鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第3章 章末综合提升word版含答案

[巩固层·知识整合]
[提升层·能力强化]
热力学第一定律与能量守恒
热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体表现形式．它给出了做功和热传递在改变物体内能上是等价的．
热力学第一定律揭示了内能的增量(ΔU)与外界对物体做的功(W)和物体从外界吸收的热量(Q)之间的关系，即ΔU＝W＋Q，正确理解公式的意义及符号的含义是解决本类问题的关键．
(1)外界对物体做功，W＞0；物体对外界做功，W＜0．
(2)物体从外界吸热，Q＞0；物体向外界放热，Q＜0．
(3)ΔU＞0，物体的内能增加；ΔU＜0，物体的内能减少．
解题思路：分析题干，确定改变内能的方式(W、Q)→判断W、Q的符号→代入公式ΔU＝W＋Q→得出结论
注意的问题
(1)只有绝热过程时Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能的变化．
(2)只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热、放热情况可判断内能的变化．
(3)若物体内能不变，即ΔU＝0，W和Q不一定等于零，而是W＋Q＝0，功和热量符号相反，大小相等，因此判断内能变化问题一定要全面考虑．
(4)对于气体，做功W的正负一般要看体积变化，气体体积缩小，W＞0；气体体积增加，W＜0．
【例1】　如图所示的圆柱形容器内用活塞密封一定质量的气体，已知容器横截面积为S．活塞重力为G，大气压强为p0．若活塞固定，密封气体温度升高1 ℃，需吸收的热量为Q1；若活塞不固定，且可无摩擦滑动，仍使密封气体温度升高1 ℃，需吸收的热量为Q2．
Q1和Q2哪个大些？气体在定容下的比热容与在定压下的比热容为什么会不同？
[解析]　设密闭气体温度升高1 ℃，内能的增量为ΔU，则有
ΔU＝Q1，
ΔU＝Q2＋W，
因气体体积膨胀，W＜0，故Q1由此可见，质量相等的同种气体，在定容和定压两种不同情况下，尽管温度变化相同，但吸收的热量不同，所以同种气体在定容下的比热容与在定压下的比热容是不同的．
[答案]　Q1＜Q2　见解析
[一语通关]　
应用热力学定律和能量守恒时的步骤
(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)列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增．
热力学第二定律及其应用
1．热力学第二定律的两种表述
(1)按照热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．这是热力学第二定律的克劳修斯表述．
(2)按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．这是热力学第二定律的开尔文表述．
2．热力学第二定律的微观意义
(1)一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
(2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．
3．分析问题的方法
(1)热力学第二定律的本质是对宏观自然过程进行方向的说明．
(2)凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．
(3)对热力学第二定律的各种表述都是等效的．
【例2】　(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
B．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
C．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机
D．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量等于向室外放出的热量
AB　[热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，如电冰箱要消耗电能，A对；空调机工作过程中，电流做功产生热，所以向室外放热多，从室内吸热少，B对，D错；单一热源的热机违反了热力学第二定律，C错．]
[培养层·素养升华]
“永动机”的历史和现实
大约在300多年前，有位德国博士奥尔菲留斯发明了一个“永动机”——自动轮．1717年，波兰国王把这位博士请到了波兰，并派了一位名叫格森·卡赛尔斯基的州长鉴定其真伪．这位州长为奥尔菲留斯创造了条件，把安装机器的房子与四周隔离．1717年11月12日，自动轮安装完毕，开始转动．州长亲自锁上了门，贴上了封条，派了两名卫兵昼夜看守这座房子．两周以后州长亲自启封开锁，看到轮子还在转动，于是再次上锁加封，又过了40天．1718年1月4日再次开封，轮子还在转．这位认真的州长还不放心，又观察了两个月，看到了轮子确实“永动”．于是州长就给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书，从此以后奥尔菲留斯名声大噪，他周游欧洲列国展出他的自动轮，卖票赚了许多钱，并得到各国大人物的褒奖和舆论界的赞扬．
消息传到俄国，彼得大帝对该发明极感兴趣，派了一位专使苏马赫找奥尔菲留斯谈判，想连人带机器买到俄国去．奥尔菲留斯开价是10万卢布！苏马赫向彼得大帝汇报了两个情况：一是他看到轮子真的不停地转，二是介绍了法国和英国学者的看法，他们无论如何也不相信“永动机”是真的，因为它从根本上是违背科学原理的．因此，彼得大帝迟迟未下决心用10万卢布的巨款去买这个自动轮，他想在1725年亲自去欧洲看看，但后来由于他去世了，终归没有看到这个“永动机”．
科学界一直认为这绝对是一个大骗局．他们并不买那位波兰州长的账．凭什么他用眼睛看看就认为是事实，就发什么鉴定证书，真是岂有此理．科学家们公开指责这是个大骗局，并且悬赏1 000马克给揭穿骗局的人．
最后骗局被博士先生的女仆揭穿了．原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转．轮子不是“永动”的，而是“人动”的．牵绳的人就是博士的弟弟和女仆．我们不知道那位女仆有没有得到1 000马克的赏金，但确实有人出了一本小册子，揭露了这个骗局，还公布了一张图，人们一看就会明白．
[设问探究]
1．各种永动机设计方案的失败，制造永动机美好梦想的破灭，对于每一个寻找永动机的人是一个不小的打击．但是，反思这一失败的探索过程，它从反面给人类以启迪，一些科学家从这一否定的结论中开始思考，提出这样一个问题：永动机不可能制成，是不是说明自然界存在着一条法则，它使我们不可能无中生有地获得能量？
2．有另外一种想象的永动机：一只圆轮，里面装着可以自由滚动的沉重的钢球，这位发明家的想法是，轮子一边的钢球，总比另外一边的离轮心远，因此，在它们的重力作用之下，一定要使轮子旋转不息．这个永动机的破绽在哪里？
提示：
1．自然界各种能量之间存在着一定的转化关系．这方面的思考是能量转化和守恒原理建立的线索之一．德国著名物理学家和生理学家亥姆霍兹(H． Helmholtz,1821－1894)就是从永动机不可能实现的这个事实入手研究发现能量转化和守恒原理的．
2．这只轮子看来虽然像真的是由于沉重钢球的滚动在旋转，但它实际上只是由一架隐蔽着的电动机来带动的，只要把电源关闭，立即停止转动．
[深度思考]
1．另外一种非常美妙的幻想，它并不违反能量转化和守恒原理．假如能把空气或海水里的热能，通过一种巧妙的机器，全部转化成我们所需要的机械功，这可以成为取之不尽、用之不竭的能源．为什么也不能实现？
2．追寻永动机的失败经历，可以给我们什么启示？
答案：
1．第一类永动机是无中生有产生能量，违背了热力学第一定律；第二类永动机虽然没有违背能量守恒定律，但有个未知的能量源不停地产生能量差，违背了热力学第二定律，所以同样不可能实现．
2．首先，失败的经历也有积极的科学研究价值，永动机的种种设计方案的失败，引起了人们的反思，启发了能量转化和守恒的思想，成为能量转化和守恒原理建立的思考线索之一；其次，要依据科学规律办事．历史上追求永动机的人们，并不是因为他们没有一种良好的愿望，也不是他们缺乏刻苦钻研的精神，只是由于他们做的是违背客观规律的工作．
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