2019-2020年高中物理 第十章 熱力學定律 第1-2講 功和內能 熱和內能學案 新人教版選修3-3.doc

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2019-2020年高中物理 第十章 熱力學定律 第1-2講 功和內能 熱和內能學案 新人教版選修3-3 [目標定位]　1.知道做功可以改變物體的內能.2.知道熱傳遞與內能變化的關系.3.知道熱傳遞和做功對改變物體內能的等效結果． 一、焦耳的實驗 1．系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程叫做絕熱過程． 2．要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由過程始末兩個狀態(tài)1、2決定，而與做功方式無關． 二、內能 1．任何一個熱力學系統(tǒng)都存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，我們把它稱之為系統(tǒng)的內能． 2．當系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達到狀態(tài)2時，內能的增加量ΔU＝U2－U1就等于外界對系統(tǒng)所做的功W，即ΔU＝W. 三、熱和內能 1．不僅對系統(tǒng)做功可以改變系統(tǒng)的內能，單純的對系統(tǒng)傳熱也能改變系統(tǒng)的內能． 2．當系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達到狀態(tài)2，內能的增加量ΔU＝U2－U1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q. 一、功和內能關系的理解 1．內能 (1)微觀：所有分子的動能和勢能之和． (2)宏觀：只依賴于熱力學系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量． (3)狀態(tài)量． 2．功和內能變化的關系 做功可以改變系統(tǒng)的內能，功是系統(tǒng)內能轉化的量度，在絕熱過程中： (1)外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)內能增加，即ΔU＝U2－U1＝W； (2)系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)內能減少，即W＝ΔU. 3．內能與機械能的區(qū)別和聯(lián)系 (1)區(qū)別：內能與機械能是兩個不同的概念． (2)聯(lián)系：在一定條件下可以相互轉化，且總量保持不變． 例1　如圖1所示，活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，汽缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣，以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內能，則在將拉桿緩慢向外拉的過程中(　　) 圖1 A．E甲不變，E乙減小 B．E甲不變，E乙增大 C．E甲增大，E乙不變 D．E甲增大，E乙減小 答案　D 解析　本題解題的關鍵是明確甲、乙兩氣室氣體都經(jīng)歷絕熱過程，內能的改變取決了做功的情況，對甲室內的氣體，在拉桿緩慢向外拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室氣體做功，其內能應增大，對乙室內的氣體，活塞左移，氣體膨脹，氣體對外界做功，內能就減小，故D選項正確． 借題發(fā)揮　(1)壓縮氣體，外界對氣體做功，內能增大，溫度升高，柴油機就是利用這個原理點火的． (2)在絕熱過程中，末態(tài)內能大于初態(tài)內能時，ΔU為正，W為正，外界對系統(tǒng)做功．末態(tài)內能小于初態(tài)內能時，ΔU為負，W為負，系統(tǒng)對外界做功． 例2　下列關于系統(tǒng)的內能的說法正確的是(　　) A．系統(tǒng)的內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的 B．分子動理論中引入的系統(tǒng)內能和熱力學中引入的系統(tǒng)內能是一致的 C．做功可以改變系統(tǒng)的內能，但單純地對系統(tǒng)傳熱不能改變系統(tǒng)的內能 D．氣體在大氣中絕熱膨脹時對外做了功，但氣體的內能不變 答案　AB 解析　系統(tǒng)的內能是一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，所以是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，A對；正因為內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，所以分子動理論中引入的內能和熱力學中引入的內能是一致的，B對；做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內能，C錯；氣體絕熱膨脹時對外界做了功，又因為與外界沒有熱交換，所以系統(tǒng)的內能要減小，故D錯． 二、熱和內能 1．傳熱和內能變化的關系 系統(tǒng)在單純傳熱過程中，內能的增量ΔU等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q. 2．區(qū)分三組概念 (1)內能與熱量：內能是狀態(tài)量，可以說系統(tǒng)具有多少內能而不能說傳遞多少內能；熱量是過程量，不能說系統(tǒng)具有多少熱量，只能說傳遞了多少熱量． (2)熱量與溫度 熱量是系統(tǒng)的內能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內部大量分子做無規(guī)則運動的激烈程度的標志．雖然熱傳遞的前提是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，但是傳遞的是能量，不是溫度． (3)熱量與功 熱量和功，都是系統(tǒng)內能變化的量度，都是過程量，一定量的熱量與一定量的功相當，功是能量變化的量度，但它們之間有著本質的區(qū)別． 例3　一銅塊和一鐵塊，質量相等，銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高，當它們接觸在一起時，如果不和外界交換能量，則(　　) A．從兩者開始接觸到熱平衡的整個過程中，銅塊內能的減少量等于鐵塊內能的增加量 B．在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內，銅塊內能減少量不等于鐵塊內能的增加量 C．達到熱平衡時，銅塊的溫度T＝ D．達到熱平衡時，兩者的溫度相等 答案　AD 解析　一個系統(tǒng)在熱交換的過程中，如果不與外界發(fā)生熱交換，溫度高的物體放出的熱量等于溫度低的物體吸收的熱量，直到溫度相等，不再發(fā)生熱交換為止，而熱量是熱傳遞過程中內能的變化量，所以選項A、D都正確，選項B錯誤；根據(jù)熱平衡方程c銅m(T1－T)＝c鐵m(T－T2)，解得T＝，由此可知選項C是錯誤的． 例4　若對物體做1 200 J的功，可使物體溫度升高3 ℃，改用傳熱的方式，使物體溫度同樣升高3 ℃，那么物體應吸收________ J的熱量，如果對該物體做3 000 J的功，物體的溫度升高5 ℃，表明該過程中，物體應________(填“吸收”或“放出”)熱量________ J. 答案　1 200　放出　1 000 解析　做功和傳熱在改變物體內能上是等效的，因此物體用做功方式使溫度升高3 ℃，如用吸熱方式，也使溫度升高3 ℃應吸收1 200 J的熱量． 如對物體做功3 000 J，溫度升高5 ℃，而物體溫度升高5 ℃，需要的功或熱量應為ΔE. 1 200 J＝cm3 ℃，ΔE＝cm5 ℃，所以ΔE＝2 000 J. Q＝ΔE－W＝－1 000 J，因此物體應放出1 000 J的熱量． 做功與內能的關系 1．在下述各種現(xiàn)象中，不是由做功引起系統(tǒng)溫度變化的是(　　) A．在陽光照射下，水的溫度升高 B．用鐵錘不斷錘打鉛塊，鉛塊溫度會升高 C．在爐火上燒水，水的溫度升高 D．電視機工作一段時間，其內部元件溫度升高 答案　AC 解析　陽光照射下水溫升高是熱輻射使水的溫度升高，在爐火上燒水是熱傳導和對流使水的溫度升高，用鐵錘錘打鉛塊的過程，是做功的過程，鉛塊溫度升高，是由于外界做功引起的．電視機工作時，電流通過各元件，電流做功使其溫度升高．可見A、C不是由做功引起溫度變化的，故選A、C. 2．一定質量的氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程．設氣體分子間的勢能可忽略，則在此過程中(　　) A．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能增加 B．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能減少 C．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能增加 D．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能減少 答案　D 解析　絕熱膨脹過程是指氣體膨脹過程未發(fā)生熱傳遞，膨脹過程氣體體積增大，氣體對外界做功W＜0.由ΔU＝U2－U1＝W可知，氣體內能減?。捎跉怏w分子間的勢能忽略，故氣體分子的平均動能減少． 傳熱與內能的關系 3．關于熱傳遞，下列說法中正確的是(　　) A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞 B．物體間存在著溫度差，才能發(fā)生熱傳遞 C．熱傳遞可以在任何情況下進行 D．物體內能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量 答案　B 解析　熱傳遞的實質是物體間內能的轉移，故A錯；熱傳遞的條件是物體間存在溫度差，高溫物體放出熱量，低溫物體吸收熱量，若兩物體溫度相同，它們之間便不再發(fā)生熱傳遞，即達到了熱平衡，故B對，C錯；物體吸收或放出熱量，內能會發(fā)生變化，但內能變化不一定是熱傳遞引起的，還可以通過做功的方式實現(xiàn)，故D錯． 4．對于熱量、功和內能，三者的說法正確的是(　　) A．熱量、功、內能三者的物理意義等同 B．熱量、功都可以作為物體內能的量度 C．熱量、功、內能的單位不相同 D．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體狀態(tài)決定的 答案　D 解析　物體的內能是指物體內所有分子動能和分子勢能的總和，而要改變物體的內能可以通過做功或熱傳遞兩種途徑，這三者的物理意義不同，A錯；熱量是表示在熱傳遞過程中物體內能變化多少的，而功是量度用做功的方式來改變物體內能多少的，B錯；三者單位都是焦耳，C錯；熱量和功是過程量，內能是狀態(tài)量，D正確． (時間：60分鐘) 題組一　做功與內能的變化 1．用下述方法改變物體的內能，屬于做功的方式是(　　) A．用錘子打鐵時，鐵塊發(fā)熱 B．用磨刀石磨刀時，刀發(fā)熱 C．雙手互搓，手發(fā)熱 D．用天然氣燒水 答案　ABC 解析　A、B、C中的過程都是力對系統(tǒng)(鐵塊、刀、手)做功，內能增加和溫度升高的過程．而D中用天然氣燒水則是通過熱傳導和熱對流來實現(xiàn)水溫升高的． 2．在給自行車輪胎打氣時，會發(fā)現(xiàn)胎內空氣溫度升高，這是因為(　　) A．胎內氣體壓強不斷增大，而容積不變 B．輪胎從外界吸熱 C．外界空氣溫度本來就高于胎內氣體溫度 D．打氣時，外界不斷地對胎內氣體做功 答案　D 解析　給自行車輪胎打氣，人對胎內氣體做功，氣體內能增加，所以溫度升高． 3．一定質量的氣體封閉在絕熱的汽缸內，當用活塞壓縮氣體時，一定增大的物理量有(不計氣體分子勢能)(　　) A．氣體體積 B．氣體分子密度 C．氣體內能 D．氣體分子的平均動能 答案　BCD 解析　絕熱過程外力對系統(tǒng)做功，內能增加，溫度升高，分子平均動能增加． 4．如圖1所示為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動．設筒內氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中(　　) 圖1 A．外界對氣體做功，氣體內能增大 B．外界對氣體做功，氣體內能減小 C．氣體對外界做功，氣體內能增大 D．氣體對外界做功，氣體內能減小 答案　A 解析　因為M、N內被封氣體體積減小，所以外界對氣體做功，又因氣體與外界沒有熱交換即絕熱過程，所以ΔU＝W，且ΔU>0，氣體內能增加，A正確． 5．如圖2所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側裝有氣體，右側為真空．現(xiàn)將隔板抽掉，讓左側氣體自由膨脹到右側直至平衡，在此過程中(　　) 圖2 A．氣體對外界做功，溫度降低，內能減少 B．氣體對外界做功，溫度不變，內能不變 C．氣體不做功，溫度不變，內能不變 D．氣體不做功，溫度不變，內能減少 答案　C 解析　氣體向真空膨脹，不做功；此為絕熱容器，無熱傳遞，Q＝0. 題組二　傳熱與內能的變化 6．下列關于內能與熱量的說法中，正確的是(　　) A．馬鈴薯所含熱量高 B．內能越大的物體熱量也越多 C．熱量自發(fā)地從內能大的物體流向內能小的物體 D．熱量自發(fā)地從溫度高的物體流向溫度低的物體 答案　D 解析　選項A是一種很常見的說法，但從物理學的角度來看，卻有不妥，熱量是過程量，不是狀態(tài)量，不能像內能那樣蘊含在物體中，選項A錯；說法B與說法A存在相同的錯誤，此外，物體的內能與熱量之間，在數(shù)量上沒有必然聯(lián)系，選項B錯；兩物體之間熱量的流向只與它們的溫度有關，與它們的內能無關，選項C錯． 7．在一個完全真空的絕熱容器中放入兩個物體，它們之間沒有發(fā)生熱傳遞，這是因為(　　) A．兩物體沒有接觸 B．兩物體的溫度相同 C．真空容器不能發(fā)生熱對流 D．兩物體具有相同的內能 答案　B 解析　發(fā)生熱傳遞的條件是有溫度差，而與物體內能的多少、是否接觸周圍的環(huán)境(是否真空)無關，故選項B正確，A、C、D錯誤． 題組三　綜合應用 8．如圖3所示，A、B是兩個完全相同的球，分別浸沒在水和水銀的同一深度處，A、B兩球用同一種材料制成，當溫度稍微升高時，球的體積會明顯變大，如果開始水和水銀的溫度相同，且兩液體溫度同時緩慢升高到同一值，兩球膨脹后，體積相等，則(　　) 圖3 A．A球吸收的熱量較多 B．B球吸收的熱量較多 C．兩球吸收的熱量一樣多 D．無法確定 答案　B 解析　A、B兩球升高同樣的溫度，體積變化又相同，則二者內能的變化相同，而B球是處在水銀中的，B球膨脹時受到的壓力大，對外做功多，因此B球吸收熱量較多一些． 9．在外界不做功的情況下，物體的內能增加了50 J，下列說法中正確的是(　　) A．一定是物體放出了50 J的熱量 B．一定是物體吸收了50 J的熱量 C．一定是物體分子動能增加了50 J D．物體的分子平均動能可能不變 答案　BD 解析　在外界不做功的情況下，內能的改變量等于傳遞的熱量，內能增加，一定是吸收了相等能量的熱量，故A錯，B對；物體內能包括所有分子的動能和勢能，內能由分子數(shù)、分子平均動能、分子勢能共同決定，所以內能增加了50 J并不一定是分子動能增加了50 J．物體的分子平均動能有可能不變，這時吸收的50 J熱量全部用來增加分子勢能． 10．如圖4所示的容器中，A、B中各有一個可自由移動的活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定，A、B的底部由帶閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱．打開閥門前，A中水面比B中水面高，打開閥門后，A中的水逐漸向B中流，最后達到同一高度，在這個過程中(　　) 圖4 A．大氣壓力對水做功，水的內能增加 B．水克服大氣壓力做功，水的內能減少 C．大氣壓力對水不做功，水的內能不變 D．大氣壓力對水不做功，水的內能增加 答案　D 解析　打開閥門K穩(wěn)定后，容器A、B中的水面相平，相當于圖中畫斜線部分的水從A移到B，這部分水的重力勢能減少了，即重力對水做了功，同時大氣壓力對A容器中的水做正功為p0SAhA，對B容器中的水做負功為p0SBhB，因為兩部分水的體積相等，所以大氣壓力對水做的總功為零．由于容器絕熱，系統(tǒng)與外界之間沒有熱交換，而重力對系統(tǒng)做正功，故水的內能增加． 11．某同學做了一個小實驗；先把空的燒瓶放入冰箱冷凍，一小時后取出燒瓶，并迅速把一個氣球緊密地套在瓶頸上，然后將燒瓶放進盛滿熱水的燒杯里，氣球逐漸膨脹起來，如圖5所示．這是因為燒瓶里的氣體吸收了水的____________，溫度____________，體積________． 圖5 (2)若只對一定質量的理想氣體做1 500 J的功，可使其溫度升高5 K．若改成只用熱傳遞的方式，使氣體溫度同樣升高5 K，那么氣體吸收________ J的熱量．如果對該氣體做了2 000 J的功，使其溫度升高了5 K，表明在該過程中，氣體還________(選填“吸收”或“放出”)熱量________J. 答案　(1)熱量　升高　增大　(2)1 500　放出　500 解析　(1)燒瓶和燒瓶內的氣體要從熱水杯中吸收水的熱量，溫度升高，體積增大． (2)做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，且是等效的．