高中物理 第4章 能量守恒與熱力學(xué)定律 1 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn) 2 熱力學(xué)第一定律教師用書 教科版選修3-3

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1．能量守恒定律的發(fā)現(xiàn) 2．熱力學(xué)第一定律 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.了解能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程． 2．理解能量守恒定律，會用能量的觀點(diǎn)解釋自然現(xiàn)象．(難點(diǎn)) 3．知道第一類永動機(jī)不可能制成． 4．理解熱力學(xué)第一定律．(重點(diǎn)) 5．會用ΔU＝W＋Q解決一些簡單問題．(重點(diǎn)) 　　　能量守恒定律 1．能量守恒定律 (1)內(nèi)容：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)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變． (2)意義 ①各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化． 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． 2．第一類永動機(jī)不可能制成 (1)第一類永動機(jī)：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機(jī)器． (2)第一類永動機(jī)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律． (3)意義：正是歷史上設(shè)計(jì)永動機(jī)的失敗，才使后人的思考走上了正確的道路． 1．各種能量之間可以轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，但總量保持不變．(√) 2．運(yùn)動的物體在阻力作用下會停下來，說明機(jī)械能憑空消失了．() 3．第一類永動機(jī)不能制成，是因?yàn)樗`背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律．(√) 有一種所謂“全自動”機(jī)械手表(如圖411所示)，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411 【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．若將此手表長時間放置不動，它就會停下來． 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，必須是只有重力或彈力做功． 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． 1．下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的說法中，正確的是(　　) A．用太陽灶燒水是光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 B．電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能 C．核電站發(fā)電是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 D．生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫升高是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 E．風(fēng)車發(fā)電是風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能 【解析】　A選項(xiàng)中是光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C選項(xiàng)中是核能轉(zhuǎn)化為電能，D選項(xiàng)中是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A、B、E選項(xiàng)正確． 【答案】　ABE 2．下列對能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：74320058】 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 3．風(fēng)沿水平方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風(fēng)車葉輪，設(shè)空氣密度為ρ，風(fēng)的動能有50%轉(zhuǎn)化為風(fēng)車的動能，風(fēng)車帶動水車將水提高h(yuǎn)的高度，效率為80%.求單位時間內(nèi)最多可提升的水的質(zhì)量． 【解析】　在時間t內(nèi)吹在風(fēng)車上的空氣的質(zhì)量為 m1＝πd2vtρ， 風(fēng)的動能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ. 根據(jù)題意πd2v3tρ50%80%＝mgh， 則＝. 【答案】　 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，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． 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，它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時，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. 1．熱量、功和內(nèi)能三者單位相同，物理意義相同．() 2．熱量和功由過程決定，而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定．(√) 3．系統(tǒng)內(nèi)能增加了100 J，可能是外界采用絕熱方式對系統(tǒng)做功100 J，也可能是外界單純地對系統(tǒng)傳熱 100 J．(√) 物體的內(nèi)能不變，能否說明外界既沒有對物體做功，也沒有發(fā)生熱傳遞？ 【提示】　不能．可能是外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)． 1．對ΔU＝W＋Q的理解 熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量． 2．對公式ΔU、Q、W符號的規(guī)定 符號 W Q ΔU 正號 外界對物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 負(fù)號 物體對外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減少 3.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 (1)首先選定研究對象是哪個物體或哪個熱力學(xué)系統(tǒng)． (2)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負(fù)． (3)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q求出未知量． (4)再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況． 4.判斷氣體做功正、負(fù)的方法 (1)若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W<0. (2)若氣體體積變小，表明外界對氣體做功，W>0. 5.幾種常見的氣體變化過程 (1)絕熱過程：過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對氣體做的功等于氣體內(nèi)能的增加． (2)等容過程：在該過程中氣體不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，氣體吸收的熱量等于氣體內(nèi)能的增加． (3)等溫過程：在過程的始末狀態(tài)，氣體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，表示氣體吸收的熱量全部用來對外做功或外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出． 4．下列過程，可能發(fā)生的是(　　) A．物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加 B．物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能減少 C．外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能減少 D．外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加 E．物體對外界做功，同時物體放熱，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 5．一定量的氣體內(nèi)能增加了3105 J， (1)若吸收了2105 J的熱量，則是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做了多少焦耳的功？ (2)若氣體對外界做了4105 J的功，則是氣體放熱還是從外界吸熱？放出或吸收的熱量是多少？ 【解析】　(1)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W 得W＝ΔU－Q＝3105 J－2105 J＝1105 J 外界對氣體做功． (2)由ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝3105 J－(－4105 J)＝7105 J 氣體從外界吸熱． 【答案】　(1)外界對氣體做功　1105 J (2)氣體從外界吸熱　7105 J 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.