高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律导学案，共5页。

[学习目标] 1.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重点)。2.理解并会运用能量守恒定律解决实际问题(难点)。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
热力学第一定律
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。这是为什么呢？
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1．改变内能的两种方式：_______与_______。两者对改变系统的内能是____________。
2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的________与外界对它_______________的和。
3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝___________________。
4．热力学第一定律的应用：
(1)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取_____值，当系统内能减小时，ΔU取________值。(均选填“正”或“负”)
(2)W的正负：外界对系统做功时，W取______值；系统对外界做功时，W取________值。(均选填“正”或“负”)
(3)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取________值；系统向外界传递热量时，Q取________值。(均选填“正”或“负”)
如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定质量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气)，也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些？为什么？
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例1 (2022·舟曲市高二期末)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是( )
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
例2 一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能)，则下列说法正确的是( )
A．气泡对外做功，内能不变，同时放热
B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热
C．气泡内能减少，同时放热
D．气泡内能不变，不吸热也不放热
判断气体是否做功的方法
1．若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0；
2．若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。
例3 (2022·济南市期中)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为( )
A．400 J B．1 200 J
C．2 000 J D．2 800 J
应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负；
(2)根据ΔU＝W＋Q列方程求出未知量；
(3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。
二、能量守恒定律
1．能量守恒定律
(1)内容：能量既不会凭空________，也不会凭空________，它只能从一种形式________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量_________。
(2)两种表达
①某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；
②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
2．永动机不可能制成
(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地________________的机器。
(2)第一类永动机由于违背了__________，所以不可能制成。
3．热力学第一定律与能量守恒定律的比较
(1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。
(2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。
如图为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
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(1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。( )
(2)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( )
(3)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。( )
(4)第一类永动机不能制成，因为它违背了能量守恒定律。( )
例4 (2022·仪征市高二期末)有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是( )
A．化学能转化为电能
B．内能转化为电能
C．化学能转化为光能
D．机械能转化为电能
例5 某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积为S＝3.2 dm2的保温圆筒，筒内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半径为R＝6 400 km，试估算出太阳向地球表面辐射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt)
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