物理同步指导(教科选修33)课件：第4章 1、2 能量守恒定律的发现 热力学第一定律

解析：氢气和氧气的质量虽然相同，但由于氢气的摩尔质 量小，故氢气物质的量多，又体积和温度相同，所以氢气产生 的压强大．当拔掉销子后，由于氢气物质的量多，压强大，会 推动活塞向氧气一方移动，这时氢气对外做功，又无热传递， 由ΔU＝W＋Q可知，氢气内能减少，温度降低．对氧气而言， 外界对它做功，体积减小，由ΔU＝W＋Q可知，无热传递的情 况下，氧气内能增加，温度升高．
应．
2．内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递 的___热__量___与外界对它所做的___功_____的和．
3．表达式：__Δ__U_＝__Q__＋__W_____．
探究一 能量守恒定律的应用
(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停 下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速 下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电 流．上述不同现象中包含的相同物理过程是( )
答案：AD
1.一颗子弹以某一水平速度击中静止在光滑 水平面上的木块，并从中穿出，对于这一过程，下列说法中正 确的是( )
A．子弹减小的机械能等于木块增加的机械能 B．子弹减少的能量等于木块增加的能量 C．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的 内能之和 D．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增 加的内能之和
一、能量守恒定律
1．大量事实证明：各种形式的能可以相互转化，并且在 转化过程中总量__不__变____．
2．能量守恒定律：能量既不会凭空__产__生____，也不会凭 空___消__失___，它只能从一种形式___转__化___为另一种形式，或者 从一个物体__转__移____到别的物体，在转化或转移的过程中其总 量__保__持__不__变____．
如图是用导热性能良好的材料制成的气体 实验装置，开始时封闭的空气柱长度为20 cm，人用竖 直向下的力F压活塞，使空气柱长度变为原来的一半， 人对活塞做功10 J，大气压强为p0＝1×105 Pa，不计活 塞的重力．问：
(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的 压强多大？
(2)若以适当的速度压缩气体，此过程气体向外散失的热量 为2 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S＝1 cm2)
缓慢压缩，气体温度不变，由玻意耳定律：p0V0＝pV 解得p＝2×105 Pa
(2)大气压力对活塞做功W1＝p0S W2＝10 J，
由热力学第一定律得
(L0－L)＝1 J，人做功
ΔU＝W1＋W2＋Q 将Q＝－2 J代入，解得ΔU＝9 J
答案：(1)2×105 Pa (2)9 J
(1)根据W＝p·ΔV确定做功情况 (2)明确公式ΔU＝W＋Q中各量的符号法则
第四章 能量守恒与热力学定律
1 能量守恒定律的发现 2 热力学第一定律
1．理解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析解决有 关问题．理解第一类永动机是不可能制成的原因．
2．理解物体跟外界做功和热传递的过程及W、Q、ΔU的 物理定义．
3．理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析 和计算有关问题．
符号 正号 负号
W 外界对物体做功 物体对外界做功
Q 物体吸收热量 物体放出热量
ΔU 内能增加 内能减少
2．几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的 功等于物体内能的增加． (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热 量等于物体内能的增加． (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋ Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．
3．定律表明： (1)各种形式的能可以互相__转__化____． (2)各种互不相关的物理现象可以用_能__量__转__化__和__守__恒__定__律___
联系在一起．
二、热力学第一定律 1 ． 功 和 热 ： 改 变 系 统 的 内 能 ， __做__功____ 和 __热__传__递____ 这 两种方法是等效的，即一定数量的功与___确__定__数__量__的__热___相对
•不习惯读书进修的人，常会自满于现状，觉得没有什么事情需要学习，于是他们不进则退2022年4月14日星期四2022/4/142022/4/142022/4/14 •读书，永远不恨其晚。晚比永远不读强。2022年4月2022/4/142022/4/142022/4/144/14/2022 •正确的略读可使人用很少的时间接触大量的文献，并挑选出有意义的部分。2022/4/142022/4/14April 14, 2022 •书籍是屹立在时间的汪洋大海中的灯塔。
(多选)如图所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积 相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度相同的氢气和氧 气分别充入容器的两部分(氢气和氧气都可看做是理想气体)， 然后提起销子S，使活塞可以无摩擦地滑动．当活塞平衡时， 下面说法正确的是( )
A．氢气的温度升高 B．氢气的压强减小 C．氧气的内能增大 D．氢气的体积减小
答案：BC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
绝热容器是指与外界不发生热交换的容器； 一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度升高，内能增 加，温度降低，内能减少．
2. 一 个 气 泡 从 恒 温 水 槽 的 底 部 缓 慢 向 上 浮 起，若不计气泡内空气分子势能的变化，则( )
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
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2．热力学第一定律 (1)对ΔU＝W＋Q的理解：热力学第一定律是对单纯的绝热 过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表达，推广到一般 情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数 量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量．
(2)对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号 ＋ －
W 外界对物体做功 物体对外界做功
解析：在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减 小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减小，温 度降低．但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升 过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故须 从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功．
答案：B
探究三 热力学第一定律与气体状态方程的综合应用
Q 物体吸收热量 物体放出热量
ΔU 内能增加 内能减少
(3)判断是否做功的方法 一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变 化． ①若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0； ②若物体体积变小，表明外界对物体做功，W>0．
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课下作业(十一)
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解析：子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用 使得子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统 产生的热量在数值上等于系统机械能的损失．A选项漏考虑系 统增加的内能，C选项应考虑的是系统(子弹、木块)内能的增 加．
答案：D
探究二 热力学第一定律的应用
1．热力学第一定律中ΔU、Q、W的符号如何规定的？ 提示：对公式ΔU、Q、W符号的规定
3.一个水平放置的气缸，由两个截面积不同 的圆筒连接而成．活塞A、B用一长为4L的刚性细杆连接，L＝ 0.5 m，它们可以在筒内无摩擦地左右滑动．A、B的截面积分 别为SA＝40 cm2，SB＝20 cm2，A、B之间封闭着一定质量的理 想 气 体 ， 两 活 塞 外 侧 (A 的 左 方 和 B 的 右 方 ) 是 压 强 为 P0 ＝ 1.0×105 Pa的大气．当气缸内气体温度为T1＝525 K时两活塞静 止于如图所示的位置．
A．物体克服阻力做功 B．物体的动能转化为其他形式的能量 C．物体的势能转化为其他形式的能量 D．物体的机械能转化为内能
解析：这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车主 要是制动阻力，流星坠落和降落伞降落受到空气阻力，条形磁 铁下落过程受到磁场阻力，因而物体克服阻力做功，A选项 对．四个物体运动过程中，汽车是动能转化为内能，流星、降 落伞、条形磁铁是重力势能转化为内能或其他形式的能，总之 是机械能转化为其他形式的能，D选项正确．
(1)现使气缸内气体的温度缓慢下降，当温度降为多少时活 塞A恰好移到两圆筒连接处？
(2)若在此变化过程中气体共向外放热500 J，求气体的内能 变化了多少？
解析：(1)对活塞受力分析，活塞向右缓慢移动过程中，气 体发生等压变化
由盖吕萨克定律有3LSAT＋1 LSB＝4LTS2 B 代入数值，得 T2＝300 K 时活塞 A 恰好移到两筒连接处
(2)活塞向右移动过程中，外界对气体做功 W＝p0·3L(SA－SB)＝1×105×3×0.5×(4×10－3－2×10－3) J＝300 J 由热力学第一定律得ΔU＝W＋Q＝300 J－500 J＝－200 J 即气体的内能减少200 J． 答案：(1)300 K (2)减少200 J
1．对能量守恒定律的理解 (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．
解析：(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横 截面积为S，L0＝20 cm，L＝10 cm，V0＝L0S，V ＝LS．
缓慢压缩，气体温度不变，由玻意耳定律： p0V0＝pV
解得p＝2×105 Pa
(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，L0＝20 cm，L＝10 cm，V0＝L0S，V＝LS．