人教版高中物理选修3-3 学案第十章 热力学定律 第3节 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选修3-3 学案第十章 热力学定律 第3节 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 109.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-11 12:07:25 | ||
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文档简介
第3节 热力学第一定律 能量守恒定律
1．理解热力学第一定律，能应用热力学第一定律分析和解决实际问题。
2．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。
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
1．功和热：做功和热传递这两种方法在改变内能方面是等效的，即一定数量的功与确定数量的热相对应。
2．内容：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．数学表达式：ΔU＝Q＋W。
二、能量守恒定律
1．大量事实证明：各种形式的能可以相互转化，并且在转化过程中总量不变。
2．能量守恒定律：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。
3．定律表明
(1)各种形式的能可以互相转化。
(2)各种互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1．第一类永动机：它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功。
2．失败原因：违背了能量守恒定律。
判一判
(1)对物体做功，其内能必定改变；物体向外传出一定热量，其内能必定改变。( )
(2)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。( )
(3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( )
提示：(1)× (2)× (3)√
课堂任务 热力学第一定律
对热力学第一定律的理解
1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了做功和热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时热量的单位统一为国际单位制中的焦耳。
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
3．几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，外界对物体所做的功等于物体内能的增量。
(2)若过程中不做功，即W＝0，物体吸收的热量等于物体内能的增量。
(3)若过程中的始末状态的内能不变，则做的功和吸收的热量的数值一定是相同的。
例1 (1)一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J 的热量，内能增加了4.2×105 J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？
(2)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.3×105 J，则气体的内能怎样变化？
[规范解答] (1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，知Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J。由ΔU＝W＋Q，
则W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J。
W＞0，说明是外界对气体做了功。
(2)Q＝3.5×105 J，W＝－2.3×105 J，
则ΔU＝Q＋W＝1.2×105 J，
ΔU为正值，说明气体的内能增加1.2×105 J。
[完美答案] (1)外界对气体做功 1.6×105 J
(2)增加了1.2×105 J
1.应用热力学第一定律时的注意事项
(1(应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2(应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义。
2.热力学第一定律综合应用技巧
热力学定律的考查一般与气体状态方程相综合，要抓住气体体积增大时，气体对外界做正功，体积减小时，外界对气体做正功的关键点。
关于物体内能的变化，以下说法中正确的为( )
A．物体吸收热量，内能一定增大
B．物体对外做功，内能一定减小
C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
答案 C
解析 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体的内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)这两种因素有关。物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错误；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，B错误；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，故C正确；因放热和对外做功都会使物体内能减小，故D错误。
如图所示，一导热汽缸放在水平面上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，已知汽缸高度为h，开始活塞在汽缸中央，初始温度为t摄氏度，活塞面积为S，大气压强为p0。物体重力为G，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞上升Δx，封闭气体吸收了Q的热量，(汽缸始终未离开地面)求：
(1)环境温度升高了多少度？
(2)气体的内能的变化量。
答案 (1)·(273＋t) (2)Q－(p0S－G)Δx
解析 对活塞受力分析可知气体做等压变化，气体对外做功是气体的压力做功。
(1)活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖—吕萨克定律可知：＝，其中V＝Sh，ΔV＝ΔxS，解得Δt＝ΔT＝·(273＋t)。
(2)设汽缸内压强为p，由平衡条件得：pS＝p0S－G，
封闭气体对外做功：W＝pSΔx＝(p0S－G)Δx，
由热力学第一定律得：
ΔU＝Q＋(－W)＝Q－(p0S－G)Δx。
课堂任务 能量守恒定律
1．能量的存在形式及相互转化
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，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
2．能量守恒定律的适用范围和重要意义
(1)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程，它是一切自然现象都遵守的基本规律。
(2)能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、达尔文的进化论并称19世纪自然科学的三大发现，其重要意义由此可见。
3．第一类永动机不可能制成
(1)第一类永动机：人们设想中不消耗能量的机器。
(2)第一类永动机的设想，由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。
例2 水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m。若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率。(g取10 m/s2)
[规范解答] 水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。
每秒钟流下的水的质量为：
m＝ρV＝1×103×6000 kg＝6×106 kg。
每秒钟水减少的机械能为：
E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J。
设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：
Eη＝Pt。
解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109 W。
[完美答案] 1.5×109 W
应用能量守恒定律解题的方法步骤
(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化。
(2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。
(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增
①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等。
②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等。
(4)代入数据，计算结果。
一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时汽车的功率为P，已知汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)，现油箱中还有质量为m的汽油，则汽车还能行驶多远？(设汽车的质量为M)
答案 ＋
解析 先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速运动的时间，便可求出还能匀速行驶的距离，再由动能定理求出减速行驶的距离。
汽油燃烧放出的能量：E＝qm。
设汽车匀速行驶x1，需要的能量E′＝Pt＝P。
而E′＝ηE，设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知－Ff·x2＝－Mv2。
又P＝Ff·v，汽车行驶的距离：x＝x1＋x2。
以上各式联立解得：x＝＋。
1．理解热力学第一定律，能应用热力学第一定律分析和解决实际问题。
2．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。
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
1．功和热：做功和热传递这两种方法在改变内能方面是等效的，即一定数量的功与确定数量的热相对应。
2．内容：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．数学表达式：ΔU＝Q＋W。
二、能量守恒定律
1．大量事实证明：各种形式的能可以相互转化，并且在转化过程中总量不变。
2．能量守恒定律：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。
3．定律表明
(1)各种形式的能可以互相转化。
(2)各种互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1．第一类永动机：它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功。
2．失败原因：违背了能量守恒定律。
判一判
(1)对物体做功，其内能必定改变；物体向外传出一定热量，其内能必定改变。( )
(2)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。( )
(3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( )
提示：(1)× (2)× (3)√
课堂任务 热力学第一定律
对热力学第一定律的理解
1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了做功和热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时热量的单位统一为国际单位制中的焦耳。
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
3．几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，外界对物体所做的功等于物体内能的增量。
(2)若过程中不做功，即W＝0，物体吸收的热量等于物体内能的增量。
(3)若过程中的始末状态的内能不变，则做的功和吸收的热量的数值一定是相同的。
例1 (1)一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J 的热量，内能增加了4.2×105 J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？
(2)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.3×105 J，则气体的内能怎样变化？
[规范解答] (1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，知Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J。由ΔU＝W＋Q，
则W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J。
W＞0，说明是外界对气体做了功。
(2)Q＝3.5×105 J，W＝－2.3×105 J，
则ΔU＝Q＋W＝1.2×105 J，
ΔU为正值，说明气体的内能增加1.2×105 J。
[完美答案] (1)外界对气体做功 1.6×105 J
(2)增加了1.2×105 J
1.应用热力学第一定律时的注意事项
(1(应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2(应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义。
2.热力学第一定律综合应用技巧
热力学定律的考查一般与气体状态方程相综合，要抓住气体体积增大时，气体对外界做正功，体积减小时，外界对气体做正功的关键点。
关于物体内能的变化，以下说法中正确的为( )
A．物体吸收热量，内能一定增大
B．物体对外做功，内能一定减小
C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
答案 C
解析 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体的内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)这两种因素有关。物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错误；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，B错误；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，故C正确；因放热和对外做功都会使物体内能减小，故D错误。
如图所示，一导热汽缸放在水平面上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，已知汽缸高度为h，开始活塞在汽缸中央，初始温度为t摄氏度，活塞面积为S，大气压强为p0。物体重力为G，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞上升Δx，封闭气体吸收了Q的热量，(汽缸始终未离开地面)求：
(1)环境温度升高了多少度？
(2)气体的内能的变化量。
答案 (1)·(273＋t) (2)Q－(p0S－G)Δx
解析 对活塞受力分析可知气体做等压变化，气体对外做功是气体的压力做功。
(1)活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖—吕萨克定律可知：＝，其中V＝Sh，ΔV＝ΔxS，解得Δt＝ΔT＝·(273＋t)。
(2)设汽缸内压强为p，由平衡条件得：pS＝p0S－G，
封闭气体对外做功：W＝pSΔx＝(p0S－G)Δx，
由热力学第一定律得：
ΔU＝Q＋(－W)＝Q－(p0S－G)Δx。
课堂任务 能量守恒定律
1．能量的存在形式及相互转化
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，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
2．能量守恒定律的适用范围和重要意义
(1)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程，它是一切自然现象都遵守的基本规律。
(2)能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、达尔文的进化论并称19世纪自然科学的三大发现，其重要意义由此可见。
3．第一类永动机不可能制成
(1)第一类永动机：人们设想中不消耗能量的机器。
(2)第一类永动机的设想，由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。
例2 水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m。若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率。(g取10 m/s2)
[规范解答] 水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。
每秒钟流下的水的质量为：
m＝ρV＝1×103×6000 kg＝6×106 kg。
每秒钟水减少的机械能为：
E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J。
设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：
Eη＝Pt。
解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109 W。
[完美答案] 1.5×109 W
应用能量守恒定律解题的方法步骤
(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化。
(2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。
(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增
①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等。
②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等。
(4)代入数据，计算结果。
一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时汽车的功率为P，已知汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)，现油箱中还有质量为m的汽油，则汽车还能行驶多远？(设汽车的质量为M)
答案 ＋
解析 先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速运动的时间，便可求出还能匀速行驶的距离，再由动能定理求出减速行驶的距离。
汽油燃烧放出的能量：E＝qm。
设汽车匀速行驶x1，需要的能量E′＝Pt＝P。
而E′＝ηE，设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知－Ff·x2＝－Mv2。
又P＝Ff·v，汽车行驶的距离：x＝x1＋x2。
以上各式联立解得：x＝＋。