人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变精品课后作业题

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【学习目标】
物理观念：能建立功与内能的改变，热与内能的改变的意识。
科学思维：具有从物理学的角度观察自然现象，将物理学与实际相联系的思维方式，知道做功和传热是改变内能的两种方式。
科学探究：探究焦耳的实验，知道做功和传热的等效性。
科学态度与责任：理解物理概念的建立的过程和规律，培养学生的科学探究精神。
【学习重难点】
重点：功与内能的改变，热与内能的改变。
难点：内能概念的建立，功与内能的改变，热与内能的改变。
【知识回顾】
初中学过改变内能的方式有哪两种
为什么冬天搓手可以取暖

【自主预习】
一 内能
物体中所有分子的热运动的_____与_____ 的总和，叫做物体的内能。
二 对内能的理解
(1)微观：所有分子的_____ 和_____ 之和
(2)宏观：只依赖于_________的物理量．
(3)内能是____量．
三 决定内能大小的因素
(1)物体的内能大小和____、_____及_______有关。
(2)理想气体的内能只由____决定，只是_____的函数。
四 内能的另一种定义
任何一个热力学系统都存在一个只依赖于_________的物理量，我们把它称之为系统的内能．
五 内能与机械能的区别和联系
(1)区别：内能与机械能是两个不同的概念．对应着不同的运动形式。
(2)联系：在一定条件下可以______，且总量保持_____．
【课堂探究】
【新课导入】
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。为什么筒底的硝化棉会被，点燃呢?你能解释这个现象吗? 播放压燃实验视频。
【新课教学】
焦耳的实验
从 1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系。
1.实验一：对系统做机械功
实验装置：如图所示。
实验过程：重物下落时，会使搅拌器转动，由于发生了摩擦，所以水温上升。
实验结果：通过多次实验，焦耳发现在重物匀速下落时，只要重物的重力mg和下落高度h不变。那么测出的水温升高的幅度就相同。换句话说，水温的升高只与mgh的乘积有关。进一步分析，重物匀速下落，那mgh就是他对搅拌器做的功，而搅拌器克服水的摩擦力又做功，大小应该也和mgh相等。在这个过程中，水的温度上升代表内能增大，而升温的幅度相同，则证明水的内能增量相同。
实验结论：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。
但焦耳还不放心，如果换一种做功的形式，那结果还一样吗？
2.实验二：对系统做电功
实验装置：如图所示。
实验过程：重物下落带动发电机发电，电阻丝发热使水温上升。
实验结果：无论电流和电阻大或小，也不管通电时间长短，只要电阻丝做功，也就，W=I2Rt与重力做功mgh相等，那么水的升温幅度就相同，也就是水的内能增量相同。
实验结论：对同一系统，在绝热过程中只要所做的电功相同，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同。
注意
这两个实验都是在绝热过程中进行的。
绝热过程：指系统不从外界吸热，也不向外界放热。
3.焦耳的这些实验表明
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。
思考：
哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？
例如，在力学中，重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关。根据这一事实人们认识到，物体具有重力势能。物体在两个位置间的重力势能之差等于物体在这这两个位置间移动时重力所做的功。还有电场力对应于电势能。
小试牛刀
【例题】如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，下列说法正确的是 ( )
A．系统状态的改变只能通过传热来实现
B．系统状态的改变只能通过做功来实现
C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关
D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关
4.内能
任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在初末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。
思考：
我们曾经学习过内能的概念是什么呢？当时讲的内能的变化与什么有关？而这一致吗？有何关系？
①宏观定义（热力学对内能的定义）：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量，这种能量叫做系统的内能。
②微观定义（分子动理论对内能的定义）：物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
（二）功与内能的改变
根据焦耳的实验，在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，那么内能的增加量，就等于外界对系统做的功。此时ΔU表示系统内能增量
ΔU=U2-U1
它就等于外界对系统所做的功W，即
ΔU=W
①外界对系统做功，那W>0，此时系统内能增加，ΔU>0。
例如：本节"问题"栏目中的实验就是这样的过程。在一个活塞上面放点儿棉花，猛压活塞会发现棉花热情的燃烧起来，这也就是因为活塞对气体做正功，气体温度升高内能增大，但这个系统近似于绝热状态，所以短时间内热量没法和外界交换，致使棉花燃烧。
②系统对外界做功，那W0
②物体放热，也就是Q