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在中学物理中有关热量知识的考查,出现在力学、热学、电磁学(稳恒电路,电磁感应)中,总体上看考查的方式有定性和定量两种方式。现就相关知识和方法进行总结,希望对教学有所帮助。
一、对力学热量考查
力学热量主要是在有滑动摩擦力参与做功的过程中。解决的方法有两种:1. 是用摩擦力与相对位移的乘积。2. 是运用能量的观点进行解答。例题1:如在光滑的水平面上,有一个质量是M的长木板以一定的初速度向右匀速运动,将质量为m的小铁块无初速度的轻放在木版的前端,设小铁块与木版动摩擦因数为?滋,当小铁快在木板上相对木板滑动L时与木板保持相对静止,此时小铁块的对地位移为s,在这个过程中系统产生的热量为A. ?滋mgs D. ?滋mgL C. m2?滋gs/M+m D. m2?滋gL/M+m。解析:由能量守恒知Q热 = fs相 = ?滋mgL则A对B错,根据系统动量守恒mv0 =(m+M)v1。对系统Q热=mv02/2-(M+m)v12=Mmv02/2(m+M),对小铁块有: ?滋mgs=mv02/2-mv12/2=mv02M(M+2m)/2(M+m)2所以L/s=M+m/2(m+M) Q热=?滋mgL=(M+m)?滋mgs/M+2m故C、D错。例题2:如水平传送带AB长1.0米,以v=1.0m/s的速度匀速转动,把一质量是0.2kg的小物体无初速的的放在传送带的A点,物体与带之间动摩擦因数为0.5,则在小物体有由A到B的过程中,传送带对物体所做的功为 J由于物体与传送带之间的摩擦而产生的内能是 J。解析:物体放到传送带上后,受到传送带给的水平向右的滑动摩擦力F=?滋ms,向右做匀加速运动,当速度达到v即与传送带达到共同速度时F消失,二者一起以速度v匀速运动,根据牛顿第二定律可得:a=F/m=?滋g=5m/s2,由运动学公式:v=at,得t=0.2s,s1=vt/2=0.1m<1m。说明物体是先匀加速后匀速通过传送带,传送带对物体作的功等于物体动能的增量,即w=mv2/2=0.2×12/2=0.1J,Q=FL相对,s2=vt=1×0.2=0.2m,L相对=s2-s1=0.2m-0.1m=0.1m,Q=FL相对=?滋mgL相对=0.5×0.2×10×0.1J=0.1J。
二、对热学中热量的考查
热学中对热量的考查点有两个。1. 热力学第一定律?驻U=W+Q。2. 热传递过程中传递的热量Q=cm?驻t。在运用热力学第一定律?驻U=w+Q时一定要注意各个量的正负号问题,考查的方式有分定性和定量计算。而对热传递过程中传递的热量Q=cm?驻t主要以定量考查为主。现通过相关例题做进一步的说明。例题3. 如在绝热容器里,中间是隔板分成两部分,左侧是理想气体,右侧是真空。现将隔板抽掉,让左侧的气体自由膨胀到右边直到平衡,此过程中:A.气体对外做功,温度降低,内能减少;B. 气体对外做功,温度不变,内能不变;C. 气体不做功,温度不变,内能不变;D.气体不做功,温度不变,内能减少。解析:气体体积增大,是气体自由膨胀(气体分之做无规则热运动)形成的,故无做功过程。容器又绝热,因而气体和外界无热交换,由热力第一定律?驻U=w+Q可知,内能不变,温度不变,故正确选项是C。例题4:空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105J的功,同时空气的内能增加了1.5×105J,这一过程向外界传递的热量是多少?解析:选择被压缩的空气为研究对象,由题意可知w=2×105J,?驻u=1.5×105J,根据热力学第一定律?驻u=W+Q,代入上式得Q=?驻U-W=1.5×105J-2×105J=-5×104J。负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104J。
三、对稳恒电路、电磁学中热量的考察
1. 焦耳定律Q=I2Rt。2. 能的转化和守恒定律结合摩擦力做功来进行考查。由于稳恒电路中焦耳定律的运用较简单,在此主要谈谈电磁学中对热量的考查。例题5:如在闭合小金属环从高h的光滑曲面上端无初速滚下,又沿曲面的另一侧上升。( )A. 若是匀强磁场,环在左侧滚上的高度小于h。B.若是匀强磁场,环在左侧滚上的高度等于h。C.若是非匀强磁场,环在左侧滚上的高度等于h。D.若是非匀强磁场,环在左侧滚上的高度小于H。【解析】小环能否滚动左侧最高点关键是看运动过程中机械能是否守恒,也就是看有没有机械能向其他能的转化。对于本题若磁场是匀强的,则在滚动过程中,穿过环的磁通量不变,没有电能产生,所以小环机械能守恒,到左侧仍上升h。若为非匀强磁场,小环滚动时一部分机械能转化为电能,所以到左侧上升的高度小于h。【答案】B、D。
总之,在物理问题中遇到求解热量的问题的方法和思路是:先判断其是属于对哪部分知识的考查,再运用相关的知识和方法进行求解。如果是与滑动摩擦力作功相联系的选择运用Q热=fs相和动能定理及能量转化和守恒两种方法求解;如果是热学中的问题就运用热力学第一定律W+Q=?驻U和Q=cm?驻t及能量转化和守恒进行求解;如果是电(磁)学中的热量考查主要运用能量转化和守恒进行求解。
一、对力学热量考查
力学热量主要是在有滑动摩擦力参与做功的过程中。解决的方法有两种:1. 是用摩擦力与相对位移的乘积。2. 是运用能量的观点进行解答。例题1:如在光滑的水平面上,有一个质量是M的长木板以一定的初速度向右匀速运动,将质量为m的小铁块无初速度的轻放在木版的前端,设小铁块与木版动摩擦因数为?滋,当小铁快在木板上相对木板滑动L时与木板保持相对静止,此时小铁块的对地位移为s,在这个过程中系统产生的热量为A. ?滋mgs D. ?滋mgL C. m2?滋gs/M+m D. m2?滋gL/M+m。解析:由能量守恒知Q热 = fs相 = ?滋mgL则A对B错,根据系统动量守恒mv0 =(m+M)v1。对系统Q热=mv02/2-(M+m)v12=Mmv02/2(m+M),对小铁块有: ?滋mgs=mv02/2-mv12/2=mv02M(M+2m)/2(M+m)2所以L/s=M+m/2(m+M) Q热=?滋mgL=(M+m)?滋mgs/M+2m故C、D错。例题2:如水平传送带AB长1.0米,以v=1.0m/s的速度匀速转动,把一质量是0.2kg的小物体无初速的的放在传送带的A点,物体与带之间动摩擦因数为0.5,则在小物体有由A到B的过程中,传送带对物体所做的功为 J由于物体与传送带之间的摩擦而产生的内能是 J。解析:物体放到传送带上后,受到传送带给的水平向右的滑动摩擦力F=?滋ms,向右做匀加速运动,当速度达到v即与传送带达到共同速度时F消失,二者一起以速度v匀速运动,根据牛顿第二定律可得:a=F/m=?滋g=5m/s2,由运动学公式:v=at,得t=0.2s,s1=vt/2=0.1m<1m。说明物体是先匀加速后匀速通过传送带,传送带对物体作的功等于物体动能的增量,即w=mv2/2=0.2×12/2=0.1J,Q=FL相对,s2=vt=1×0.2=0.2m,L相对=s2-s1=0.2m-0.1m=0.1m,Q=FL相对=?滋mgL相对=0.5×0.2×10×0.1J=0.1J。
二、对热学中热量的考查
热学中对热量的考查点有两个。1. 热力学第一定律?驻U=W+Q。2. 热传递过程中传递的热量Q=cm?驻t。在运用热力学第一定律?驻U=w+Q时一定要注意各个量的正负号问题,考查的方式有分定性和定量计算。而对热传递过程中传递的热量Q=cm?驻t主要以定量考查为主。现通过相关例题做进一步的说明。例题3. 如在绝热容器里,中间是隔板分成两部分,左侧是理想气体,右侧是真空。现将隔板抽掉,让左侧的气体自由膨胀到右边直到平衡,此过程中:A.气体对外做功,温度降低,内能减少;B. 气体对外做功,温度不变,内能不变;C. 气体不做功,温度不变,内能不变;D.气体不做功,温度不变,内能减少。解析:气体体积增大,是气体自由膨胀(气体分之做无规则热运动)形成的,故无做功过程。容器又绝热,因而气体和外界无热交换,由热力第一定律?驻U=w+Q可知,内能不变,温度不变,故正确选项是C。例题4:空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105J的功,同时空气的内能增加了1.5×105J,这一过程向外界传递的热量是多少?解析:选择被压缩的空气为研究对象,由题意可知w=2×105J,?驻u=1.5×105J,根据热力学第一定律?驻u=W+Q,代入上式得Q=?驻U-W=1.5×105J-2×105J=-5×104J。负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104J。
三、对稳恒电路、电磁学中热量的考察
1. 焦耳定律Q=I2Rt。2. 能的转化和守恒定律结合摩擦力做功来进行考查。由于稳恒电路中焦耳定律的运用较简单,在此主要谈谈电磁学中对热量的考查。例题5:如在闭合小金属环从高h的光滑曲面上端无初速滚下,又沿曲面的另一侧上升。( )A. 若是匀强磁场,环在左侧滚上的高度小于h。B.若是匀强磁场,环在左侧滚上的高度等于h。C.若是非匀强磁场,环在左侧滚上的高度等于h。D.若是非匀强磁场,环在左侧滚上的高度小于H。【解析】小环能否滚动左侧最高点关键是看运动过程中机械能是否守恒,也就是看有没有机械能向其他能的转化。对于本题若磁场是匀强的,则在滚动过程中,穿过环的磁通量不变,没有电能产生,所以小环机械能守恒,到左侧仍上升h。若为非匀强磁场,小环滚动时一部分机械能转化为电能,所以到左侧上升的高度小于h。【答案】B、D。
总之,在物理问题中遇到求解热量的问题的方法和思路是:先判断其是属于对哪部分知识的考查,再运用相关的知识和方法进行求解。如果是与滑动摩擦力作功相联系的选择运用Q热=fs相和动能定理及能量转化和守恒两种方法求解;如果是热学中的问题就运用热力学第一定律W+Q=?驻U和Q=cm?驻t及能量转化和守恒进行求解;如果是电(磁)学中的热量考查主要运用能量转化和守恒进行求解。