《高中物理 第4章 熱力學(xué)定律與能量守恒 4_1 熱力學(xué)第一定律 4_2 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程教師用書 滬科版選修3-3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第4章 熱力學(xué)定律與能量守恒 4_1 熱力學(xué)第一定律 4_2 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程教師用書 滬科版選修3-3（9頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

4．1　熱力學(xué)第一定律 4．2　能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.掌握功與內(nèi)能的關(guān)系，掌握熱量和內(nèi)能的關(guān)系．(重點(diǎn)) 2．正確認(rèn)識做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上是等效的，但本質(zhì)是不同的． 3．知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容、公式，并能用其解決問題．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 4．了解第一類永動機(jī)及其不可能制成的原因． 5．知道能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的過程，體會自然界的統(tǒng)一性．(重點(diǎn)) 6．理解能量守恒定律的內(nèi)涵及外延，并解釋自然現(xiàn)象．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 熱力學(xué)第一定律 1．做功和內(nèi)能的改變 (1)絕熱過程 系統(tǒng)跟外界之間不發(fā)生熱交換，這時(shí)系統(tǒng)經(jīng)歷的過程叫做絕熱過程． (2)關(guān)系式 ΔU＝U2－U1＝W. 2．熱傳遞和內(nèi)能的改變 (1)熱傳遞的三種方式 傳導(dǎo)、對流、輻射． (2)關(guān)系式 ΔU＝U2－U1＝Q. 3．熱力學(xué)第一定律 (1)改變物體內(nèi)能的兩種方式 做功和熱傳遞． (2)物體內(nèi)能的改變 ①如果物體與外界無熱傳遞，若外界對物體做功，則物體的內(nèi)能增加；若物體對外做功，物體的內(nèi)能減少． ②如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體吸收熱量時(shí)，它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時(shí)，它的內(nèi)能減少． (3)熱力學(xué)第一定律 ①內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量ΔU，等于外界對物體所做的功W與物體從外界吸收的熱量Q之和． ②表達(dá)式：ΔU＝W＋Q. ③符號規(guī)則：物體從外界吸收熱量，外界對物體做功，則Q＞0，W＞0；反之Q＜0，W＜0；若ΔU＞0表示物體內(nèi)能增加，ΔU＜0表示物體內(nèi)能減?。? ④意義：一個物體內(nèi)能增加，必定有其他物體對它做功，或向它傳遞熱量．與此同時(shí)，對此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少等量的能量，而系統(tǒng)的總能量保持不變．在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中，能量可以發(fā)生轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中總能量守恒． 1．在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少．(√) 2．熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體．() 3．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的．(√) 給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面．在緩慢放水的過程中，若車胎不漏氣且胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子間的勢能，試分析氣體的吸、放熱情況． 圖411 【提示】　由于車胎內(nèi)氣體溫度不變，故氣體分子的平均動能不變，內(nèi)能不變．放水過程中氣體體積增大，對外做功，由熱力學(xué)第一定律可知，車胎內(nèi)氣體吸熱． 1．改變內(nèi)能的兩種方式的比較 (1)等效的理解 等效是指做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上可以取得相同的效果．兩種方式均可以改變物體的內(nèi)能，如果我們不知道系統(tǒng)所經(jīng)歷的具體過程時(shí)，僅從內(nèi)能的改變上無法區(qū)分系統(tǒng)所采用的是做功，還是熱傳遞方式使其內(nèi)能發(fā)生變化的．所以做功和熱傳遞是等效的． (2)兩種方式的區(qū)別 比較項(xiàng)目 做功 熱傳遞 內(nèi)能變化 外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加 物體對外界做功，物體的內(nèi)能減少 物體吸收熱量，內(nèi)能增加 物體放出熱量，內(nèi)能減少 物理實(shí)質(zhì) 其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化 不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移 相互聯(lián)系 做一定量的功或傳遞一定量的熱在改變內(nèi)能的效果上是相同的 (3)內(nèi)能及內(nèi)能的變化 ①內(nèi)能是狀態(tài)量，物體的內(nèi)能對應(yīng)物體所處的狀態(tài)． ②內(nèi)能的變化是過程量，通過做功和熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能，即做功和熱傳遞都是過程量． (4)內(nèi)能、熱量、功的區(qū)別 ①就某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本不存在什么“熱量”和“功”，因此，不能說一個系統(tǒng)中含有“多少熱量”或“多少功”． ②一個物體內(nèi)能的多少是無法測量的，但物體內(nèi)能的變化是可以測量的． 2.對熱力學(xué)第一定律的理解 (1)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．此定律應(yīng)用時(shí)各量的單位應(yīng)統(tǒng)一． (2)對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定 符號 W Q ΔU ＋ 外界對物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 － 物體對外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減少 (3)判斷是否做功的方法 一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化． ①若物體體積增大，表明物體對外界做功，W＜0； ②若物體體積變小，表明外界對物體做功，W＞0. 3．熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用應(yīng)注意的問題 (1)在應(yīng)用過程中應(yīng)特別分清W、Q的正負(fù)號，以便準(zhǔn)確地判斷ΔU的正、負(fù)． (2)幾種特殊情況： ①若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，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＝ΔU，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ΔU＝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．第一類永動機(jī)的特點(diǎn) 不消耗任何能量而能永遠(yuǎn)對外做功的機(jī)器． 5．第一類永動機(jī)不可能制成 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程，能量一定守恒．第一類永動機(jī)本質(zhì)上都是認(rèn)為能量能夠無中生有地創(chuàng)造出來，這違背了熱力學(xué)第一定律，因而是不可能實(shí)現(xiàn)的． 1．關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的有(　　) A．質(zhì)量相等的熱水和冷水相比較，熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能多 B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大 C．在熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將增大，直到兩物體的內(nèi)能相等 D．在熱傳遞過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止 E．熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度 【解析】　物體的內(nèi)能由溫度、體積及物體的質(zhì)量決定，不是只由溫度決定，故A對、B錯；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內(nèi)能大小無關(guān)，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大，內(nèi)能小的物體內(nèi)能繼續(xù)減小，故C項(xiàng)錯、D項(xiàng)對；關(guān)于熱量的論述，E項(xiàng)是正確的． 【答案】　ADE 2．下列過程，可能發(fā)生的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：35500040】 A．物體吸收熱量，對外做功，同時(shí)內(nèi)能增加 B．物體吸收熱量，對外做功，同時(shí)內(nèi)能減少 C．外界對物體做功，同時(shí)物體吸熱，內(nèi)能減少 D．外界對物體做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加 E．物體對外界做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加 【解析】　根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，故由此可確定A、B、D正確，C、E錯誤． 【答案】　ABD 3．(2016西安高二檢測)一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2105 J的熱量，同時(shí)氣體對外做了6105 J的功，問： (1)物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？ (2)分子勢能是增加還是減少？ (3)分子的平均動能是增加還是減少？ 【解析】　(1)氣體從外界吸收的熱量為 Q＝4.2105 J 氣體對外做功W＝－6105 J 由熱力學(xué)第一定律 ΔU＝W＋Q＝(－6105 J)＋(4.2105 J) ＝－1.8105 J ΔU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了 所以，氣體內(nèi)能減少了1.8105 J. (2)因?yàn)闅怏w對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加了． (3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動能一定減少了． 【答案】　(1)減少　1.8105 J　(2)增加　 (3)減少 氣體狀態(tài)變化與物理量對應(yīng)方法 (1)絕熱過程：氣體與外界沒有熱傳遞． (2)導(dǎo)熱良好：氣體與外界有熱交換，且與外界溫度保持相同． (3)體積減小，外界對氣體做功；體積增大(不是對真空膨脹)，氣體對外界做功． (4)溫度升高，理想氣體的內(nèi)能增加；溫度降低，理想氣體的內(nèi)能減少． 能量守恒定律 1．漫長的發(fā)現(xiàn)之路 (1)1800年，意大利科學(xué)家伏打發(fā)明“伏打電堆”，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)運(yùn)動與電運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)化． (2)1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，揭示了電與磁之間的聯(lián)系． (3)1821年，法拉第制成了“電磁旋轉(zhuǎn)器”，實(shí)現(xiàn)了電運(yùn)動和機(jī)械運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)化． (4)邁爾觀點(diǎn)：體力和體熱必定來源于食物中的化學(xué)能，內(nèi)能、化學(xué)能、機(jī)械能都是等價(jià)的，是可以相互轉(zhuǎn)化的，如果動物體的能量輸入與支出是平衡的，那么，所有這些形式的能在量上必定是守恒的． (5)焦耳的研究 ①確定了電能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系． ②用了近40年的時(shí)間，不懈地鉆研熱功轉(zhuǎn)換問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(jù)． (6)亥姆霍茲的貢獻(xiàn) 從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程，揭示了它們之間的統(tǒng)一性． 2．能量守恒定律及其應(yīng)用 (1)內(nèi)容 能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個系統(tǒng)(物體)轉(zhuǎn)移到另一個系統(tǒng)(物體)，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變． (2)意義 揭示了自然科學(xué)各個分支之間的普遍聯(lián)系，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個有力證據(jù)． (3)應(yīng)用 ①各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化．但能量轉(zhuǎn)化過程中總伴有內(nèi)能的損失． ②各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起． 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒．(√) 有一種所謂“全自動”機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去．這是不是一種永動機(jī)？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？ 圖412 【提示】　這不是永動機(jī)．手表戴在手腕上，通過手臂的運(yùn)動，機(jī)械手表獲得能量，供手表指針走動．若將此手表長時(shí)間放置不動，它就會停下來． 1．自然界中能量的存在形式 物體運(yùn)動具有機(jī)械能、分子熱運(yùn)動具有內(nèi)能、電荷具有電能、原子核內(nèi)部的運(yùn)動具有原子能等，可見，在自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動形式相對應(yīng)． 2．不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化 “摩擦生熱”是通過克服摩擦做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；水壺中的水沸騰時(shí)水蒸汽對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，汽缸內(nèi)燃油燃燒釋放的內(nèi)能通過燃?xì)馔苿踊钊龉ΧD(zhuǎn)化為機(jī)械能等．這些實(shí)例說明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且這一轉(zhuǎn)化過程是通過做功來完成的． 3．太陽能的轉(zhuǎn)化 【說明】　自然界中各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，說明不同的運(yùn)動形式也可以相互轉(zhuǎn)化． 4．對能量守恒定律的理解 (1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，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． (3)各種形式的能在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量守恒無需任何條件，而某種或幾種形式的能的守恒是有條件的．例如，物體的機(jī)械能守恒，必須是只有重力做功． (4)意義：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進(jìn)一步認(rèn)識到，任何一部機(jī)器，只要對外做功，都要消耗能量，都只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而不能無中生有地創(chuàng)造能量．不消耗能量，卻可以源源不斷地對外做功的機(jī)器(第一類永動機(jī))是不可能制成的． 4．下列對能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識正確的是(　　) A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加 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(jī)器——第一類永動機(jī)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(jī)械能消失了 E．汽車剎車而停止，汽車的動能消失了 【解析】　A選項(xiàng)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，B選項(xiàng)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．第一類永動機(jī)是不可能制成的，因?yàn)樗`背了能量守恒定律，所以A、B、C正確；D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化，比如受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不會創(chuàng)生，也不會消失，故D、E是錯誤的． 【答案】　ABC 5．說出下列過程中是什么能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． (1)物體沿粗糙斜面下滑 ； (2)變壓器發(fā)熱 ； (3)汽油機(jī)內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體 ； (4)車刀切下熾熱鐵屑 ． 【解析】　物體沿斜面下滑，克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電流通過變壓器線圈發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；氣體(燃料)燃燒后變成高溫氣體，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；車刀切下熾熱的鐵屑，克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 【答案】　(1)機(jī)械能——內(nèi)能　(2)電能——內(nèi)能 (3)化學(xué)能——內(nèi)能　(4)機(jī)械能——內(nèi)能 應(yīng)用能量守恒定律的思路方法 (1)能量守恒的核心是總能量不變，因此在應(yīng)用能量守恒定律時(shí)應(yīng)首先分清系統(tǒng)中哪些能量在相互轉(zhuǎn)化，是通過哪些力做功實(shí)現(xiàn)的，這些能量分別屬于哪些物體，然后再尋找合適的守恒方程式． (2)在應(yīng)用能量守恒定律分析問題時(shí)，應(yīng)明確兩點(diǎn)： ①哪種形式的能量減少，哪種形式的能量增加． ②哪個物體的能量減少，哪個物體的能量增加．