第3章 专题强化 2 热力学第一定律与气体状态方程的综合应用-【成才之路·练案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步新课程学习指导(人教版)

练案[15] 第三章 专题强化2热力学第一定律与气体状态 方程的综合应用 基础巩固练 知识点一热力学第一定律和气体状态方程的 综合应用 1.(2023·天津卷)如图是爬山所带的氧气瓶， A.气体对外界做功，内能减少 爬高过程中，氧气瓶里的气体体积和质量均不 B.外界对气体做功，内能增加 变，温度降低，则气体 C.气体压强变小，温度降低 D.气体压强变小，温度不变 4.（多选)某校“科创社”在学校足球场进行水火 箭发射、航模飞行等展示活动。此次活动激起 该校师生在工作和学习之余的科技创新热情。 A.对外做功 B.内能减少 水火箭是一种以水的压力推进的模型火箭，是 C.吸收热量 利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、 D.压强不变 尾翼、降落伞的，灌人三分之一的水，利用打气 2.如图，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入 筒充入空气到达一定的压力后喷水获得反冲 水中，设水温均匀且恒定，瓶内空气无逸出，不 力而发射。在喷水过程可以认为瓶内气体与 计气体分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶 外界绝热，则在喷水阶段有 () 在下降过程中，瓶内气体 A.瓶内气体体积增大，外界对气体做正功 A.内能增加 B.瓶内气体内能减小，温度降低 B.向外界放热 C.喷水阶段机械能转化为内能 D.瓶内气体压强减小，即瓶内壁单位面积上 C.对外界做正功 所受气体分子撞击的作用力减小 D.分子平均动能减小 知识点二热力学第一定律和状态变化图像的 3.如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两 综合问题 部分。已知a内有一定量的稀薄气体，b内为5.如图所示，AB两点表示一定质量的某种理想 真空。抽开隔板K后，a内气体进入b,最终达 气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态 到平衡状态。在此过程中 )B时 () 171 综合提升练 8.如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞 封闭一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向 A.气体内能一定增加 上放置，活塞处于静止状态，将瓶缸缓慢转动 B.气体压强变大 90°过程中，缸内气体 () C.气体对外界做功 D.气体对外界放热 6.如图所示，一定质量的理想气体经历ab→c 过程，其中a→b是等温过程，b→c是等压过 程，则 A.内能增加，外界对气体做正功 B.内能减小，所有分子热运动速率都减小 C.温度降低，速率大的分子数占总分子数比 例减少 D.温度升高，速率大的分子数占总分子数比 A.a、b、c三个状态中，气体在c状态分子平均 例增加 动能最大 9.（多选)(2024·海南卷)一定质量的理想气体 B.a、b、c三个状态中，气体在b状态分子数密 从状态a开始经ab、bc、ca三个过程回到原状 度最大 态，已知ab垂直于T轴，bc延长线过O点，下 C.ab过程中，气体既不吸热也不放热 列说法正确的是 () D.bc过程中，气体放出的热量大于外界对 气体做的功 7.(多选)如图所示，一定质量的理想气体从状 态a变化到状态b。在此过程中 A.bc过程外界对气体做功 B.ca过程气体压强不变 C.ab过程气体放出热量 D.ca过程气体内能减小 A.气体温度一直降低 10.如图甲所示，一横截面积S=10cm2的活塞 B.气体内能一直增加 将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，不计 C.气体一直对外做功 活塞与汽缸间的摩擦。如图乙所示是气体从 D.气体一直向外界放热 状态A变化到状态B的V-T图像。已知AB 172 的反向延长线通过坐标原点，气体在A状态 到状态2，此时锁定瓶塞，再缓慢地从吸管中 的压强为p=1.5×10Pa,在从状态A变化 吸走部分水后，管内和瓶内水面等高，气体达 到状态B的过程中，气体吸收的热量Q=7.0 到状态3。已知从状态2到状态3，气体对外 做功1.02J;从状态1到状态3，气体吸收热 ×10J,大气压强po=1.0×10Pa,重力加速 量4.56J,大气压强po=1.0×10Pa,水的密 度g取10m/s2。求活塞的质量m与此过程 度p=1.0×103kg/m3;忽略表面张力和水蒸 中气体内能的增量△U。 气对压强的影响。 个VI10-3m) B 60--------- 3.04.0T102K)月 甲 (1)从状态2到状态3，气体分子平均速率 (“增大”“不变”“减小”)，单位 时间撞击单位面积瓶壁的分子数 (选填“增多”“不变”或“减少”)； (2)求气体在状态3的体积V3; (3)求从状态1到状态3气体内能的改变 量△U。 11.（2025·浙江卷)如图所示，导热良好带有吸 管的瓶子，通过瓶塞密闭T=300K,体积V =1×103cm3处于状态1的理想气体，管内 水面与瓶内水面高度差h=10cm。将瓶子 放进T,=303K的恒温水中，瓶塞无摩擦地 缓慢上升恰好停在瓶口，h保持不变，气体达 —1735.D中午的温度高于早晨的温度，可知轮胎内气体温度升高， 对于一定质量的理想气体，温度升高，内能增大。气体体积增 大的过程中，气体对外做功，故A、B、C错误；由热力学第一定 律有△U=-W+Q,Q=△U+W,故D正确。 6.C不同形式的能量间的转化过程中能量是守恒的，A错误； 能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，B 错误；第一类永动机不可能制成，它违背了能量守恒定律，C 正确：石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用和与地面碰 撞，机械能减少，转化成了其他形式的能量，D错误。 7.BC第一类永动机违反了能量守恒定律，不可能制成，A错 误；牛顿运动定律适用于宏观低速的物体运动，B正确；“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；由能量守恒定律可知，能量是不能凭空产生的， D错误。 8.C甲车靠小型发电机一踩动单车时线圈在磁场中转动产 生电能，故是将机械能转化为电能：乙车靠车筐底部的太阳能 电池板一一有光照时产生电能，故是将光能转化为电能。故 A、B、D错误，C正确。 综合提升练 9.BC压缩过程活塞对气体做的功W,=F,L1=2×10×0.1J =200J,气体内能的变化量△U1=W,+Q1=200J-25J=175 J,即压缩冲程气体内能的变化量为175J,故B正确，A错误； 气体膨胀过程中外界对气体所做的功W,=-F,,=-9×10 ×0.1J=-900J,气体内能的变化量△U2=W2+Q2=-900J -30J=-930J,做功冲程气体内能的变化量为-930J,故C 正确，D错误。 10.D由△U=W+Q可得理想气体内能变化量△U=-1.0× 104J+2.5×104J=1.5×104J>0,故气体温度升高，A、B两 项错误；因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体积变大， 由p=?可知气体密度变小，故C项错误，D项正确。 11.D当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、重力G、封闭 气体对活塞向下的压力F共同作用，其合力方向向上，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 积必定减小，外力对气体做功，由于容器绝热，则气体的内能 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，弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变量。设最 终弹簧的弹性势能为E。',由能量守恒定律得E。=E。'+△E, (活塞增加的重力势能)+△E(气体增加的内能)，故D 正确。 12.1 2 mto2-(M+m)gh 解析：子弹和沙箱相互作用的过程中，损失动能，产生内能， 由能量守恒定律得 A0=m,2-2(M+m)r ① —23 由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点以 做圆周运动，满足机械能守恒，即 (M+m)2=(+m)sh ② 由①②解得△U= 2mo2-(M+m)gh。 练案[15] 基础巩固练 1.B爬高过程中，气体的体积保持不变，则气体对外不做功，A 错误；爬高过程中，气体温度降低，则气体的内能减少，B正 确：根据热力学第一定律可知△U=Q+W,又W=0,△U<0, 则Q<0,即气体放出热量，C错误；爬高过程中，气体的体积 不变，温度降低，根据查理定律p=CT可知气体的压强减小， D错误。 2.B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=C(常量)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，故气体内能不变，根据热力学第一定律△U=Q+W 可知，故气体向外界放热，故B正确，A、C、D错误。 3.D绝热容器内的稀薄气体与外界没有热传递，Q=0,稀薄气 体向真空扩散没有做功，W=0,根据热力学第一定律得△U= 0,内能不变，故A、B错误；稀薄气体的内能不变，则温度不 变，稀薄气体向真空扩散，体积增大，压强减小，故C错误，D 正确。 4.BD在喷水过程中，瓶内气体体积增大，气体对外界做功， W<0,故A错误；在喷水过程中，瓶内气体与外界绝热，Q=0, 由热力学第一定律△U=W+Q可知，瓶内气体内能减小，温 度降低，故B正确：喷水阶段气体内能减小，而水火箭运动，机 械能增加，所以内能转化为机械能，故C错误；瓶内气体压强 减小，即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小， 故D正确。 5.C由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小， 故气体的内能不变，气体对外做功：由热力学第一定律可知， 气体一定从外界吸收热量。综上可知，C正确，A、B、D错误。 6.D由题图可知，bc过程，气体发生等压变化，气体体积与热 力学温度成正比，则T,=T,>T。,所以气体在c状态分子平均 动能最小，A错误；由题图可知气体在c状态体积最小，所以 气体在c状态分子数密度最大，B错误；a→b是等温过程，内 能不变，但体积增大，对外做功，所以为吸热过程，C错误；b→ c过程中，体积减小，外界对气体做了功，同时温度降低，内能 减少。所以气体放出的热量大于外界对气体做的功，D正确。 7.BC一定质量的理想气体从a到b的过程，由理想气体状态 方程可知光-兴则。>1，即气体的温度一直升高，选 T 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 定律可知，从a到b的过程中气体一直从外界吸热，选项D 错误。 综合提升练 8.C初始时气体的压强P=%+警，体积为K,温度为T:将 汽缸缓慢转过90°后，气体的压强P2=po,体积为V2,温度为 T2。易知V2>V1,故气体对外界做功，因汽缸和活塞都是绝热 的，根据热力学第一定律可得△U<0,由于理想气体内能只与 气体温度有关，所以T>T2,A、D错误；内能减小，不是所有气 体分子热运动速率都减小，但速率大的分子数占总分子数的 比例减小，B错误，C正确。 9AC由理想气体状态方程=C,化简可得V=￡·T,由图 像可知，图像的斜率越大，压强越小，故P。<P6=P。,bc过程为 等压变化，体积减小，外界对气体做功，故A正确；P。<P6=P。, ca过程气体压强减小，故B错误；ab过程为等温变化，内能不 变，故△U=0,根据玻意耳定律可知，体积减小，压强增大，外 界对气体做功，故W>0,根据热力学第一定律△U=Q+W,解 得Q<0,ab过程气体放出热量，故C正确；ca过程，温度升 高，内能增大，故D错误。故选AC。 10.400J状态A时，对活塞受力分析得pS=mg+PS 代入数据解得m=5kg 在从状态A变化到状态B的过程中，发生的是等压变化， 片-得。80x0m 则气体对外界做功W=-p△V=-300J,内能的增量△U=W +0 得△U=400J。 11.(1)不变减小 (2)V3=1.0201×10cm (3)△U=2.53J 解析：(1)从状态2到状态3，温度保持不变，气体分子的内 能保持不变，则气体分子平均速率不变，由于气体对外做功， 则气体压强减小，故单位时间撞击单位面积瓶壁的分子数 减少。 (2)气体从状态1到状态2的过程，由盖一吕萨克定律 7片 其中V,=1×103cm,T=300K,T2=303K 解得V2=1.01×10cm 此时气体压强为 23 P2=P1=Po+Pgh=1.01×103Pa 气体从状态2到状态3的过程，由玻意耳定律P2V2=P3V3 其中P3=P0 代入数据解得，气体在状态3的体积为 V3=1.0201×103cm3。 (3)气体从状态1到状态2的过程中，气体对外做功为 W1=P1(V2-V)=1.01J 由热力学第一定律 △U=Q-(W1+W2) 其中Q=4.56J,W2=1.02J 代入解得，从状态1到状态3气体内能的改变量为 △0U=2.53J。 练案[16] 基础巩固练 1.D符合能量守恒定律的宏观过程并不是都能发生。一切与 热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，A错误；热量不能 自发地从低温物体传到高温物体。空调的工作过程表明，热 量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，B错 误：第二类永动机违背了热力学第二定律，不可能制造出来，C 错误：根据热力学第二定律可知，热机不可能把燃料产生的内 能全部转化为机械能，D正确。 2.BCD热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的 方向性的规律，A不属于热现象，A不符合题意；由热力学第 二定律可知B、C、D符合题意。 3.BC热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化 规律，是能的转化和守恒的具体表现，适用于所有的热学过 程，故C正确，D错误；根据热力学第二定律可知，热量不能自 发地从低温物体传到高温物体，必须借助于外界做功，故A错 误，B正确。 4.C根据热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传 递到高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传递到 高温物体，例如电冰箱的工作过程，故A错误；根据热力学第 一定律可知，物体内能的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，故B错误：内能不能全部转化为机械 能，同时不引起其他变化是热力学第二定律的表述形式之一， 故C正确；机械能可以全部转化为内能，故D错误。故选C。 5.AC热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律， 热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但可以自发地从 高温物体传到低温物体；并不是所有符合能量守恒定律的宏 观过程都能实现，故A、C正确，B、D错误。 6.C根据热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体 传递给高温物体，但通过一些其他手段是可以实现的，故C正 确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化