第三章 热力学定律 2　热力学第一定律　3　能量守恒定律 课时练（含解析）-2024春高中物理选择性必修3（人教版）

2　热力学第一定律 3　能量守恒定律
考点一　热力学第一定律
1．(2023·江苏省响水中学高二期末)下列说法正确的是(　　)
A．物体放出热量，其内能一定减少
B．物体对外做功，其内能一定减少
C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
2．(2022·盐城市高二月考)用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J，汽缸里空气的内能(　　)
A．增加了1 100 J B．减少了1 100 J
C．增加了690 J D．减少了690 J
3．二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减小为原来的一半，不计温度的变化，二氧化碳可视为理想气体，则此过程中(　　)
A．封闭气体对外界做正功
B．封闭气体从外界吸收热量
C．封闭气体分子的平均动能不变
D．封闭气体内能增加
4．(2022·北京市二中期末)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
5．(2022·南通市高二期中)列车运行的平稳性与车厢的震动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减震，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震动，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，气体的内能变大
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
考点二　能量守恒定律　永动机不可能制成
6．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为(　　)
A．它不符合机械能守恒定律
B．它违背了能量守恒定律
C．没有合理的设计方案
D．找不到合适的材料
7．下列说法正确的是(　　)
A．条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生了感应电流，说明电能是可以被创造的
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，说明能量是可以凭空产生的
8．行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象所包含的相同物理过程是(　　)
A．物体机械能守恒
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
9.如图所示，导热良好的圆筒形汽缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与汽缸之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体(　　)
A．对外做功，其内能减少
B．温度不变，与外界无热量交换
C．分子碰撞缸壁时的平均作用力减小
D．分子在单位时间内对单位面积活塞的碰撞次数减少
10.(2022·深圳市高二期中)如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是(　　)
A．大气压力对水做功，水的内能减小
B．水克服大气压力做功，水的内能减小
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
11.(2022·扬州市高二月考)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空气分成两部分。两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，拔掉销钉活塞能上、下自由移动。现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定。下列说法正确的是(　　)
A．活塞上升
B．P部分气体温度不变
C．两部分气体内能之和不变
D．两部分气体内能之和增大
12．(2022·南京市高二月考)如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞(横截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m。在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是(　　)
A．整个过程，外力F做功大于0，小于mgh
B．整个过程，理想气体的内能增大
C．左端活塞到达B位置时，外力F等于
D．整个过程，理想气体向外界释放的热量等于(p0S1＋mg)h
2　热力学第一定律
3　能量守恒定律
1．C　[物体放出热量，若外界对物体做的功大于放出的热量，内能可能增加，故A错误；物体对外做功，若同时从外界吸收的热量大于对外做的功，则内能增加，故B错误；物体吸收热量，Q>0，同时对外做功，W<0，则其内能可能不变，可能增加，也可能减少，故C正确；物体放出热量，Q＜0，同时对外做功，W＜0，则ΔU＜0，故内能一定减少，故D错误。]
2．C　[由热力学第一定律得ΔU＝900 J－210 J＝690 J，故选C。]
3．C　[因为不计气体的温度变化，气体分子的平均动能不变，即ΔU＝0，选项C正确，D错误；因为气体体积减半，故外界对气体做功，即W>0，选项A错误；根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，可知Q<0，即气体放出热量，选项B错误。]
4．A　[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，说明整个变化过程内能的变化为零，根据热力学第一定律可得ΔU＝W1－W2＋Q1－Q2＝0，可得Q1－Q2＝W2－W1，因为没有具体的变化过程，所以无法判断W1与W2的大小关系，也无法判断Q1与Q2的大小关系，A正确，B、C、D错误。]
5．C　[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，可知气体温度保持不变，气体内能保持不变，在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，根据热力学第一定律可知，气体向外界放热，A、B错误；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，在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，根据热力学第一定律可知，气体内能增大，温度升高，C正确，D错误。]
6．B　[第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确。]
7．C　[磁体穿过线圈过程中是机械能转化成了电能，故A错误；太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，故B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，故C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”手表是靠手臂的摆动提供能量的，它不违背能量守恒定律，故D错误。]
8．D　[这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁体下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，机械能不守恒，故A错误。四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁体是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，故B、C错误，D正确。]
9．D　[缓慢取走铁砂的过程中，活塞对封闭气体的压强减小，因温度不变，由pV＝C知V变大，活塞会缓慢上升，气体膨胀对外做功，W＜0，汽缸导热良好，缸内气体温度保持不变，即ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知Q＞0，即气体要从外界吸收热量 ，故A、B错误；由上面的分析可知缸内气体温度不变，即气体分子的平均动能不变，所以分子与缸壁碰撞时的平均作用力不变，故C错误；因为缸内气体体积增大，所以缸内气体分子数密度减小，分子的平均动能不变，则在单位时间内气体分子对单位面积活塞的碰撞次数减少，故D正确。]
10．D　[平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积为S1，移动距离为l1，大气压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA＝p0S1l1，平衡前，B容器中的活塞向上移动，设B中活塞横截面积为S2，移动距离为l2，水通过活塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和，即WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，选项A、B错误。大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，没有热交换，但是水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，水的重力势能减小，根据能量守恒定律，减少的水的重力势能转化为水的内能，水的内能增加，选项C错误，D正确。]
11．D　[根据热学知识可知P部分气体压强较大，又活塞受到竖直向下的重力，所以拔掉销钉后，活塞下降，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，由于汽缸和活塞都是绝热的，可知Q为零，两部分气体既不吸热也不放热。P部分气体对Q部分气体做功，因此P部分气体内能减小，温度降低，Q部分气体内能增加，温度升高；活塞下移，活塞的重力势能减小，根据能量守恒定律可知活塞重力势能的减少量等于P、Q两部分气体内能之和的增加量，两部分气体的内能之和增大，故D正确，A、B、C错误。]
12．C　[整个过程，因右侧活塞静止不动，则外力F做功为零，选项A错误；整个过程，因为汽缸导热且活塞缓慢移动，可知气体的温度不变，则气体的内能不变，选项B错误；左端活塞到达B位置时，则封闭气体的压强
p＝＋p0＝＋p0，解得外力F＝，选项C正确；整个过程，气体的内能不变，气体体积减小，外界对气体的做功等于气体放出的热量，若在活塞上一次性放上质量为m的沙子时，外界对气体做功为W＝(p0S1＋mg)h，因沙子是逐渐加入的，则外界对气体做功W<(p0S1＋mg)h，根据ΔU＝Q＋W，因ΔU＝0，所以W＝－Q，即理想气体向外界释放的热量小于(p0S1＋mg)h，选项D错误。]