高中物理选修3-3课时作业1：10.3热力学第一定律 能量守恒定律

学案3 热力学第一定律能量守恒定律
题组一热力学第一定律
1．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是()
A．物体吸收热量，内能一定增大
B．物体对外做功，内能一定减少
C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
答案 C
解析根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)和物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关．物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减少，B错；若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能不变，C正确；而放热与对外做功都使物体内能减少，故D错．
2．图1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()
图1
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
答案 A
解析在M向下滑动的过程中，气体体积缩小，外界对气体做功，再根据热力学第一定律知，气体不与外界发生热交换，气体内能增加，故正确答案为A.
3．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能的变化)() A．内能增大，放出热量
B．内能减小，吸收热量
C．内能增大，对外界做功
D．内能减小，外界对其做功
答案 D
解析不计分子势能的变化时瓶内空气的内能只与其温度有关，温度降低时其内能减小．塑料瓶变扁时瓶内空气体积减小，外界对其做功．再由热力学第一定律知此过程中瓶内空气要放出热量，故只有选项D正确．
4．一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105Pa的状况下，体积从20L膨胀到30L，这一过程中气体从外界吸热4×103J，则气体内能的变化为()
A．增加了5×103JB．减少了5×103J
C．增加了3×103JD．减少了3×103J
答案 C
解析气体等压膨胀过程对外做功W＝pΔV＝1.0×105Pa×(30－20)×10－3m3＝1.0×103J．这一过程气体从外界吸热Q＝4×103J．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于气体对外做功，W应取负值，则可得ΔU＝－1.0×103J＋4.0×103J＝3.0×103J，即气体内能增加了3×103J．故选项C正确．
题组二能量守恒定律
5．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是()
A．机械能守恒
B．能量正在消失
C．只有动能和重力势能的相互转化
D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
答案 D
解析自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，故A、C项错误；而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B项错误，D项正确．
图2
6.如图2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，则下面有关能量的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热能
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
答案 D
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．
图3
7.如图3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，转轮因此能较长时间转动．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
答案 D
解析轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知，叶片在热水中吸收的热量一部分释放到空气中，另一部分使叶片在热水中伸展做功，所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，D正确．
题组三热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
图4
8.如图4为某同学设计的喷水装置，内部装有2L 水，上部密封1atm 的空气0.5L ，保持阀门关闭，再充入1atm 的空气0.1L ，设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，下列说法正确的有( )
A ．充气后，密封气体压强增加
B ．充气后，密封气体的分子平均动能增加
C ．打开阀门后，密封气体对外界做正功
D ．打开阀门后，不再充气也能把水喷光 答案 AC
解析 充气后气体的体积没有变化，但是单位体积内含有的分子增多，所以显然温度没有变化，但压强会增大，选项A 正确；由于温度是系统分子平均动能的量度，所以温度不变，平均动能也不变，选项B 错误；打开阀门后，气体将推动水流出，气体的体积膨胀，对外做功，选项C 正确；随水流出，内部气体体积增大，若水全部流出，根据玻意耳定律p 1V 1
＝p 2V 2，得p 2＝p 1V 1V 2＝1×0.6
2.5atm ＝0.24atm ，小于外部气压，故水不会全部流出，选项D 错
误．
9．如图5所示，是一定质量的理想气体从状态A 经B 至C 的p －1
V
图线，则在此过程中( )
图5
A．气体的内能改变B．气体的体积增大
C．气体向外界放热D．气体对外界做功
答案 C
解析由题图可以看出，图线延长线过原点，所以A→B→C的变化过程为等温过程，内能不变．因为在此过程中，气体体积是变小的，所以，外界对气体做功，又因为气体内能不变，由热力学第一定律可知：气体向外界放热．
图6
10.如图6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．体积必然变大
B．有可能经过体积减小的过程
C．外界必然对气体做功
D．气体必然从外界吸热
答案ABD
解析本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题．连接OA、OB，得到两条等容线，故有V B>V A，所以A正确．由于没有限制自状态A变化到状态B的过程，所以可先从A状态减小气体的体积再增大气体的体积到B状态，故B正确．因为气体体积增大，所以是气体对外界做功，C错误．因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D正确．
11．用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图7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()
图7
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
解析袋内气体与外界无热交换即Q＝0，袋四周被挤压时，体积V减小，外界对气体做正
＝常数知压强增功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，气体内能增大，则温度升高，由pV
T
大，选项A 、C 正确，B 、D 错误．
图8
12.如图8所示，一定质量的理想气体从状态A 先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环，A 、B 、C 状态参量如图所示，气体在状态A 的温度为27℃，求： (1)气体在状态B 的温度T B ；
(2)气体从A →B →C 状态变化过程中与外界交换的总热量Q . 答案 (1)600K (2)2p 0V 0
解析 (1)A 到B 过程是等压变化有V A T A ＝V B
T B
代入数据得T B ＝600K
(2)根据热力学第一定律有ΔU ＝Q ＋W 其中W ＝－2p 0V 0 解得Q ＝2p 0V 0(吸热)
13．如图9所示，导热材料制成的横截面积相等、长度均为45cm 的汽缸A 、B ，通过带有阀门的管道连接．初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞C 位于B 内左侧，在A 内充满压强p A ＝2.8×105Pa 的理想气体，B 内充满压强p B ＝1.4×105Pa 的理想气体，忽略连接汽缸的管道体积，室温不变，现打开阀门，求：
图9
(1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强；
(2)自打开阀门到平衡，B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)．
答案(1)2.1×105Pa(2)放热，理由见解析
解析(1)活塞向右运动后，对A气体，有p A LS＝p(L＋x)S
对B气体，有p B LS＝p(L－x)S
得x＝15cm
p＝2.1×105Pa
(2)活塞C向右移动，对B中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律可知B内气体放热．。