2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第1-2講 功和內(nèi)能 熱和內(nèi)能學(xué)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(xué)定律 第1-2講 功和內(nèi)能 熱和內(nèi)能學(xué)案 新人教版選修3-3目標(biāo)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(guān)系.3.知道熱傳遞和做功對(duì)改變物體內(nèi)能的等效結(jié)果一、焦耳的實(shí)驗(yàn)1系統(tǒng)不從外界吸熱,也不向外界放熱的過(guò)程叫做絕熱過(guò)程2要使系統(tǒng)狀態(tài)通過(guò)絕熱過(guò)程發(fā)生變化,做功的數(shù)量只由過(guò)程始末兩個(gè)狀態(tài)1、2決定,而與做功方式無(wú)關(guān)二、內(nèi)能1任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都存在一個(gè)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(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過(guò)絕熱過(guò)程達(dá)到狀態(tài)2時(shí),內(nèi)能的增加量UU2U1就等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W,即UW.三、熱和內(nèi)能1不僅對(duì)系統(tǒng)做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,單純的對(duì)系統(tǒng)傳熱也能改變系統(tǒng)的內(nèi)能2當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過(guò)單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2,內(nèi)能的增加量UU2U1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q,即UQ.一、功和內(nèi)能關(guān)系的理解1內(nèi)能(1)微觀:所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能之和(2)宏觀:只依賴于熱力學(xué)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(guān)系做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度,在絕熱過(guò)程中:(1)外界對(duì)系統(tǒng)做功,系統(tǒng)內(nèi)能增加,即UU2U1W;(2)系統(tǒng)對(duì)外界做功,系統(tǒng)內(nèi)能減少,即WU.3內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別和聯(lián)系(1)區(qū)別:內(nèi)能與機(jī)械能是兩個(gè)不同的概念(2)聯(lián)系:在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)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(guò)程中()圖1AE甲不變,E乙減小 BE甲不變,E乙增大CE甲增大,E乙不變 DE甲增大,E乙減小答案D解析本題解題的關(guān)鍵是明確甲、乙兩氣室氣體都經(jīng)歷絕熱過(guò)程,內(nèi)能的改變?nèi)Q了做功的情況,對(duì)甲室內(nèi)的氣體,在拉桿緩慢向外拉的過(guò)程中,活塞左移,壓縮氣體,外界對(duì)甲室氣體做功,其內(nèi)能應(yīng)增大,對(duì)乙室內(nèi)的氣體,活塞左移,氣體膨脹,氣體對(duì)外界做功,內(nèi)能就減小,故D選項(xiàng)正確借題發(fā)揮(1)壓縮氣體,外界對(duì)氣體做功,內(nèi)能增大,溫度升高,柴油機(jī)就是利用這個(gè)原理點(diǎn)火的(2)在絕熱過(guò)程中,末態(tài)內(nèi)能大于初態(tài)內(nèi)能時(shí),U為正,W為正,外界對(duì)系統(tǒng)做功末態(tài)內(nèi)能小于初態(tài)內(nèi)能時(shí),U為負(fù),W為負(fù),系統(tǒng)對(duì)外界做功例2下列關(guān)于系統(tǒng)的內(nèi)能的說(shuō)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(dòng)理論中引入的系統(tǒng)內(nèi)能和熱力學(xué)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(duì)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(shí)對(duì)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(gè)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(duì);正因?yàn)閮?nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的,所以分子動(dòng)理論中引入的內(nèi)能和熱力學(xué)中引入的內(nèi)能是一致的,B對(duì);做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,C錯(cuò);氣體絕熱膨脹時(shí)對(duì)外界做了功,又因?yàn)榕c外界沒(méi)有熱交換,所以系統(tǒng)的內(nèi)能要減小,故D錯(cuò)二、熱和內(nèi)能1傳熱和內(nèi)能變化的關(guān)系系統(tǒng)在單純傳熱過(guò)程中,內(nèi)能的增量U等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q,即UQ.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(shuō)系統(tǒng)具有多少內(nèi)能而不能說(shuō)傳遞多少內(nèi)能;熱量是過(guò)程量,不能說(shuō)系統(tǒng)具有多少熱量,只能說(shuō)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的激烈程度的標(biāo)志雖然熱傳遞的前提是兩個(gè)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(guò)程量,一定量的熱量與一定量的功相當(dāng),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(dāng)它們接觸在一起時(shí),如果不和外界交換能量,則()A從兩者開(kāi)始接觸到熱平衡的整個(gè)過(guò)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(dá)到熱平衡以前的任意一段時(shí)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(dá)到熱平衡時(shí),銅塊的溫度TD達(dá)到熱平衡時(shí),兩者的溫度相等答案AD解析一個(gè)系統(tǒng)在熱交換的過(guò)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(guò)程中內(nèi)能的變化量,所以選項(xiàng)A、D都正確,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;根據(jù)熱平衡方程c銅m(T1T)c鐵m(TT2),解得T,由此可知選項(xiàng)C是錯(cuò)誤的例4若對(duì)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(yīng)吸收_ J的熱量,如果對(duì)該物體做3 000 J的功,物體的溫度升高5 ,表明該過(guò)程中,物體應(yīng)_(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(yīng)吸收1 200 J的熱量如對(duì)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(yīng)為E.1 200 Jcm3 ,Ecm5 ,所以E2 000 J.QEW1 000 J,因此物體應(yīng)放出1 000 J的熱量做功與內(nèi)能的關(guān)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(yáng)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(huì)升高C在爐火上燒水,水的溫度升高D電視機(jī)工作一段時(shí)間,其內(nèi)部元件溫度升高答案AC解析陽(yáng)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(dǎo)和對(duì)流使水的溫度升高,用鐵錘錘打鉛塊的過(guò)程,是做功的過(guò)程,鉛塊溫度升高,是由于外界做功引起的電視機(jī)工作時(shí),電流通過(guò)各元件,電流做功使其溫度升高可見(jiàn)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(guò)程設(shè)氣體分子間的勢(shì)能可忽略,則在此過(guò)程中()A外界對(duì)氣體做功,氣體分子的平均動(dòng)能增加B外界對(duì)氣體做功,氣體分子的平均動(dòng)能減少C氣體對(duì)外界做功,氣體分子的平均動(dòng)能增加D氣體對(duì)外界做功,氣體分子的平均動(dòng)能減少答案D解析絕熱膨脹過(guò)程是指氣體膨脹過(guò)程未發(fā)生熱傳遞,膨脹過(guò)程氣體體積增大,氣體對(duì)外界做功W0.由UU2U1W可知,氣體內(nèi)能減小由于氣體分子間的勢(shì)能忽略,故氣體分子的平均動(dòng)能減少傳熱與內(nèi)能的關(guān)系3關(guān)于熱傳遞,下列說(shuō)法中正確的是()A熱傳遞的實(shí)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(jìn)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(shí)質(zhì)是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,故A錯(cuò);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(dá)到了熱平衡,故B對(duì),C錯(cuò);物體吸收或放出熱量,內(nèi)能會(huì)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(guò)做功的方式實(shí)現(xiàn),故D錯(cuò)4對(duì)于熱量、功和內(nèi)能,三者的說(shuō)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(guò)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(dòng)能和分子勢(shì)能的總和,而要改變物體的內(nèi)能可以通過(guò)做功或熱傳遞兩種途徑,這三者的物理意義不同,A錯(cuò);熱量是表示在熱傳遞過(guò)程中物體內(nèi)能變化多少的,而功是量度用做功的方式來(lái)改變物體內(nèi)能多少的,B錯(cuò);三者單位都是焦耳,C錯(cuò);熱量和功是過(guò)程量,內(nèi)能是狀態(tài)量,D正確(時(shí)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(shí),鐵塊發(fā)熱B用磨刀石磨刀時(shí),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(guò)程都是力對(duì)系統(tǒng)(鐵塊、刀、手)做功,內(nèi)能增加和溫度升高的過(guò)程而D中用天然氣燒水則是通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫升高的2在給自行車輪胎打氣時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)胎內(nèi)空氣溫度升高,這是因?yàn)?)A胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)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(lái)就高于胎內(nèi)氣體溫度D打氣時(shí),外界不斷地對(duì)胎內(nèi)氣體做功答案D解析給自行車輪胎打氣,人對(duì)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(dāng)用活塞壓縮氣體時(shí),一定增大的物理量有(不計(jì)氣體分子勢(shì)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(dòng)能答案BCD解析絕熱過(guò)程外力對(duì)系統(tǒng)做功,內(nèi)能增加,溫度升高,分子平均動(dòng)能增加4如圖1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(dòng)設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換,在M向下滑動(dòng)的過(guò)程中()圖1A外界對(duì)氣體做功,氣體內(nèi)能增大B外界對(duì)氣體做功,氣體內(nèi)能減小C氣體對(duì)外界做功,氣體內(nèi)能增大D氣體對(duì)外界做功,氣體內(nèi)能減小答案A解析因?yàn)镸、N內(nèi)被封氣體體積減小,所以外界對(duì)氣體做功,又因氣體與外界沒(méi)有熱交換即絕熱過(guò)程,所以UW,且U0,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(kāi),左側(cè)裝有氣體,右側(cè)為真空現(xiàn)將隔板抽掉,讓左側(cè)氣體自由膨脹到右側(cè)直至平衡,在此過(guò)程中()圖2A氣體對(duì)外界做功,溫度降低,內(nèi)能減少B氣體對(duì)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(wú)熱傳遞,Q0.題組二傳熱與內(nèi)能的變化6下列關(guān)于內(nèi)能與熱量的說(shuō)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(xiàng)A是一種很常見(jiàn)的說(shuō)法,但從物理學(xué)的角度來(lái)看,卻有不妥,熱量是過(guò)程量,不是狀態(tài)量,不能像內(nèi)能那樣蘊(yùn)含在物體中,選項(xiàng)A錯(cuò);說(shuō)法B與說(shuō)法A存在相同的錯(cuò)誤,此外,物體的內(nèi)能與熱量之間,在數(shù)量上沒(méi)有必然聯(lián)系,選項(xiàng)B錯(cuò);兩物體之間熱量的流向只與它們的溫度有關(guān),與它們的內(nèi)能無(wú)關(guān),選項(xiàng)C錯(cuò)7在一個(gè)完全真空的絕熱容器中放入兩個(gè)物體,它們之間沒(méi)有發(fā)生熱傳遞,這是因?yàn)?)A兩物體沒(méi)有接觸B兩物體的溫度相同C真空容器不能發(fā)生熱對(duì)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(wú)關(guān),故選項(xiàng)B正確,A、C、D錯(cuò)誤題組三綜合應(yīng)用8如圖3所示,A、B是兩個(gè)完全相同的球,分別浸沒(méi)在水和水銀的同一深度處,A、B兩球用同一種材料制成,當(dāng)溫度稍微升高時(shí),球的體積會(huì)明顯變大,如果開(kāi)始水和水銀的溫度相同,且兩液體溫度同時(shí)緩慢升高到同一值,兩球膨脹后,體積相等,則()圖3AA球吸收的熱量較多BB球吸收的熱量較多C兩球吸收的熱量一樣多D無(wú)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(niǎo)球是處在水銀中的,B球膨脹時(shí)受到的壓力大,對(duì)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(shuō)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(dòng)能增加了50 JD物體的分子平均動(dòng)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(cuò),B對(duì);物體內(nèi)能包括所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能,內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能共同決定,所以內(nèi)能增加了50 J并不一定是分子動(dòng)能增加了50 J物體的分子平均動(dòng)能有可能不變,這時(shí)吸收的50 J熱量全部用來(lái)增加分子勢(shì)能10如圖4所示的容器中,A、B中各有一個(gè)可自由移動(dòng)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(mén)K的管道相連,整個(gè)裝置與外界絕熱打開(kāi)閥門(mén)前,A中水面比B中水面高,打開(kāi)閥門(mén)后,A中的水逐漸向B中流,最后達(dá)到同一高度,在這個(gè)過(guò)程中()圖4A大氣壓力對(duì)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(duì)水不做功,水的內(nèi)能不變D大氣壓力對(duì)水不做功,水的內(nèi)能增加答案D解析打開(kāi)閥門(mén)K穩(wěn)定后,容器A、B中的水面相平,相當(dāng)于圖中畫(huà)斜線部分的水從A移到B,這部分水的重力勢(shì)能減少了,即重力對(duì)水做了功,同時(shí)大氣壓力對(duì)A容器中的水做正功為p0SAhA,對(duì)B容器中的水做負(fù)功為p0SBhB,因?yàn)閮刹糠炙捏w積相等,所以大氣壓力對(duì)水做的總功為零由于容器絕熱,系統(tǒng)與外界之間沒(méi)有熱交換,而重力對(duì)系統(tǒng)做正功,故水的內(nèi)能增加11某同學(xué)做了一個(gè)小實(shí)驗(yàn);先把空的燒瓶放入冰箱冷凍,一小時(shí)后取出燒瓶,并迅速把一個(gè)氣球緊密地套在瓶頸上,然后將燒瓶放進(jìn)盛滿熱水的燒杯里,氣球逐漸膨脹起來(lái),如圖5所示這是因?yàn)闊坷锏臍怏w吸收了水的_,溫度_,體積_圖5(2)若只對(duì)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(duì)該氣體做了2 000 J的功,使其溫度升高了5 K,表明在該過(guò)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?jī)?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- 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