高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变课后练习题

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\l "_Tc24590" 【题型1 真空膨胀问题】
\l "_Tc25206" 【题型2 功与内能的改变】
\l "_Tc9103" 【题型3 热与内能的改变】
\l "_Tc6522" 【题型4 联系实际】
\l "_Tc10925" 【题型5 综合问题】
\l "_Tc2094" 【题型6 对比问题】
【题型1 真空膨胀问题】
【例1】如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法不正确的是( )
A．气体自发扩散前后内能相同
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界做功
D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
解析：选C 抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A正确，C错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，B正确。
【变式1-1】如图所示，密闭导热容器A、B的体积均为V0，A、B浸在盛水容器中，达到热平衡后，A中压强为p0，温度为T0，B内为真空，将A中的气体视为理想气体。打开活栓C，A中部分气体进入B。
①若再次达到平衡时，水温未发生变化，求此时气体的压强；
②若密闭气体的内能与温度的关系为ΔU＝k(T2－T1)(k为大于0的已知常量，T1、T2分别为气体始末状态的温度)，在①所述状态的基础上，将水温升至1.2T0，重新达到平衡时，求气体的压强及所吸收的热量。
答案 ①eq \f(1,2)p0 ②0.6p0 0.2kT0
解析 ①容器内的理想气体从打开C到再次平衡时，发生等温变化，根据玻意尔耳定律得
p0V0＝p·2V0
解得此时气体压强
p＝eq \f(1,2)p0。
②升高温度，理想气体发生等容变化，根据查理定律得
eq \f(p,T0)＝eq \f(p′,1.2T0)
解得压强为p′＝1.2p＝0.6p0
温度改变，理想气体的体积不变，则外界既不对理想气体做功，理想气体也不对外界做功，所以W＝0；升高温度，内能增量为
ΔU＝k(1.2T0－T0)＝0.2kT0
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体吸收的热量为Q＝ΔU＝0.2kT0。
【变式1-2】(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( )
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中，气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
答案 ABD
解析 因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，E错误。
【变式1-3】（多选）如图，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中( )
B．气体不做功，内能不变
C．气体压强变小，温度降低
D．气体压强变小，温度不变
答案 BD
解析 因b内为真空，所以抽开隔板后，a内气体可以“自发”进入b，气体不做功．又因容器绝热，不与外界发生热量传递，根据热力学第一定律可以判断其内能不变，温度不变．由理想气体状态方程可知：气体体积增大，温度不变，压强必然变小．综上可判断B、D项正确．
【题型2 功与内能的改变】
【例2】(多选)早些年小孩子常用旧圆珠笔芯做一种玩具，铁丝的一端缠绕棉花，用水打湿后从一端塞入笔芯内，将笔芯的另一端用力在马铃薯上触一下拔出来，然后用力快速推铁丝，马铃薯小块高速飞出，能打出十几米远。下列说法正确的是( )
A．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，笔芯内密封的气体的温度升高
B．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体对外做功
C．马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能
D．马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功
【解析】 在快速推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，笔芯内密封的气体经历绝热压缩的过程，外界对气体做功，内能增加，故笔芯内密封的气体的温度升高，故A正确;在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体被压缩，是外界对气体做功，故B错误;封闭气体经历绝热膨胀过程，推出马铃薯，对外做功，马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能，故C正确，D错误。
【答案】 AC
【变式2-1】如图是某同学利用汽缸设计的汽车加速度传感器示意图，将汽缸水平固定在汽车上且开口向后，内壁光滑，用活塞封闭一定质量气体，通过活塞的移动判断汽车加速和减速的情况。若汽缸和活塞均绝热，汽车由匀速变为加速前进，汽缸内气体( )
A．单位体积内的分子数变多
B．分子的平均动能变大
C．单位时间分子撞击活塞的次数减少
D．内能变大
解析：选C 对活塞进行受力分析，如图所示，
当汽车匀速时，由平衡关系可知p0S＝pS，p0＝p，当汽车加速时，由平衡关系变为加速运动，且加速度a方向向左，由牛顿第二定律可得p0S－pS＝ma，故可知p0>p，压强变小，即体积变大。故单位体积内的分子数变少；单位时间内分子撞击活塞的次数减小，故A错误，C正确；由热学第一定律可知ΔU＝Q＋W，题中绝热，故可知Q等于0，体积变大，W为负值，故内能减小，分子平均动能也减小，故B、D错误。
【变式2-2】某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。
答案 低于 大于
解析 活塞光滑、容器绝热，容器内空气体积增大，对外做功，由ΔU＝W＋Q知，气体内能减少，温度降低。
气体的压强与气体温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。
【变式2-3】(多选)如图所示，汽缸放置在水平地面上，质量为m的活塞将汽缸分成甲、乙两气室，两气室中均充有气体，汽缸、活塞是绝热的且不漏气。开始时活塞被销钉固定，现将销钉拔掉(仍不漏气)，活塞最终静止在距原位置下方h处，设活塞移动前后甲气室内气体内能的变化量为ΔU，不计气体重心改变的影响，下列说法正确的是( )
A．ΔUB．ΔU>mgh
C．甲气室内气体温度升高，乙气室内气体温度降低
D．乙气室内气体内能的减少量等于甲气室内气体内能的增加量
【解析】 甲气室气体体积减小，外界对它做正功W甲，其中包括活塞对气体做的功mgh和乙气室气体做的功W乙，且为正功，因甲气室内气体变化为绝热过程，所以W甲=ΔU，故ΔU=mgh+W乙，选项B正确，A、D错误。由于甲气室内气体做负功，乙气室内气体做正功，故甲气室内气体内能增加，乙气室内气体内能减小，所以甲气室内气体温度升高，乙气室内气体温度降低，C正确。
【答案】 BC
【题型3 热与内能的改变】
【例3】重庆出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)( )
A．压强增大，内能减小
B．吸收热量，内能增大
C．压强减小，分子平均动能增大
D．对外做功，分子平均动能减小
答案 B
解析 质量一定的气体，体积不变，当温度升高时，是一个等容变化，据压强的微观解释：温度升高，气体的平均动能增加；单位时间内撞击单位面积的器壁的分子数增多，可知压强增大．由于温度升高，所以分子平均动能增大，物体的内能变大；体积不变，对内外都不做功，内能增大，所以只有吸收热量，故A、C、D错误；B正确．
【变式3-1】(多选)下列关于热传递的说法正确的是( )
A．热量是从含热量较多的物体传到含热量较少的物体
B．热量是从温度较高的物体传到温度较低的物体
C．热量是从内能较多的物体传到内能较少的物体
D．热量是热传递过程中物体内能变化的量度
解析：选BD 热量不是状态量，不能说含有或者具有多少热量，故选项A错误；在热传递的过程中热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体，故选项B正确，C错误；热量是热传递过程中物体内能变化的量度，故选项D正确．
【变式3-2】下列说法中正确的是( )
A．物体吸热后温度一定升高
B．晶体熔化时吸收的热量大于其凝固时放出的热量
C．0 ℃的冰熔化为0 ℃的水的过程中内能不变
D．100 ℃的水变为100 ℃的水蒸气的过程中内能增大
【解析】物体吸热后温度可能不变，平均动能不变，分子势能增加，选项A错误；晶体熔化时吸收的热量等于其凝固时放出的热量，选项B错误；0 ℃的冰熔化成 0 ℃的水的过程中吸热，分子势能增加，内能增加，选项C错误；100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气的过程中吸热，分子势能增加，内能增大，选项D正确。故选D。
【答案】D
【变式3-3】在以下事例中，通过热传递的方式来改变物体内能的是( )
A．两小球碰撞后粘合起来，同时温度升高
B．冬天暖气为房间供暖
C．点燃的爆竹在空中爆炸
D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热
答案：B
解析：改变内能的方式有两种：做功和热传递，热传递指内能的转移，而不是其他形式的能转化为内能，两小球碰撞后粘在一起，温度升高，是机械能转化为内能，故A错误；冬天暖气为房间供暖，是通过热传递的方式来改变物体内能的，故B正确；点燃的爆竹在空中爆炸，是化学能转化为内能，故C错误；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，故D错误．
【题型4 联系实际】
【例4】如图所示，在大口的玻璃瓶内装一些水，水的上方有水蒸气．然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口，并给瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来．当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现了“白雾”．对于“白雾”的形成，下列说法正确的是( )

A．这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠
B．这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气
C．这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾
D．瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减小，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴
答案：D
解析：当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出．形成“白雾”的原因是，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分被液化成小水滴，故选项D正确．
【变式4-1】(多选)如图是老式爆米花机，其主要部分是一个可以密封的钢筒．用它来加工爆米花的方法是：把玉米粒倒入钢筒内并用密封盖密封，然后不断加热，当钢筒被加热到一定程度后迅速打开封盖，玉米粒就会膨胀炸开．在对钢筒加热的过程中，关于筒内气体，下列说法正确的是( )
A．气体的内能不变
B．钢筒内的气体温度升高，压强变大
C．钢筒内单位体积内气体分子的数目变小
D．钢筒壁单位面积受到气体分子的撞击力变大
【解析】 对钢桶加热，温度上升，气体的内能增加，A错误；根据可知，当体积一定，T上升，则P增大，即钢筒壁单位面积受到气体分子的撞击力变大，BD正确；气体的质量不变，体积不变，故钢筒内单位体积内气体分子的数目不变，C错误；
【答案】 BD
【变式4-2】如图是压力保温瓶的结构简图，活塞a与液面之间密闭了一定质量的气体。假设封闭气体为理想气体且与外界没有热交换，则向下压a的过程中，瓶内气体( )
A．内能增大
B．体积增大
C．压强不变
D．温度不变
【解析】 向下压a的过程中，外界对气体做功，瓶内气体内能增大，选项A正确;向下压a的过程中，瓶内气体体积减小，压强增大，温度升高，选项B、C、D错误。
【答案】 A
【变式4-3】（多选）用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( )
A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小
C．对外界做负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小
答案 AC
解析 充气袋被挤压时，气体体积减小，外界对气体做正功，由于袋内气体与外界无热交换，故由热力学第一定律知，气体内能增加，故选项A、C正确；体积减小，内能增加，由理想气体状态方程可知气体压强变大，选项B、D错误．
【题型5 综合问题】
【例5】关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是( )
A．同一物体温度高时，含有的热量多
B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高
C．外界对系统做功W，内能必定增加
D．两物体之间发生热传递的条件是存在温度差
解析：选D，热量是一个过程量，是物体间进行热传递时内能的转移量，不能说物体含有多少热量，故A、B错；由于做功和热传递都可引起系统内能的变化，只根据做功无法准确判断系统内能的变化，故C错；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D对．
【变式5-1】[多选]对于一定量的气体，下列说法正确的是( )
A．气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，而不是该气体所有分子体积之和
B．只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低
C．在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零
D．气体从外界吸收热量，其内能一定增加
E．气体在等压膨胀过程中温度一定升高
解析：选ABE 气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，A正确；温度高，气体分子热运动就剧烈，B正确；在完全失重的情况下，分子热运动不停息，气体对容器壁的压强不为零，C错误；做功也可以改变物体的内能，D错误；气体在等压膨胀过程中温度一定升高，E正确。
【变式5-2】下列说法正确的是( )
A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
B．外界对物体做功，物体的内能一定增大
C．物体吸收热量，温度一定升高
D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体
解析：选A，热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误．
【变式5-3】关于温度和内能的理解，下列说法中正确的是( ).
A．温度是分子平均动能的标志，物体温度升高，则物体每一个分子的动能都增大
B．不计分子之间的分子势能，质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能
C．1g100水的内能小于1g100水蒸气的内能
D．做功和热传递对改变物体内能是等效的，也就是说做功和热传递的实质是相同的
【解析】 温度是分子平均动能的标志，物体温度升高，则分子平均动能变大，但非每一个分子的动能都增大，选项A错误；不计分子之间的分子势能，温度相同的氢气和氧气分子具有相同的平均动能，但是质量相同的氢气和氧气的分子数不同，则两种气体的内能不相同，选项B错误；1g100水变为1g100的水蒸气要吸收热量，则1g100水的内能小于1g100水蒸气的内能，选项C正确；做功和热传递对改变物体内能是等效的，但是做功和热传递的实质是不相同的，做功是能量的转化，热传递是能量的转移，选项D错误。故选C。
【答案】 C
【题型6 对比问题】
【例6】(多选)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若汽缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中( )
A．上下乘客时，气体的内能不变
B．上下乘客时，气体从外界吸热
C．剧烈颠簸时，外界对气体做功
D．剧烈颠簸时，气体的温度不变
解析：选AC 上下乘客时汽缸内气体与外界有充分的热交换，即发生等温变化，温度不变，故气体的内能不变，在体积压缩的过程中，外界对气体做功，故气体向外界放热，A正确，B错误；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，且气体与外界来不及热交换，气体经历绝热过程，外界对气体做功，气体的温度升高，C正确，D错误。
【变式6-1】如图所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度内，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高同一值，两球膨胀后，体积相等，则( )
A．A球吸收的热量较多
B．B球吸收的热量较多
C．两球吸收的热量一样多
D．无法确定
【解析】 两球初末态温度相同，初末态体积也相同，所以内能增量相同，但水银中的B球膨胀时对外做功多，所以吸热较多，故选B。
【答案】 B
【变式6-2】A、B两装置均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同．将两管抽成真空后，开口向下插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升到如图3所示位置停止．假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法中正确的是( )
A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
答案 B
解析 在水银进入管中的过程中，大气压力对水银做功，把大气的能量转化为水银的内能和重力势能，在一定的大气压下，静止时，A、B管中水银柱的高度是相同的，则进入管中的水银体积相同，所以大气压力做功相同．但两装置中水银重力势能的增量不同，所以两者内能的改变也不同，由图可知B管水银的重力势能较小，所以B管中水银的内能增量较多．故B正确．
【变式6-3】如图所示，水平放置的封闭绝热汽缸，被一锁定的绝热活塞分为体积相等的a、b两部分。已知a部分气体为1 ml氧气，b部分气体为2 ml氧气，两部分气体温度相等，均可视为理想气体。解除锁定，活塞滑动一段距离后，两部分气体各自再次达到平衡态时，它们的体积分别为Va、Vb，温度分别为Ta、Tb。下列说法正确的是( )
A.Va＞Vb，Ta＞Tb B.Va＞Vb，Ta＜Tb
C.Va＜Vb，Ta＜Tb D.Va＜Vb，Ta＞Tb
答案 D
解析 解除锁定前，两部分气体温度相同，体积相同，物质的量大的部分分子密度大，气体压强大，即b部分压强大，故解除锁定后活塞左移，平衡时Va＜Vb，pa＝pb，故A、B错误；活塞左移过程中，a气体被压缩内能增大，温度升高，b气体对外做功，内能减小，温度降低，平衡时Ta＞Tb，故C错误，D正确。