2019-2020学年高中物理第十章热力学定律3热力学第一定律能量守恒定律课后检测含解析新人教版选修3-3 9页

‎3　热力学第一定律　能量守恒定律 记一记 热力学第一定律　能量守恒定律知识体系 一个分析——分析第一类永动机失败的原因 两个定律——热力学第一定律、能量守恒定律 ‎ 辨一辨 ‎1.物体吸收热量，内能一定增大．(×)‎ ‎2．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．(√)‎ ‎3．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加．(√)‎ ‎4．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的．(√)‎ ‎5．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了．(×)‎ 想一想 ‎1.一定质量的理想气体，做等压膨胀，在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？‎ 提示：气体的变化为等压膨胀，一定是对外做功；理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量．由盖—吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加．‎ ‎2．有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？‎ 如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？‎ 提示：这不是永动机；手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表发条做机械运动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．‎ 思考感悟：　‎ ‎　‎ ‎　‎ 练一练 ‎1.至今为止，第一类永动机从来没有成功过，其原因是(　　)‎ A．机械制造的技术没有过关 B．违反了牛顿运动定律 C．违反了电荷守恒定律 D．违反了能量守恒定律 解析：第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量的转化和守恒定律．‎ 答案：D ‎2．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将(　　)‎ A．降低　　　　　　　B．升高 - 9 -‎ C．不变 D．无法确定 解析：取房间内气体及电冰箱(有散热装置)为系统，消耗了电能，系统总内能增加．‎ 答案：B ‎3．气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化可能是(　　)‎ A．减小20 J B．增大20 J C．减小220 J D．增大220 J 解析：研究对象为气体，对外做功W＝－100 J，吸收热量Q＝120 J，由热力学第一定律有 ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J.‎ ΔU>0，说明气体的内能增加．‎ 答案：B ‎4．在光滑水平面上停放一木块，一子弹水平射穿木块．对此过程，下列说法中正确的是(　　)‎ A．摩擦力(子弹与木块间)对木块做的功等于木块动能的增加量 B．摩擦力对木块做的功完全转化为木块的内能 C．子弹减少的机械能等于子弹与木块增加的内能 D．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与内能之和 解析：对木块由动能定理可判断出A项正确，子弹克服摩擦力做功而减少的机械能，转化为木块、子弹的内能和木块的动能，故B、C、D三项错误，故选A项．‎ 答案：A - 9 -‎ 要点一 热力学第一定律的理解和应用 ‎1.给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体(　　)‎ A．从外界吸热 B．对外界做负功 C．分子平均动能减小 D．内能增加 解析：缓慢放水过程中，胎内气体压强减小，气体膨胀对外界做正功，B项错；胎内气体温度不变，故分子平均动能不变，C项错；由于不计分子间势能，气体内能只与温度有关，温度不变，内能不变，D项错；由ΔU＝W＋Q知ΔU＝0，W<0，故Q>0，气体从外界吸热，A项正确．‎ 答案：A ‎2．如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(　　)‎ A．外界对气体做功，气体内能增大 B．外界对气体做功，气体内能减小 C．气体对外界做功，气体内能增大 D．气体对外界做功，气体内能减小 解析：本题考查了热力学第一定律，理解做功和热传递可以改变物体的内能．筒内气体不与外界发生热交换，M向下滑的过程中，外界对气体做功，由热力学第一定律可知气体内能增大，A项正确．‎ 答案：A ‎3．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是(　　)‎ A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU ＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，即B选项正确．‎ 答案：B ‎4.‎ 如图所示容器中，A，B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定．A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中，下面说法正确的是(　　)‎ A．大气压力对水做功，水的内能增加 - 9 -‎ B．水克服大气压力做功，水的内能减少 C．大气压力对水不做功，水的内能不变 D．大气压力对水不做功，水的内能增加 解析：打开阀门K，由于水的重力作用，A中的水逐渐流向B中，运动一段时间后达到平衡状态，A和B中的水面静止在同一高度上．A中水面下降hA，B中水面上升hB，相当于A管中SAhA体积的水移到B管，且SAhA＝SBhB，这部分水的重心降低，重力对水做正功，重力势能减少，大气压力做功情况是大气压对A管中的水做正功，对B管中的水做负功，所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，因为SAhA＝SBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水的重力做功，由能量守恒知重力势能转化为内能，故选项D正确．‎ 答案：D 要点二 能量守恒定律的理解和应用 ‎5.(多选)下列设想符合能量守恒定律的是(　　)‎ A．利用永久磁铁间的作用力造一台永远转动的机器 B．做成一条船利用河水的能量逆水航行 C．通过太阳照射飞机使飞机起飞 D．不用任何燃料使河水升温 解析：利用磁场可能使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦的不可避免性，动能最终会转化为内能，使转动停止，故A项错．让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故B、C两项正确．设计水坝利用河水的重力势能发电，电能可转化为内能使水升温，另外，重力势能还可以通过水轮机叶片转化为水的内能使水升温，故D项正确．‎ 答案：BCD ‎6．第一类永动机是不可能制成的，这是因为此类永动机(　　)‎ A．不符合机械能守恒定律 B．违背了能量守恒定律 C．做功产生的热不符合热功当量 D．找不到合适的材料和合理的设计方案 解析：第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外做功的机器，因此第一类永动机不可能制成不是因为找不到合适的材料和合理的设计方案，而是因为它违背了能量守恒定律，故选B.‎ 答案：B ‎7.‎ 如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定的高度，则下列有关能量转化的说法中正确的是(　　)‎ A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能 B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的机械能 C．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能 D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能 解析：子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能．‎ 答案：D - 9 -‎ 基础达标 ‎1.一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104 J，气体对外界做功1.0×104 J，则该理想气体的(　　)‎ A．温度降低，密度增大 B．温度降低，密度减小 C．温度升高，密度增大 D．温度升高，密度减小 解析：由ΔU＝W＋Q可得理想气体内能变化：ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 J>0，故温度升高，A、B两项均错．因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体积变大，由ρ＝m/V可知密度变小，故C项错误，D项正确．‎ 答案：D ‎2.‎ ‎(多选)细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为m的小球，如图所示．使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动．下列说法中正确的是(　　)‎ A．小球机械能不守恒 B．小球能量正在消失 C．小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化 D．总能量守恒，但小球的机械能减少 解析：小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动，说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能，即机械能不守恒，故A项正确；小球的机械能转化为内能，能量的种类变了，但能量不会消失，故B项错误；小球长时间摆动过程中，重力势能和动能相互转化的同时，机械能不断地转化为内能，故摆动的幅度越来越小，但总能量守恒，故C项错误，D项正确．‎ 答案：AD ‎3.‎ 如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能转动较长时间，下列说法正确的是(　　)‎ A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 解析：形状记忆合金进入水中后受热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知，能量来源于热水，热水温度会降低，故A、B、C三项错误；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故D项正确．‎ 答案：D ‎4．汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中(　　)‎ A．汽车的机械能守恒 B．汽车的动能和势能相互转化 - 9 -‎ C．机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少 D．机械能逐渐转化为内能，总能量不变 解析：汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故选D.‎ 答案：D ‎5．一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有(　　)‎ A．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2‎ C．W1＝W2 D．Q1>Q2‎ 解析：因为该气体从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，所以内能没有变化，ΔU＝0.根据热力学第一定律可知W1－W2＋Q1－Q2＝ΔU＝0，即Q1－Q2＝W2－W1，故A正确．‎ 答案：A ‎6．下列说法正确的是(　　)‎ A．随着科技的发展，第一类永动机是可能制成的 B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量是可能凭空产生的 解析：第一类永动机违背了能量守恒定律，故永远无法制成，A项错误；太阳照射到宇宙空间的能量均能转化成其他形式的能量，B项错误；马儿奔跑时同样需要消耗能量，故“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C项正确；不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动的“全自动”手表是不存在的，它违背了能量守恒定律，D项错误．‎ 答案：C ‎7.‎ ‎(多选)如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如pV图中从a到b的直线所示．在此过程中(　　)‎ A．气体温度一直降低 B．气体内能一直增加 C．气体一直对外做功 D．气体一直从外界吸热 E．气体吸收的热量一直全部用于对外做功 解析：一定质量的理想气体从a到b的过程，由理想气体状态方程＝可知，Tb>Ta，即气体的温度一直升高，A项错误；根据理想气体的内能只与温度有关，可知气体的内能一直增加，B项正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体一直对外做功，C项正确；根据热力学第一定律，从a到b的过程中，气体一直从外界吸热，D项正确；气体吸收的热量一部分增加内能，一部分对外做功，E项错误．‎ 答案：BCD ‎8.‎ - 9 -‎ 导热性能良好的汽缸和活塞，密封一定质量的理想气体，汽缸固定不动，保持环境温度不变，现用外力将活塞向下缓慢移动一段距离，则这一过程中(　　)‎ A．外界对缸内气体做功，缸内气体内能不变 B．缸内气体放出热量，内能增大 C．汽缸内每个气体分子的动能都保持不变 D．单位时间内撞击到器壁上单位面积的分子数减小 解析：由于汽缸和活塞导热性能良好，且环境温度不变，因此在将活塞向下缓慢移动一段距离的过程中，气体温度不变，气体内能不变，由ΔU＝W ＋Q可知，外界对气体做功，内能不变，气体将放出热量，故A项正确，B项错误；温度不变，说明气体分子平均动能不变，而并非指每个气体分子的动能均保持不变，故C项错误；气体温度不变，体积缩小，根据理想气体状态方程可知，其压强增大，单位时间内撞击到器壁上单位面积上的分子数增多，故D项错误．‎ 答案：A ‎9．如图所示的两端开口的U形管中，盛有同种液体，并用阀门K将液体隔成左、右两部分，左边液面比右边液面高．现打开阀门K，从打开阀门到两边液面第一次平齐的过程中，液体向外放热为Q，内能变化量为ΔU，动能变化量为ΔEk；大气对液体做功为W1，重力做功为W2，液体克服阻力做功为W3，由功能关系可得：‎ ‎①W1＝0　②W2－W3＝ΔEk　③W2－W3＝Q＝ΔU　④W3＋Q＝ΔU 其中正确的是(　　)‎ A．①②③ B．①②④‎ C．②③ D．①③‎ 解析：由动能定理可知W2－W3＋W1＝ΔEk，其中W1＝p·ΔV左－p·ΔV右＝0，可知①、②正确．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝W3＋Q，可知④正确、③错误．综合以上分析可知B正确．‎ 答案：B ‎10.‎ 如图所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时(　　)‎ A．气体内能一定增加 B．气体压强变大 C．气体对外界做功 D．气体对外界放热 解析：由图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C项对，A、B、‎ - 9 -‎ D项错．‎ 答案：C ‎11.‎ 如图所示，活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中，活塞上堆放细沙，活塞处于静止，现逐渐取走细沙，使活塞缓慢上升，直到细沙全部取走，若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略，则在此过程中(　　)‎ A．气体对外做功，气体温度可能不变 B．气体对外做功，内能一定减少 C．气体压强可能增大，内能可能不变 D．气体从外界吸热，内能一定增加 解析：由于汽缸是导热的，则可以与外界进行热交换．细沙减少时，气体膨胀对外做功，可能由于与外界进行热交换吸热使内能不变．‎ 答案：A ‎12.‎ 如图所示，带有光滑活塞的汽缸中封闭一定质量的理想气体，将一个半导体NTC热敏电阻R(阻值随温度升高而减小)置于汽缸中，热敏电阻与容器外的电源E和电流表A组成闭合回路，汽缸和活塞具有良好的绝热(与外界无热交换)性能．若发现电流表的示数增大时，以下判断错误的是(　　)‎ A．气体内能一定增大 B．气体体积一定增大 C．气体一定对外做功 D．气体压强一定减小 解析：气体用活塞封闭，故气体的压强不变，故D项错误．电流表示数增大，则由闭合电路欧姆定律可知，电路中电阻R减小；根据半导体热敏电阻的性质可知，汽缸内温度升高，由气体状态方程＝C可得，气体体积一定增大、气体对外界做功，气体内能只与温度有关，故内能一定增大，故A、B、C三项正确．本题选错误的，故选D项．‎ 答案：D 能力达标 ‎13.[2019·全国卷Ⅰ]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________(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度．‎ 解析：容器与活塞绝热性能良好，容器中空气与外界不发生热交换(Q＝0)，活塞移动的过程中，容器中空气压强减小，则容器中空气正在膨胀，体积增大，对外界做功，即W<0. 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知：容器中空气内能减小，温度降低，容器中空气的温度低于外界温度．根据理想气体状态方程有＝C，又ρ＝，联立解得：ρ＝.对容器外与容器内质量均为m的气体，因容器中空气压强和容器外空气压强相同，容器内温度低于外界温度，则容器中空气的密度大于外界空气的密度．‎ - 9 -‎ 答案：低于　大于 ‎14．一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：‎ ‎(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？‎ ‎(2)分子势能是增加还是减少？‎ ‎(3)分子的平均动能是增加还是减少？‎ 解析：(1)气体从外界吸收的热量为 Q＝4.2×105 J 气体对外做功W＝－6×105 J 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J ΔU为负，说明气体的内能减少了．‎ 所以，气体内能减少了1.8×105 J.‎ ‎(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．‎ ‎(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了．‎ 答案：(1)减少　1.8×105 J　(2)增加　(3)减少 ‎15．目前地热资源主要用来发电和供暖．若有‎85 ℃‎的地热水，质量为4×‎105 kg，经过散热器放热后的水温为‎35 ℃‎，则这些地热水放出了多少热量？[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]‎ 解析：地热水的质量：m＝4×‎105 kg，‎ 地热水放出的热量：‎ Q放＝c水 mΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×4×‎105 kg×(‎85 ℃‎－‎35 ℃‎)＝8.4×1010J.‎ 答案：8.4×1010 J - 9 -‎