2019-2020年高中物理 第十章 熱力學定律 第1-2講 功和內(nèi)能 熱和內(nèi)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(nèi)能 熱和內(nèi)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(nèi)能.2.知道熱傳遞與內(nèi)能變化的關系.3.知道熱傳遞和做功對改變物體內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)能 1.不僅對系統(tǒng)做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,單純的對系統(tǒng)傳熱也能改變系統(tǒng)的內(nèi)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(nèi)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(nèi)能關系的理解 1.內(nèi)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(nèi)能變化的關系 做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,功是系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)能增加,即ΔU=U2-U1=W; (2)系統(tǒng)對外界做功,系統(tǒng)內(nèi)能減少,即W=ΔU. 3.內(nèi)能與機械能的區(qū)別和聯(lián)系 (1)區(qū)別:內(nèi)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(nèi)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(nèi)能的改變?nèi)Q了做功的情況,對甲室內(nèi)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(nèi)能應增大,對乙室內(nèi)的氣體,活塞左移,氣體膨脹,氣體對外界做功,內(nèi)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(nèi)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(nèi)能大于初態(tài)內(nèi)能時,ΔU為正,W為正,外界對系統(tǒng)做功.末態(tài)內(nèi)能小于初態(tài)內(nèi)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(nèi)能的說法正確的是( ) A.系統(tǒng)的內(nèi)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(nèi)能和熱力學中引入的系統(tǒng)內(nèi)能是一致的 C.做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,但單純地對系統(tǒng)傳熱不能改變系統(tǒng)的內(nèi)能 D.氣體在大氣中絕熱膨脹時對外做了功,但氣體的內(nèi)能不變 答案 AB 解析 系統(tǒng)的內(nèi)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(nèi)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(nèi)能和熱力學中引入的內(nèi)能是一致的,B對;做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內(nèi)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(nèi)能要減小,故D錯. 二、熱和內(nèi)能 1.傳熱和內(nèi)能變化的關系 系統(tǒng)在單純傳熱過程中,內(nèi)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(nèi)能與熱量:內(nèi)能是狀態(tài)量,可以說系統(tǒng)具有多少內(nèi)能而不能說傳遞多少內(nèi)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(nèi)能變化的量度,而溫度是系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)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(zhì)的區(qū)別. 例3 一銅塊和一鐵塊,質(zhì)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(nèi)能的減少量等于鐵塊內(nèi)能的增加量 B.在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內(nèi),銅塊內(nèi)能減少量不等于鐵塊內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(zhì)是物體間內(nèi)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(nèi)能會發(fā)生變化,但內(nèi)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(nèi)能,三者的說法正確的是( ) A.熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義等同 B.熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度 C.熱量、功、內(nèi)能的單位不相同 D.熱量和功是由過程決定的,而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的 答案 D 解析 物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子動能和分子勢能的總和,而要改變物體的內(nèi)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(nèi)能變化多少的,而功是量度用做功的方式來改變物體內(nèi)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(nèi)能是狀態(tài)量,D正確. (時間:60分鐘) 題組一 做功與內(nèi)能的變化 1.用下述方法改變物體的內(nèi)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(nèi)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(nèi)空氣溫度升高,這是因為( ) A.胎內(nèi)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(nèi)氣體溫度 D.打氣時,外界不斷地對胎內(nèi)氣體做功 答案 D 解析 給自行車輪胎打氣,人對胎內(nèi)氣體做功,氣體內(nèi)能增加,所以溫度升高. 3.一定質(zhì)量的氣體封閉在絕熱的汽缸內(nèi),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(nèi)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(nèi)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(zhì)量的氣體,M可沿N的內(nèi)壁上下滑動.設筒內(nèi)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(nèi)能增大 B.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能減小 C.氣體對外界做功,氣體內(nèi)能增大 D.氣體對外界做功,氣體內(nèi)能減小 答案 A 解析 因為M、N內(nèi)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(nèi)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(nèi)能減少 B.氣體對外界做功,溫度不變,內(nèi)能不變 C.氣體不做功,溫度不變,內(nèi)能不變 D.氣體不做功,溫度不變,內(nèi)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(nèi)能的變化 6.下列關于內(nèi)能與熱量的說法中,正確的是( ) A.馬鈴薯所含熱量高 B.內(nèi)能越大的物體熱量也越多 C.熱量自發(fā)地從內(nèi)能大的物體流向內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)能的改變量等于傳遞的熱量,內(nèi)能增加,一定是吸收了相等能量的熱量,故A錯,B對;物體內(nèi)能包括所有分子的動能和勢能,內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動能、分子勢能共同決定,所以內(nèi)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(nèi)能增加 B.水克服大氣壓力做功,水的內(nèi)能減少 C.大氣壓力對水不做功,水的內(nèi)能不變 D.大氣壓力對水不做功,水的內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(nèi)能,且是等效的.- 配套講稿:
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