高中物理选择性必修三 同步学案 3.1 功、热和内能的改变

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3.1 功、热和内能的改变
一、自主学习
（一）功与内能的改变
1.系统的内能:任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系，是系统的一种能量，我们把它称为系统的_________。
2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系:当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的变化量ΔU就_________外界对系统所做的功W，即_________。
（二）热与内能的改变
1.热传递:热量从_________物体传到_________物体的过程。
2.实现热传递的条件:两物体间存在着_________。
3.热传递与系统内能变化的关系:系统在单纯的传热过程中内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q，即_________。
二、课堂探究
[情景设问]在有机玻璃筒底放置少量易燃物，例如硝化棉，或浸过乙醚的棉花、火柴头等。迅速压下筒中的活塞，观察筒底物品的变化。这个实验说明了什么？
结论1：___________使得物体（密闭气体）温度升高。
（一）焦耳的实验
[课件展示]焦耳的第一个实验
用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
焦耳的实验装置
结论2：在这个过程中，系统不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫作___________。
[课件展示]焦耳的第二个实验
让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。
与焦耳实验原理相同的实验装置示意图
[讨论]由焦耳的这些实验，你能得出什么结论？
结论3：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的___________两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
[讨论]还有哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？
如：重力做功对应重力势能；电场力做功对应电势能（电能）
结论4：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量，这种能量叫做系统的__________。
[讨论]总结对比两个焦耳实验
实验 条件 实验结论
实验1 绝热过程 绝热过程中，只要重力所做的功相同，系统状态的变化是相同的。
实验2 绝热过程 绝热过程中，只要所做的电功相等，系统状态的变化是相同的。
（二）功与内能的改变
[思考与讨论]观察下图，思考状态改变过程中内能的变化。
绝热压缩
结论5：在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能__________；系统对外做功，系统的内能___________。
[实验演示]取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。
结论6：以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统___________做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。
[思考]尝试总结做功与内能的联系和区别。
结论7：
①做功可以改变物体的内能，对物体做功，物体的内能会________；物体对外做功，本身的内能会________；
②内能的改变量可用做功的多少来量度，所以在国际单位制中，内能的单位也是________；
③做功改变物体内能的实质是________和其他形式的能之间的相互转化。
（三）热与内能的改变
[讨论]给你一根钢丝，除了做功，如何才能改变它的内能呢？
结论7：当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量：___________;它就等于外界向系统传递的热量Q，即___________。
[思考]做功和热传递这两种改变物体内能的方式有何区别和联系？
结论8：
ΔU＝W（绝热过程） ΔU＝Q（外界对系统不做功）
做功时，___________与其他形式的能（如内能与机械能、内能与电能等）发生转化，而传热只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间___________的转移。
三、典题精讲
【例题1】1千克0℃的水变成0℃的冰的过程中，以下说法正确的是（　　）
A．分子平均动能变小 B．分子势能变小
C．内能变大 D．内能不变
【例题2】有关分子的热运动和内能，下列说法正确的是（　　）
A．一定质量的理想气体，温度不变时，内能可能增加
B．物体的温度越高，所有分子的热运动都变越剧烈
C．可看作理想气体的质量相等的氢气和氧气，温度相同时氧气的内能小
D．物体的内能是物体中所有分子热运动的动能和重力势能的总和
核心素养专练
1．如图所示，在一个大烧杯A内放一个小烧杯B，杯内部都放有水，现对A的底部加热，则（　　）
A．烧杯A中的水比B中的水先沸腾
B．两烧杯中的水同时沸腾
C．烧杯A中的水会沸腾，B中的水不会沸腾
D．上述三种情况都可能
2．下列物态变化现象中，属于凝华的是（　　）
A．初春，冰雪消融
B．盛夏，自来水管壁“出汗
C．金秋，清晨的雾在太阳出来后散去
D．寒冬，雪后的清晨窗户上出现的冰花
3．甲、乙两杯水温度各为40℃、80℃，下列说法正确的是（　　）
A．两杯水放在空气中其内能保持不变
B．甲杯中水的内能一定比乙杯中的小
C．乙杯中水的温度降低，水的内能一定减小
D．甲杯中的水分子运动一定比乙杯中的剧烈
4.关于质量相同的100℃的水和100℃的水蒸气，下列说法中正确的应是（　　）
A．分子数相同，分子平均动能不相同，分子势能相同，它们的内能相同
B．分子数相同，分子平均动能相同，分子势能不相同，内能相同
C．分子数相同，分子平均动能相同，分子势能不相同，内能不相同
D．分子数不同，分子平均动能不相同，分子势能相同，内能不相同
5.下列关于物体内能变化的说法，正确的是（　　）
A．一定质量的晶体在熔化过程中内能保持不变
B．一定质量的气体在体积膨胀过程中内能一定增加
C．一定质量的物体在热膨胀过程中内能不一定增加
D．一定质量的物体在体积保持不变的过程中，内能一定不变
6.关于热传递，下列说法中正确的是（　　）
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在着温度差，才能发生热传递
C．热传递可以在任何情况下进行
D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
7.关于物体的内能以下说法正确的是（　　）
A．篮球的容积不变，内部气体的温度降低，其气体的内能将减小
B．箱子运动的速度减小，其内能也减小
C．物体的温度和体积均发生变化，其内能将一定变化
D．对于一些特殊的物体，可以没有内能
8．下面关于能量转化的说法中，正确的是（　　）
①在炉子上放一壶水，将水加热到50℃是机械能转化为内能的过程
②将一杯热水倒入一盆冷水中，冷水和热水温度变成一样，是热水的内能转移到冷水中的过程
③冬日，人们在太阳光下晒太阳取暖，是太阳能转化为机械能的过程
④节日里点燃的“冲天爆竹”腾空而起，是化学能转化为内能又转化为机械能的过程
A．①② B．③④ C．①③ D．②④
9.改变物体内能的两种物理过程虽然等效，但有本质的区别。做功是其它形式的能和内能之间的__________；而热传递却是物体间内能的__________。
10.某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度__________（填“高于”“低于”或“等于”）外界温度，容器中空气的密度__________（填“大于”“小于”或“等于”）外界空气的密度。
参考答案
自主学习
（一）内能 等于 ΔU=W
（二）高温 低温 温度差 ΔU=Q
课堂探究
结论1：做功
结论2：绝热过程
结论3：始末
结论4：内能
结论5：增加 减少
结论6：对外
结论7：增大 减少 焦耳 内能
结论8：ΔU＝U2 － U1 ΔU＝Q
结论9：内能 内能
典题精讲
【例题1】B
【例题2】C
核心素养专练
1.C
2.D
3.C
4.C
5.C
6.B
7.A
8.D
9.转化；转移
10.低于；大于
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