3.2 热力学第一定律 分层作业 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

3.2 热力学第一定律 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．如图1所示，用活塞将一定质量的理想气体密封在导热汽缸内，活塞稳定在a处。将汽缸置于恒温冷水中，如图2所示，活塞自发从a处缓慢下降并停在b处，然后保持汽缸不动，用外力将活塞缓慢提升回a处。不计活塞与汽缸壁之间的摩擦。则（    ） A．活塞从a到b的过程中，汽缸内气体压强升高 B．活塞从a到b的过程中，汽缸内气体内能不变 C．活塞从b到a的过程中，汽缸内气体压强升高 D．活塞从b到a的过程中，汽缸内气体内能不变 2．如图是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里的气体容积、质量均不变，爬高过程中，温度减小，则气体（　　） A．对外做功 B．内能减小 C．吸收热量 D．压强不变 3．（多选）一定质量的理想气体从状态a开始经ab、bc、ca三个过程回到原状态，已知ab垂直于T轴，bc延长线过O点，下列说法正确的是（   ） 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 4．（多选）一定质量的理想气体、经过一个缓慢的过程从状态P变化到状态Q，该过程的图像如图甲所示，图乙为其图像、a、c两条曲线中的一条与上述过程对应，曲线a和c均为开口向下的抛物线，下列说法正确的是（　　） A．曲线a对应了P到Q的过程 B．曲线c对应了P到Q的过程 C．P到Q的过程理想气体吸收的热量为 D．状态P中气体分子单位时间内与器壁单位面积上的碰撞次数是状态Q的1.5倍 5．池塘水面温度为，一个体积为的气泡从深度为的池塘底部缓慢上升至水面，其压强随体积的变化图像如图所示，气泡由状态1变化到状态2。水的密度为，水面大气压强，气泡内气体看作是理想气体，重力加速度大小为。求： (1)池底的温度； (2)若该过程气泡中气体内能增加，气体所吸收的热量。 6．如图，理想变压器原、副线圈的匝数比为n1：n2 = 5：1，原线圈接在电压峰值为Um的正弦交变电源上，副线圈的回路中接有阻值为R的电热丝，电热丝密封在绝热容器内，容器内封闭有一定质量的理想气体。接通电路开始加热，加热前气体温度为T0。 （1）求变压器的输出功率P； （2）已知该容器内的气体吸收的热量Q与其温度变化量ΔT成正比，即Q = CΔT，其中C已知。若电热丝产生的热量全部被气体吸收，要使容器内的气体压强达到加热前的2倍，求电热丝的通电时间t。 B层 7．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，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动过程中，缸内气体（    ） 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例增加 8．（多选）一定质量的理想气体经历如图所示的循环过程，a→b过程是等温过程，b→c过程中气体与外界无热量交换，c→d过程是等温过程，d→a过程中气体与外界无热量交换。下列说法正确的是（　　） A．a→b过程，气体吸收热量，内能不变 B．b→c过程，气体对外做功，温度不变 C．c→d→a过程，气体放出的热量小于外界对气体做的功 D．a→b过程，气体从外界吸收的热量小于c→d过程放出的热量 9．在驻波声场作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的理想气体，其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的图像，气泡内气体先从压强为、体积为、温度为的状态等温膨胀到体积为、压强为的状态，然后从状态绝热收缩到体积为、压强为、温度为的状态到过程中外界对气体做功为．已知和．求： （1）的表达式； （2）的表达式； （3）到过程，气泡内气体的内能变化了多少？ C层 10．1mol的气体温度变化时，若其吸收或放出的热量为Q，则该气体的摩尔热容为，与气体经历的变化过程有关，常用的有定压摩尔热容和定容摩尔热容两种。如图所示，截面积为S的密封良好的活塞在汽缸内封闭着一定质量的理想气体，稳定时气体压强与大气压强相同，均为，此时活塞到汽缸底部距离为L，活塞右侧L处有一固定卡环，活塞可在汽缸内无摩擦滑动。现使汽缸内气体温度缓慢升高为初始的2倍，这个过程气体内能升高了，之后再使气体温度升高为初始的3倍。已知理想气体内能与温度成正比，则该气体的定压摩尔热容和定容摩尔热容之比为（    ） A． B． B． C． D． 11．（多选）如图所示，一定质量的理想气体从状态依次经过状态、和后再回到状态，则（   ） A．到过程，气体内能减少 B．到过程，气体对外界做正功 C．到过程，气体从外界吸收热量 D．经过一次循环过程，气体从外界吸收热量 12．如图所示，竖直放置的卡腰式圆柱形汽缸由a、b两部分组成，两部分高度均为，汽缸a的横截面积，汽缸b的横截面积是a的2倍，汽缸a的下端装有抽气筒。汽缸b中有光滑活塞（厚度不计），活塞质量为，活塞与汽缸间封闭性良好。初始状态活塞恰好在汽缸b的上端，现对汽缸进行缓慢抽气，共抽气22次，每次抽出气体的体积均为。温度保持不变，大气压强为。求： （1）前10次抽气过程中汽缸b中的活塞对气体做的功； （2）整个抽气过程结束后，汽缸内气体的压强； （3）整个抽气过程结束后，抽出气体的质量占抽气前气体质量的百分比。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 《3.2 热力学第一定律》参考答案 题号 1 2 3 4 7 8 10 11 答案 D B AC BC C AC A ACD 1．D 【详解】AB．根据题意可知活塞从a到b的过程中，汽缸内气体，温度降低，则内能减小，体积减小，压强不变，故AB错误； CD．根据题意可知活塞从b到a的过程中汽缸内气体温度不变，则内能不变，体积增大，根据玻意耳定律可知压强减小，故C错误，D正确。 故选D。 2．B 【详解】A．由于爬山过程中气体体积不变，故气体不对外做功，故A错误； B．爬山过程中温度降低，则气体内能减小，故B正确； C．根据热力学第一定律可知 爬山过程中气体不做功，但内能减小，故可知气体放出热量，故C错误； D．爬山过程中氧气瓶里的气体容积质量均不变，温度减小，根据理想气体状态方程有 可知气体压强减小，故D错误； 故选B。 3．AC 【详解】A．由理想气体状态方程 化简可得 由图像可知，图像的斜率越大，压强越小，故 pa < pb = pcbc过程为等压变化，体积减小，外界对气体做功，故A正确； B．由理想气体状态方程 化简可得 由图像可知，图像的斜率越大，压强越小，故 ca过程气体压强减小，故B错误； C．ab过程为等温变化，内能不变，故 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 根据热力学第一定律 解得 Ab过程气体放出热量，故C正确； D．ca过程，温度升高，内能增大，故D错误。 故选AC。 4．BC 【详解】AB．P到Q的过程压强减小，体积增大，根据理想气体状态方程可知，初末状态温度相同，在图乙中，，所以虚线b为等压线，从P到Q过程中，压强始终小于P点压强，即图像斜率小于P点对应斜率，所以曲线c对应了P到Q的过程，故A错误，B正确； C．图像面积代表做功，所以 P到Q的过程内能不变，根据热力学第一定律， 理想气体吸收的热量为，故C正确； D．初末状态温度相同，分子平均动能相同，初态压强是末态的2倍，所以状态P中气体分子单位时间内与器壁单位面积上的碰撞次数是状态Q的2倍，故D错误。 故选BC。 5．(1)282K (2)0.55J 【详解】（1）气泡在池底时压强 由理想气体状态方程得 解得 （2）由图可知，气泡在上升过程中平均压强 由得气体做的功大小为 解得 由热力学第一定律得气体吸收的热量 6．（1）；（2） 【详解】（1）由原线圈正弦交流电的峰值可知变压器输入电压有效值为 设变压器副线圈的输出电压为U2，根据理想变压器的电压与匝数之间的关系有 联立解得 理想变压器的输出功率等于R的热功率，即 （2）设加热前容器内气体的压强为p0，则加热后气体的压强为2p0，温度为T2，容器内的气体做等容变化，则有 由知气体吸收的热量 根据热力学第一定律，气体的体积不变，所以W = 0，容器是绝热容器，则 电热丝产生的热量全部被气体吸收 联立整理得 解得 【点睛】 7．C 【详解】初始时汽缸开口向上，活塞处于平衡状态，汽缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，则有 汽缸在缓慢转动的过程中，汽缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿汽缸壁的分力，故汽缸内气体缓慢的将活塞往外推，最后汽缸水平，缸内气压等于大气压。 AB．汽缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热传递，汽缸内气体压强作用将活塞往外推，气体对外做功，根据热力学第一定律得：气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，AB错误； CD．气体内能减小，缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，故速率大的分子数占总分子数的比例减小，C正确，D错误。 故选C。 8．AC 【详解】A．a→b过程，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，故吸收热量，故A正确； B．b→c过程，气体对外做功，且，则内能减小，温度降低，故B错误； C．c→d过程，温度不变，内能不变，体积减小，外界对气体做功等于气体放出的热量，d→a过程绝热，外界对气体做功，内能增大，故c→d→a过程，气体放出的热量小于外界对气体做的功，故C正确； D．由前分析知，a→b过程，气体从外界吸收的热量等于该过程气体对外界做的功，c→d过程放出的热量等于该过程外界对气体做的功，由图像知，a→b过程气体对外界做的功大于c→d过程外界对气体做的功，则a→b过程，气体从外界吸收的热量大于c→d过程放出的热量，故D错误。 故选AC。 9．（1）；（2）；（3） 【详解】（1）由题可知，根据玻意耳定律可得 解得 （2）根据理想气体状态方程可知 解得 （3）根据热力学第一定律可知 其中，故气体内能增加 10．A 【详解】第一步：分析定压变化过程中气体吸收的热量 因活塞与缸壁间无摩擦，则活塞运动到卡环前，缸内气体压强始终为，刚开始升温时，气体做等压变化，设温度达到时，活塞恰与卡环接触，有 解得 该过程外界对气体做功 由 可知该过程气体吸收的热量为 设该气体有，根据题意有 第二步：分析等容变化过程中气体吸收的热量 气体温度从升到的过程中，气体发生等容变化，在等压变化过程、等容变化过程中，气体温度变化量相同，则气体内能变化量相同，则有 联立以上解得 故选A。 11．ACD 【详解】A．到过程为等容变化，气体对外界不做功，由查理定律有 可得 则气体内能减少，故A正确； B．到过程，气体体积减小，外界对气体做正功，故B错误； C．到过程为等容变化，气体对外界不做功，由查理定律有 可得 则气体内能增加，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量，故正确； D．由 可知，图像与坐标轴围成的面积代表做功，可知由到气体对外界做的正功大于由到外界对气体做的正功，所以一个循环过程中，气体对外界做正功，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。 故选ACD。 12．（1）30J；（2）1.24×105Pa；（3）72.4％ 【详解】（1）由题意可知汽缸b的横截面积为 汽缸b的容积为 汽缸内气体的压强为 前10次抽气过程中抽出气体的体积为 小于汽缸b的容积，活塞还没有达到卡腰处，故前10次抽气过程均为等压变化。前10次抽气过程中汽缸b中的活塞对气体做功 （2）由题意得，a汽缸的容积 抽气20次后活塞恰达到卡腰处，汽缸内压强为 第21次抽气过程，根据玻意耳定律，有 解得 同理，第22次抽气过程，根据玻意耳定律，有 解得 （3）由理想气体密度方程得 整个抽气过程结束后剩余气体的质量与抽气体前气体的质量比 故整个抽气过程结束后，抽出气体的质量占抽气前气体质量的百分比为 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $