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1、3 3热力学第一定律热力学第一定律能量守恒定律能量守恒定律读一读思一思辨一辨议一议一、热力学第一定律阅读教材第54页“热力学第一定律”部分,知道内能的改变有哪两种方式,知道热力学第一定律的内容和表达式。1.改变内能的方式有几种?它们有什么区别和联系?答案:改变内能的两种方式:做功与热传递。联系:两者在改变系统内能方面是等效的,一定数量的功与确定数量的热相对应。区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。2.热力学第一定律的内容是什么?答案: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.热力学第一定律的表达式:
2、U=Q+W读一读思一思辨一辨议一议二、能量守恒定律阅读教材第54页“能量守恒定律”部分,知道能量守恒定律的内容是什么,了解能量守恒定律的意义。1.内容: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。2.意义(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。(2)各种互不相关的物理现象力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。读一读思一思辨一辨议一议三、永动机不可能制成阅读教材第5556页“永动机不可能制成”部分,知道什么是第一类永动机,了解第一类永
3、动机不可能制成的原因。1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。读一读思一思辨一辨议一议1.思考辨析。(1)某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。()解析:能量在不同的物体间发生转移,在转移的过程中能量守恒。答案:(2)石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了。()解析:石子在下落过程中,机械能在转化,但机械能并没有消失,而是转化成了其他形式的能量。答案:读一读思一思辨一辨议一议(3)自由摆动的秋千摆动的幅度越来越小,减少的机械能转化为内能,但总能量守恒。()解析:秋千在摆动过程中,机械能
4、转化为秋千和周围空气的内能,但总能量守恒。答案:(4)违背能量守恒定律的过程是一定不会发生的。()解析:能量守恒定律是自然界普遍遵守的法则,在所有能量转化或转移的过程中,总能量不变。答案:读一读思一思辨一辨议一议2.探究讨论。(1)气体膨胀对外做功120J,同时从外界吸收100J的热量,它的内能的变化是多少?答案:根据热力学第一定律U=W+Q=-120J+100J=-20J,所以减小20J。(2)下面的永动机能实现吗?答案:不能,违反了能量守恒定律。读一读思一思辨一辨议一议(3)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?答案:能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保持不变,它包括
5、各个领域,其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移,是能量守恒定律的具体体现。探究一探究二问题导引问题导引1.一个物体,它既没有吸收热量也没有放出热量,那么:(1)如果外界对物体做的功为W,则它的内能如何变化?变化了多少?(2)如果物体对外界做的功为W,则它的内能如何变化?变化了多少?要点提示要点提示(1)一个物体,如果它既没有吸收热量也没有放出热量,那么外界对它做功为W,它的内能就增加W;(2)物体对外界做功为W,它的内能就减少W。探究一探究二2.一个物体,外界既没有对它做功,它也没有对外界做功,那么:(1)如果物体从外界吸收热量Q,它的内能如何变化?变化了多少
6、?(2)如果物体向外界放出热量Q,它的内能如何变化?变化了多少?要点提示要点提示(1)如果外界既没有对物体做功,物体也没有对外界做功,那么物体从外界吸收热量Q,它的内能就增加Q;(2)物体向外界放出热量Q,它的内能就减少Q。3.如果某一过程中,物体跟外界同时发生了做功和热传递,那么,该物体内能的变化U与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢?要点提示要点提示U=W+Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系,在物理学中叫作热力学第一定律。探究一探究二名师精讲名师精讲1.热力学第一定律的意义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过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传
7、递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。2.热力学第一定律的符号法则探究一探究二3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即U=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量。4.判断外界是否对气体做功的方法一般情况下外界对气体做功与否,需看气体的体积是否变化。(1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W0。探究一探究二典例剖析典例剖析【例题1】导学号导学号若将气泡内的气体视为理
8、想气体,气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中,对外界做了0.6J的功,(设湖水的温度相等且保持不变)(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少?(2)气泡到达湖面后,由于太阳的照射,在温度上升的过程中又对外界做了0.1J的功,同时吸收了0.3J的热量,则此过程中,气泡内气体内能增加了多少?【思考问题】湖水温度不变,说明了什么?提示气泡由湖底上升到水面过程中气体内能不变。探究一探究二解析:(1)气体温度不变,内能不变,由热力学第一定律U=Q+W,则Q=U-W=0-(-0.6J)=0.6J;(2)由热力学第一定律得U=Q+W=0.3J+(-0.1J)=0.2J,内能增加0.2J。答案:(1)0.6J(2)0
9、.2J归纳总结归纳总结 应用热力学第一定律解题的方法(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统;(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量,外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功;(3)根据热力学第一定律U=Q+W列出方程进行求解;(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。探究一探究二变式训练变式训练1一定量的理想气体在某一过程中,外界对气体做了8104J的功,气体的内能减少了1.2105J,则下列各式中正确的是()A.W=8104J,U=1.2105J,Q=4104JB.W=8104J,U=-1.2105J,Q=-2105JC.W=-8104J,U=1.
10、2105J,Q=2104JD.W=-8104J,U=1.2105J,Q=-4104J解析:由符号法则可知,外界对气体做功W取正,气体内能减少,U为负值,代入热力学第一定律表达式得Q=-2105J。故选项B正确。答案:B探究一探究二问题导引问题导引1.不耗油的汽车能不能制成,为什么?不消耗能量的汽车呢?要点提示要点提示前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。探究一探究二2.有一种所谓的“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机?如果
11、不是,维持表针走动的能量是从哪儿来的?要点提示要点提示这不是永动机。手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。探究一探究二名师精讲名师精讲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,机械能转化为内能等。2.能量守恒的条件与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如:物体的机械能守恒,必须是只有重力做功;而能量守恒定
12、律是没有条件的,它是一切自然现象都普遍遵守的基本规律。探究一探究二3.能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度能量,从而把各种自然现象用定量的规律联系起来,揭示了自然规律的多样性和统一性。(2)突破了人们关于物质运动的认识范围,从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。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、生物进化论并称19世纪自然科学中三大发现,其重要意义由此可见。(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。探究一探究二4.能量守恒定律中的“转化”和“转移”(1)某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加
13、,且减少量和增加量一定相等。(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。探究一探究二典例剖析典例剖析【例题2】导学号导学号如图所示为冲击摆实验装置,一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度h,则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少?(不计空气阻力)探究一探究二题后反思题后反思能量守恒定律的应用方法应用能量守恒定律解决问题时,首先应明确题目中涉及了哪几种形式的能量,然后分析哪种形式的能量增加,哪种形式的能量减少,确定了研究的系统后,用能量守恒的观点即可求解。探究一探究二变式训练变式训练2如图所示,一个质量为20k
14、g的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm,现在在活塞上方加一15kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增加多少?(g取10m/s2,忽略大气压力及摩擦阻力的影响)解析:由能量守恒定律可知,内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少,U=E=(M+m)gh=(15+5)10(50-40)10-2J=20J。答案:20J123451.(公式U=W+Q的理解)在热力学第一定律的表达式U=W+Q中,关于U、W、Q各个物理量的正、负,下列说法正确的是()A.外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时U为正B.物体对外界
15、做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时U为负C.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时U为正D.外界对物体做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时U为负解析:根据公式U=W+Q中的符号法则知选项C正确。答案:C123452.(热力学第一定律的应用)一定量的气体膨胀对外做功100J,同时对外放热40J,气体内能的增量U是()A.60JB.-60JC.-140JD.140J解析:由热力学第一定律得U=W+Q=-100J-40J=-140J,C项正确。答案:C123453.(第一类永动机)下列关于第一类永动机的说法正确的是()A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B.第
16、一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律解析:第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了能量守恒定律,这也是它不能制成的原因。故A、D两项正确,B、C两项错误。答案:AD123454.(能量守恒定律的理解)下列对能量守恒定律的认识不正确的是()A.某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加B.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机是不可能制成的D.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了
17、解析:选项A是指不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的。选项B是指能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,这正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移。选项C中任何永动机都是不可能制成的,它违背了能量守恒定律。选项D中石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用,机械能可能减少,但机械能并没有消失,只是转化成了其他形式的能量。答案:D123455.导学号导学号(热力学第一定律的应用)空气压缩机在一次压缩过程中,活塞对汽缸中空气做的功为2105J,空气的内能增加了1.5105J,则空气(选填“吸”或“放”)热为J。解析:活塞对空气做了2105J的功,W=2105J。空气的内能增加了1.5105J,U=1.5105J,根据热力学第一定律U=Q+W得Q=U-W=-5.0104J0,即空气向外界放出热量5.0104J。答案:放5104