新教材2023高中物理第三章热力学定律3.1功热和内能的改变课件新人教版选择性必修第三册

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第三章 热力学定律1　功、热和内能的改变知识点一 　焦耳的实验1.如图所示,在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉,迅速压下筒中的活塞,可以观察到硝化棉燃烧的火苗.缓慢压下筒中的活塞能看到硝化棉燃烧的火苗吗?该实验说明了什么问题?答案:尽管缓慢下压活塞同样对空气做功,但此过程中空气有足够的时间向外界放出热量,所以缓慢压下筒中的活塞不能看到硝化棉燃烧的火苗;该实验说明做功可以改变物体的内能.2.简述什么是绝热过程.答案:绝热过程是系统不从外界吸热,也不向外界放热的过程.3.回顾已学知识,完成下列问题.(1)内能的概念:内能是物体中所有分子的热运动的 和 的总和.(2)内能大小的决定因素:分子平均动能与温度有关,分子势能与 有关,内能与物体的 、 、 有关.(3)内能与机械能:机械能是描述物体机械运动状态的量,内能是描述物体热学状态的量;机械能是 的,内能是 的,所有物质都具有内能.(均选填“相对”或“绝对”)动能分子势能体积物质的量温度体积相对绝对4.教材中焦耳的第一个实验:让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升.忽略水的体积变化,从分子动理论的角度分析水的内能如何变化. 内能的变化是如何实现的?答案:水温上升,分子的平均动能增大,内能增加;内能的增加是通过做功的方式实现的,在此过程中机械能向内能转化.5.教材中焦耳的另一个实验是通过电流的热效应给液体加热,使液体的温度升高的.液体的内能变化是如何实现的?答案:通过电流的热效应给液体加热是通过电流做功的方式实现内能的变化的.知识点二　功与内能的改变1.绝热过程中,外界对系统所做的功为W,内能的变化量为ΔU,二者之间有什么关系?答案:内能的变化量ΔU与外界对系统所做的功W相等,即ΔU=W.2.在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能 ;系统对外做功,系统的内能 .增加减少知识点三　热与内能的改变1.外界单纯地向系统传递的热量为Q,Q与系统内能的变化量ΔU有什么关系?答案:内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q.2.在单纯的传热过程中,当外界向系统传递热量时,系统的内能 ;当系统向外界传递热量时,系统的内能 .3.内能是 ,热量是 .(均选填“状态量”或“过程量”)增加减少状态量过程量4.做功和传热都可以改变物体的内能,两种方式有什么不同点?答案:做功时,内能与其他形式的能发生转化;传热是不同物体(或同一物体的不同部分)之间内能的转移.1.在绝热过程中,做功过程和方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果.( )2.做功和传热在改变物体内能上是等效的.( )3.做功和传热的实质是相同的.( )4.做功和传热是对同一过程的两种说法.( )5.在任何情况下,公式ΔU=Q都适用. ( )6.在绝热过程中,外界对系统做的功小于系统内能的增加量.( )7.功和内能都是能量变化的量度.( )×√×××××探究一　焦耳的实验与内能实验1:如图所示,用绝热性能良好的材料制作容器,容器中安装着叶片组成的搅拌器.重物下落时带动叶片转动,搅拌容器中的水,水由于摩擦而温度上升.答案:用温度标示系统的热学状态,温度变化表示系统的热学状态发生变化.2.实验需要满足什么条件?是如何实现的?答案:实验条件应满足系统不吸热,也不放热,即保持绝热;本实验通过容器密闭且外面包裹绝热材料实现绝热.1.用什么物理量标示系统的热学状态?3.实验时更换不同的重物,为了保证对系统做功相同,应该如何控制其下降的高度?答案:为了保证对系统做功相同,必须使重物的质量与其下降高度的乘积保持不变.答案:对于同一个系统,在绝热过程中只要重力所做的功相同,容器内水温上升的数值都是相同的,即系统状态的变化是相同的.4.本实验的实验结论是什么?实验2:如图所示,让正在下降的重物带动发电机发电,电流通过浸在液体中的电阻丝,由电流的热效应给液体加热,使液体温度上升.5.实验时如果改变电流的大小,如何保证电流做功相同?答案:电流做功公式为W=I2Rt,为保证电流做功相同,应该在R不变的情况下使I2t相同.6.本实验的实验结论是什么?答案:对于同一个系统,在绝热过程中只要电流所做的功相同,系统温度上升的数值就相同,即系统的状态变化相同.7.结合实验1和实验2的实验结论,对于绝热系统,从状态A变为状态B,需要做功的数值与具体做功的过程、方式是否有关?由此能得到什么结论?答案:系统从状态A变为状态B,需要做功的数值是一个确定的值,与具体做功的过程、方式无关.任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我们把这个物理量称为系统的内能.1.对物体内能的理解.(1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和分子间的作用力决定,宏观上体现为物体的温度和体积,因此物体的内能是一个状态量.(2)物体的内能是由它的状态决定的,且物体内能的变化只由初、末状态决定,与中间过程无关.(3)绝热过程中造成系统内能变化的量与做功方式无关,与做功的多少有关.2.功和内能的区别.(1)功是过程量,内能是状态量.(2)在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化.(3)物体的内能增大,并不意味着外界对物体做了功.【典例1】(多选)下图为焦耳的实验装置示意图,用绝热性能良好的材料将容器包好,重物下落带动叶片转动搅拌容器里的水,引起水温升高.关于这个实验,下列说法正确的是(　　)A.水升高的温度由重物做功决定B.做功增加了水的热量C.做功增加了水的内能D.功和热量是完全等价的,无区别解析:在该实验中,水升高的温度由重物做功决定,选项A正确.做功增加了水的内能,热量是传热过程中内能变化的量度,选项B错误,选项C正确.做功和传热产生的效果可以相同,但功和热量是不同的概念,选项D错误.答案:AC探究二　功与内能的改变打气筒是日常生活中的一种工具,我们经常用打气筒给自行车轮胎打气,如图所示.1.打气的过程中如果摸一下打气筒外壳底部,会有什么感觉?如何解释这一现象?答案:打气筒外壳底部的温度升高;打气过程中,活塞克服气体压力和摩擦力做功,做功的过程是能量转化的过程,做功使系统的内能增加了,所以打气筒外壳底部温度升高.2.外界对某绝热的热力学系统做功为W,系统内能增加量为ΔU,二者之间什么关系?答案:绝热的热力学系统内能的增加量等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W.做功与内能变化的关系.(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程.(2)在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内能就增加多少;物体对外界做多少功,就有多少内能转化为其他形式的能,物体的内能就减少多少.(3)在绝热过程中,内能和其他形式的能一样都是状态量.系统的初、末状态确定了,系统在初、末状态的内能也相应地确定了,内能的变化量ΔU也确定了,而功是能量变化的量度,所以ΔU=W,即W为恒量.【典例2】如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热容器中,容器内装有一可以滑动的绝热活塞,今对活塞施加竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离,气体的体积减小.若忽略活塞与容器壁间的摩擦,则被密封的气体(　　) A.温度升高,压强增大,内能减少B.温度降低,压强增大,内能减少C.温度升高,压强增大,内能增加D.温度降低,压强减小,内能增加答案: C 根据气体体积变化判断做功情况探究三　热与内能的改变如图所示,温度不同的物体A、B,物体A的温度比物体B的温度高.1.将两个物体接触,说出物体之间传热的方向.答案:热从高温物体传向低温物体,即热从A向B传递,直到A、B温度相同.2.如果物体B仅从物体A吸收热量Q,那么物体B的内能如何变化?变化量是多少?答案:物体B的内能增加;内能增加量等于吸收的热量Q.3.物体A仅向物体B传递热量Q,物体A的内能如何变化?变化量是多少?答案:物体A的内能减少;内能减少量等于放出的热量Q.1.热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度.系统从状态1经过单纯的传热变为状态2,内能的变化量ΔU=U2-U1,它就等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q.热量转移到系统当中,系统吸热,内能增加.热量从系统中转移出去,系统放热,内能减少.2.内能与热量的区别.(1)内能是一个状态量,一个物体在不同的状态下有不同的内能.(2)热量是一个过程量,它是传热过程中转移的能量,即内能的改变量.(3)热量的概念只有在涉及能量的变化时才有意义.3.改变内能的两种方式的比较.【典例3】关于传热,下列说法正确的是(　　)A.传热的实质是温度的传递B.物体间存在温度差,才能发生传热C.传热可以在任何情况下进行D.物体内能发生改变,一定是吸收或放出了热量解析:传热实质上是热量在两物体间或同一物体的不同部分间发生转移,选项A错误.传热发生的条件是物体间存在温度差,高温物体放出热量,低温物体吸收热量,若两物体温度相同,则它们之间便不会发生传热,选项B正确,选项C错误.物体吸收或放出热量,内能会发生变化,但内能变化不一定是传热引起的,还可以用做功的方式改变内能,选项D错误.答案:B传热的条件及注意事项课堂评价1.古代某一点火器原理如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒.猛推推杆,艾绒即可点燃.对筒内封闭的气体分析,在此压缩过程中 (　　)A.气体温度升高,压强不变B.气体温度升高,压强变大C.气体对外界做正功,气体的内能增加D.外界对气体做正功,气体的内能减少答案:B 2.一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程.设气体分子间的分子势能可忽略,在此过程中(　　)A.外界对气体做功,气体分子的平均动能增加B.外界对气体做功,气体分子的平均动能减少C.气体对外界做功,气体分子的平均动能增加D.气体对外界做功,气体分子的平均动能减少答案:D解析:绝热过程是指气体膨胀过程未发生传热,膨胀过程气体体积增大,气体对外界做功,气体内能减少.由于气体分子间的分子势能可忽略,气体分子的平均动能减少,选项D正确.3.如图所示,瓶内装有少量的水,瓶口已塞紧,水上方空气中有水蒸气,用打气筒向瓶内打气,当塞子从瓶口跳起时,瓶内出现“白雾”,这一现象产生的原因可以用下面三句话解释:甲,水蒸气凝结成小水珠;乙,瓶内气体推动瓶塞做功,内能减小;丙,温度降低.这三句话正确的顺序是 (　　)A.甲乙丙　　　　　　　B.乙丙甲C.丙甲乙 D.乙甲丙答案:B解析:根据题意,过程为瓶内空气推动瓶塞做功→气体内能减小→气体温度降低→瓶内水蒸气液化成小水珠即“白雾”.4.(多选)关于热量与内能,下列说法正确的是(　　)A.热量是物体在传热过程中内能变化的量度B.热水的内能比冷水的内能多C.热量有可能从内能少的物体传到内能多的物体D.温度高的物体热量多,内能多答案:AC解析:热量是物体在传热过程中内能变化的量度,在只有传热过程的情况下,有多少热量转移,内能就变化多少,选项A正确.内能是物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和,宏观上看,其大小取决于物体的温度、体积、物质的量,热水温度高只能说明其分子的平均动能大,因为热水和冷水的质量不一定相同,所以热水温度高并不能说明它的总分子动能大,更不能说明它的内能大,选项B错误.热量从高温物体传给低温物体,而高温物体的内能有可能比低温物体的内能少,选项C正确.热量不是状态量,不能说某个物体具有多少热量,选项D错误.5.假设对某物体做1 200 J的功,可使物体的温度升高3 ℃,如果改用传热的方式使物体的温度同样升高3 ℃,那么物体应吸收 J的热量.如果对该物体做3 000 J的功,物体的温度升高5 ℃,那么表明该过程中,物体 (选填“吸收”或“放出”)热量 J. 答案:1 200 放出 1 000解析:做功和传热在改变物体内能上是等效的,因此用做功方式使物体的温度升高3 ℃,做功1 200 J,如用传热方式使其温度升高3 ℃,该物体应吸收1 200 J的热量.物体温度升高5 ℃,需要的功或热量应为2 000 J;而对物体做功3 000 J,其温度只升高了5 ℃,说明该过程中物体放出1 000 J的热量.情境　某某同学做了一个小实验:先把一个空锥形瓶放入冰箱冷冻,一小时后取出锥形瓶,并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上,然后将锥形瓶放进盛满热水的容器里,气球逐渐膨胀起来.新高考 新考向问题　分析气球膨胀的原因.答案:将烧瓶放进盛满热水的容器里,由于热水的温度较高,烧瓶内的气体吸收热量,内能增加,温度升高,体积增大,气球逐渐膨胀起来.