3.1 功、热和内能的改变(练案)-【成才之路】2024-2025学年高中新课程物理选择性必修第三册同步学习指导(人教版2019)

表面张力的作用使水滴呈球形，但在重力的作用下水滴呈椭 球形，故Ｂ正确；照片中水滴表面分子比水滴的内部稀疏，水 滴与玻璃表面接触的那层水分子间距比水滴内部的水分子 间距大，表面层分子间因为引力的作用，使表面层分子有收 缩的趋势，从而形成球形，故Ｃ错误，Ｄ正确。 １３． ＢＤ　 由题给现象可知该液体对固体Ａ不浸润，对毛细管Ｂ浸 润，则Ａ、Ｂ一定不是由同种材料制成的，选项Ｂ、Ｄ是正确的。 １４．不对，见解析 解析：毛细管中被“拉起”的水柱重力为Ｇ ＝ ＳＨρｇ（Ｓ为毛细 管内截面积，ρ为水的密度）；显然，该水柱受到竖直向上的 “拉力”Ｆ ＝ Ｇ，实际上所说的“拉力”是表面张力的作用结果， 则Ｆ ＝ Ｇ。当管弯曲时，短臂管中水柱长为ｈ ＜ Ｈ′ ＜ Ｈ，在短臂 管口处该水柱受到的向上的“拉力”，Ｆ′只要等于Ｓｈρｇ，水就不 会流出，由于Ｆ ＞ Ｆ′，所以该同学的想法是不对的。 练案［１４］ 基础达标练 １． ＡＣ　 将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功 当量，故Ａ正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程 中内能改变的量度，故Ｂ错误，Ｃ正确；做功和热传递产生的 效果相同，但功和热量是不同的概念，故Ｄ错误。 ２． ＡＣ　 爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，温度升 高，内能增大，压强增大；爆胎前气体体积不变，没有对外做 功，故Ａ正确，Ｂ错误；爆胎过程中，车胎内气体体积增大，气 体对外做功，内能减小，同时温度降低，压强减小，故Ｃ正确， Ｄ错误。 ３． ＢＣＤ　 质量和温度都相同的气体，因气体的种类不一定相同， 则物质的量不一定相同，内能不一定相同，故Ａ错误；气体被 压缩时，若气体对外传热，则气体的内能可能不变，故Ｂ正确； 一定量的某种理想气体的分子势能可视为零，则内能只与温 度有关，故Ｃ正确；一定量的某种理想气体在等压膨胀过程 中，温度一定升高，则内能一定增加，故Ｄ正确。 ４． Ａ　 热量和功可作为物体内能改变的量度，故Ａ错误，Ｂ正确； 热量、功、内能的单位都是焦耳，故Ｃ正确；热量和功是过程 量，内能是状态量，故Ｄ正确。 ５． ＡＤ　 由题意知，气体压强不变，活塞上升，体积增大，由理想 气体状态方程知，气体温度升高，内能一定增加，电流对气体 做的功一定大于气体对外做的功，Ｂ、Ｃ错误，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力增大， 而压强不变，因此单位时间内气体分子对活塞的碰撞次数减 少，Ａ正确。 ６． Ｂ　 对一定质量的气体，不管采取哪一种方式，由状态Ａ变化 至状态Ｂ，都是绝热过程。在这一过程中，气体在状态Ａ有一 确定的内能Ｕ１，在状态Ｂ有另一确定的内能Ｕ２，由绝热过程 中ΔＵ ＝Ｗ ＝ Ｕ２ － Ｕ１知，Ｗ为恒量，所以选项Ｂ正确。 ７． ＣＤ　 温度是分子平均动能的标志，温度相同，分子的平均动 能相同，与分子质量无关。初始时，两部分气体温度相同，故 分子的平均动能相同，Ａ错误；从松开固定栓至系统重新达到 平衡的过程中，先是氢气对氧气做功，氢气内能减少、温度降 低，氧气内能增加、温度升高，由于存在温度差，故会发生热传 递，最后两者温度相同，氧气内能又减小，整个过程为绝热过 程，气缸内气体内能不变，等于初始值，所以两种气体的内能 与初始时相同，Ｂ错误，Ｃ、Ｄ正确。 ８． １ ０３０ Ｊ 解析：由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功等于气 体增加的内能，即ΔＵ ＝ Ｗ外＝ （ｍ活塞＋ ｍ物体）ｇΔｈ ＋ ｐ０ＳΔｈ ＝ （５ ＋ １５）× １０ × ０． １ Ｊ ＋ １． ０１ × １０５ × ０． １ × ０． １ Ｊ ＝ １ ０３０ Ｊ。 能力提升练 ９． Ａ　 绝热过程中，做功的过程就是能量转化的过程，做了多少 功，内能就变化多少，故外界对气体做功２０ Ｊ，气体内能一定 增加２０ Ｊ，Ａ正确。 １０． ＡＢ　 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量， 由系统的状态决定，选项Ａ正确；因为内能是由系统的状态 决定的，所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内 能是一致的，选项Ｂ正确；做功和热传递都可以改变系统的 内能，选项Ｃ错误；气体在大气中做绝热膨胀时对外界做了 功，且与外界没有热交换，所以系统的内能要减少，故选项Ｄ 错误。 １１． ＢＤ　 由题意可知，可燃冰在开采过程中要对其加热升温，气 体温度升高，体积变大，对外做功，同时又从外界吸热，内能 变大，故Ａ错误，Ｂ正确；可燃冰的形成条件是低温高压，所 以形成可燃冰过程中外界对气体做功，但气体温度降低，对 外放热，内能减少，故Ｃ错误，Ｄ正确。 １２． Ｄ　 题图甲中迅速下压活塞，棉花会燃烧起来，说明做功可以 改变气体的内能，进而使温度升高，Ａ错误；题图乙中重物下 落带动叶片转动搅拌容器中的水，水由于摩擦生热而温度上 升，Ｂ错误；题图丙中降落的重物使发电机发电，电流通过电 阻丝放热使液体升温，Ｃ错误；题图所示的三个实验本质上 均是外界对系统做功而使系统的内能增加，Ｄ正确。 １３． ＡＤ　 用压力Ｆ向下压活塞时，外界对气体做功，因和外界没 有热交换，可知气体的内能增加；气体的温度升高，气体分子 的平均动能增加，分子对器壁单位面积碰撞的冲力增大；由 理想气体状态方程可知，温度升高、气体体积减小，故气体的 压强增大，Ｂ、Ｃ正确，不符合题意；Ａ、Ｄ错误，故选ＡＤ。 １４．内能　 μθＲＮ 解析：当制动片制动时，车轮要克服摩擦力做功，把机械能转 化为内能。车轮转过的弧长ｓ ＝ θＲ，由动能定理得－ μＮｓ ＝ ０ － Ｅｋ，解得Ｅｋ ＝ μθＲＮ。 练案［１５］ 基础达标练 １． Ａ　 迅速推动木棍过程中，竹筒中被密封的气体体积减小，则 压强变大，外界对气体做正功，Ｗ ＞ ０，由于“迅速”过程气体与 外界无热交换，则Ｑ ＝ ０，根据热力学第一定律可知，气体内能 增加，ΔＵ ＞ ０，温度升高，分子平均动能增加，但不是每个分子 的动能都增加。故Ａ正确。 ２． ＡＤ　 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外 做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定 律，这是它不能制成的原因。 ３． Ａ　 由热力学第一定律ΔＵ ＝Ｗ ＋Ｑ得，ΔＵ ＝８００ Ｊ ＋（－ ２００ Ｊ）＝ ６００ Ｊ，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔＵ ＝ ６００ Ｊ ＞ ０，故温度升高，Ａ选项正确。 ４． Ｄ　 根据题意可知，Ａ→Ｂ过程中，气体温度不变，气体内能不 变，由图像可知，气体体积变大，外界对气体做负功，根据热力 学第一定律可知，气体从外界吸热，故Ａ错误；由题意可知，Ｃ →Ｄ过程气体温度不变，则有ＴＣ ＝ ＴＤ，Ｄ→Ａ为绝热过程，气体 体积减小，外界对气体做正功，根据热力学第一定律可知，气 体内能增大，温度升高，则有ＴＡ ＝ ＴＢ ＞ ＴＣ ＝ ＴＤ，则Ｂ→Ｃ过程 中，气体温度降低，气体内能减小，气体体积变大，外界对气体 做负功，所以无法确定气体向外界放出热量还是从外界吸收 热量，故Ｂ错误；Ｃ→Ｄ过程气体温度不变，气体分子平均动能 不变，气体体积减小，气体分子的数密度增大，所以气体压强 增大；Ｄ→Ａ过程气体体积减小，气体分子的数密度增大，且气 体温度升高，气体分子平均动能增大，所以气体压强增大；可 知Ｃ→Ｄ和Ｄ→Ａ过程中，气体压强都增大的微观机制并不完 全相同，故Ｃ错误；根据ｐ － Ｖ图像的面积意义可知，整个过程 中，外界对气体做负功，而气体内能不变，根据热力学第一定 律可知，气体从外界吸收热量，故Ｄ正确。 ５． Ｄ　 当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力Ｆ、活 塞的重力Ｇ、封闭气体对活塞向下的压力Ｆ′共同 作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后 活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积 必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内 能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高， 其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍 有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ｅｐ ′，由能量守恒定律得 Ｅｐ ＝ Ｅｐ ′ ＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以Ｄ选 项正确                                                                       。 —２２７— 练案［１４］ 第三章　 热力学定律 １．功、热和内能的改变 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　基础达标练 一、选择题 １．（多选）如图所示为焦耳实验装置图，用绝热性能良 好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器 里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正 确的是 （Ａ ） Ａ．这个装置可测定热功当量 Ｂ．做功增加了水的热量 Ｃ．做功增加了水的内能 Ｄ．功和热量是完全等价的，无区别 ２．（多选）（２０２４·天津北辰高三期中）夏季天气温差 比较大，充足的车胎经过正午阳光的暴晒易爆胎。 若车胎内的气体可视为理想气体，爆胎前车胎内气 体体积及质量均不变，爆胎过程时间极短，可看作绝 热过程。关于车胎内的气体，下列说法正确的是 （Ａ ） Ａ．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体压强增大 Ｂ．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，对 外做功，内能不变 Ｃ．爆胎过程中，车胎内气体对外做功，内能减小 Ｄ．爆胎过程中，车胎内气体体积增大，压强减小，温 度升高 ３．（多选）关于气体的内能，下列说法正确的是（Ｂ ） Ａ．质量和温度都相同的气体，内能一定相同 Ｂ．气体被压缩时，内能可能不变 Ｃ．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 Ｄ．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能 一定增加 ４．下列关于热量、功和内能的说法中，错误的是（Ａ ） Ａ．热量、功都可以作为物体内能的量度 Ｂ．热量、功都可以作为物体内能变化的量度 Ｃ．热量、功、内能的单位相同 Ｄ．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态 决定的 ５．（多选）（２０２４·山东省济南市部分重点中学高二检 测）如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的理想气 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 ） 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，气体又对外做功，其 内能可能不变 Ｄ．电流对气体做的功一定大于气体对外做的功 ６．采取绝热的方式使一定质量的气体由状态Ａ变化至 状态Ｂ，对于不同的变化方式，下列说法正确的是 （Ｂ ） Ａ．对气体所做的功不同 Ｂ．对气体所做的功相同 Ｃ．对气体不需做功，因为没有能量的传递 Ｄ．以上说法都不正确 ７．（多选）如图所示，绝热汽缸中间 用固定栓将可无摩擦移动的导热 隔板固定，隔板质量不计，左右两 室分别充有一定量的氢气和氧气 （视为理想气体）。初始时，两室 气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开 固定栓直至系统重新达到平衡，下列说法正确的是 （Ｃ ） Ａ．初始时氢气分子的平均动能大于氧气分子的平均 动能 Ｂ．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小 Ｃ．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有 热量从氧气传递到氢气 Ｄ．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧 气的内能先增大后减小 ８．如图所示，一个质量为２０ ｋｇ的绝热汽缸竖直放置，绝 热活塞的质量为５ ｋｇ，面积为０． １ ｍ２，处于静止状态时 被封闭气体的高度为５０ ｃｍ，现在活塞上方加一１５ ｋｇ 的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为４０ ｃｍ。求 在这一过程中气体的内能增加了多少？（ｐ０ ＝ １． ０１ × １０５ Ｐａ，ｇ取１０ ｍ ／ ｓ２）                                                                 —１６２— 能力提升练 ９．绝热过程中，外界压缩气体，对气体做功２０ Ｊ，下列 说法正确的是 （Ａ ） Ａ．气体内能一定增加２０ Ｊ Ｂ．气体内能增加量必定小于２０ Ｊ Ｃ．气体内能增加量可能小于２０ Ｊ Ｄ．气体内能可能不变 １０．（多选）下列关于系统的内能的说法正确的是 （Ａ ） Ａ．系统的内能是由系统的状态决定的 Ｂ．分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入 的系统内能是一致的 Ｃ．做功可以改变系统的内能，但单纯地对系统传热 不能改变系统的内能 Ｄ．气体在大气中做绝热膨胀时做了功，但气体的内 能不变 １１．（多选）天然气水合物是２０世纪科学考察中发现的 一种新的矿产资源。如图所示，它是水和天然气在 高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外 貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃 冰”“固体瓦斯”之称，开采时只需将固体的“天然 气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。 可燃冰的形成过程可简化为把甲烷气体压缩到低 温的“容器”中，开采时通过升温再把甲烷气体从 “容器”中释放出来，不考虑分子势能，以下说法正 确的是 （Ｂ ） Ａ．可燃冰在开采时气体对外做功，内能变小 Ｂ．可燃冰在开采时气体对外做功，又从外界吸热， 内能变大 Ｃ．可燃冰在形成时外界对气体做功，内能变大 Ｄ．可燃冰在形成时外界对气体做功，气体又对外放 热，内能变小 １２．关于如图所示的实验，下列说法正确的是（Ｄ ） Ａ．图甲，迅速下压活塞，棉花会燃烧起来，说明热传 递可以使物体的温度升高 Ｂ．图乙，重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传 递热量而使水的温度升高 Ｃ．图丙，降落的重物使发电机发电，电流对液体做 功使液体的温度升高 Ｄ．由以上实验可知，外界对系统做功可以使系统的 内能增加 １３．（多选）如图所示，一定质量的理 想气体密封在绝热（即与外界不 发生热交换）容器中，容器内装有 一可以活动的绝热活塞，今对活 塞施以一竖直向下的压力Ｆ，使 活塞缓慢向下移动一段距离后， 气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦 力，则对被密封的气体，下列说法不正确的是 （Ａ ） Ａ．温度升高，压强增大，内能减少 Ｂ．分子的平均动能增加，分子对器壁的单位面积碰 撞的冲力增大 Ｃ．温度升高，压强增大，内能增加 Ｄ．温度降低，压强减小，内能增加 １４．（２０２３·上海嘉定高三测试）如图所示，将半径为Ｒ 的自行车轮架空，原地转动起来后测试制动。当制 动片以大小为Ｎ的力压在车轮上，车轮转过圆心角 θ后停止。这一过程机械能转化为何种形式的能？ 若知道制动片和车轮之间的动摩擦因数μ，可估算 车轮在刹车前的动能是多少？                                                                      —１６３—