课时精练(9) 热力学第一定律 能量的转化与守恒-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套练习（鲁科版2019）

课时精练(九)　热力学第一定律　能量的转化与守恒 (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) [基础达标] 1．一木块在一不光滑的V形槽内来回滑动的过程中，下列说法正确的是(　　) A．机械能守恒 B．能量正在消失 C．只有动能和重力势能的相互转化 D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒 D　[木块在滑动过程中要克服摩擦阻力做功，机械能转化为内能，但总能量守恒。故选D。] 2．有人设计了如图所示的永动机，靠磁铁的吸引使车辆获得行驶的能量。但是这类永动机没有制成，是因为(　　) A．不符合机械能守恒定律 B．违背了能量守恒定律 C．做功产生的热不符合热功当量 D．找不到合适的材料和合理的设计方案 B　[第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确。] 3．在如图所示的柱形容器内封有一定质量的密闭气体。光滑活塞C(质量为m)与容器用良好的隔热材料制成。另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止。在这一过程中，密闭气体内能的改变量ΔU、外界对密闭气体所做的功W与物体和活塞的重力势能的变化关系是(　　) A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh C．ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔh D．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh C　[因活塞和容器用良好的隔热材料制成，容器内的密闭气体与外界无热交换。Q＝0，所以ΔU＝W；但由于物体和活塞碰撞时损失一部分机械能，因此有W<Mgh＋mgΔh，C正确。虽然W<Mgh＋mgΔh，但仍遵循能量守恒定律，只不过减少的机械能不是全部转化为密闭气体的内能，而是有一部分在碰撞时转化为活塞和物体的内能了，能的总量并未减少，A、B、D错误。] 4．(多选)如图所示，一导热性能良好的金属气缸静止放在水平面上，活塞与气缸壁间的摩擦不计。气缸内封闭了一定质量的理想气体，现缓慢地向活塞上倒一定质量的沙土，忽略环境温度的变化，在此过程中(　　) A．气体的内能不变 B．气缸内气体分子的平均动能增大 C．气缸内气体分子的数密度增大 D．气体从外界吸收热量 AC　[金属气缸导热性能良好，由于热交换，气缸内封闭气体温度与环境温度相同，向活塞上倒一定质量的沙土时气体被压缩，温度不变，气体的内能不变，故A正确；温度不变，则气缸内气体分子的平均动能保持不变，故B错误；气缸内封闭气体被压缩，体积减小，而质量不变，则气缸内气体分子的数密度增大，故C正确；等温压缩气体时，外界对气体做功而气体的内能不变，由热力学第一定律可知，气体放出热量，故D错误。] 5．下列说法正确的是(　　) A．随着科技的发展，第一类永动机是可能制成的 B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量是可能凭空产生的 C　[第一类永动机违背了能量守恒定律，故无法制成，A错误；太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，B错误；马儿奔跑时需要消耗能量，“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动的“全自动”手表是不存在的，它违背了能量守恒定律，D错误。] 6．如图所示，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法错误的是(　　) A．气体自发扩散前后内能相同 B．气体在被压缩的过程中内能增大 C．在自发扩散过程中，气体对外界做功 D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功 C　[因为气缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确。] 7．某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体(　　) A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做负功，内能减小 A　[开箱时气缸内气体膨胀，对外做正功，气体与外界无热交换，即Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，知ΔU<0，内能减少；气体分子间相互作用不计，无分子势能，所以气体温度降低，平均动能减小，故A正确。] 8．如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为QA、QB，则(　　) A．QA＝QB B．QA<QB C．QA>QB D．无法确定 C　[A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的能量是相同的。由于受热膨胀，A的重心升高，重力势能增加，吸收的热量QA一部分用于升温，剩余部分用于增加重力势能ΔEpA，即QA＝Q＋ΔEpA；B受热膨胀重心降低，重力势能减小，吸收的热量QB和减少的重力势能ΔEpB共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEpB，显然QA>QB。C正确。] [能力提升] 9．(2023·山东新高考模拟)如图所示，水平放置的封闭绝热气缸，被一锁定的绝热活塞分为体积相等的a、b两部分。已知a部分气体为1 mol氧气，b部分气体为2 mol氧气，两部分气体温度相等，均可视为理想气体。解除锁定，活塞滑动一段距离后，两部分气体各自再次达到平衡状态时，它们的体积分别为Va、Vb，温度分别为Ta、Tb。下列说法正确的是(　　) A．Va>Vb，Ta>Tb B．Va>Vb，Ta<Tb C．Va<Vb，Ta<Tb D．Va<Vb，Ta>Tb D　[解除锁定前，两部分气体的分子平均动能相同，但由于b部分的分子密集程度大，由气体压强的微观意义可知，b部分气体的压强大于a部分气体的压强；解除锁定，活塞将向a部分滑动，则Va<Vb；活塞向a部分滑动，对a部分气体做功，a部分气体的温度升高，b部分气体对外做功，b部分气体温度降低，则Ta>Tb，故选项D正确，A、B、C错误。] 10．(2023·广东梅州检测)2019年12月1日，粤东农批·2019球王故里五华马拉松赛在五华粤东农批广场激情开跑。此次活动能圆满举行离不开一群可爱的志愿者，他们到了午餐时间也只是吃点自热米饭，如图所示。对于自热米饭很多人还不是很了解，自热米饭盒内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热量，不需要明火，温度可超过100 ℃，盖上盒盖便能在10～15分钟内迅速加热食品。自热米饭的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸。下列有关自热米饭盒爆炸的说法，正确的是(　　) A．自热米饭盒爆炸，是盒内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果 B．在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体内能增加 C．在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体温度降低 D．自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，标志着每一个气体分子速率都增大了 C　[自热米饭盒爆炸前，盒内气体体积不变，分子间的平均距离不变，分子间的作用力不变，故A错误；爆炸前气体温度升高，内能增大，爆炸瞬间气体对外界做功，根据热力学第一定律知，其内能减少，温度下降，故B错误，C正确；自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，分子平均动能增加，但并不是每一个气体分子速率都增大，故D错误。] 11．(多选)如图所示是一定质量的理想气体的体积V和摄氏温度t变化关系的V­t图像，气体由状态A变化到状态B的过程中，下列说法正确的是(　　) A．气体对外做功，同时从外界吸收热量 B．气体的内能不变 C．气体的压强减小 D．气体的压强不变 AC　[从状态A到状态B，体积增大，气体对外做功，W<0，温度升高，内能增大，ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q>0，即气体从外界吸收热量，故A正确；由题图可知，理想气体从状态A到状态B的过程中，温度升高，内能增大，故B错误；在V­t图像中等压线是延长线过－273.15 ℃的直线，斜率越大，压强越小，如图所示，气体从状态A到状态B的过程中，压强减小，故C正确，D错误。] 12．如图甲所示为一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图乙)。内燃机工作时气缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给气缸的热量为25 J。 (1)求上述压缩过程中气体内能的改变量。 (2)燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m，其做的功相当于9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图丙)，该做功过程气体传递给气缸的热量为30 J。求此做功过程气体内能的改变量。 解析：　(1)压缩过程活塞对气体做的功W1＝F1l1＝2×103×0.1 J＝200 J。 气体内能的改变量ΔU1＝W1－Q1＝200 J－25 J＝175 J。 (2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功W2＝F2l2＝9×103×0.1 J＝900 J 气体内能的改变量ΔU2＝－W2－Q2＝－900 J－30 J＝－930 J 答案：　(1)175 J　(2)－930 J 13.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食。如图所示为高压爆米花的装置原理图，玉米粒在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“砰”一声气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。设当地温度为t1＝27 ℃，大气压强为p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0。(T＝t＋273 K) (1)将容器内的气体看作理想气体，求密闭容器打开前容器内气体的温度。 (2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功1.5×104 J，并向外释放了2.0×104 J的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？ 解析：　(1)根据查理定律＝及p1＝p0，T1＝300 K，p2＝4p0，解得T2＝1 200 K，则密闭容器打开前容器内气体的温度t2＝927 ℃。 (2)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得ΔU＝－2.0×104 J－1.5×104 J＝－3.5×104 J，故内能减少3.5×104 J。 答案：　(1)927 ℃　(2)减少　3.5×104 J 学科网（北京）股份有限公司 $$