正确的是(　　)
A．一定是外界对物体做了20 J的功
B．一定是物体吸收了20 J的热量
C．一定是物体分子动能增加了20 J
D．物体分子的平均动能可能不变
[解析]　做功和热传递都可以改变物体内能，物体内能改变20 J，其方式是不确定的，因此A、B错误；物体内能包括所有分子的平均动能和分子势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能三者决定，故C错误。
[答案]　D
借　题
发　挥
(1)温度、热量、功、内能是热学中的重要概念，是高考考查的重点，正确理解这几个概念间的区别与联系，是解决这类问题的关键。
(2)理解概念时要特别注意：
①温度不能“传”，热量不能“含”
②吸热不一定升温(如：晶体的熔化、水的沸腾)。
③升温不一定吸热(也可以通过做功实现)。
④引起内能的变化可能是做功、可能是热传递也可能是两个方面共同引起。
1．[多选]用下述方法改变物体的内能，属于做功的方式是(　　)
A．在阳光的照射下，水的温度升高
B．用磨刀石磨刀时，刀发热
C．用电热器烧水
D．用天然气烧水
解析：选BC　A项是热传递中的辐射，B中是摩擦力做功，C中是电流做功，D中是燃料燃烧把内能转移给水，故B、C正确。
2.如图所示，把浸有乙醚的一小团棉花放在厚玻璃筒的底部，当很快地向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验目的是要说明(　　)
A．做功可以增加物体的热量
B．做功一定升高物体的温度
C．做功可以改变物体的内能
D．做功一定可以增加物体的内能
解析：选C　迅速向下压活塞，实际上是在对玻璃气筒内的气体做功，由于是迅速向下压筒内的气体，做功时间极短，因此实验过程可认为是绝热过程(即Q＝0)。乙醚达到燃点而燃烧表明气体温度升高内能增大，这说明做功可以改变物体的内能。
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．在热传递过程中，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．热量是热传递过程中内能转移的量度
解析：选D　物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故A、B错；在热传递过程中，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项错；关于热量的论述，D项是正确的。
4．关于热传递，下列说法正确的是(　　)
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在温度差，才能发生热传递
C．热传递可以在任何情况下发生
D．热传递是内能大的传给内能小的
解析：选B　热传递的实质是内能的转移，不是传递温度，A错误；热传递是内能从高温物体传递到低温物体，必须存在温差，B正确，C错误；内能是物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，内能大的不一定是高温物体，D错误。
5．[多选]关于改变物体的内能，下列说法正确的是(　　)
A．做功和热传递是改变物体内能的两种本质不同的物理过程
B．外界对物体做功，物体的内能一定增大
C．物体对外界放热，物体的内能一定增大
D．热量是在热传递中，从一个物体向另一个物体或物体的一部分向另一部分转移内能的多少
解析：选AD　做功和热传递是改变物体内能的两种本质不同的方法，做功的过程是不同形式的能相互转化的过程，而热传递是同种形式的能(内能)在物体间或物体的各部分间的转移，A正确；物体内能的变化取决于做功和热传递两种途径，单凭一方面不足以判断其内能的变化，B、C错误；根据热量的概念可知D正确。
6．[多选]关于内能和机械能，下面说法正确的是(　　)
A．机械能越大的物体，其内能也越大
B．当物体的机械能发生变化时，其内能也发生变化
C．任何物体都有内能，但物体机械能可以为零
D．两物体发生滑动摩擦时，机械能减小，内能增大
解析：选CD　内能和机械能是两种不同形式的能，无必然联系，A、B错误；由内能和机械能的概念可知任何物体都有内能，但可以无机械能，C正确；两物体发生滑动摩擦时，机械能转化为内能，即摩擦生热，D正确。
7．[多选](山东高考)如图，内壁光滑、导热良好的气缸中用活塞封闭有一定质量的理想气体。当环境温度升高时，缸内气体(　　)
A．内能增加
B．对外做功
C．压强增大
D．分子间的引力和斥力都增大
解析：选AB　根据一定质量的某种理想气体的内能只决定于温度，处在导热气缸中的理想气体由于外界环境温度升高，理想气体的内能要增大，所以选项A正确；再根据理想气体的状态方程：＝C可知，气体压强不变，当温度升高时，体积要增大，因此气体要对外做功，所以选项B正确，C错误；理想气体没有分子间的相互作用力，因此分子间的作用力始终为零，故D选项错误。
8．采用绝热(即不交换热量)的方式使一定量的气体由初态A变化至终态B，对于不同的绝热方式，下列说法正确的是(　　)
A．对气体所做的功也不同
B．对气体所做的功都相同
C．对气体不需做功，因为没有热量的传递
D．以上三种说法都不对
解析：选B　绝热过程ΔU＝W，这里气体的状态由初态A变到终态B，由于A，B两状态确定，所以不论采用什么绝热方式，初态A的内能有一确定值UA，终态B的内能也有确定值UB，故W＝UB－UA为恒量，故B项正确。
9．[多选]如图所示为焦耳实验装置简图，用绝热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
解析：选AC　可通过重力做功与水温升高吸收的热量，测定热功当量，做功增加了水的内能，而热量只是热传递过程中内能改变的量度，所以功与热量是不同的。故选A、C。
10.如图所示，固定容器以及可动活塞P都是绝热的，中间有一个导热的可动隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙，现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在P移动的过程中(　　)
A．甲的内能不变、乙的内能不变
B．甲的内能增加，乙的内能不变
C．甲的内能增加，乙的内能增加
D．隔板B与活塞P移动的距离相等
解析：选C　隔板B固定且导热，当活塞向B移动的过程中，外力做功，气体乙的内能增加，温度升高，乙通过导热板B向气体甲传递热量，因此甲的内能增加，因此选项C正确，选项A、B错误，乙的内能增加体积应减小，所以P移动的距离大于B移动的距离，D错误。
11．[多选]一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则(　　)
A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量
B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量
C．达到热平衡时，铜块的温度T＝
D．达到热平衡时，两者的温度相等
解析：选AD　一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止．而热量是热传递过程中内能的变化量，所以选项A和D都正确，选项B错误。
根据热平衡方程c铜m(T1－T)＝c铁m(T－T2)，解得T＝，由此可知选项C是错误的。
12.如图所示的容器中，A、B各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水，上面大气压恒定，A 、B的底部由带阀门的管道相连，整个装置绝热。原先A中的水面比B中的高，打开阀门，A中的水向B流动，最后达到平衡，在这个过程中(　　)
A．水的内能不变　　　　　　 B．水的内能减小
C．水的内能增大 D．无法判断
解析：选C　打开阀门，水的重心降低，重力对水做正功，系统又绝热，故水的内能增大，C正确。
13.如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度大，B的密度较小，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热Q，气体内能增量为ΔE，则(　　)
A．ΔE＝Q B．ΔEC．ΔE>Q D．无法比较
解析：选C　抽去隔板前，A、B气体的整体重心在中线以上，抽去隔板待气体混合均匀后，重心恰好在中线上，系统的重力势能减少，由能量守恒定律知，减少的重力势能与内能发生转化而使得内能增加，吸收的热量也使得内能增加，则气体内能的增量大于气体所吸收的热量。
14．某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积S＝3.2 dm2的保温圆筒，内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg·℃)，地球半径为R＝6 400 km，试求出太阳向地球表面辐射能量的功率。
解析：太阳辐射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2 J≈3.7×103 J。
太阳光在1 s内垂直照射到1 m2面积上的功率P＝＝ J/(m2·s)≈6.4×102 J/(m2·s)。
太阳向地球表面辐射能量的功率
P′＝P·πR2＝6.4×102×3.14×(6 400×103)2 W≈8.2×1016 W。
答案：8.2×1016 W