高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊第三章 熱力學(xué)定律1 功、熱和內(nèi)能的改變導(dǎo)學(xué)案

這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊第三章 熱力學(xué)定律1 功、熱和內(nèi)能的改變導(dǎo)學(xué)案，共10頁。
1．功、熱和內(nèi)能的改變學(xué)習目標：1．[物理觀念]知道焦耳的兩個實驗，功與內(nèi)能改變及熱與內(nèi)能改變的數(shù)量關(guān)系?！?/span>2.[科學(xué)思維]掌握焦耳的兩個實驗的實質(zhì)，理解功、熱和內(nèi)能改變的關(guān)系，會解釋相關(guān)的現(xiàn)象，分析相關(guān)的問題?！?/span>3.[科學(xué)探究]掌握兩個實驗的探究過程，利用“做一做”體驗功與內(nèi)能改變的關(guān)系，學(xué)會觀察與操作并與他人合作交流，提高實驗技能。　4.[科學(xué)態(tài)度與責任]理解功、熱與內(nèi)能改變的實質(zhì)，實事求是，培養(yǎng)積極探究科學(xué)的興趣，激發(fā)學(xué)習熱情。閱讀本節(jié)教材，回答第46頁“問題”并梳理必要的知識點。教材P46“問題”提示：迅速壓下活塞，引儀筒內(nèi)氣體被壓縮，體積變小，外界對氣體做了功，內(nèi)能增加，溫度升高。當溫度達到硝化棉的燃點時，硝化棉被點燃。一、功和內(nèi)能1．焦耳的實驗(1)絕熱過程：系統(tǒng)只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱。(2)代表性實驗①重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；②通過電流的熱效應(yīng)給水加熱。(3)實驗結(jié)論：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)決定，而與做功的方式無關(guān)。2．功和內(nèi)能(1)內(nèi)能：任何一個熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。(2)功和內(nèi)能：在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，即ΔU＝W。說明：在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功僅由過程的始末兩個狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。二、熱和內(nèi)能1．熱傳遞(1)條件：物體的溫度不同。(2)定義：兩個溫度不同的物體相互接觸時，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，熱量從高溫物體傳到了低溫物體。2．熱和內(nèi)能(1)熱量：它是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。(2)表達式：ΔU＝Q。(3)熱傳遞與做功在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的異同：①做功和熱傳遞都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變。②做功時是內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化；熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。注意：我們不能說物體具有多少熱量，只能說某一過程中物體吸收或放出了多少熱量。1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)系統(tǒng)只從外界吸熱，而不向外界放熱的過程就是絕熱過程。 (×)(2)在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少。 (√)(3)功和內(nèi)能都是能量轉(zhuǎn)化的量度。 (×)(4)做功和熱傳遞都可改變物體的內(nèi)能，從效果上是等效的。 (√)2．(多選)如圖所示，為焦耳實驗裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高。關(guān)于這個實驗，下列說法正確的是(　　)A．這個裝置可測定熱功當量B．做功增加了水的熱量C．做功增加了水的內(nèi)能D．功和熱量是完全等價的，無區(qū)別AC　[將做功過程和吸熱過程在同等條件下比較，可測出熱功當量，A正確；做功增加了水的內(nèi)能，熱量只是熱傳遞過程中內(nèi)能改變的量度，B錯誤，C正確；做功和傳熱產(chǎn)生的效果相同，但功和熱量是不同的概念，D錯誤。]3．關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的有(　　)A．熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能多B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大C．在熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將增大，直到兩物體的內(nèi)能相等D．在熱傳遞過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止D　[物體的內(nèi)能由溫度、體積及物體的質(zhì)量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯誤；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內(nèi)能大小無關(guān)，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大，內(nèi)能小的物體內(nèi)能繼續(xù)減小，故C錯誤，D正確。]功和內(nèi)能 如圖是鉆木取火的假想圖，在鉆木取火的過程中，為什么木塊能夠冒煙并最終能夠生火，試從物理學(xué)角度進行解釋。提示：鉆木取火的過程是對木塊進行做功的過程，木塊內(nèi)能的增加來源于外界對木塊做的功。1．內(nèi)能：物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的平均動能和勢能的總和。(1)在微觀上由分子數(shù)、分子熱運動的劇烈程度和相互作用力決定，宏觀上體現(xiàn)為物體的溫度和體積，因此物體的內(nèi)能是一個狀態(tài)量。(2)在系統(tǒng)不吸熱也不放熱的絕熱過程中，狀態(tài)發(fā)生的變化是由做功引起的，伴隨的能量轉(zhuǎn)化是外界的能量與系統(tǒng)自身的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)自身的能量稱為內(nèi)能。(3)造成系統(tǒng)內(nèi)能變化的量與做功方式無關(guān)，與做功的數(shù)量有關(guān)。(4)內(nèi)能是狀態(tài)量，由它的狀態(tài)、溫度、體積、質(zhì)量決定。2．(1)做功與內(nèi)能變化的關(guān)系：當系統(tǒng)從某一狀態(tài)經(jīng)過絕熱過程達到另一狀態(tài)時，內(nèi)能的變化量ΔU就等于外界對系統(tǒng)所做的功W，表達式為：ΔU＝U2－U1＝W。(2)系統(tǒng)內(nèi)能的變化量ΔU只與初、末狀態(tài)的內(nèi)能U1和U2有關(guān)，與做功的過程、方式無關(guān)。(3)功和內(nèi)能的區(qū)別①功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量。②在絕熱過程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化。③物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多，在絕熱過程中，只有變化較大時，對應(yīng)著做功較多。【例1】　如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞。今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦，則被密封的氣體(　　)A．溫度升高，壓強增大，內(nèi)能減少B．溫度降低，壓強增大，內(nèi)能減少C．溫度升高，壓強增大，內(nèi)能增加D．溫度降低，壓強減小，內(nèi)能增加思路點撥：(1)絕熱容器表明系統(tǒng)既不向外界傳熱，也不從外界吸熱。(2)活塞緩慢向下移動一段距離表明外界對理想氣體做了功。C　[由F通過活塞對密閉的理想氣體做正功，容器及活塞絕熱，知Q＝0，由功和內(nèi)能的關(guān)系知理想氣體內(nèi)能增大，溫度T升高，再根據(jù)＝C，體積V減小，壓強p增大，故C正確。]分析絕熱過程的方法(1)在絕熱的情況下，若外界對系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔU為正值；若系統(tǒng)對外界做正功，系統(tǒng)內(nèi)能減少，ΔU為負值。此過程做功的多少為內(nèi)能轉(zhuǎn)化多少的量度。(2)在絕熱過程中，內(nèi)能和其他形式的能一樣也是狀態(tài)量，氣體的初、末狀態(tài)確定了，即在初、末狀態(tài)的內(nèi)能也相應(yīng)地確定了，內(nèi)能的變化量ΔU也確定了。而功是能量轉(zhuǎn)化的量度，所以ΔU＝W，即W為恒量，這也是判斷絕熱過程的一種方法。【一題多變】　如圖所示的柱形容器內(nèi)封有一定質(zhì)量的空氣。質(zhì)量為m的光滑活塞與容器都用良好的隔熱材料制成，另有質(zhì)量為M的物體從活塞上方的A點自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達最低點B后靜止。這一過程中，容器內(nèi)空氣內(nèi)能的改變量ΔU，外界對氣體所做的功W與物體及活塞的重力勢能變化量的關(guān)系是(　　)A．Mgh＋mg·Δh＝ΔU＋WB．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔhC．ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔhD．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔhC　[絕熱時Q＝0，ΔU＝W；但物體落在活塞上時，有一部分機械能在碰撞時轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這些內(nèi)能沒能被封閉氣體吸收，因此W＜Mgh＋mgΔh，故C正確。][跟進訓(xùn)練]1．一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程。設(shè)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大B．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能減小C．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能增大D．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能減小D　[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)能減少。由于氣體分子間的勢能忽略，故氣體分子的平均動能減小。故D正確。]熱和內(nèi)能 某同學(xué)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。試探究：(1)燒瓶內(nèi)的內(nèi)能增加了還是減少了？(2)請解釋氣球膨脹的原因？提示：(1)增加了。(2)由于熱水的溫度較高，將燒瓶放進盛滿熱水的燒杯里，氣體吸收了熱水的熱量，內(nèi)能增加，溫度升高，體積增大，逐漸膨脹起來。1．熱傳遞(1)熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，叫作熱傳遞。(2)熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。2．熱傳遞的實質(zhì)熱傳遞實質(zhì)上傳遞的是能量，結(jié)果是改變了系統(tǒng)的內(nèi)能。傳遞能量的多少用熱量來量度。3．傳遞的熱量與內(nèi)能改變的關(guān)系(1)在單純熱傳遞中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少。即Q吸＝ΔU。(2)在單純熱傳遞中，系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少。即Q放＝－ΔU。4．熱傳遞具有方向性熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，不會自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體或從物體的低溫部分傳遞到高溫部分。5．改變內(nèi)能的兩種方式的比較比較項目做功熱傳遞內(nèi)能變化外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對外界做功，物體的內(nèi)能減少物體吸收熱量，內(nèi)能增加；物體放出熱量，內(nèi)能減少物理實質(zhì)其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化不同物體間或同一物體的不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移相互聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的【例2】　(多選)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)能的減少量不等于鐵塊內(nèi)能的增加量C．在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的減少量都等于鐵塊內(nèi)能的增加量D．達到熱平衡時，銅塊的溫度比鐵塊的低思路點撥：(1)熱傳遞的方向從高溫物體傳向低溫物體。(2)熱平衡的條件是二者溫度相等。AC　[熱平衡條件是溫度相等，熱傳遞的方向是從溫度高的物體傳向溫度低的物體；在熱傳遞過程中高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量，故A、C正確，B、D錯誤。]熱量和內(nèi)能的理解要點(1)熱量的概念只有在涉及能量的傳遞時才有意義，因此不能說物體具有多少熱量，只能說物體吸收或放出了多少熱量。(2)在系統(tǒng)與外界只發(fā)生熱傳遞時，系統(tǒng)吸收多少熱量，系統(tǒng)內(nèi)能就增加多少；系統(tǒng)放出多少熱量，系統(tǒng)內(nèi)能就減少多少。[跟進訓(xùn)練]2．(多選)關(guān)于熱量、功和內(nèi)能的下列說法中正確的是(　　)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、功都可以作為物體內(nèi)能變化的量度D．熱量、功、內(nèi)能的單位相同CD　[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)能可以通過做功和熱傳遞兩種途徑，這三者的物理意義不同，A錯誤；熱量是表示在熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化多少的，而功也是用做功的方式量度物體內(nèi)能變化多少的，B錯誤，C正確；三者的單位都是焦耳，D正確。]1．物理觀念：焦耳的兩個實驗,做功、傳熱對內(nèi)能的改變是等效的。2．科學(xué)思維：兩個實驗的實質(zhì),兩個公式的理解與應(yīng)用。3．科學(xué)方法：實驗法、公式法、計算法、理想模型法。1．在絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20 J，下列說法正確的是(　　)A．氣體內(nèi)能一定增加20 JB．氣體內(nèi)能增加必定小于20 JC．氣體內(nèi)能增加可能小于20 JD．氣體內(nèi)能可能不變A　[做功的過程是能量轉(zhuǎn)化的過程，在絕熱過程中，外界對氣體做多少功，氣體內(nèi)能就增加多少，選項A正確。]2．關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是(　　)A．熱傳遞是高溫物體的溫度傳給低溫物體B．并不接觸的物體之間不會發(fā)生熱傳遞C．比熱容相同的物體之間不會發(fā)生熱傳遞D．溫度相同的物體之間不會發(fā)生熱傳遞D　[熱傳遞實質(zhì)是內(nèi)能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，傳遞的不是溫度，傳遞的是熱量，A錯誤；不接觸的物體之間可以通過熱輻射的方式進行熱傳遞，B錯誤；熱量總是從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，和物體的比熱容沒有關(guān)系，C錯誤；溫度相同的物體之間不存在溫度差，不會發(fā)生熱傳遞，D正確。]3．下列各事例通過熱傳遞改變物體內(nèi)能的是(　　)A．車床上車刀切削工件后發(fā)熱B．擦火柴時火柴頭溫度升高C．用肥皂水淋車刀后車刀降溫D．搓搓手就會覺得手發(fā)熱C　[車床上車刀切削工件后發(fā)熱，擦火柴時火柴頭溫度升高，搓搓手就會覺得手發(fā)熱都是通過做功的方式改變物體內(nèi)能；用肥皂水淋車刀后車刀降溫是通過熱傳遞改變物體內(nèi)能的，選項C正確。]4．金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關(guān)，筒內(nèi)高壓空氣迅速向外逸出，待筒內(nèi)外壓強相等時，立即關(guān)閉開關(guān)。在外界保持恒溫的條件下，經(jīng)過一段較長時間后，再次打開開關(guān)，這時出現(xiàn)的現(xiàn)象是   (　　)A．筒外空氣流向筒內(nèi)B．筒內(nèi)空氣流向筒外C．筒內(nèi)外有空氣變換，處于動態(tài)平衡，筒內(nèi)空氣質(zhì)量不變D．筒內(nèi)外無空氣交換B　[因高壓空氣急劇外逸時，氣體沒有時間充分與外界發(fā)生熱交換，可近似看成絕熱膨脹過程。氣體對外做功，內(nèi)能減小，所以關(guān)閉開關(guān)時，筒內(nèi)氣體溫度較外界低，再經(jīng)過較長時間后，筒內(nèi)外氣體溫度相同。對筒內(nèi)剩余氣體分析，屬于等容升溫過程，其壓強要變大，大于外界氣壓，所以再打開開關(guān)時，筒內(nèi)氣體要流向筒外。故B正確。]5．如圖所示為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)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(shè)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(　　)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A　[由題意知，在M向下滑動的過程中，絕熱壓縮密封的氣體，外界對氣體做功，使氣體的內(nèi)能增大，故A正確。]