高中物理1 功、热和内能的改变学案设计

第1节功、热和内能的改变

自主学习·必备知识

教材研习

教材原句

要点一功与内能的改变

在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。①

要点二热传递

两个温度不同的物体、相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，我们说，热从高温物体传到了低温物体②

自主思考

①远古时代，取火是一件困难的事，火一般产生于雷击或白磷的自燃，随着人类文明的进步，我们的祖先发明了“钻木取火”的用具，使人们不再仅仅依靠自然的“恩赐”而得到“火”。你知道“钻木取火”的原理吗？

答案：提示做功可以改变物体的内能，“钻木取火”就是通过外力做功，使木材内能增加，温度达到着火点而燃烧。

②如图所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？

答案：提示三种方式都是热量从高温物体传递到另外低温物体。

名师点睛

1.内能的理解

（1）微观：物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。

（2）宏观：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。

2.功和内能

（1）在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量，即。

（2）在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。

3.热和内能

（1）热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。

（2）表达式：。

（3）功、热和内能的改变：做功和热传递都能引起系统内能的改变。做功是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。

互动探究·关键能力

见学用157页

探究点一焦耳的实验

知识深化

1.两个实验的比较

2.实验结论：焦耳的实验表明，要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的多少只由过程的始末两个状态决定，而与做功的方式无关。

题组过关

1.（多选）如图所示为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是(      )

A.只要重力做功相同，水温上升的数值就相同

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

答案： ;

解析：只要重力做功相同，水温上升的数值就相同，项正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，项错误，项正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，项错误。

探究点二功与内能的改变

情境探究

1.如图，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，用力迅速压下活塞，观察棉花的变化。

（1）能看到什么现象？该实验现象说明了什么？

（2）用力按下活塞时为什么一定要迅速？

答案：提示（1）可以看到棉花燃烧起来，该现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高，达到乙醚的着火点后引起棉花燃烧。

（2）迅速压下活塞是为了减少热传递，尽量创造一个绝热条件。

探究归纳

1.内能的理解

（1）物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能的总和。在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度及相互作用力决定，宏观上体现为物体温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。

（2）在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生变化是由做功造成的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化。

（3）当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子间距离变化，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间做功的具体过程及方式无关。

（4）内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定。

2.做功与内能的变化的关系

（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。用式子表示为：。

3.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）物体的内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有内能变化较大时，对应着做功较多。

探究应用

例如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后(      )

A.温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少

B.温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加

C.温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少

D.温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加

答案：

解析：胶塞冲出容器口后，气体膨胀，对外做功。由于没来得及发生热交换，由可知内能减小。内能等于物体内所有分子动能和势能之和，由于体积增大，势能增大，由此可知分子平均动能减小，所以温度降低。

解题感悟

分析绝热过程的方法

（1）在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，为负值。此过程做功的多少为内能转化多少的量度。

（2）在绝热过程中，内能和其他形式能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化量也确定了。而功是能量转化的量度，，这也是判断绝热过程的一种方法。

迁移应用

1.如图是压力保温瓶的结构简图，活塞与液面之间密闭了一定质量的气体。假设封闭气体为理想气体且与外界没有热交换，则向下压的过程中，瓶内气体(      )

A.内能增大B.体积增大

C.压强不变D.温度不变

答案：

解析：向下压的过程中，外界对气体做功，瓶内气体内能增大，温度升高，再根据，体积减小，所以压强增大。

探究点三热与内能的改变

情境探究

1.当我们双手靠近火源，双手立即感受到热，这是为什么？冬天，我们搓搓手就会感到手暖一些，你认为改变物体内能有几种方式？

答案：提示双手靠近火源，热量从火源传到了手上，手的内能增加，所以手变热了。搓手是通过做功改变手的内能，所以改变物体内能有两种方式，即做功和热传递。

探究归纳

1.温度、内能、热量、功等概念的理解

（1）内能与温度：从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。对于理想气体，气体的温度升高，其内能一定增加，但向气体传递热量，内能却不一定增加（可能同时对外做功）。

（2）热量和内能：内能是由系统状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种途径来完成。而热量是传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的。有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。

（3）热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内分子做无规则运动剧烈程度的标志。

（4）热量与功：热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量，但它们之间有着本质的区别。

2.热传递的理解

（1）热传递的实质：热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来度量。

（2）热传递具有方向性：热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分。

（3）热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。

3.传递的热量与内能改变的关系

（1）在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少，即。

（2）在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少，即。

4.改变内能的两种方式的比较

探究应用

例（多选）一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度比铁块的温度高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则 (      )  

A.从两者开始接触到达到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量

B.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量

C.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量

D.达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低

答案： ; 

解析：热平衡条件是温度相等，热传递的方向是从温度高的物体传向温度低的物体；在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，故、两项正确。

解题感悟

热传递的理解要点

（1）热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体（或一个物体的两部分）的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体。（2）热传递过程中，热量可以由内能大的物体传递到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传递到内能大的物体上，但一定是从高温物体传递到低温物体。

迁移应用

1.（2021广西防城中学高二月考）关于热传递，下列说法中正确的是(   )

A.热传递是温度的传递

B.物体的内能发生了改变，一定是吸收或放出了热量

C.热传递可以在任何情况下进行

D.物体间存在着温度差，才能发生热传递

答案：

解析：物体的内能发生了改变，可能是由于发生了热传递，也可能是由于外界对物体做功；热传递的实质是能量的传递，必须在有温度差的情况下进行。