2024年高中物理新教材同步学案 选择性必修第三册 第3章 章末素养提升（含解析）

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章末素养提升例1　对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是(　　)A．一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收80 J的热量，则它的内能增大20 JB．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在传热中，热量能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D．热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律答案　D解析　根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋80 J＝－20 J，它的内能减小20 J，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，故B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，故C错误；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，故D正确。例2　(2022·枣庄市高二期末)我国建成后的“天宫”空间站，是“天和核心舱”、“问天实验舱”和“梦天实验舱”的三舱组合体，三舱皆有“气闸舱”；航天员出站时，要途经“气闸舱”“减压”后才能出站；从太空返回空间站时要途经“气闸舱”“升压”后才能进站。“气闸舱”的原理如图所示，相通的两容器A、B之间装有阀门K，A内充满气体，B内为真空；打开阀门K后，A内的气体进入B中，达到平衡后，再关闭阀门K；B即为“气闸舱”。若整个系统跟外界没有热交换，气体为理想气体，则(　　)A．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体膨胀，对外做了功B．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体膨胀，温度降低C．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体分子势能减少D．即使阀门K一直处于打开状态，容器B中气体也不可能自发地全部退回到容器A中答案　D解析　当阀门K被打开时，容器A中的气体进入容器B中，由于容器B中为真空，所以气体体积膨胀，对外不做功，又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，气体为理想气体，分子势能不变，则气体的温度也不变，故A、B、C错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，容器B中气体不能自发地全部退回到容器A中，故D正确。例3　一定质量的理想气体，由温度为T1的状态1经等容变化到温度为T2的状态2，再经过等压变化到状态3，最后回到初态1，其变化过程如图所示，则(　　)A．从1到2过程中，气体对外做功，内能减小B．从2到3过程中，气体对外做功，内能减小C．从1到2到3到再回到1的过程中，气体一定从外界吸热D．从3到1过程中，气体分子数密度变大，内能增加答案　C解析　从1到2过程中为等容变化，体积不变，气体不对外做功，选项A错误；从2到3过程中，体积增大，气体对外做功；压强不变，根据eq \f(pV,T)＝C可知温度升高，内能增大，选项B错误；从3到1过程中，体积减小，气体分子数密度变大；由题图可知，p1V1T1，温度降低，内能减少，选项D错误；从1到2过程中气体对外不做功；2到3过程中，体积增大，气体对外做功；3到1过程中，体积减小，外界对气体做功。根据p－V图像中图线与V轴所围面积表示气体做功大小可知，整个过程气体对外做功大于外界对气体做功，而内能不变，根据热力学第一定律可知气体一定从外界吸热，选项C正确。例4　(2022·滨州市高二期中)绝热的活塞与汽缸之间封闭一定质量的理想气体，汽缸开口向上置于水平面上，活塞与汽缸壁之间无摩擦，缸内气体的内能UP＝72 J，如图甲所示。已知活塞横截面积S＝5×10－4 m2，其质量为m＝1 kg，大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2。如果通过电热丝给封闭气体缓慢加热，活塞由原来的P位置移动到Q位置，此过程封闭气体的V－T图像如图乙所示，且知气体内能与热力学温度成正比。求：(1)封闭气体最后的体积；(2)封闭气体吸收的热量。答案　(1)6×10－4 m3　(2)60 J解析　(1)以气体为研究对象，根据盖—吕萨克定律，有eq \f(VP,TP)＝eq \f(VQ,TQ)解得VQ＝6×10－4 m3(2)由气体的内能与热力学温度成正比有eq \f(UP,UQ)＝eq \f(TP,TQ)解得UQ＝108 J活塞从P位置缓慢移到Q位置，活塞受力平衡，气体为等压变化，以活塞为研究对象有pS＝p0S＋mg，解得p＝p0＋eq \f(mg,S)＝1.2×105 Pa，气体对外界做功W＝－p(VQ－VP)＝－24 J由热力学第一定律有UQ－UP＝Q＋W，得气体变化过程吸收的总热量为Q＝60 J。例5　(2022·南京市高二期末)如图所示，上端开口的光滑圆柱形汽缸竖直放置，横截面积为10 cm2的活塞，将一定质量的理想气体封闭在汽缸内。在汽缸内距缸底30 cm处设有卡槽a、b两限制装置，使活塞只能向上滑动。开始时活塞放在a、b上，活塞的质量为5 kg，气体温度为180 K。现缓慢加热汽缸内气体，当温度为300 K，活塞恰好离开卡槽a、b；若继续给汽缸内气体缓慢加热，活塞上升10 cm 的过程中，气体的内能增加了240 J。(设大气压强为p0＝1.0×105 Pa，g取10 m/s2)求：(1)开始时汽缸内气体的压强；(2)活塞上升10 cm时汽缸内气体的温度；(3)活塞离开卡槽a、b之后上升10 cm的过程中，气体吸收的热量。答案　(1)9×104 Pa　(2)400 K　(3)255 J解析　(1)活塞刚好离开卡槽时，有mg＋p0S＝p2S根据查理定律得eq \f(p2,T2)＝eq \f(p1,T1)解得p1＝eq \f(T1,T2)p2＝9×104 Pa。(2)活塞离开卡槽后，气体为等压变化，根据盖—吕萨克定律得eq \f(V2,T2)＝eq \f(V3,T3)解得T3＝eq \f(V3,V2)T2＝400 K。(3)活塞离开卡槽后，气体对外界做功则W＝－p2·SΔh＝－15 J根据热力学第一定律得Q＝ΔU－W＝255 J。物理观念描述热力学的物理量(1)热量(Q)：是传热过程中内能的改变量，用来度量传热过程中内能转移的多少(2)功(W):做功过程是机械能或其他形式的能与内能之间的转化过程。功是该过程能量转化的量度热力学第一定律内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和表达式：ΔU＝Q＋W热力学第二定律克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响第二类永动机不可能制成的原因：违背了热力学第二定律能量守恒定律内容：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。第一类永动机不能制成的原因：违背了能量守恒定律科学思维1.经历绝热过程模型的构建过程，会推导热力学第一定律2．能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化和转移问题3．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题科学态度与责任1.通过对能量守恒的探索过程，领会人类对自然的认识要有实践的过程2．了解永动机的探索过程，领会科学探索的艰辛与曲折性