高中物理第十章热力学定律第三节热力学第一定律能量守恒定律课堂探究学案新人教选修
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第三节 热力学第一定律 能量守恒定律
课堂探究
探究一热力学第一定律
问题导引
1．一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：
(1)如果外界对物体做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？
(2)如果物体对外界做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？
提示：(1)一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做功为W，它的内能就增加W；
(2)物体对外界做功为W，它的内能就减少W。
2．一个物体，外界既没有对它做功，它也没有对外界做功，那么：
(1)如果物体从外界吸收热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？
(2)如果物体向外界放出热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？
提示：(1)如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体从外界吸收热量Q，它的内能就增加Q；
(2)物体向外界放出热量Q，它的内能就减少Q。
3．如果某一过程中，物体跟外界同时发生了做功和热传递，那么，该物体内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢？
提示：ΔU＝W＋Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。
名师精讲
1．热力学第一定律的意义
热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
2．热力学第一定律的符号法则
做功W 热量Q 内能的变化ΔU
取正值“＋” 外界对系
统做功 系统从外界
吸收热量 系统的内
能增加
取负值“－” 系统对外
界做功 系统向外界
放出热量 系统的内
能减少
3.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。
4．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。
5．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)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；
(3)再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况。
【例题1】 (2013·西城高二检测)外界对一定质量的气体做了200 J的功，同时气体又向外界放出了80 J的热量，则气体的内能________(选填“增加”或“减少”)了________J。
解析：外界对气体做了200 J的功，则W＝200 J，气体向外界放出了80 J的热量，则Q＝－80 J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q得：
ΔU＝200 J－80 J＝120 J＞0，故内能增加，增加了120 J。
答案：增加 120
题后反思应用热力学第一定律计算时，要依据符号法则代入数据，对运算结果的正、负，也同样依照符号法则来解释其意义。
探究二能量守恒定律
问题导引
1． 不耗油的汽车能不能制成，为什么？不消耗能量的汽车呢？
提示：前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背能量守恒定律。
2．热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？
提示：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，其范围广泛，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，是能量守恒定律的具体体现。
名师精讲
1．能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。
各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能等。
2．能量守恒的条件
与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都普遍遵守的基本规律。
3．能量守恒定律的重要意义
(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量的规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。
(2)突破了人们关于物质运动的认识范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。
(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想。
4．能量守恒定律中的“转化”和“转移”
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，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。
温馨提醒虽然功和能量具有相同的单位，但两者是完全不同的两个概念，所以在能量守恒的表达式中，只存在能量，不存在功。
【例题2】 如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度h，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？(不计空气阻力)
解析：子弹和沙箱相互作用的过程中，损失动能，产生内能，由能量守恒定律得：
ΔU＝12mv－12 (M＋m)v2①
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点以v做圆周运动，满足机械能守恒，即12 (M＋m)v2＝(M＋m)gh②
由①②解得：ΔU＝12mv－(M＋m)gh
答案：12mv－(M＋m)gh
题后反思应用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及了哪几种形式的能量，然后分析哪种形式的能量增加，哪种形式的能量减少，确定了研究的系统后，用能量守恒的观点即可求解。
