3.3 能量守恒定律 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

**基本信息** 本同步练习以能量守恒定律为核心，采用A/B/C三层递进设计，覆盖基础概念到综合应用，强化物理观念与科学思维培养。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |A层|能量守恒基本概念、简单应用|选择/填空/基础计算，如永动机辨析题巩固能量观念| |B层|热力学定律、气体实验定律综合|多选和中档计算，如汽缸加热问题提升科学推理| |C层|多知识点整合、复杂情境分析|综合选择和探究题，如状态变化分析培养质疑创新|

3.3 能量守恒定律 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（　　） A．符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题 B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现 C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现 D．违背能量转化和守恒定律，不可能实现 2．关于下列几幅图的说法正确的是（　　） A．图甲为扩散现象，表明分子间有间隙和分子在做永不停息的无规则运动 B．图乙为布朗运动产生原因的示意图。说明微粒越大，液体分子沿各方向撞击它的数量越多，布朗运动越明显 C．图丙中石蜡在固体片上熔化成椭圆形，说明该固体是多晶体 D．如图丁所示，“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来，直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，如此循环往复，小鸭不需要外界提供能量，也能够持续工作下去 3．（多选）以下说法正确的是（　　） A．当两个分子间的距离为（平衡位置）时，分子势能最小 B．第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律 C．布朗运动反映了花粉小颗粒内部分子的无规则运动 D．温度、压力、电磁作用等不可以改变液晶的光学性质 4．（多选）下列关于能量的说法中正确的是（　　） A．地面上滚动的足球最终停下来，说明能量消失了 B．能量有不同的表现形式，并可以相互转化，但总量不变 C．伽利略的斜面实验表明了小球在运动过程中某个量是守恒的 D．人类对太阳能的利用说明能量可以凭空产生 5．太阳能的光热转化是目前技术最为成熟、应用最广泛的太阳能利用形式，从有关资料获悉，在晴天时，垂直于阳光的地球表面接收到的光辐射为。如图所示，有一台太阳能热水器，可将接收到的光辐射的50%用来升高水温，如果该热水器接受阳光垂直照射的有效面积始终是2m2，晴天晒1h，其水箱中50kg水的温度能升高多少摄氏度？[水的比热容] 6．观察图片回答下列问题： (1)如图甲是真空玻璃罩中的弹性皮球弹跳的频闪照片，皮球弹跳的最大高度越来越低，它的机械能哪里去了？ (2)图甲中皮球在木板上弹跳，最终停止运动(玻璃罩绝热)，皮球和木板的机械能及内能之和变化吗？ (3)如图乙，一部充满电的手机，单纯听音乐能用40小时，如果同时亮屏能用9小时，如果打电话能用5小时，这些过程说明能量的转化有什么特点？ (4)根据以上活动以及机械能守恒定律、热力学第一定律，可以有什么猜想？ B层 7．对下列四幅图涉及的相关物理知识的描述正确的是（　　） A．图甲为布朗运动产生原因的示意图，颗粒越大，布朗运动越明显 B．从图乙可知当分子间的距离小于r₀时，分子间距变小，分子势能变大 C．图丙所示的液体表面层，分子之间只存在相互作用的引力 D．图丁中为第一类永动机的其中一种设计方案，其不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律 8．（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是（　　） A．第一类永动机是不消耗任何能量却源源不断地对外做功的机械 B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第二定律 C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 9．如图甲所示，一圆柱形绝热汽缸开口向上竖直放置，通过绝热活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内，活塞质量m=1 kg、横截面积S=5×10-4 m2，原来活塞处于A位置。现通过电热丝缓慢加热气体，直到活塞缓慢到达新的位置B，在此过程中，缸内气体的V­T图像如图乙所示，已知大气压强p0=1.0×105 Pa，忽略活塞与汽缸壁之间的摩擦，重力加速度g=10 m/s2。 （1）求缸内气体的压强和活塞到达位置B时缸内气体体积； （2）若缸内气体原来的内能U0=72 J，且气体内能与热力学温度成正比，求缸内气体变化过程中从电热丝吸收的总热量。 C层 10．一定质量的理想气体沿如图所示的状态变化，ba的延长线过坐标原点，T＝t＋273K，下列说法中正确的是（　　） A．由a至b，外界对气体不做功 B．气体由c至a，不可能在绝热状态下进行 C． D．气体由a经b至c吸收的热量等于气体由c至a释放的热量 11．（多选）如图所示，一轻绳吊着粗细均匀的棒，棒下端离地面高Ｈ，上端套着一个细环。棒和环的质量分别为4m和m，相互间最大静摩擦力等于滑动摩擦力，其大小为4mg。断开轻绳，棒和环自由下落。假设棒足够长，与地面发生碰撞时，触地时间极短，无动能损失。棒在整个运动过程中始终保持竖直，空气阻力不计。则（　　） A．从断开轻绳到棒和环都静止，系统损失的机械能为 B．从断开轻绳到棒和环都静止的过程中，环相对地面始终向下运动 C．棒第一次与地面碰撞弹起上升过程中，环相对地面先做匀减后匀加最后做匀减速运动 D．从断开轻绳到棒和环都静止的过程中，环相对于棒没有往复运动，但总位移向下 12．如图，竖直放置的密闭绝热汽缸被轻质导热活塞分成上下两部分，上部分封闭一定质量的理想气体，气体的温度为，压强为，下部分为真空，活塞与汽缸上壁中央用一根原长为、劲度系数为的轻质弹簧竖直连接。汽缸内壁光滑，弹簧的形变始终在弹性限度内且其体积忽略不计。活塞初始时静止在汽缸正中间，此时弹簧长度为，后因活塞密封不严发生缓慢移动，最后活塞重新达到平衡。（已知该理想气体的内能，其中为该气体摩尔数，为已知的比例系数，形变量为的弹簧弹性势能为） (1)与初始时相比，上部分气体的分子数密度________，上部分气体分子的平均速率________（以上两空均选填“变大”、“不变”或“变小”）； (2)若活塞重新达到平衡时的气体温度为（已知），求此时上部分气体的压强________； (3)若活塞重新达到平衡时的气体温度为（未知），求此时上部分气体的温度________。 参考答案 题号 1 2 3 4 7 8 10 11 答案 D A AB BC B AD B ACD 1．D 【详解】根据上述分析，维尔金斯“永动机”不消耗能量，又能源源不断对外做功，这是第一类永动机，其违背了能量转化和守恒定律，不可能实现。 故选D。 2．A 【详解】A．图甲为扩散现象，表明分子间有间隙和分子在做永不停息的无规则运动，故A正确； B．图乙为布朗运动产生原因的示意图。说明微粒越大，液体分子沿各方向撞击它的数量越多，布朗运动越不明显，故B错误； C．图丙中石蜡在固体片上熔化成椭圆形，说明该固体是单晶体，故C错误； D．如图丁所示，“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来，直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，如此循环往复，根据能量守恒可知，“饮水小鸭”头部饮水后不断蒸发，吸收周围空气的热量，才能持续工作下去，故D错误。 故选A。 3．AB 【详解】A．当两个分子间的距离从无穷远到（平衡位置）时，分子引力做正功，分子势能减小；当分子间的距离从继续减小时，分子斥力做负功，分子势能增加，则两个分子间的距离为（平衡位置）时，分子势能最小，故A正确； B．第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律，故B正确； C．布朗运动是花粉小颗粒的无规则运动，反映了液体分子的无规则运动，故C错误； D．温度、压力、电磁作用等可以改变液晶的光学性质，故D错误。 故选AB。 4．BC 【详解】ABD．根据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变，AD错误，B正确； C．伽利略的斜面实验表明了小球在运动过程中某个量是守恒的，C正确。 故选BC。 5．20.6 【详解】依题意，可求得1h太阳能热水器可以接受的太阳能为 水吸收的热量为 则水箱中50kg水升高的温度为 6．(1)见解析 (2)见解析 (3)见解析 (4)见解析 【详解】（1）如果只有重力和皮球的弹力做功，皮球的机械能应该守恒。弹跳的高度越来越低，是因为摩擦力做功，部分机械能转化为内能。 （2）根据功能关系，克服摩擦力做功W，机械能减少量，摩擦力做功使皮球和木板的温度升高，内能增大，皮球和木板之间可能发生热量的传递，但因与外界绝热，根据热力学第一定律，皮球和木板的内能增加量。整个过程机械能减少，内能增加，根据，皮球和木板的机械能与内能之和不变。 （3）这说明一定量的电能可以转化成一定量的声能，也能转化成少量的声能和较多的光能，还能转化成极少的声能和大量的电磁能，说明一种能量可以转化成其他形式的能量，并在转化过程中有一定的数量关系。 （4）能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 7．B 【详解】A．甲图中，悬浮在液体中的颗粒越大，布朗运动表现得越不明显，故A错误； B．从图乙可知当分子间的距离小于r₀时，分子间距变小，分子力做负功，分子势能变大，故B正确； C．分子间同时存在引力和斥力，液体表面是分子间作用力的合力为引力，故C错误； D．图丁中为第一类永动机的其中一种设计方案，其违背热力学第一定律，故D错误。 故选B。 8．AD 【详解】第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因。选项A、D正确，选项B、C错误。 故选AD。 9．（1）1.2×105 Pa，6×10-4 m3；（2）60 J 【详解】（1）活塞从A位置缓慢到达B位置，活塞受力平衡，气体经历等压变化过程，以活塞为研究对象，有 解得 由盖­吕萨克定律，有 解得 （2）由气体的内能与热力学温度成正比，有 解得 UB=108 J 外界对气体做功 由热力学第一定律得 解得气体变化过程中从电热丝吸收的总热量 Q=60 J 10．B 【详解】A．由图像可知 则由a至c的过程是等容变化，而由a至b的过程不是等容变化，且气体体积减小，外界对气体做功，A错误； B．由c至a气体温度降低，内能减小，而外界对气体不做功，则气体要对外放热，即c至a不可能在绝热状态下进行，B正确； C．ba的延长线过坐标原点，由几何关系知，b状态下热力学温度为287K，b至c为等压变化，由状态方程可知 解得 故C错误； D．由题意及图可知 Va＝Vc 由A中分析可得 Vb<Va 从a至b气体压强逐渐增大，b至c为等压过程，根据 W＝pΔV 可得a经b至c的过程外界对气体做的功为 Wabc＝Wab＋Wbc<0 根据热力学第一定律有 ΔUac＝Wabc＋Qabc 而ΔUac>0，则Qabc>0，即气体由a经b至c吸热，吸收的热量为 Qabc＝ΔUac－Wabc 而气体从c至a，外界对气体所做功Wca＝0，根据热力学第一定律有 －ΔUac＝Wca＋Qca 可知气体由c至a放热，释放的热量 Qca＝ΔUac 比较可知，Qabc>Qca，故D错误。 故选B。 11．ACD 【分析】棒第一次与地面碰撞后，速度方向变为向上，环的速度方向向下，二者存在相对运动，相互间存在滑动摩擦力，棒受重力、向下的滑动摩擦力，合力方向向下；一开始环受重力、向上的滑动摩擦力，合力方向向上，先做匀减速，后做匀加速，直至环与棒的速度相同；当棒再次下落时，此时棒的速度与环的速度相同，无摩擦，故棒的下落为自由落体。整个过程中能量的损失都是由于摩擦力对物体做的功，根据能量的守恒可以较简单的求得摩擦力对环及棒做的总功即求得能量损失。 【详解】A．设环相对棒滑动距离为l 根据能量守恒 解得 摩擦力对棒及环做的总功为 联立解得 故A正确； BC．棒第一次与地面碰撞后，一开始棒的速度方向变为向上，环的速度方向继续向下，二者存在相对运动，相互间存在滑动摩擦力，棒所受合力方向向下，加速度大小为 环受重力、向上的滑动摩擦力，合力方向向上，加速度大小为 此时环的加速度大于棒的加速度，而环的速度与棒的速度相同，所以环的减速时间小于棒的减速时间，最终环会向上做匀加速运动，加速度大小为3g，直至环与棒速度大小相同，此时两者无相对运动，不受摩擦影响，均做加速度大小为g的向上的匀减速运动，直至速度为0，故B错误C正确； D．当棒再次下落时，由于此时棒的速度等于环的速度，此时棒与环之间无摩擦，所以环的下落为自由落体运动，无相对于棒做往复运动，且位移总向下。故D正确； 故选ACD。 【点睛】本题考查力与运动的关系，只要能正确受力分析，结合当速度与加速度方向相同时做加速运动，方向相反时做减速运动即可求解。 12．(1) 变小 变大 (2) (3) 【详解】（1）[1]当活塞密封不严时气体有一部分漏气到下半部分，所以上半部分气体的分子数密度减小。 [2]下方真空处有气体时，活塞会受到下部分气体的压力，使得上半部分弹簧变短，在绝热条件下弹簧弹性势能转化为内能，所以内能增大，故温度升高，上部分气体的分子平均速率增大。 （2）由于是轻质活塞，当活塞再次平衡时，上下部分气体压强相等，弹簧弹力为0。 根据理想气体状态方程，有 解得 （3）末状态下弹簧恢复原长，弹性势能转化为内能，初始时弹性势能为 所以内能的变化量 解得 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 $