适用于新高考新教材广西专版2024届高考物理二轮总复习专题6热学课件

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1.(2023江苏卷)如图所示,密闭容器内一定质量的理想气体由状态A变化到状态B。该过程中(　　)A.气体分子的数密度增大B.气体分子的平均动能增大C.单位时间内气体分子对单位面积器壁的作用力减小D.单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数减小
解析 气体发生等容变化,故气体分子的数密度不变,选项A错误;气体温度升高,故气体分子的平均动能增大,选项B正确;气体压强增大,故单位时间内气体分子对单位面积的作用力增大,选项C错误;由于气体分子的平均动能增大,气体体积不变,故单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数增大,选项D错误。
2.(2023辽宁卷)“空气充电宝”是一种通过压缩空气实现储能的装置,可在用电低谷时储存能量、用电高峰时释放能量。“空气充电宝”某个工作过程中,一定质量理想气体的p-T图像如图所示。该过程对应的p-V图像可能是(　　)
解析 从a到b气体发生等压变化,温度升高,气体体积增大,选项C、D错误;从b到c气体压强减小,p-T图线的斜率减小,故气体体积增大,选项A错误,选项B正确。
3.(2022湖北卷)一定质量的理想气体由状态a变为状态c,其过程如p-V图中a→c直线段所示,状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是(　　)A.a→b是等温过程B.a→b过程中气体吸热C.a→c过程中状态b的温度最低D.a→c过程中外界对气体做正功
解析 由理想气体的状态方程 =C,可知a→b气体温度升高,内能增加,且体积增大气体对外界做功,则W<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知a→b过程中气体吸热,故A错误,B正确。p-V图像的坐标值的乘积反映温度,a状态和c状态的坐标值的乘积相等,而中间状态的坐标值乘积更大,a→c过程的温度先升高后降低,且状态b的温度最高,故C错误。a→c过程气体体积增大,外界对气体做负功,故D错误。
4.(2023湖南卷)汽车刹车助力装置能有效为驾驶员踩刹车省力。如图所示,刹车助力装置可简化为助力气室和抽气气室等部分构成,连杆AB与助力活塞固定为一体,驾驶员踩刹车时,在连杆AB上施加水平力推动液压泵实现刹车。助力气室与抽气气室用细管连接,通过抽气降低助力气室压强,利用大气压与助力气室的压强差实现刹车助力。每次抽气时,K1打开,K2闭合,抽气活塞在外力作用下从抽气气室最下端向上运动,助力气室中的气体充满抽气气室,达到两气室压强相等;然后,K1闭合,K2打开,抽气活塞向下运动,抽气气室中的全部气体从K2排出,完成一次抽气过程。已知助力气室容积为V0,初始压强等于外部大气压强p0,助力活塞横截面积为S,抽气气室的容积为V1。假设抽气过程中,助力活塞保持不动,气体可视为理想气体,温度保持不变。
(1)求第1次抽气之后助力气室内的压强p1;(2)第n次抽气后,求该刹车助力装置为驾驶员省力的大小ΔF。
解析 (1)以原助力气室中封闭的气体为研究对象,其经历等温膨胀过程,由玻意耳定律得p0V0=p1(V0+V1)
5.(2022山东卷)某些鱼类通过调节体内鱼鳔的体积实现浮沉。如图所示,鱼鳔结构可简化为通过阀门相连的A、B两个密闭气室,A室壁厚,可认为体积恒定,B室壁薄,体积可变;两室内气体视为理想气体,可通过阀门进行交换。质量为m鱼的鱼静止在水面下H处,B室内气体体积为V,质量为m;设B室内气体压强与鱼体外压强相等,鱼体积的变化与B室气体体积的变化相等,鱼的质量不变,鱼鳔内气体温度不变,水的密度为ρ,重力加速度为g,大气压强为p0。(1)鱼通过增加B室体积获得大小为a的加速度,求需从A室充入B室的气体质量Δm;(2)求鱼静止于水面下H1处时,B室内气体的质量m1。 
【方法规律归纳】1.扩散现象、布朗运动与热运动的对比
2.分子的两种微观模型
　　　　 　不是分子体积(2)立方体模型(适用于气体):一个分子占据的平均空间V0=d3,d为分子间的距离。
3.分子力和分子势能　　　　 　斥力总是变化得快(1)分子力:分子间引力与斥力的合力。引力与斥力均随分子间距变化而变化,分子间距离增大,引力和斥力均减小;分子间距离减小,引力和斥力均增大。(2)分子势能:分子力做正功,分子势能减小;分子力做负功,分子势能增大;当分子间距为r0(分子间的距离为r0时,分子间作用的合力为0)时,分子势能最小。温馨提示 分子力做功和分子势能的关系可以类比重力做功和重力势能的关系。
4.分析物体内能问题的四点提醒(1)内能是对物体的大量分子而言的,不存在某个分子内能的说法。(2)决定内能大小的因素为温度、体积、物质的量以及物质状态。(3)通过做功或热传递可以改变物体的内能。(4)温度是分子平均动能的标志。
【对点训练】1.(2023山东淄博一模)(命题点1)已知地球大气层的厚度远小于地球半径R,空气平均摩尔质量M,阿伏加德罗常数NA,地面附近大气压强p0,重力加速度大小g。由此可以估算地球大气层空气分子总数为(　　)
2.(2023江苏苏北一模)(命题点2)如图所示,有一分子位于坐标原点O处不动,另一分子位于x轴上,纵坐标表示这两个分子的分子势能Ep,分子间距离为无穷远时,分子势能Ep为0,另一分子(　　)A.在x0处所受分子力为0B.从x1处向左移动,分子力一直增大C.从x1处向右移动,分子力一直增大D.在x2处由静止释放可运动到x0处
解析 在平衡位置处,分子势能最小,所受分子力为零,所以在x0处所受分子力不为0,在x1处所受分子力为0,故A错误。从x1处向左移动,由图像斜率可知,分子力一直增大,故B正确。分子间相互作用力随距离的变化关系如图所示,从x1处向右移动,分子力先增大后减小,故C错误。由分子势能曲线对称看出,在x2处由静止释放不能运动到x0处,故D错误。
【方法规律归纳】1.晶体和非晶体
温馨提示 晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。
2.液晶的性质液晶是一种特殊的物质,既可以流动,又可以表现出单晶体的分子排列特点,在光学性质上表现出各向异性。3.液体的表面张力使液体表面有收缩到球形的趋势,表面张力的方向跟液面相切。　　　　　 不是弹力
4.气体分子运动的三个特点
【对点训练】3.(2023广东高三联考)(命题点1)“白露暖秋色,月明清漏中”,描写的是我国古代诗人对露珠的观察和感悟,根据所学物理知识,下列对露珠形成主要原因的说法正确的是(　　)A.液体表面层的分子比液体内部稀疏,表面层的分子之间互相吸引B.液体表面层的分子比液体内部密集,表面层的分子之间互相排斥C.液体表面层的分子比液体内部稀疏,表面层的分子之间互相排斥D.液体表面层的分子比液体内部密集,表面层的分子之间互相吸引
解析 液体表面张力的产生原因是液体表面层的分子比液体内部稀疏,分子间引力大于斥力,分子力表现为引力,所以表面层的分子之间互相吸引,从而形成露珠,故A正确,B、C、D错误。
4.(2023江苏盐城一模)(命题点1)下图为方解石形成的双折射现象实验的照片,下列关于方解石的说法正确的是(　　)A.是非晶体B.具有固定的熔点C.所有的物理性质都是各向异性D.是由许多单晶体杂乱无章排列组成的
解析 双折射现象是光学各向异性的表现,依题意,说明方解石是晶体,具有固定的熔点,故A错误,B正确。单晶体具有规则的几何形状、各向异性和一定的熔点等性质,而多晶体是由许多小的晶体杂乱无章地排列在一起组成的,使得多晶体不再具有规则的几何外形,而且也看不出各向异性的特点,故C、D错误。
5.(2023广东广州质检)(命题点2)下图是某一定质量的气体分子在两种不同温度下的速率分布图像,下列说法不正确的是(　　)A.图中状态①的气体分子平均动能比状态②的大B.图中状态①曲线下的面积和状态②曲线下的面积一样C.图中曲线给出了任意速率区间的某气体分子数占总分子数的百分比D.此气体若是理想气体,则在图中状态①的内能比状态②的内能小
解析 图中状态①的气体分子速率大的比例高,故图中状态①的气体分子平均动能比状态②的大,故A正确。图中状态①曲线下的面积和状态②曲线下的面积一样,故B正确。图中曲线给出了任意速率区间的某气体分子数占总分子数的百分比,故C正确。此气体若是理想气体,图中状态①的气体分子平均动能比状态②的大,则在图中状态①的内能比状态②的内能大,故D错误。
【方法规律归纳】1.气体的“三定律、一方程”
2.应用气体实验定律的三个关键步骤(1)正确选择研究对象:对于变质量问题要保证研究质量不变的部分或把变质量问题转化为定质量问题处理。(2)列出各状态的参量:气体在初、末状态,往往会有两个(或三个)参量发生变化,把这些状态参量列出来可以比较准确、快速地找到规律。(3)认清变化过程:准确分析变化过程,以便正确选用气体实验定律列式求解。温馨提示 若为两部分气体,除对每部分气体作上述分析外,还要找出它们初、末状态参量之间的关系,列式联立求解。
[典例1](命题点1)扣在水平桌面上的热杯盖有时会发生被顶起的现象。如图所示,截面积为S的热杯盖扣在水平桌面上,开始时内部封闭气体的温度为300 K,压强为大气压强p0。当封闭气体温度上升至303 K时,杯盖恰好被整体顶起,放出少许气体后又落回桌面,其内部压强立即减为p0,温度仍为303 K。再经过一段时间,内部气体温度恢复到300 K。整个过程中封闭气体均可视为理想气体。求:(1)当温度上升到303 K且尚未放气时,封闭气体的压强;(2)当温度恢复到300 K时,竖直向上提起杯盖所需的最小力。
答案 (1)1.01p0　(2)0.02p0S解析 (1)气体进行等容变化,开始时,压强为p0,温度T0=300 K;当温度上升到303 K且尚未放气时,压强为p1,温度T1=303 K
思维点拨 杯盖被顶起前,热杯盖加热内部气体,气体做等容升温升压变化;杯盖被顶起又落回桌面后,内部气体对外放热,气体做等容降温降压变化。素养提升 多过程问题的处理技巧研究对象(一定质量的气体)发生了多种不同性质的变化,表现出“多过程”现象。对于“多过程”现象,要确定每个有效的“子过程”及其性质,选用合适的实验定律,并充分应用各“子过程”间的有效关联。解答时,特别注意变化过程可能的“临界点”,找出“临界点”对应的状态参量,在“临界点”前、后可以形成不同的“子过程”。
【对点训练】6.(命题点1)如图甲所示,粗细均匀的L形细玻璃管AOB,OA、OB两部分长度均为l=20 cm,OA部分水平,右端开口,管内充满水银,OB部分竖直,上端封闭一定质量的理想气体。现将玻璃管在竖直平面内绕O点沿逆时针方向缓慢旋转53°,如图乙所示,此时被封闭的气柱长度为x。缓慢加热管内封闭气体至温度T,使管内水银恰好不能溢出管口。已知大气压强与75 cm高水银柱产生的压强相同,室温为27 ℃。求:(sin 53°=0.8,cs 53°=0.6, ,结果保留三位有效数字)(1)气柱长度x; (2)温度T。
答案 (1)17.2 cm　(2)364 K解析 (1)转动过程,温度不变,设玻璃管的横截面积为S转动前:p1=ρgh,V1=Sl转动后:p2=ρgh+ρg[xsin 53°-(l-x)cs 53°],V2=S·x由玻意耳定律得p1V1=p2V2解得气柱长度x=17.2 cm。(2)加热管内封闭气体至温度T时,气体压强p3=ρg(h+lsin 53°)解得T=364 K。
7.(2022河北卷)(命题点2)水平放置的气体阻尼器模型截面如图所示,汽缸中间有一固定隔板,将汽缸内一定质量的某种理想气体分为两部分,“H”形连杆活塞的刚性连杆从隔板中央圆孔穿过,连杆与隔板之间密封良好。设汽缸内、外压强均为大气压强p0,活塞面积为S,隔板两侧气体体积均为Sl0,各接触面光滑,连杆的截面积忽略不计。现将整个装置缓慢旋转至竖直方向,稳定后,上部气体的体积为原来的 ,设整个过程温度保持不变,求:(1)此时上、下两部分气体的压强;(2)“H”形连杆活塞的质量(重力加速度大小为g)。
(2)整个装置缓慢旋转至竖直方向时,以活塞整体为研究对象,竖直方向根据平衡条件可得mg+p0S+p2S=p1S+p0S
【方法规律归纳】1.热力学定律(1)热力学第一定律:ΔU=Q+W。(第一类永动机不可能制成)(2)热力学第二定律:自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。(第二类永动机不可能制成)温馨提示 ΔU=Q+W中W和Q的符号可以这样确定:只要此项改变对内能增加有正贡献的即为正,反之为负。
2.“三步”解答热力学定律与气体实验定律综合问题
温馨提示 ①气体等压膨胀(压缩)时,气体对外界(外界对气体)做功, W=pΔV;②p-V图像中图线与V轴包围的面积表示做的功。
[典例2]一定质量的理想气体从状态a开始,经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a,其p-V图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a(V0,2p0)、b(2V0,p0)、c(3V0,2p0)。以下判断正确的是(　　) A.气体在a→b过程中对外界做的功小于在b→c过程中对外界做的功B.气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在b→c过程中从外界吸收的热量C.在c→a过程中,外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量D.气体在c→a过程中内能的减少量大于b→c过程中内能的增加量
解析 气体在a→b过程中体积增大,气体对外做功,在b→c过程中体积增大,气体对外做功,根据p-V图像与横轴所围的面积表示做的功可知,在这两个过程中气体对外做的功相等,选项A错误。气体在a→b过程中体积增大,气体对外做功,由理想气体状态方程可知,a、b两个状态温度相等,内能不变,由热力学第一定律可知吸收的热量等于气体对外做的功;气体在b→c过程中体积增大,气体对外做功,由理想气体状态方程可知,c状态的温度高于b状态的温度,内能增加,由热力学第一定律可知吸收的热量等于气体对外做的功与内能增加量之和,即气体在a→b过程中吸收的热量小于气体在b→c过程中吸收的热量,选项B错误。气体在c→a的过程中,体积减小,温度降低,外界对气体做功,内能减小,根据热力学第一定律,外界对气体做的功小于气体放出的热量,选项C正确。由理想气体状态方程可知,a、b两个状态温度相等,内能相等,所以气体在c→a的过程中内能的减少量等于气体在b→c过程中内能的增加量,选项D错误。
【对点训练】8.(2023广东广州二模)(命题点1、2)如图所示,某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中,设水温均匀且恒定,瓶内空气无遗漏,不计气体分子间的相互作用,则被淹没的玻璃瓶在下降过程中,瓶内气体(　　)A.内能增加B.向外界放热C.对外界做正功D.分子平均动能减小
解析 玻璃瓶在下降过程中,瓶内气体温度不变,压强变大,根据一定质量的理想气体的状态方程pV=nRT可知气体体积减小,外界对气体做正功;由于气体温度不变,气体分子平均动能不变,气体内能不变,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,气体向外界放热,故B正确,A、C、D错误。
9.(2022江苏卷)(命题点1、2)如图所示,一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程,其中a→b为等温过程,状态b、c的体积相同。则(　　)A.状态a的内能大于状态b的B.状态a的温度高于状态c的C.a→c过程中气体吸收热量D.a→c过程中外界对气体做正功
解析 a→b是等温过程,气体温度不变,气体的内能相等,故A错误。由题图可知,状态b、c的体积相同,根据一定质量理想气体的状态方程 =C,可知状态c的温度大于状态b和状态a的温度,且状态c的内能大于状态b和状态a的内能,从状态a到状态c气体体积增大,气体对外界做功,W<0,该过程气体内能增加,ΔU>0,由热力学第一定律可知,Q>0,所以,a→c过程中气体吸收热量,故B、D错误,C正确。
10.(命题点2)如图所示,开口向下的汽缸内封闭有一定质量的气体,缸体质量为m,活塞横截面积为S。活塞与直立在地面上的粗弹簧接触,活塞和缸体悬在空中,活塞与汽缸无摩擦且不漏气,活塞离缸体底部的距离为h。活塞与缸体的导热性能良好,大气压强为p0,环境温度为T0,重力加速度为g。现使环境温度缓慢升高,使缸体上升 h的高度,此过程气体吸收的热量为Q。(1)环境温度升高了多少?(2)此过程气体的内能增量为多少?
充气、抽气中的变质量问题
【主题概述】1.充气中的变质量问题设想将充进容器内的气体用一个无形的弹性口袋收集起来,那么当我们取容器内原有的和口袋内的全部气体作为研究对象时,这些气体状态不管怎样变化,其质量总是不变的。这样,就将变质量问题转化成等质量问题了。2.抽气中的变质量问题用抽气筒对容器抽气的过程中,对每一次抽气而言,气体质量都发生变化,其解决方法和充气问题类似,取剩余气体和抽出的气体作为研究对象,这些气体不管怎样变化,其质量总是不变的。
【考向预测】变质量问题实际通过巧妙选择研究对象可以转变为等质量的问题,故在高考题和各地模拟题中经常出现,主要包括充气、抽气、分装和漏气等几种情况。
【典例分析】[典例]右图为一个带有阀门K、容积为2 dm3的容器(容积不可改变)。先打开阀门让其与大气连通,再用打气筒向里面打气,打气筒活塞每次可以打进1.0×105 Pa、200 cm3的空气,忽略打气和用气时气体的温度变化。(设外界大气的压强p0=1×105 Pa)(1)若要使气体压强增大到5.0×105 Pa,应打多少次气?(2)若上述容器中装的是5.0×105 Pa的氧气,现用它给容积为0.7 dm3的真空瓶充气,使瓶中的气压最终达到符合标准的2.0×105 Pa,则可充多少瓶?
思维点拨 打气时气体做等温变化,巧妙地选取研究对象把变质量问题变为等质量问题:取原来容器内的气体和多次打入的气体之和为研究对象,利用玻意耳定律求解;分瓶时取分瓶之前容器内的高压氧气为研究对象,先求出把高压氧气降压至气压符合要求的氧气体积,再把这部分气压符合要求的氧气分瓶,注意扣除此时容器内的气压符合要求的氧气体积。
答案 (1)40　(2)4解析 (1)设需要打气n次,因每次打入的气体相同,故可视n次打入的气体一次性打入,则气体的初状态:p1=1.0×105 Pa,V1=V0+nΔV末状态:p2=5.0×105 Pa,V2=V0其中V0=2 dm3,ΔV=0.2 dm3由玻意耳定律得p1V1=p2V2代入数据解得n=40。
(2)以分瓶前容器中的氧气为研究对象,设气压为p3=2.0×105 Pa时气体的体积为V3由玻意耳定律得p2V2=p3V3代入数据解得V3=5 dm3真空瓶的容积为V瓶=0.7 dm3
素养提升 分装问题和漏气问题的解答技巧(1)分装问题:将一个大容器里的气体分装到多个小容器中的问题,可以把大容器中的气体和多个小容器中的气体整体作为研究对象,将变质量问题转化为恒定质量问题。(2)漏气问题:容器漏气过程中气体的质量不断发生变化,不能用理想气体状态方程求解。如果选容器内剩余气体为研究对象,便可使变质量问题变成一定质量的气体状态变化的问题,可用理想气体状态方程求解。
【类题演练】1.体育课上某同学发现一只篮球气压不足,用气压计测得球内气体压强为1.2p0(p0为大气压强),已知篮球内部容积为7.5 L。现用简易打气筒给篮球打气,每次能将体积为0.2 L、压强为p0的空气打入球内,已知篮球的正常气压范围为1.5p0~1.6p0。忽略球内容积与气体温度的变化,为使篮球内气压回到正常范围,求需打气的次数范围。
答案 12≤n≤15解析 对球内原有气体,当压强降为p0时,设其体积为V1,由玻意耳定律有1.2p0V0=p0V1 解得V1=9 L设需打气n次才能使球内气压回到正常范围,设球内正常气压为p1,每次打入的空气为ΔV。由玻意耳定律有p1V0=p0(V1+nΔV)当p1=1.5p0时,解得n=11.25当p1=1.6p0时,解得n=15故需打气的次数范围为12≤n≤15。
2.如图所示,某材料制备系统由供气瓶、反应室、加热器和真空泵等设备组成。供气瓶的容积为20 L,储存的气体压强为3.0×105 Pa,反应室的容积为10 L。制备材料前,反应室处于真空状态,关闭所有阀门。制备材料时,先打开阀门1,供气瓶向反应室缓慢供气,当反应室气压达到1.0×102 Pa时,关闭阀门1;对反应室内气体缓慢加热,使其从室温25 ℃升到200 ℃,进行材料合成。实验结束后,待反应室温度降至室温,将其抽至真空状态。环境温度恒定,忽略材料体积,气体不参与反应。(1)加热后,求反应室内气体的压强;(结果保留3位有效数字)(2)当供气瓶剩余气体压强降到1.5×105 Pa时,需更换新的供气瓶,供气瓶最多能给反应室充气多少次?
答案 (1)159 Pa　(2)3 000次
(2)设可以供给n次,则根据玻意耳定律得p0V0=np1V1+pV0解得n=3 000。
3.(2023广东茂名一模)如图所示,某同学用打气筒给篮球打气。已知圆柱形打气筒内部空间的高度为h0=0.6 m,内部横截面积为S=2×10-3 m2,当外管往上提时,空气从气筒外管下端的中套上的小孔进入气筒内,手柄往下压时气筒不漏气,当筒内气体压强大于篮球内气体压强时,单向阀门K便打开,即可将打气筒内气体推入篮球中,若篮球的容积V=7.5×10-3 m3,每次打气前打气筒中气体的初始压强为p0=1.0×105 Pa,篮球内初始气体的压强为p1=1.2×105 Pa,打气过程中气体温度不变,忽略活塞与筒壁间的摩擦力,每次活塞均提到最高处,求:(1)第一次打气活塞下移多大距离时,阀门K打开;(2)至少打气几次可以使篮球内气体的压强增加到2p0。