2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊(cè) 第3章 章末素養(yǎng)提升

章末素養(yǎng)提升物理觀念描述熱力學(xué)的物理量(1)熱量(Q)：是傳熱過(guò)程中內(nèi)能的改變量，用來(lái)度量傳熱過(guò)程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少(2)功(W):做功過(guò)程是機(jī)械能或其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程。功是該過(guò)程能量轉(zhuǎn)化的量度熱力學(xué)第一定律內(nèi)容：一個(gè)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(duì)它所做的功的和表達(dá)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(kāi)爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)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(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)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(guò)程模型的構(gòu)建過(guò)程，會(huì)推導(dǎo)熱力學(xué)第一定律2．能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋和計(jì)算能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問(wèn)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(wèn)題科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.通過(guò)對(duì)能量守恒的探索過(guò)程，領(lǐng)會(huì)人類(lèi)對(duì)自然的認(rèn)識(shí)要有實(shí)踐的過(guò)程2．了解永動(dòng)機(jī)的探索過(guò)程，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探索的艱辛與曲折性例1對(duì)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的理解，下列說(shuō)法正確的是()A．一定質(zhì)量的氣體膨脹對(duì)外做功100J，同時(shí)從外界吸收80J的熱量，則它的內(nèi)能增大20JB．物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加；物體對(duì)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(guò)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(guò)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＝－100J＋80J＝－20J，它的內(nèi)能減小20J，故A錯(cuò)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(duì)外界做功，其內(nèi)能不一定減少，故B錯(cuò)誤；通過(guò)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(cuò)誤；能量耗散過(guò)程體現(xiàn)了宏觀自然過(guò)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(guó)建成后的“天宮”空間站，是“天和核心艙”、“問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙”和“夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙”的三艙組合體，三艙皆有“氣閘艙”；航天員出站時(shí)，要途經(jīng)“氣閘艙”“減壓”后才能出站；從太空返回空間站時(shí)要途經(jīng)“氣閘艙”“升壓”后才能進(jìn)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(mén)K，A內(nèi)充滿(mǎn)氣體，B內(nèi)為真空；打開(kāi)閥門(mén)K后，A內(nèi)的氣體進(jìn)入B中，達(dá)到平衡后，再關(guān)閉閥門(mén)K；B即為“氣閘艙”。若整個(gè)系統(tǒng)跟外界沒(méi)有熱交換，氣體為理想氣體，則()A．容器A內(nèi)的氣體進(jìn)入容器B的過(guò)程中，氣體膨脹，對(duì)外做了功B．容器A內(nèi)的氣體進(jìn)入容器B的過(guò)程中，氣體膨脹，溫度降低C．容器A內(nèi)的氣體進(jìn)入容器B的過(guò)程中，氣體分子勢(shì)能減少D．即使閥門(mén)K一直處于打開(kāi)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(dāng)閥門(mén)K被打開(kāi)時(shí)，容器A中的氣體進(jìn)入容器B中，由于容器B中為真空，所以氣體體積膨脹，對(duì)外不做功，又因?yàn)橄到y(tǒng)與外界無(wú)熱交換，所以氣體內(nèi)能不變，氣體為理想氣體，分子勢(shì)能不變，則氣體的溫度也不變，故A、B、C錯(cuò)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(wú)外界作用時(shí)，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T(mén)1的狀態(tài)1經(jīng)等容變化到溫度為T(mén)2的狀態(tài)2，再經(jīng)過(guò)等壓變化到狀態(tài)3，最后回到初態(tài)1，其變化過(guò)程如圖所示，則()A．從1到2過(guò)程中，氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減小B．從2到3過(guò)程中，氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減小C．從1到2到3到再回到1的過(guò)程中，氣體一定從外界吸熱D．從3到1過(guò)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(guò)程中為等容變化，體積不變，氣體不對(duì)外做功，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；從2到3過(guò)程中，體積增大，氣體對(duì)外做功；壓強(qiáng)不變，根據(jù)eq\f(pV,T)＝C可知溫度升高，內(nèi)能增大，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；從3到1過(guò)程中，體積減小，氣體分子數(shù)密度變大；由題圖可知，p1V1<p3V3，由eq\f(pV,T)＝C可知，T3>T1，溫度降低，內(nèi)能減少，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；從1到2過(guò)程中氣體對(duì)外不做功；2到圖像中圖線(xiàn)與V軸所圍面積表示氣體做功大小可知，整個(gè)過(guò)程氣體對(duì)外做功大于外界對(duì)氣體做功，而內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w一定從外界吸熱，選項(xiàng)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(kāi)口向上置于水平面上，活塞與汽缸壁之間無(wú)摩擦，缸內(nèi)氣體的內(nèi)能UP＝72J，如圖甲所示。已知活塞橫截面積S＝5×10－4m2，其質(zhì)量為m＝1kg，大氣壓強(qiáng)p0＝1.0×105Pa，重力加速度g＝10m/s2。如果通過(guò)電熱絲給封閉氣體緩慢加熱，活塞由原來(lái)的P位置移動(dòng)到Q位置，此過(guò)程封閉氣體的V－T圖像如圖乙所示，且知?dú)怏w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)6×10－4m3(2)60J解析(1)以氣體為研究對(duì)象，根據(jù)蓋—呂薩克定律，有eq\f(VP,TP)＝eq\f(VQ,TQ)解得VQ＝6×10－4m3(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＝108J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(duì)象有pS＝p0S＋mg，解得p＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.2×105Pa，氣體對(duì)外界做功W＝－p(VQ－VP)＝－24J由熱力學(xué)第一定律有UQ－UP＝Q＋W，得氣體變化過(guò)程吸收的總熱量為Q＝60J。例5(2022·南京市高二期末)如圖所示，上端開(kāi)口的光滑圓柱形汽缸豎直放置，橫截面積為10cm2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30cm處設(shè)有卡槽a、b兩限制裝置，使活塞只能向上滑動(dòng)。開(kāi)始時(shí)活塞放在a、b上，活塞的質(zhì)量為5kg，氣體溫度為180K。現(xiàn)緩慢加熱汽缸內(nèi)氣體，當(dāng)溫度為300K，活塞恰好離開(kāi)卡槽a、b；若繼續(xù)給汽缸內(nèi)氣體緩慢加熱，活塞上升10cm的過(guò)程中，氣體的內(nèi)能增加了240J。(設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0＝1.0×105Pa，g取10m/s2)求：(1)開(kāi)始時(shí)汽缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)；(2)活塞上升10cm時(shí)汽缸內(nèi)氣體的溫度；(3)活塞離開(kāi)卡槽a、b之后上升10cm的過(guò)程中，氣體吸收的熱量。答案(1)9×104Pa(2)400K(3)255J解析(1)活塞剛好離開(kāi)卡槽時(shí)，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)p