2024年高中物理新教材同步學(xué)案選擇性必修第三冊第3章章末素養(yǎng)提升（含解析）-學(xué)案下載-教習(xí)網(wǎng)

章末素養(yǎng)提升例1　對于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的理解，下列說法正確的是(　　) A．一定質(zhì)量的氣體膨脹對外做功100 J，同時從外界吸收80 J的熱量，則它的內(nèi)能增大20 J B．物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加；物體對外界做功，其內(nèi)能一定減少 C．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，在傳熱中，熱量能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體 D．熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散現(xiàn)象，能量耗散符合熱力學(xué)第二定律答案　D 解析　根據(jù)熱力學(xué)第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋80 J＝－20 J，它的內(nèi)能減小20 J，故A錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，物體對外界做功，其內(nèi)能不一定減少，故B錯誤；通過做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，故C錯誤；能量耗散過程體現(xiàn)了宏觀自然過程的方向性，符合熱力學(xué)第二定律，故D正確。例2　(2022·棗莊市高二期末)我國建成后的“天宮”空間站，是“天和核心艙”、“問天實驗艙”和“夢天實驗艙”的三艙組合體，三艙皆有“氣閘艙”；航天員出站時，要途經(jīng)“氣閘艙”“減壓”后才能出站；從太空返回空間站時要途經(jīng)“氣閘艙”“升壓”后才能進站?！皻忾l艙”的原理如圖所示，相通的兩容器A、B之間裝有閥門K，A內(nèi)充滿氣體，B內(nèi)為真空；打開閥門K后，A內(nèi)的氣體進入B中，達到平衡后，再關(guān)閉閥門K；B即為“氣閘艙”。若整個系統(tǒng)跟外界沒有熱交換，氣體為理想氣體，則(　　) A．容器A內(nèi)的氣體進入容器B的過程中，氣體膨脹，對外做了功 B．容器A內(nèi)的氣體進入容器B的過程中，氣體膨脹，溫度降低 C．容器A內(nèi)的氣體進入容器B的過程中，氣體分子勢能減少 D．即使閥門K一直處于打開狀態(tài)，容器B中氣體也不可能自發(fā)地全部退回到容器A中答案　D 解析　當閥門K被打開時，容器A中的氣體進入容器B中，由于容器B中為真空，所以氣體體積膨脹，對外不做功，又因為系統(tǒng)與外界無熱交換，所以氣體內(nèi)能不變，氣體為理想氣體，分子勢能不變，則氣體的溫度也不變，故A、B、C錯誤；由熱力學(xué)第二定律知，真空中氣體膨脹具有方向性，在無外界作用時，容器B中氣體不能自發(fā)地全部退回到容器A中，故D正確。例3　一定質(zhì)量的理想氣體，由溫度為T1的狀態(tài)1經(jīng)等容變化到溫度為T2的狀態(tài)2，再經(jīng)過等壓變化到狀態(tài)3，最后回到初態(tài)1，其變化過程如圖所示，則(　　) A．從1到2過程中，氣體對外做功，內(nèi)能減小 B．從2到3過程中，氣體對外做功，內(nèi)能減小 C．從1到2到3到再回到1的過程中，氣體一定從外界吸熱 D．從3到1過程中，氣體分子數(shù)密度變大，內(nèi)能增加答案　C 解析　從1到2過程中為等容變化，體積不變，氣體不對外做功，選項A錯誤；從2到3過程中，體積增大，氣體對外做功；壓強不變，根據(jù)eq \f(pV,T)＝C可知溫度升高，內(nèi)能增大，選項B錯誤；從3到1過程中，體積減小，氣體分子數(shù)密度變大；由題圖可知，p1V1T1，溫度降低，內(nèi)能減少，選項D錯誤；從1到2過程中氣體對外不做功；2到3過程中，體積增大，氣體對外做功；3到1過程中，體積減小，外界對氣體做功。根據(jù)p－V圖像中圖線與V軸所圍面積表示氣體做功大小可知，整個過程氣體對外做功大于外界對氣體做功，而內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知氣體一定從外界吸熱，選項C正確。例4　(2022·濱州市高二期中)絕熱的活塞與汽缸之間封閉一定質(zhì)量的理想氣體，汽缸開口向上置于水平面上，活塞與汽缸壁之間無摩擦，缸內(nèi)氣體的內(nèi)能UP＝72 J，如圖甲所示。已知活塞橫截面積S＝5×10－4 m2，其質(zhì)量為m＝1 kg，大氣壓強p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2。如果通過電熱絲給封閉氣體緩慢加熱，活塞由原來的P位置移動到Q位置，此過程封閉氣體的V－T圖像如圖乙所示，且知氣體內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比。求： (1)封閉氣體最后的體積； (2)封閉氣體吸收的熱量。答案　(1)6×10－4 m3　(2)60 J 解析　(1)以氣體為研究對象，根據(jù)蓋—呂薩克定律，有eq \f(VP,TP)＝eq \f(VQ,TQ) 解得VQ＝6×10－4 m3 (2)由氣體的內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比有eq \f(UP,UQ)＝eq \f(TP,TQ) 解得UQ＝108 J 活塞從P位置緩慢移到Q位置，活塞受力平衡，氣體為等壓變化，以活塞為研究對象有 pS＝p0S＋mg，解得p＝p0＋eq \f(mg,S)＝1.2×105 Pa，氣體對外界做功W＝－p(VQ－VP)＝－24 J 由熱力學(xué)第一定律有UQ－UP＝Q＋W，得氣體變化過程吸收的總熱量為Q＝60 J。例5　(2022·南京市高二期末)如圖所示，上端開口的光滑圓柱形汽缸豎直放置，橫截面積為10 cm2的活塞，將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸內(nèi)。在汽缸內(nèi)距缸底30 cm處設(shè)有卡槽a、b兩限制裝置，使活塞只能向上滑動。開始時活塞放在a、b上，活塞的質(zhì)量為5 kg，氣體溫度為180 K。現(xiàn)緩慢加熱汽缸內(nèi)氣體，當溫度為300 K，活塞恰好離開卡槽a、b；若繼續(xù)給汽缸內(nèi)氣體緩慢加熱，活塞上升10 cm 的過程中，氣體的內(nèi)能增加了240 J。(設(shè)大氣壓強為p0＝1.0×105 Pa，g取10 m/s2)求： (1)開始時汽缸內(nèi)氣體的壓強； (2)活塞上升10 cm時汽缸內(nèi)氣體的溫度； (3)活塞離開卡槽a、b之后上升10 cm的過程中，氣體吸收的熱量。答案　(1)9×104 Pa　(2)400 K　(3)255 J 解析　(1)活塞剛好離開卡槽時，有 mg＋p0S＝p2S 根據(jù)查理定律得eq \f(p2,T2)＝eq \f(p1,T1) 解得p1＝eq \f(T1,T2)p2＝9×104 Pa。 (2)活塞離開卡槽后，氣體為等壓變化，根據(jù)蓋—呂薩克定律得eq \f(V2,T2)＝eq \f(V3,T3) 解得T3＝eq \f(V3,V2)T2＝400 K。 (3)活塞離開卡槽后，氣體對外界做功則W＝－p2·SΔh＝－15 J 根據(jù)熱力學(xué)第一定律得Q＝ΔU－W＝255 J。物理觀念描述熱力學(xué)的物理量(1)熱量(Q)：是傳熱過程中內(nèi)能的改變量，用來度量傳熱過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少 (2)功(W):做功過程是機械能或其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化過程。功是該過程能量轉(zhuǎn)化的量度熱力學(xué)第一定律內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和表達式：ΔU＝Q＋W熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響第二類永動機不可能制成的原因：違背了熱力學(xué)第二定律能量守恒定律內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。第一類永動機不能制成的原因：違背了能量守恒定律科學(xué)思維1.經(jīng)歷絕熱過程模型的構(gòu)建過程，會推導(dǎo)熱力學(xué)第一定律 2．能運用熱力學(xué)第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問題 3．能用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題科學(xué)態(tài)度與責任1.通過對能量守恒的探索過程，領(lǐng)會人類對自然的認識要有實踐的過程 2．了解永動機的探索過程，領(lǐng)會科學(xué)探索的艱辛與曲折性