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2019-2020年高中物理 第3章 第2、3節(jié) 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 粵教版選修3-3 1．理解熱力學(xué)第一定律，并掌握其表達(dá)式． 2．能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題． 3．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律． 4．知道第一類永動機(jī)是不可能制成的． 1．熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為ΔU＝Q＋W，它不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能方式的等效性，也給出了功、熱量跟內(nèi)能改變量的定量關(guān)系． 2．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行計算時，要遵循各物理量的符號規(guī)定，Q>0，表示物體吸收熱量，W>0表示外界對物體做功，ΔU>0，表示內(nèi)能增加，當(dāng)它們?yōu)樨?fù)值時，都分別表示各自的相反過程． 3．在解決理想氣體的等壓膨脹過程問題時，熱力學(xué)第一定律中各物理量符號為：W<0，ΔU>0，Q>0，等壓壓縮時符號相反，在等容過程中，W＝0，ΔU＝Q，在等溫過程中，ΔU＝0，W＝－Q． 4．不同形式的能之間可以相互轉(zhuǎn)化，例如，電流通過導(dǎo)體時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，燃料燃燒時，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，熾熱的燈絲發(fā)光，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能． 5．各種形式的能相互轉(zhuǎn)化過程中守恒，能量守恒定律的內(nèi)容為：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變． 6．能量守恒定律是自然界中的一條普遍規(guī)律，恩格斯把這一定律稱為“偉大的運(yùn)動基本定律”，并把這一定律和細(xì)胞學(xué)說、達(dá)爾文的生物進(jìn)化論稱為19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)． 7．第一類永動機(jī)是指不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機(jī)器，它不可能造成的原因是違背了能量守恒定律． 8．能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)在物理學(xué)理論的發(fā)展上使經(jīng)典物理學(xué)從經(jīng)驗科學(xué)發(fā)展成完整的理論科學(xué)，在哲學(xué)上為辯證唯物主義自然觀提供了自然科學(xué)基礎(chǔ)，揭示了自然界中各種不同的運(yùn)動形式是相互聯(lián)系的，且在轉(zhuǎn)化過程數(shù)量上保持守恒．所以，能量守恒定律論證了物質(zhì)運(yùn)動的不滅性和統(tǒng)一性． 1．如圖是密閉的氣缸，外力推動活塞壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800 J，同時氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的(A) A．溫度升高，內(nèi)能增加600 J B．溫度升高，內(nèi)能減少200 J C．溫度降低，內(nèi)能增加600 J D．溫度降低，內(nèi)能減少200 J 解析：由熱力學(xué)第一定律，ΔU＝Q＋W＝－200 J＋800 J＝600 J，內(nèi)能增加600 J，則溫度一定升高，A正確． 2．關(guān)于內(nèi)能的變化，以下說法正確的是(C) A．物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大 B．物體對外做功，內(nèi)能一定減少 C．物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變 D．物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變 解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律，ΔU＝W＋Q，物體內(nèi)能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關(guān)，物體吸收熱量，內(nèi)能也不一定增大，因為物體可能同時對外做功，故內(nèi)能有可能不變或減少，A錯，物體對外做功，還有可能吸收熱量、內(nèi)能可能不變或增大，B錯、C正確；放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少，D錯誤． 3．密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計分子勢能)(D) A．內(nèi)能增大，放出熱量 B．內(nèi)能減小，吸收熱量 C．內(nèi)能增大，對外界做功 D．內(nèi)能減小，外界對其做功 解析：不計分子勢能時瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān)，溫度降低時其內(nèi)能減小．塑料瓶變扁時瓶內(nèi)空氣體積減小，外界對其做功．再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶內(nèi)空氣要放出熱量，故只有D正確． 4．汽車關(guān)閉發(fā)動機(jī)后，沿斜面勻速下滑的過程中(C) A．汽車的機(jī)械能守恒 B．汽車的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化 C．汽車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，汽車的總能量減少 D．汽車的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，汽車的總能量守恒 解析：汽車能勻速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，一部分內(nèi)能散發(fā)出去，汽車的總能量減少． 5．景頗族的祖先發(fā)明的點火器如圖所示，用牛角做套筒，木制推桿前端粘著艾絨，猛推推桿，艾絨即可點燃，對筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過程中(B) A．氣體溫度升高，壓強(qiáng)不變 B．氣體溫度升高，壓強(qiáng)變大 C．氣體對外界做正功，氣體內(nèi)能增加 D．外界對氣體做正功，氣體內(nèi)能減少 解析：筒內(nèi)封閉氣體被壓縮過程中，外界對氣體做正功．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q知，氣體內(nèi)能增加，溫度升高．由理想氣體狀態(tài)方程＝C知，氣體壓強(qiáng)增大．選項A、C、D錯誤，選項B正確． 6．(多選)一物體獲得一定初速度后，沿著一粗糙斜面上滑，在上滑過程中，物體和斜面組成的系統(tǒng)(BD) A．機(jī)械能守恒 B．總能量守恒 C．機(jī)械能和內(nèi)能增加 D．機(jī)械能減少，內(nèi)能增加 解析：物體沿斜面上滑的過程中，有摩擦力對物體做負(fù)功，所以物體的機(jī)械能減少，由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律知，內(nèi)能應(yīng)增加，能的總量不變． 7．如圖所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中．設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，空氣一定(C) A．從外界吸熱 B．內(nèi)能增大 C．向外界放熱 D．內(nèi)能減小 解析：本題考查氣體性質(zhì)和熱力學(xué)第一定律，由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進(jìn)行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項B、D均錯．熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，因為在這個過程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，ΔU＝0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項A錯、C對． 8．(多選)如圖所示，用絕熱活塞把絕熱容器隔成容積相同的兩部分，先把活塞鎖住，將質(zhì)量和溫度都相同的理想氣體氫氣和氧氣分別充入容器的兩部分，然后提起銷子，使活塞可以無摩擦地滑動，當(dāng)活塞平衡時(CD) A．氫氣的溫度不變 B．氫氣的壓強(qiáng)增加 C．氫氣的體積增大 D．氧氣的溫度升高 解析：理想氣體氫氣和氧氣的質(zhì)量雖然相同，但由于氫氣的摩爾質(zhì)量小，故氫氣物質(zhì)的量多，又體積和溫度相同，由壓強(qiáng)的微觀解釋可知氫氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)大，當(dāng)拔掉銷子后，會推動活塞向氧氣一方移動，這時氫氣對外做功，又無熱傳遞，由ΔU＝W＋Q可知，氫氣內(nèi)能減少，溫度降低，對氧氣而言，體積減小，外界對它做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，無熱傳遞的情況下，氧氣內(nèi)能增加，溫度升高． 9．如圖所示，a、b、c、d表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標(biāo)軸，dc平行于縱坐標(biāo)軸，ab的延長線過原點，以下說法不正確的是(A) A．從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱 B．從狀態(tài)c到b，氣體放熱 C．從狀態(tài)a到d，氣體對外做功 D．從狀態(tài)b到a，氣體吸熱 解析：從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變，但是由于壓強(qiáng)減小，所以體積增大，對外做功，要保持內(nèi)能不變，一定要吸收熱量，故選項A錯；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個降壓、降溫過程，同時體積減小，外界對氣體做功，而氣體的內(nèi)能還要減小(降溫)，就一定要伴隨放熱的過程，故選項B正確；氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個等壓、升溫的過程，同時體積增大，所以氣體要對外做功，選項C正確；氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是個等容變化過程，隨壓強(qiáng)的增大，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，而在這個過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內(nèi)能的增大是因為氣體吸熱的結(jié)果，故選項D正確． 10．如圖所示的兩端開口的“U”形管中，盛有同種液體，并用閥門K將液體隔成左、右兩部分，左邊液面比右邊液面高．現(xiàn)打開閥門K，從打開閥門的兩邊液面第一次平齊的過程中，液體向外放熱為Q，內(nèi)能變化量為ΔU，動能變化量為ΔEk；大氣對液體做功為W1，重力做功為W2，液體克服阻力做功為W3，由功能關(guān)系可得 ①W1＝0　②W2－W3＝ΔEk?、踂2－W3＝Q＝ΔU?、躓3－Q＝ΔU 其中，正確的是(B) A．①②③ B．①②④ C．②③ D．①③ 解析：由動能定理可知W2－W3＋W1＝ΔEk，其中W1＝pΔV左－pΔV右＝0，可知①、②正確．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝W3－Q，可知④正確、③錯誤．綜合以上分析可知B正確．