2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊 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(jī)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(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(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(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)歷絕熱過程模型的構(gòu)建過程，會推導(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(zé)任1.通過對能量守恒的探索過程，領(lǐng)會人類對自然的認(rèn)識要有實踐的過程2．了解永動機(jī)的探索過程，領(lǐng)會科學(xué)探索的艱辛與曲折性例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100J，同時從外界吸收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＝－100J＋80J＝－20J，它的內(nèi)能減小20J，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(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(jìn)入B中，達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)閥門K被打開時，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(qiáng)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，p1V1<p3V3，由eq\f(pV,T)＝C可知，T3>T1，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＝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)6×10－4m3(2)60J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＝6×10－4m3(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，以活塞為研究對象有pS＝p0S＋mg，解得p＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.2×105Pa，氣體對外界做功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。開始時活塞放在a、b上，活塞的質(zhì)量為5kg，氣體溫度為180K?，F(xiàn)緩慢加熱汽缸內(nèi)氣體，當(dāng)溫度為300K，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10cm的過程中，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)開始時汽缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)；(2)活塞上升10cm時汽缸內(nèi)氣體的溫度；(3)活塞離開卡槽a、b之后上升10cm的過程中，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)p