2023高考物理二轮专题复习与测试第一部分专题五第15讲热学课件

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专题五 热学、光学、原子物理
1．热学以分子动理论；固体、液体、气体；气体实验定律；热力学定律内容为考查核心．2．光学主要考查几何光学、物理光学两大部分．几何光学主要考查光的折射、全反射及其应用等；物理光学包含光的波动和粒子性．3．原子结构与原子核主要考查原子的结构认知过程、玻尔模型、原子核的衰变规律、三种射线的特点及应用、核反应方程的书写、质量亏损和核能的计算等．本单元以选择题形式出现，简单应用．
由于本专题涉及的知识点与科技相关，题目新颖，但难度不大，因此，备考中应加强对基本概念和规律的理解，强化理论联系实际，关注如何在现实情境中提炼成物理问题．热学部分要重视气体实验定律解决实际问题计算题做好归纳总结；光学则需重视光学在生活生产情境中的应用，光的折射与全反射则需重视光路图．
(2)分子热运动的实验基础：扩散现象和布朗运动．①扩散现象特点：温度越高，扩散越快．②布朗运动特点：液体内固体小颗粒永不停息、无规则的运动，颗粒越小、温度越高，运动越剧烈．(反映了液体分子的无规则运动，但并非液体分子的无规则运动)(3)分子间的相互作用力和分子势能．①分子力：分子间引力与斥力的合力．分子间距离增大，引力和斥力均减小；分子间距离减小，引力和斥力均增大，但斥力总比引力变化得快．②分子势能：分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增大；当分子间距为r0时，分子势能最小．
2．固体和液体．(1)晶体和非晶体的分子结构不同，表现出的物理性质不同．晶体具有确定的熔点．单晶体表现出各向异性，多晶体和非晶体表现出各向同性．晶体和非晶体在适当的条件下可以相互转化．(2)液晶是一种特殊的物质状态，所处的状态介于固态和液态之间．液晶具有流动性，在光学、电学物理性质上表现出各向异性．(3)液体的表面张力使液体表面具有收缩到最小的趋势，表面张力的方向跟液面相切．
4．热力学定律．(1)物体内能变化的判定：温度变化引起分子平均动能的变化；体积变化，分子间的分子力做功，引起分子势能的变化．(2)热力学第一定律．①公式：ΔU＝W＋Q；②符号规定：外界对系统做功，W>0，系统对外界做功，W<0；系统从外界吸收热量，Q>0，系统向外界放出热量，Q<0.系统内能增加，ΔU>0，系统内能减少，ΔU<0.
(3)热力学第二定律．①热量不能自发地从低温物体传到高温物体(按热传递的方向性表述)．②不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(按机械能和内能转化的方向性表述)．③第二类永动机是不可能制成的．(4)第一类永动机违背了能量守恒，不可能实现；第二类永动机不违背能量守恒，但违背热力学第二定律，也不可能实现.
命题点一　分子动理论　内能分子间存在着相互作用力．1．分子间同时存在引力和斥力，实际表现的分子力是他们的合力．引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，斥力比引力变化得更快．2．由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由它们的相对位置决定的能，即分子势能．
3．分子力和分子势能随分子间距变化的规律如下：
在图线表示F、Ep随r变化规律中，要注意它们的区别：r＝r0处，F＝0，Ep最小．在读Ep-r图像时还应注意分子势能的“＋”、“－”值是参与比较大小的．
二、温度和物体的内能1．分子的动能和平均动能．(1)分子动能是分子热运动所具有的动能．(2)分子热运动的平均动能是所有分子热运动的动能的平均值，温度是分子热运动的平均动能的标志．(3)分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和．2．分子的势能．(1)由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由它们的相对位置决定的能，即分子势能．(2)分子势能的决定因素：微观上——决定于分子间距离和分子排列情况；宏观上——决定于体积和状态．
3．物体的内能．(1)等于物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，是状态量．(2)对于给定的物体，其内能大小由物体的温度和体积决定．(3)物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关．4．热力学第一定律：(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．(2)数学表达式：ΔU＝Q＋W.(3)对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定：
(4)判断是否做功的方法：一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化．①若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0.②若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0.
(2022·广东卷)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程________(选填“是”或“不是”)自发过程．该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量．
解析：空调将热量从温度低的室内传递到温度较高的室外，这个过程要消耗电能，不是自发的过程；由于空调压缩机做功，使得空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量．
(2022·山东卷)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90°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
解析：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(p1－p0)s＝mg，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．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ΔU＝Q＋W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，A、B错误；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.
宇航员王亚萍太空授课呈现了标准水球，这是由于水的表面张力引起的．在水球表面层中，水分子之间的相互作用总体上表现为引力．如图所示，A位置固定一个水分子甲，若水分子乙放在C位置，其所受分子力恰为零，则将水分子乙放在如图______之间(填“AC”或“BC”)，其分子力表现为引力．若空间两个分子间距从无限远逐渐变小，直到小于r0，则分子势能变化的趋势是______．
解析：依题意，水分子乙放在C位置，其所受分子力恰为零，当两分子距离大于r0，即将水分子乙放在如图BC之间，其分子力表现为引力．若空间两个分子间距从无限远逐渐变小，直到等于r0，分子力做正功，分子势能减小．当分子间距小于r0后再继续减小，分子力做负功，分子势能增加．故分子势能变化的趋势是先减小再增大．
答案：BC　先减小再增大
1．(2022·湛江二模)某同学把一个吃了一半的水果罐头盖上盖子后放入冰箱，一段时间后取出罐头，发现罐头盖子很难打开．与放入冰箱前相比，罐头瓶内的气体分子的平均动能________(填“变大”“变小”或“不变”)，压强________(填“变大”“变小”或“不变”)．
解析：水果罐头盖上盖子后放入冰箱后，罐内气体的温度降低，而理想气体分子的平均动能由温度决定，则罐头瓶内的气体分子的平均动能变小；由克拉伯龙方程pV＝nRT可知，气体的体积V不变，温度降低，则其压强变小．
2.(2022·佛山二模)骑行一族在野外可用以下简单的方法快速制取少量的冰块．如图所示，把自行车应急充气用的钢制二氧化碳气瓶放到装有少量水的杯子中，打开气阀，瓶内高压气体持续放气一段时间后，杯中的水便结成了冰．在此过程中，二氧化碳气体对外界做______(选填“正”“负”)功，根据热力学第一定律，气体的分子平均动能______，故温度降低．
解析：由题意可知，二氧化碳气体体积增大，则二氧化碳气体对外界做正功，气体还来不及吸热，气体的内能减小，则气体分子的平均动能减少，故温度降低．
3.如图所示，甲分子固定于坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲、乙两分子间的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示．a、b、c、d为x轴上四个特定的位置，现将乙分子从a移动到d，当a移至______点时两分子间分子势能最小，在移动过程中的分子力和分子势能同时都增大的阶段是________．
解析：乙分子从a移动到c过程中，分子力表现为引力，随距离减小分子力做正功，分子势能减小；从c移到d过程，分子力表现为斥力，随距离减小做负功，分子势能增大；所以当乙分子移至c点时，两分子间分子势能最小；只有从c移到d阶段，分子力和分子势能是同时都增大的．
4．(2022·河北卷)如图，绝热密闭容器中装有一定质量的某种理想气体和一个充有同种气体的气球．容器内温度处处相同．气球内部压强大于外部压强．气球慢慢漏气后，容器中气球外部气体的压强将________(填“增大”“减小”或“不变”)；温度将________(填“升高”“降低”或“不变”)．
解析：假设气球内部气体和气球外部气体的温度不变，当气球内部的气体缓慢释放到气球外部，气球内部气体压强大于外部气体压强，根据玻意耳定律pV＝C可知气球内的气体释放到外部时体积增大，相当于容器的体积增大；
命题点二　固体、液体、气体的性质1．晶体与非晶体．
2.液体．(1)液体的表面张力：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势，方向跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．(2)液晶：既具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性．液晶在显示器方面具有广泛的应用．3．饱和汽与饱和汽压．(1)饱和汽：在密闭容器中的液体不断地蒸发，液面上的蒸汽也不断地凝结，蒸发和凝结达到动态平衡时，液面上的蒸汽叫饱和汽．(2)未饱和汽：未达到饱和状态的蒸汽．(3)饱和汽压：饱和汽所具有的压强．液体的饱和汽压与温度有关，温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关．
5．气体分子运动的特点．(1)分子很小，间距很大，除碰撞外不受力．(2)向各个方向运动的气体分子数目都相等．(3)分子做无规则运动，大量分子的速率按“中间多，两头少”的规律分布．如图所示．
(4)温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的．温度升高时，速率小的分子数减少，速率大的分子数增多，分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大．
一块厚度和密度都均匀分布的长方体被测样品，长AB是宽AD的两倍，如图所示．如果用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O1O1′和O2O2′方向测量，结果阻值均为R，则这块样品可能是(　　)A．单晶体 B．多晶体C．非晶体 D．金属
解析：用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O1O1′和O2O2′方向测量结果均相同，说明该物体沿O1O1′和O2O2′方向电阻率(即导电性能)不同，即表现出各向异性的物理性质，所以A正确．如果是普通金属，可以分析出沿O1O1′方向电阻比较大．
1．(改编题)大自然之中存在许多绚丽夺目的晶体，这些晶体不仅美丽，而且由于化学成分和结构各不相同而呈现出千姿百态；高贵如钻石，平凡如雪花，都是由无数原子严谨而有序地组成的．固体可以分为 ______和______两类，晶体、非晶体并不是绝对的，是可以相互转化的．单晶体由于组成它们的微粒能够按照一定规则在空间分布，因此，单晶体具有____________．
解析：固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体不是绝对的，是可以相互转化的，例如天然石英是晶体，熔融过的石英却是非晶体．把晶体硫加热熔化(温度超过300 ℃)再倒进冷水中，会变成柔软的非晶体硫，再过一段时间又会转化为晶体硫，晶体分为单晶体和多晶体，单晶体由于组成它们的微粒能够按照一定规则在空间分布，因此，单晶体具有各向异性，如单晶体沿不同的方向的导热或导电性能不相同．
答案：晶体　非晶体　各向异性
2．如图所示，一只水黾停在水面上，原因是________，简要写出水面上产生这种力的原因__________，请列举生活中同样受到这种力作用的实例____________________________(写出一个即可)．
解析：在水的内部，分子间的距离在r0左右，而在水表面层，分子间的距离大于r0，分子间的作用力表现为引力，称为表面张力，所以水黾能停在水面上，叶面上的露珠，玻璃板上的小水银滴等，形状总是球形的，都是因为表面张力的作用．
答案：水黾受到水的表面张力的作用 ，水的表面分子间距离大于r0，分子力表现为引力，叶面上的露珠或玻璃板上的小水银滴
3．笔记本电脑的彩色显示器，是因为在液晶中掺入了少量多色性染料，液晶中电场强度不同时，它对不同色光的吸收强度不一样，所以显示出各种颜色．液晶并不是指液体和晶体的混合物，是一种特殊的物质，液晶像液体一样具有________，液晶的光学性质与某些晶体相似，具有________．
解析：液晶像液体一样具有流动性；当液晶通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过，不通电时排列混乱，阻止光线通过，所以液晶的光学性质随外加电压的变化而变化，所以液晶各向异性．
答案：流动性　各向异性
4．两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸A、B，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图1所示．现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若A中细沙的质量大于B中细沙的质量，重新平衡后，汽缸A内气体的内能________(填 “大于”“小于”或“等于”)汽缸B内气体的内能．图2为重新平衡后A、B汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线________(填图像中曲线标号)表示汽缸B中气体分子的速率分布规律．
解析：当向活塞上表面缓慢倒入细沙时，活塞缓慢下降，外界对汽缸内气体做功；当A、B活塞上表面加入的细沙质量相同时，A、B汽缸内的气体体积相同，由于A中细沙的质量大于B中细沙的质量，则重新平衡时A中气体的体积小，汽缸A中活塞和细沙对汽缸内气体做功多，由于活塞和汽缸都是绝热的，则由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，汽缸A内气体的内能大于汽缸B内气体的内能．一定质量的理想气体的内能只与温度有关，故汽缸A内气体的温度更高；温度升高，大多数气体分子的速率增大，气体分子的速率分布图线的峰值向速率大的方向移动，故曲线①表示汽缸B内气体分子的速率分布规律．
5．水的饱和汽压随温度的变化而变化，温度升高时，饱和汽压______(填“增大”“减小”或“不变”)；在一定温度下水的饱和汽体积增大时，分子数密度__________(填“增大”“减小”或“不变”)；当空气的绝对湿度一定时，若温度升高空气的相对湿度__________(填“增大”“减小”或“不变”)．
命题点三　气体实验定律和理想气体状态方程的应用1．必须理清的知识联系．
2．应用气体实验定律的解题思路．(1)选择对象——某一定质量的理想气体．(2)找出参量——气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2.(3)认识过程——认清变化过程是正确选用物理规律的前提．(4)列出方程——选用某一实验定律或状态方程，代入具体数值求解，并讨论结果的合理性．
负压救护车，又被称为“最强口罩”，是救护车的一种，主要用于危重感染患者的转运与抢救，利用技术手段，使车内气压低于外界大气压，所以带病毒的空气只能由车外流向车内，经过无害化处理后再排出，从而限制病毒传播，最大程度减少交叉感染．一般负压值(车外与车内气压差)为20～40 Pa时效果比较理想．假设有一负压救护车，开放状态时，车内外的气压均为p0＝1.0×105 Pa，车内温度为280 K；正常工作时，车内温度为300 K，负压值为40 Pa.空气可视为理想气体，车外环境保持不变．求：
(1)若车在处于开放状态时，使车内密闭，将车内温度升高到300 K，求此时车内气体的压强(保留三位有效数字)；(2)车内由开放状态变为正常工作状态，需抽取出的气体质量与原来气体质量的百分比为多少(保留两位有效数字)．
如图所示，用水银血压计测量血压时，先向袖带内充气、然后缓慢放气．某次测量充入袖带内气体的压强为1.5p0，体积为V.已知阿伏加德罗常数为NA.
(1)若该状态下气体的摩尔体积为V0，求袖带内气体的分子数；(2)若缓慢放气过程中温度保持不变，袖带内气体体积变为0.8V，压强变回到p0，求袖带内剩余气体的质量与放气前总质量的比值．
1．血压仪由加压气囊、臂带，压强计等构成，如图所示．加压气囊可将外界空气充入臂带，压强计示数为臂带内气体的压强高于大气压强的数值，充气前臂带内气体压强为大气压强，体积为V；每次挤压气囊都能将60 cm3的外界空气充入臂带中，经5次充气后，臂带内气体体积变为5V，压强计示数为150 mmHg.已知大气压强等于750 mmHg，气体温度不变．忽略细管和压强计内的气体体积．则V等于(　　)
A．30 cm3 B．40 cm3C．50 cm3 D．60 cm3
解析：根据玻意耳定律可知p0V＋5p0V0＝p1×5V，已知p0＝750 mmHg，V0＝60 cm3，p1＝750 mmHg＋150 mmHg＝900 mmHg.代入数据整理得V＝60 cm3，故选D.
2．如图，容积为V0的高压锅内封闭一定质量的空气(可视为理想气体)．初始时，高压锅内气体的压强为p0，温度为T0.紧闭密封阀，在外部缓慢给高压锅加热，使气体温度达到125T0.已知外界大气压强为p0，求：
(1)温度为1.25T0时，高压锅内气体压强；(2)保持高压锅内气体温度为1.25T0不变，打开密封阀稳定后，高压锅内气体密度与打开前的比值．
命题点四　气体状态变化的图像分析方法一定质量的气体不同图像的比较． 
注意：上表中各个常量“C”意义有所不同．(可以根据克拉伯龙方程pV＝nRT确定各个常量“C”意义)
(多选)(2022·全国乙卷)一定量的理想气体从状态a经状态b变化状态c，其过程如T-V图上的两条线段所示，则气体在(　　)
A．状态a处压强大于状态c处的压强B．由a变化到b的过程中，气体对外做功C．由b变化到c的过程中，气体的压强不变D．由a变化到b的过程中，气体从外界吸热E．由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其增加的内能
1．如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历ab、bc、cd过程到达状态d，ab过程气体温度不变，bc过程气体压强不变．bc过程中气体对外界做________(选填“正功”或“负功”)，状态d的体积________(选填“大于”“等于”或“小于”)状态b的体积．
2．一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图所示的p-V图描述，图中p1、p2、V1、V2和V3为已知量．
(1)气体状态从A到B是________过程(选填“等容”“等压”或“等温”)；(2)状态从B到C的变化过程中，气体的温度________(选填“升高”“不变”或“降低”)；(3)状态从C到D的变化过程中，气体________(选填“吸热”或“放热”)；
(4)状态从A→B→C→D的变化过程中，气体对外界所做的总功为_________．