气体实验定律与热力学定律结合大题练习 -2025-2026学年高二下学期物理粤教版选择性必修第三册

**基本信息** 以生活情境为载体，系统整合气体实验定律与热力学定律，通过力热综合问题构建“状态参量分析→定律应用→能量转化”的解题逻辑链，强化物理观念与科学思维。 **专项设计** |模块|题量/典例|题型特征|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |气体实验定律|1-16题|情境化（减震器/水火箭等）、多状态变化|压强计算（力学平衡）→状态方程（玻意耳/盖-吕萨克定律）→参量关联| |热力学定律|3-16题|吸放热判断、内能变化计算|过程分析→功与热量关系→热力学第一定律应用| |力热综合|1-16题|气体与力学系统耦合|气体状态变化→力学平衡条件→能量转化规律|

高二物理气体实验定律与热力学定律结合大题练习 1．如图甲为汽车中使用的氮气减振器，汽缸中充入氮气后，能有效减少车轮遇到冲击时产生的高频振动。它的结构简图如图乙所示，汽缸活塞截面积，活塞及支架质量，汽缸缸体导热性良好。现为了测量减震器的性能参数，将减震器竖直放置，充入氮气后密闭，活塞被卡环卡住，缸体内氮气处于气柱长度、压强的状态A，此时弹簧恰好处于原长。现用外力F向下压活塞，使其缓慢下降，气体达到状态B。从状态A到B过程气体放出热量。汽缸内的氮气可视为理想气体，不计摩擦和外界温度变化，大气压强取，弹簧劲度系数。求： （1）状态B气体的压强； （2）气体处于状态B时外力大小F； （3）状态A到B过程外界对气体做的功W。 2．贵州省黔西南州某学校科技节时进行水火箭制作展演，某学习小组为了探究水火箭在充气与喷水过程中气体的热学规律，把水火箭按照图甲进行模型简化。塑料容器竖直固定。其中分别是容器的充气口、喷水口，是气压计。在室温环境下，容器内装入一定质量的水，封闭体积为的空气，此时空气压强为。 (1)打开喷水口阀门，喷出一部分水后关闭阀门，容器内空气从状态变化到状态，其压强与体积的变化关系如图乙中实线所示，已知空气在状态时的体积，压强，求空气在状态与状态时的热力学温度之比； (2)图乙中虚线是容器内空气在绝热（既不吸热也不放热）条件下压强与体积的变化关系图线，试判断空气在图乙中沿实线从到的过程是吸热还是放热；（需要列表达式说明理由） (3)若容器装水后封闭空气压强为，体积为，现通过充气口缓慢充入空气（不计容器的容积变化），设充气过程中气体温度不变，求当容器内空气压强为时，充入空气质量与原有空气质量之比。 3．为摆脱水源条件的限制，宋朝时人们就发明了一种能汲取地下水的装置——压水井。在汕头华侨公园的儿童玩水区，安放着如甲图所示的压水井让孩子们体验。压水井结构如图乙所示，取水时先按下手柄同时带动皮碗向上运动，此时上单向阀门关闭。皮碗向上运动到某个位置时，下单向阀门被顶开，水流进入腔体内。设某次下压手柄前，腔体只有空气，空气的体积和压强分别为和。现研究缓慢下压手柄，直至下单向阀门刚被顶开的过程。已知大气压强为，水的密度为，下单向阀门质量为m，横截面积为S，下单向阀门到水面距离为，重力加速度为g。 （1）简要说明缓慢下压手柄过程，腔内气体是吸热还是放热； （2）求下单向阀门刚被顶开时，腔体内气体的体积。 4．某实验小组制作伽利略温度计，结构如图所示。倒挂的塑料瓶瓶口处插入一条长玻璃管，竖直固定在铁架台上，玻璃管插入水银槽中，旁边平行固定一刻度板。温度变化时，玻璃管内水银柱高度随之变化。利用能显示温度的电热风器吹塑料瓶，在不同水银柱高度处标示对应温度，即可制成温度计。已知在标准大气压下，时，管内水银高度为。玻璃管内部体积可忽略。 (1)当外界温度时，求对应管内水银高度； (2)瓶内气体的内能与热力学温度成正比，即，其中。求外界温度由缓慢降到的过程中气体放出的热量。 5．空气悬挂减震（气体弹簧）正在广泛应用于各类车辆悬挂减震，不断提升汽车乘坐舒适性。某新型国产轿车上的气体弹簧减震装置简化结构如图所示。直立圆柱形密闭汽缸导热良好，缸内气体温度与环境温度保持一致，横截面积为S的活塞通过连杆与车轮轴连接。初始时汽缸内密闭一段长度为L0，压强为p1的理想气体。汽缸与活塞间的摩擦忽略不计。某次汽车检测时，车辆载重，相当于在汽缸顶部加一个重物（图中未画出），活塞固定不动，稳定时汽缸下降了0.5L0。已知环境温度保持不变，重力加速度为g。 （1）汽缸下降过程中，缸内气体是吸热还是放热，请说明你的判断依据； （2）求重物的质量； （3）为使汽缸升到原位置，需向缸内充入与缸内气体温度相同、压强为p1、体积为多少的空气？（此过程气体温度保持不变） 6．如图所示，工业气压调节设备配备压电阀门和，通过阀门的开或关让设备实现打气或抽气。打气模式：当活塞向上运动时，关闭、打开；活塞向下运动时，打开、关闭。抽气模式：活塞向上运动时，打开、关闭；活塞向下运动时，关闭、打开。已知腔室容积为，气泵的最大容积为，打气或抽气前，内气体压强均为。不计连接细管的容积，忽略打气和抽气过程中气体的温度变化和一切摩擦，空气可视为理想气体。 (1)在气密性良好且阀门、均关闭的情况下，把中活塞从顶部压至图中位置过程中，泵内气体是吸热还是放热？请说明判断依据； (2)处于打气模式时，若要使中气体压强增大到，应打气多少次？ (3)处于抽气模式时，求开始抽气次后，腔内气体压强与初始压强的比值。 7．图甲为我国某电动轿车的空气减震器（由活塞、气缸组成，活塞底部固定在车轴上）。该电动轿车共有4个完全相同的空气减震器，图乙是其中一个空气减震器的简化模型结构图，导热良好的直立圆筒形汽缸内用横截面积S=20cm2的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，并通过连杆与车轮轴连接。封闭气柱初始温度T1=300K、长度L1=20cm、压强p1=3.0×106Pa，重力加速度g取10m/s2。 (1)为应对复杂地形需升高汽车底盘离地距离，通过气泵向一个气缸内充入与缸内气体温度相同、压强p0=1.0×105Pa、体积V=3000cm3的气体，气缸缓慢上升，此过程中气体温度保持不变。求气缸上升高度ΔL及充入气体质量Δm与缸内原有气体的质量m之比； (2)在（1）问情况下，当车辆载重时，相当于在每个气缸顶部加一物体A，气缸下降，稳定时气缸内气柱长度变为L2=22cm，气体温度变为T2=330K。 ①求物体A的质量M； ②若该过程中气体放出热量Q=32.5J，气体压强随气体长度变化的关系如图丙所示，求该过程中一个气缸气体内能的变化量ΔU。 8．某种型号的氮气弹簧如图甲所示，将氮气弹簧竖直放置在水平面上，活塞连着活塞杆可以在汽缸内上下移动，活塞杆与汽缸交接处不漏气，汽缸的高度为L，缸内部充满氮气（可视为理想气体），活塞与活塞杆的总质量为m，活塞杆的直径为汽缸内直径一半。如图乙，氮气弹簧活塞紧贴着汽缸最顶端，此时活塞和汽缸顶端间没有气体，汽缸内气体压强为，为大气压强。现对活塞杆施加一个竖直向下的压缩力（含活塞杆上表面大气压力），使活塞缓慢移动压缩氮气，活塞下方气体通过小孔连通到活塞上方，最终活塞到达汽缸正中间（图丁）。汽缸底部有个泄压阀，阀门打开可泄气。活塞上小孔的体积、活塞厚度，活塞与汽缸间摩擦均不计，系统导热良好，重力加速度为g。求： (1)若堵住小孔，活塞压到图丁状态时，固定活塞杆保持不动，打开泄压阀，压强降为3p0时关闭阀门。求此时缸内剩余气体质量与原有质量的比值； (2)若小孔连通，已知初始位置的压缩力时活塞恰好能离开汽缸顶部。求活塞压到图丁状态时，内部气体压强p2和此时的压缩力大小； (3)在（2）的情况下，活塞压到图丁的过程中，压缩力做功。则此过程气体是放热还是吸热？并求出放出或吸收的热量Q。 9．安踏作为中国领先的体育品牌之一，以“永不止步”为理念，在气垫鞋技术领域通过持续创新，将科技与运动需求深度结合，打造了具有竞争力的核心技术体系。某款安踏气垫鞋通过在鞋底的密闭气垫储气腔内填充氮气来实现缓震效果，腔内气体可视为理想气体，气垫导热性良好。未穿鞋时，气垫中气体体积为V1=30cm3，压强为p1=1.5atm。大气压强恒为p0=1atm，室外温度恒为27℃。 (1)小敏同学穿该跑鞋参加深圳高级中学趣味运动会，跑完百米后因摩擦等因素鞋内温度升高5℃，此时气垫中气体体积变为V2=25cm3，求此时气垫内气体压强p2； (2)小敏同学穿该跑鞋参加深圳高级中学“师生足球赛”，用一脚势大力沉的“世界波”进球实现了比分的惊天大逆转，若踢球时外界对气垫气体做功为W，气垫气体温度没有发生变化，则气垫气体是吸热还是放热？并求出其Q值大小。 10．某同学参加市科创大赛设计了一款如图甲所示的简易温度报警装置。图乙为简化示意图，在竖直放置、导热性能良好的气缸中用活塞密闭一定质量的气体。开始时活塞距气缸底部高度为，缸内气体热力学温度为。当环境温度上升，活塞缓慢向上移动时，安装在活塞上表面的金属薄片与、两触点接触使电路导通，蜂鸣器报警。若不计一切摩擦，密封气体可视为理想气体，活塞质量为，横截面积为，大气压强恒为，重力加速度为，求： (1)开始时气缸内密封气体的压强； (2)该装置恰好报警时的热力学温度； (3)若上述过程中气体的内能增加，求气体吸收的热量。 11．如图甲所示，上方开口的圆筒气缸竖直放置，气缸导热性能良好，底部有一凸出物。缸内用质量、面积的活塞封闭了一定质量理想气体。缸内壁离缸底56cm处固定一卡口。初始时活塞位于卡口处，活塞到缸底距离h随气体温度T的变化关系如图乙所示。状态A时，卡口对活塞的支持力为40N；状态B时，卡口对活塞恰好无作用力。从状态A经状态B到状态C的过程中气体内能增加了。已知大气压，不计卡口体积，活塞与缸壁无摩擦，求： (1)状态B的温度； (2)凸出物的体积； (3)整个过程中气体吸收的热量Q。 12．如图所示，竖直放置在水平面上的两汽缸底部由容积可忽略的细管连接，左、右两汽缸粗细均匀，内壁光滑，横截面积分别为S、2S，左、右两汽缸内各有一个活塞将缸内封闭一定质量的理想气体，左、右活塞质量分别为0.5m、2m，轻质细弹簧上端与天花板连接、下端与左侧汽缸内活塞相连。初始时，两缸内活塞离缸底的距离均为h，两活塞相平，大气压强为，重力加速度大小为g，汽缸导热性能良好，环境温度为，封闭气体质量保持不变，弹簧的劲度系数为k，弹簧始终在弹性限度内，汽缸足够长，求： (1)开始时弹簧的形变量； (2)使环境温度缓慢升高为2，则右侧汽缸中活塞移动的距离为多少？ (3)若（2）过程中系统内能增加了，则系统吸收的热量为多少？ 13．如图所示，导热良好的瓶内，用一质量为m1、横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，在活塞上方有质量为的液体。初始时，瓶内气体处于状态 A，体积为。将一根质量不计的细管插入液体，液体在细管中上升到一定高度后保持静止，随后通过细管缓慢吸走全部液体，此时瓶内气体处于状态B。环境温度保持不变，从状态A到状态 B 过程中，气体吸收热量。已知，，，，大气压强，g=10m/s2。 (1)图中液体________（选填“浸润”或“不浸润”）管壁，若细管仅内径变小，与原细管相比，管内液面将________（选填“升高”、“不变”或“降低”）； (2)求气体在状态B时的体积； (3)求气体从状态A到状态B过程中对外做的功。 14．如图所示，上端开口，下端封闭的足够长玻璃管竖直固定于调温装置内。玻璃管导热性能良好，管内横截面积为，用轻质活塞封闭一定质量的理想气体。大气压强为p0，活塞与玻璃管之间的滑动摩擦力大小恒为，等于最大静摩擦力。用调温装置对封闭气体缓慢加热，时，气柱高度为，活塞开始缓慢上升；继续缓慢加热至时停止加热，活塞不再上升；再缓慢降低气体温度，活塞位置保持不变，直到降温至时，活塞才开始缓慢下降；温度缓慢降至时，保持温度不变，活塞不再下降。求： (1)当时，气柱高度； (2)在升温的过程中，外界对气体做的功； (3)从状态到状态的过程中，封闭气体吸收的净热量（扣除放热后净吸收的热量）。 15．如图所示，一根劲度系数的轻质弹簧上端固定，下端与一质量为的绝热活塞连接并悬挂一绝热气缸。活塞与气缸内封闭着一定质量的理想气体。气缸内部带有加热装置，顶部开口且有卡扣，以保证活塞不会脱离。气缸内部高为H、底面积为S。初始时缸内气体温度为，活塞到气缸底部的距离为0.5H，弹簧被拉伸了0.5H。现缓慢加热气体使气缸下降到活塞恰好到达气缸顶部。已知大气压强恒为，重力加速度为g，忽略活塞和气缸壁的厚度及加热装置的体积，不计一切摩擦。求： (1)绝热气缸的总质量M； (2)已知在整个加热过程中，气体吸收的热量为Q，求气体内能的变化量。 16．如图所示，内壁光滑、高度均为h的绝热汽缸A、B，横截面积分别为4S和S，其底部由体积可忽 略的细管连通，汽缸A的上端与大气连通，大气压强为，汽缸B的上端封闭。两汽缸中各有一厚度可忽略的绝热活塞M、N，质量分别为和，两活塞下方封闭一定质量的氮气，活塞N上方封闭一定质量的氧气。当汽缸内气体温度为280K时系统处于静止状态，此时活塞M离汽缸顶的距离为，活塞N离汽缸顶的距离为。整个过程不漏气，气体均可视为理想气体，重力加速度大小为g。 （1）现通过电阻丝缓慢加热氮气，当活塞M恰好升至顶部时，求氮气的温度； （2）已知汽缸中氮气的内能为（T为氮气温度，α为常数），求第（1）问过程中氮气吸收的热量Q； （3）继续缓慢加热使活塞N上升，当活塞N上升时，氧气的温度为320K，求氧气的压强。 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 《气体实验定律与热力学定律结合》参考答案 1．（1）；（2）；（3） 【详解】（1）汽缸缸体导热性良好，可知从状态A到状态B，气体发生等温变化，则有 解得状态B气体的压强为 （2）活塞和支架处于平衡状态，则有 代入数据解得 （3）汽缸缸体导热性良好，可知从状态A到状态B，气体发生等温变化，气体内能不变，根据热力学第一定律可得 解得外界对气体做的功为 2．(1) (2)气体吸热 (3) 【详解】（1）（1）容器内气体从状态M变化到状态N，由理想气体的状态方程可得 可得 （2）由图像与横坐标轴所围面积表示气体做功可知，从M到N的过程对外做功更多，N和都是从M状态变化而来，应该相同，可得 可知从M到N的过程内能降低的更少，由热力学第一定律 可知，从M到的过程绝热，内能降低等于对外做功；从M到N的过程对外做功更多，内能降低反而更少，则气体吸热。 （3）设充入的气体在该室温环境下压强为时的体积为V，充气过程中气体温度不变，则有 解得 所以充入空气质量与原有空气质量之比为 3．（1）吸热；（2） 【详解】（1）下压手柄带动皮碗向上运动，气体体积变大对外做功。缓慢移动过程中，气体内能不变，根据热力学第一定律，则气体应吸热。 （2）设下阀门恰好要被顶开时，腔内气体压强为，体积为，则 根据玻意耳定律有 联立得 4．(1)18cm (2)0.2J 【详解】（1）对于瓶内气体，初态有 ， 当温度为时，则有 设此时水银柱高度为，则有 由于瓶内气体体积不变，根据 代入数据解得 （2）初态，温度，根据 则有 末态，温度，则有 内能变化量 因体积不变W=0，根据 所以 负号表示放出热量。 5．（1）放热，见解析；（2） ；（3） 【详解】（1）缸内气体温度不变，则气体内能不变，则有 体积减小，外界对气体做功，则有 根据热力学第一定律有 可知 故气体放热。                （2） 设汽缸下降0.5L0后， 缸内气体压强为p2，对缸内气体，根据玻意耳定律有 解得 设大气压强为p0、汽缸质量为m0，未载重时，对汽缸有 载重时，对汽缸和重物有 解得 （3）设充入的气体体积为V，将充入的气体和汽缸中气体视为整体，根据玻意耳定律有 解得 6．(1)气体放热，见解析 (2)次 (3) 【详解】（1）由于气泵中的气体温度不变，即气体内能不变，则有      活塞向下过程中气体体积减小，外界对气体做功，则有 根据热力学第一定律有       解得 可知，气体放热。 （2）设打了次气，根据玻意尔定律有 解得次 （3）根据玻意尔定律，第1次抽气过程有 解得第1次抽气后压强              第2次抽气过程有 解得第1次抽气后压强              同理可得第3次抽气后压强 以此类推，抽气次后压强          故抽气次后腔内气体压强与初始压强之比为 7．(1)， (2)①；② 【详解】（1）设充入气体后气缸上升的高度为ΔL，气缸上升过程缸内气体压强保持不变，对于充入的气体有 解得 充入气体的质量Δm，缸内原有气体的质量m，满足 解得 （2）①由理想气体状态方程有 解得 根据受力平衡有 解得 ②外界对气体做功 解得 由热力学第一定律有 解得 8．(1) (2)， (3)放热， 【详解】（1）打开泄压阀泄气，当汽缸压强降为时关闭，设泄出去的体积为，则有            其中 解得 故剩余气体质量与原有质量的比值为 （2）设活塞杆横截面积为S，则活塞横截面积为4S。压缩过程中，活塞刚好离开汽缸顶部时，有 可得 活塞达到图丁状态时，设此时气压为，有 初始体积为 图丁时体积 根据玻意耳定律，得 解得 联立可解得 （3）因气体被压缩，外界对气体做功，又温度不变，即 根据热力学第一定律可知气体放热。对活塞，由动能定理得 代入数据得 气体对活塞做负功，活塞对气体做正功。故放出的热量为 9．(1)1.83atm (2)放热，W 【详解】（1）取气垫内气体为研究对象，初态，V1=30cm3， 末态压强为p2，V2=25cm3， 由理想气体状态方程有 联立解得 （2）取气垫内气体为研究对象，由热力学第一定律可知 理想气体温度不变， 由于外界对气体做功 因此，气体放热，且 10．(1) (2) (3) 【详解】（1）气缸受力平衡有： 解得。 （2）此过程气体是等压变化，由盖-吕萨克定律得 即 代入数据解得。 （3）气体等压膨胀对外做功，则外界对气体做功 代入解得： 由热力学第一定律得： 代入可得：。 11．(1) (2) (3) 【详解】（1）根据平衡条件有， 可得， 状态到状态发生等容变化，有 可得状态B的温度 （2）状态到状态发生等压变化，有 可得凸出物的体积 （3）状态A到状态B，有；状态到状态，外界对气体做功 从状态A经状态B到状态C的过程中气体内能增加了，根据热力学第一定律有 可得整个过程中气体吸收的热量 12．(1) (2)1.5h (3) 【详解】（1）开始时，设缸内气体压强为，对右侧缸中气体研究有 解得 对左缸中活塞研究，设弹簧压缩量为x，满足 解得 （2）温度升高过程，缸内气体压强不变，因此左缸中活塞不动，气体发生等压变化，满足 解得 （3）根据热力学第一定律可得 则 13．(1) 浸润 升高 (2)420cm3 (3)2.05J 【详解】（1）[1][2]图中管中液面上升且液面呈现凹状，则液体浸润管壁，若细管仅内径变小，与原细管相比，毛细现象更加明显，管内液面升高。 （2）初态对活塞以及上面的液体分析可知气体压强 末态吸走液体后气体的压强为 根据玻意耳定律可知 解得气体在状态B时的体积为 （3）气体从状态A到状态B过程中气体温度不变，则根据热力学第一定律 其中 即气体对外做的功2.05J。 14．(1) (2) (3) 【详解】（1）升温过程中，大气压强不变，阻力不变，由受力平衡 可知气体等压膨胀，由盖-吕萨克定律 解得 （2）升温过程中，等压膨胀，轻质活塞开始缓慢上升，根据 可得封闭的理想气体压强 外界对气体做功为 （3）降温过程中，等容变化，外界对气体做功 活塞受力平衡有 解得封闭的理想气体压强 降温过程中，等压压缩，由盖—吕萨克定律 解得 外界对气体做功 全程中外界对气体做功 因为，故封闭的理想气体总内能变化 利用热力学第一定律 解得 故封闭气体吸收的净热量 15．(1) (2) 【详解】（1）温度为时，对活塞分析，根据平衡条件，有 解得。 对气缸分析，根据平衡条件，有 解得 （2）活塞恰好到达气缸顶部的过程中，气体做等压变化 解得 当气体温度为时，体积为；当活塞恰好到达气缸顶部时，气体温度为，所以气体温度由加热到的过程中，气体作等压变化，故气体对外做功为 根据热力学第一定律可得 16．（1）；（2）；（3） 【详解】（1）在活塞M上升过程中，氮气压强不变，活塞N保持静止，对氮气，初状态为 ， 末状态有 根据盖—吕萨克定律有 解得 （2）加热过程外界对气体做功 此过程活塞M受力平衡，则有 解得 根据热力学第一定律有 解得氮气吸收热量 （3）活塞M上升至顶部前，活塞N静止，由平衡条件有 解得 对氧气，初状态 ，， 末状态 ， 由理想气体状态方程有 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 $