高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律导学案

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◎考点一 热力学第一定律
1．(多选)下列过程，可能发生的是( )
A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加
B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少
C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少
D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加
ABD [根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和传热都可以改变物体的内能，故A、B、D正确，C错误。]
2．(多选)如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小，下列说法中正确的是( )
A．从外界吸热
B．向外界放热
C．分子势能不变
D．内能减小
BC [水温恒定，即空气分子平均动能不变；不计分子间相互作用，即分子势能不变，由此可知空气内能不变。筒内空气体积减小，说明外界对空气做功，根据热力学第一定律知空气放出热量。选项B、C正确。]
3．如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，汽缸内气体的下列说法正确的是( )
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加 600 J
D．温度降低，内能减少200 J
A [对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能之和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，且体积减小，选项A正确，B、C、D错误。]
4.景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中的下列说法中正确的是( )
A．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，压强变大
C．气体对外界做正功，气体内能增加
D．外界对气体做正功，气体内能减少
B [由于套筒内封闭着一定质量的气体，当猛推推杆时推杆迅速压缩气体，外界对气体做正功。由于这一过程进行得很快，可以看成是一个近似的绝热过程，即整个系统来不及向外界传递热量。根据热力学第一定律，这时外力做的功只能用来增加气体的内能，这就使气体分子的运动加剧，引起气体分子平均动能增加，气体温度升高，所以艾绒即刻被点燃。由于被封闭的气体质量不变，温度升高，而体积变小，则由气体状态方程知压强变大。故B选项正确，A、C、D错误。]
5．(多选)如图所示，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p­V 图中从a到b的直线所示。在此过程中( )
A．气体温度一直降低
B．气体内能一直增加
C．气体一直对外做功
D．气体一直从外界吸热
BCD [一定量的理想气体从a到b的过程，由理想气体状态方程eq \f(paVa,Ta)＝eq \f(pbVb,Tb)可知，Tb>Ta，即气体的温度一直升高，选项A错误；根据理想气体的内能只与温度有关，可知气体的内能一直增加，选项B正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体一直对外做功，选项C正确；根据热力学第一定律，从a到b的过程中，气体一直从外界吸热，选项D正确。]
6．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是( )
A．物体吸收热量，内能—定增大
B．物体对外做功，内能一定减少
C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
C [根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)，物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关。物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，A错误，同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减少，B错误；若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能可能不变，C正确；若物体放热同时对外做功，物体内能一定减少，D错误。]
◎考点二 能量守恒定律及永动机不可能制成
7．(多选)一物体获得一定初速度后，沿着一粗糙斜面上滑，在上滑过程中，物体和斜面组成的系统的下列说法中正确的是( )
A．机械能守恒
B．总能量守恒
C．机械能和内能增加
D．机械能减少，内能增加
BD [物体沿斜面上滑的过程中，有摩擦力对物体做负功，所以物体的机械能减少。由能量转化和守恒定律知，内能应增加，总能量不变，B、D正确。]
8．关于一定量的气体，下列叙述正确的是( )
A．气体吸收的热量可以完全转化为功
B．气体体积增大时，其内能一定减小
C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加
D．外界对气体做功，气体的内能一定增加
A [如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收的热量全部用来对外做功，A正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会减少，B错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功的同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能不但未增加反而减少，D错误，故A正确。]
9．一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？
(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
[解析] (1)由热力学第一定律可得
ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，内能增加160 J。
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160 J。即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第一定律得ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功80 J。
[答案] (1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J
(建议用时：15分钟)
10．(多选)如图所示，活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中，活塞上堆放细沙，活塞处于静止，现逐渐取走细沙，使活塞缓慢上升，直到细沙全部取走。若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略，则在此过程中的下列说法中正确的是( )
A．气体对外做功，气体温度可能不变
B．气体对外做功，内能可能不变
C．气体压强可能增大，内能可能不变
D．气体从外界吸热，内能一定增加
AB [由于汽缸是导热的，则可以与外界进行热交换，细沙减少时，气体膨胀对外做功，可能由于与外界进行热交换吸热使内能不变，但压强减小。故A、B正确。]
11．(多选)如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的气体(不考虑分子间的作用力)，用电阻丝缓慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法正确的是( )
A．单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少
B．电流对气体做功，气体对外做功，气体内能可能减少
C．电流对气体做功，气体对外做功，其内能一定增加
D．电流对气体做的功一定大于气体对外做功
ACD [由题意知，气体压强不变，活塞上升，体积增大，由eq \f(pV,T)为恒量知，气体温度升高，内能一定增加，由能量的转化和守恒知，电流对气体做功一定大于气体对外做功，B错误，C、D正确；由气体压强的微观解释知温度升高，气体分子对活塞的冲击力增大，而压强不变，单位时间内对活塞的冲击力不变。因此单位时间内对活塞的碰撞次数减少，A正确。]
12．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高到h的高度，效率为80%，求单位时间内最多可提升的水的质量m。
[解析] 设在t时间内吹在风车上的空气的质量为m0，则m0＝eq \f(1,4)πd2·vt·ρ
风的动能Ek＝eq \f(1,2)m0v2＝eq \f(1,8)πd2v3tρ
根据题意：eq \f(1,8)πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，则
eq \f(m,t)＝eq \f(πd2ρv3,20gh)。
[答案] eq \f(πd2ρv3,20gh)
13．如图所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22 cm，现在用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭空气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p0＝1×105 Pa，不计活塞重力。问：
(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体，求压缩后气体的压强为多大？
(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S＝1 cm2)
[解析] (1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l0＝22 cm
l＝2 cm，V0＝l0S，V＝lS
缓慢压缩气体温度不变，由玻意耳定律得
p0V0＝pV，解得p＝1.1×106 Pa。
(2)大气压力对活塞做功W1＝p0S(l0－l)＝2 J
人做功W2＝100 J，由热力学第一定律
ΔU＝W1＋W2＋Q，将Q＝－20 J代入解得ΔU＝82 J。
[答案] (1)1.1×106 Pa (2)82 J