3.2能量的转化与守恒同步练习（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

3.2 能量的转化与守恒 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．如图所示，是中国古代玩具饮水鸟，它的神奇之处是，在鸟的面前放上一杯水，鸟就会俯下身去，把嘴浸到水里，“喝”了一口水后，鸟将绕着O点不停摆动，一会儿它又会俯下身去，再“喝”一口水。A、B是鸟上两点，说法正确的是（　　）
A．A、B两点的向心加速度大小相同
B．A、B两点的线速度大小不同，角速度大小相同
C．此过程虽然不违反能量守恒定律，但不可能发生
D．此过程违反能量守恒定律，但可能发生，说明第一类永动机可以制成
2．著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验：一块水平放置的绝缘体圆盘可绕过其中心的竖直轴自由转动，在圆盘的中部有一个线圈，圆盘的边缘固定着一圈带负电的金属小球，如图所示。当线圈接通直流电源后，圆盘会发生转动，线圈中的电流方向如图中箭头所示。下列说法正确的是（　　）
A．电流对静止电荷有作用力
B．磁场对静止电荷有作用力
C．圆盘会发生转动，不符合能量守恒定律
D．变化的磁场可以产生电场
3．如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在气值中，气缸和活塞的绝热性、密封性良好。初始时，气体的压强、温度与外界大气相同。现接通电热丝加热气体，活塞缓慢向右移动，不计活塞与气缸间的摩擦，外界大气压强保持不变，则该过程中（　　）

A．气体压强增大
B．气体分子的平均动能不变
C．气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功
D．气体分子在单位时间内撞击活塞单位面积的次数增加
4．大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（　　）
A．符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D．违背能量转化和守恒定律，不可能实现
5．最近网络上有人做了一个与电磁感应相关的实验，如图所示，他把一个线圈放置在支架上，旁边放置一个磁铁，用手转动线圈后，线圈就会一直运动下去，演示得有板有眼。这是一种假象，我们应该用科学的物理观念认识此实验，显然它违背了（　　）
A．法拉第电磁感应定律
B．电阻定律
C．欧姆定律
D．能量转化和守恒定律
6．如图是斯特林循环的V-t图像。一定质量的理想气体按图线从状态a经b、c和d后再回到a，图中ab、cd和横轴平行，bc和ad与纵轴平行。下列说法不正确的是（　　）
A．从a到b，气体从外界吸收热量
B．从b到c过程中气体对外界做的功，小于从d到a过程中外界对气体做的功
C．从c到d，气体的压强减小，向外放热
D．从d到a，单位体积内的气体分子数目增多
7．关于下列几幅图的说法正确的是（　　）
A．图1为悬浮在液体中的花粉颗粒每隔一段时间位置间的连线，反映了花粉颗粒内部分子的无规则运动
B．图2为水黾静止在水面上，说明液体表面层分子间表现为斥力
C．图3中“永动机”不可能制作出来的原因是违背了热力学第三定律
D．图4封闭注射器的出射口，按压管内封闭气体过程中阻力增大，主要是因为气体压强增大
8．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，共同摆起一定高度，则下面有关能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势能
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
二、多选题
9．下列说法中正确的是（　　）
A．物体吸收热量后，温度一定升高
B．物体温度改变时，物体分子的平均动能不一定改变
C．当分子间的距离变小时，分子间作用力有可能减小
D．第一类永动机无法制成是因为其违背了能量守恒定律
10．一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，有如图所示①②两个过程，则下列说法正确的是（　　）
A．状态a的体积大于状态b的体积
B．在过程①中，气体对外界做功，同时气体也向外界放热
C．过程②中气体内能的减少量比过程①中要少
D．过程①②中外界都对气体做功，过程②中气体放出的热量比过程①中要少
11．关于以下四幅图的描述，正确的是（　　）
A．图甲是研究布朗运动的实验记录，图中的折线是花粉颗粒的运动轨迹，说明花粉的运动是规则的
B．图乙是水银在玻璃管中呈现出液面上凸的现象，说明水银不能浸润玻璃
C．图丙是光在方解石中的双折射现象，说明方解石是晶体
D．图丁是永动机的示意图，此类永动机不可制成的原因是违背了热力学第二定律
12．一定质量的理想气体经历如图所示的一系列过程，a→b、b→c、c→d、d→a这四段过程在p—T图上都是直线段，其中的延长线通过坐标原点O，垂直于，而平行于，由图可以判断（　　）
A．a→b过程中气体对外做功
B．b→c过程中外界对气体做功
C．c→d过程中气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功
D．d→a过程中气体体积不断减小
三、实验题
13．根据能量转化与守恒定律，在与外界没有热传递的条件下，物体内能的增加量与外界对物体做功多少相等。为了验证此规律，某兴趣小组设计了如图所示的实验，在容器里装一定质量的水，中间装上带有叶片的转轴，转轴上绕上绳子，绳子另一端通过滑轮与一重物相连，当重物下降时，绳子拉动转轴转动，带动叶片旋转，使容器里的水温度升高，结合水的比热容计算出水中增加的内能。以此验证水的内能增加量与重物的重力做功多少是否相等。
(1)为了完成此实验，除已提供质量的电子天平外，还需要的测量工具有 ；
(2)兴趣小组在实验过程中发现，水内能的增加量小于重物做功的大小，请写出造成这种现象的：一种原因 ；
(3)改进实验后，获得那如表数据，规律得到验证。
实验序号 重物质量（） 下降高度（m） 升高温度（）
1 20 5 0.5
2 20 10 1.0
3 20 15 1.5
4 10 10 0.5
5 30 10 1.5
6 40 10 2.0
若使容器内相同质量水的温度升高，则的重物需下降 m。
14．“东方绿舟”内有一个绿色能源区，同学们可以在这里做太阳能和风能的研究性实验，某同学为了测定夏季中午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，制作了一个太阳能集热装置，实验器材有：①内壁涂黑的泡沫塑料箱一个，底面积为1平方米；②盛水塑料袋一个；③温度计一个；③玻璃板一块（约1平方米），如图所示：
假设图为一斜坡草地，太阳光垂直照射到草地表面，请将上述实验器材按实验设计要求画在图中 ；
如果已知水的比热容c，被水吸收的热量Q与水的质量m、水温升高量△间的关系是，则为了测定中午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了需要测量m、外，还应测量的物理量是 ，本实验会有一定误差，试写出一条产生误差的主要原因： 。
四、解答题
15．如图所示，一个小铁块沿半径为的半球内壁自上端由静止下滑，当滑至半球底部时，速度为，设此过程中损失的机械能全部变为内能，并有被铁块吸收，已知铁的比热容，重力加速度g取。求铁块升高的温度。
16．近几年流行一种“自发电电动车”，如图所示。其自发电的基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车。你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？

17．如图所示，用带孔橡皮塞把塑料瓶口塞住，向瓶内迅速打气，在橡皮塞弹出前，外界对气体做功15 J，橡皮塞的质量为20 g，橡皮塞被弹出的速度为10 m/s，若橡皮塞增加的动能占气体对外做功的10%，瓶内的气体可视为理想气体。则瓶内气体的内能变化量为多少？瓶内气体的温度如何变化？
18．如图所示，水平放置的汽缸内壁光滑，活塞的厚度不计，在A、B两处设有限制装置，使活塞只能在A、B之间运动，A左侧汽缸的容积为V0，A、B之间容积为0.1V0，开始时活塞在A处，缸内气体压强为0.9p0（p0为大气压强），温度为297K，现通过对气体缓慢加热使活塞恰好移动到B．求：
（1）若此过程气体吸收热量为Q，求此过程气体内能增量△U；
（2）活塞刚移动到B时，缸内气体温度TB。
19．称出自己的质量，量出两层楼梯的垂直高度，手拿计时器，以正常速度匀速地向上跑完这两层楼梯，记下所用的时间。
（1）求出你在跑楼梯时体内输出的有用能量，这中间发生了什么样的能量转化？
（2）求出以瓦为单位的输出功率。如果这些能量转化为电能，可同时点亮几盏的灯泡？
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参考答案：
1．B
【详解】B．根据同轴转动角速度相等知，A、B两点的角速度大小相同，根据知A点半径大，线速度较大，故B正确；
A．根据知A点半径大，加速度较大，故A错误；
C．饮水鸟的头和躯体分别为两个薄壁玻璃球，其间以一个玻璃管连接，内部装有易挥发的液体。其原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发会吸收头部空气中的热量，使得头部气压小于肚子中的气压，从而使肚子中的部分液体压入头部，使重心上移，鸟的身体变得不稳定而发生倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟的身体再回到开始的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复前方的运动，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，此过程不违反能量守恒定律，可能发生，故C错误；
D．此过程不违反能量守恒定律，可能发生，说明第一类永动机不可以制成，故D错误。
故选B。
2．D
【详解】AB．静止电荷不受电流和磁场的作用，故AB错误；
CD．线圈接通电源瞬间，变化的磁场产生变化的电场，从而导致带电小球受到电场力，使其转动。因线圈中电流沿顺时针且增大，根据安培定则可知有垂直于线圈向下的磁场，从而产生向上的感应磁场，则有逆时针方向的电场，使带负电小球受到顺时针方向的电场力，即沿顺时针方向转动。圆盘的转动的能量最初能量来源是由于电能的转化而来，所以符合能量守恒定律，故D正确，C错误。
故选D。
3．C
【详解】A．活塞向右运动，不计活塞与气缸间的摩擦，外界大气压强保持不变，则整个过程属于等压变化，气体压强与外界大气压强大小相等，保持不变，故A错误；
B．由于气体温度升高，气体内能升高，则气体分子的平均动能升高，故B错误；
C．活塞向右移动，气体对外做功，根据热力学第一定律
气体内能升高可知气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，故C正确；
D．气体压强取决于气体分子在单位时间内撞击活塞单位面积的次数和每次撞击活塞的平均作用力，气体分子的平均动能升高，即气体分子的速度增大，则每次撞击活塞的平均作用力增大，而气体压强不变，则气体分子在单位时间内撞击活塞单位面积的次数减少，故D错误；
故选C。
4．D
【详解】根据上述，维尔金斯“永动机”不消耗能量，又能源源不断对外做功，这是第一类永动机，其违背了能量转化和守恒定律，不可能实现。
故选D。
5．D
【详解】永动机不存在，线圈不可能一直转动，违背了能量转化和守恒定律。故ABC错误；D正确。
故选D。
6．B
【详解】A．由图示图像可知，从a到b过程气体体积不变而温度升高，气体内能增大，外界对气体不做功，，，由热力学第一定律
可知
气体从外界吸收热量，故A正确；
B．由图示图像可知，从b到c与从d到a过程气体体积的变化量相等，从b到c气体压强的变化量大于从d到a过程气体压强的变化量大，从b到c过程中气体对外界做的功大于从d到a过程中外界对气体做的功，故B错误；
C．由图示图像可知，从c到d过程气体体积V不变而温度T降低，外界对气体不做功，气体内能减小，，，由理想气体状态方程
可知气体压强p减小，由热力学第一定律
可知
气体向外放出热量，故C正确；
D．从d到a过程气体体积减小，气体分子数不变而体积减小，单位体积内的气体分子数目增多，故D正确；
故选B。
7．D
【详解】A．图1，悬浮在液体中花粉颗粒无规则的运动，说明液体分子无规则撞击花粉颗粒，反映了液体分子运动的无规则性，故A错误；
B．图2说明液体表面层分子稀疏，分子间距大于平衡位置距离，分子间作用力表现为引力，使液面绷紧形成表面张力，故B错误；
C．图3中永动机的设计违背了能量守恒定律，故C错误；
D．图4中封闭注射器的出射口，按压管内封闭气体过程中阻力增大，这主要是气体压强增大的缘故，故D正确。
故选D。
8．D
【详解】子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，然后共同摆起一定高度的过程中机械能守恒，不再有机械能转化为内能。
故选D。
9．CD
【详解】A．根据热力学第一定律有
可知，物体吸收热量后如果同时对外做功，且所做的功大于吸收的热量时，则物体的温度将降低，故A错误；
B．温度是物体分子平均动能的标志，温度越高分子的平均动能就越大，因此物体温度改变时，物体分子的平均动能一定改变，故B错误；
C．当分子间的距离变小时，分子间作用力有可能增大，也有可能减小，故C正确；
D．第一类永动机无法制成是因为其违背了能量守恒定律，故D正确。
故选CD。
10．AD
【详解】A．从状态a变化到状态b，压强增大，温度降低，由可知，状态a的体积大于状态b的体积，故A正确；
B．在过程①中，气体体积减小，外界对气体做功；气体的温度降低，气体内能减小，根据热力学第一定律，气体向外界放热，故B错误；
C．一定质量的理想气体内能只与温度有关，故过程①②内能变化相同，故C错误；
D．外界对气体做功可表示为，如图所示
对于每一个体积相等的状态，过程②的压强小于过程①的压强，所以过程①外界对气体做功大于过程②外界对气体做功，根据热力学第一定律，过程②中气体放出的热量比过程①中要少，故D正确。
故选AD。
11．BC
【详解】A．图甲为花粉颗粒每隔一段时间的位置的连线，不是运动轨迹，同时花粉的布朗运动是无规则的，故A错误；
B．对于玻璃，水银时不浸润液体，在水银表面张力作用下呈现上凸，故B正确；
C．双折射现象时光学各向异性的表现，所以方解石是各向异性的晶体，故C正确；
D．此类永动机不可制成的原因是违背了热力学第一定律，故D错误。
故选BC。
12．BC
【详解】A．根据理想气体的方程
可知
即a→b过程中气体体积不变，不存在对外做功，故A错误；
B．根据
可知b→c过程中气体体积变小，外界对气体做功，故B正确；
C．c→d过程中T增大，可知气体内能增大，故气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，C正确；
D．根据
d→a过程中气体体积不断变大，故D错误；
故选BC。
13．(1)刻度尺、温度计
(2)滑轮存在摩擦、液体会散热
(3)20
【详解】（1）[1]实验中应需要用刻度尺测量重物下降的高度、用温度计水升高的温度；
（2）[2]在实验的过程中，由于滑轮存在摩擦、液体会散热等情况，使得水内能的增加量小于重物做功的大小；
（3）[3]20kg的重物高度下降5m，水温升高0.5℃，即1kg的重物高度下降1m，水温升高0.005℃，则有25kg的重物高度下降1m，水温升高0.125℃，要使水温升高2.5℃，根据比例可知需要下降的高度为20m。
14． 见解析 时间T 太阳能没有全部被水吸收（或水吸收的太阳能有一部分损失等）
【详解】[1]这是测定夏季中午太阳能的研究性实验。告诉了实验器材、实验环境（斜坡草地）、实验原理，根据研究性要求设计实验，并明确测量物理量，指出实验中产生误差的主要原因，实验图示如图所示
[2]需要测定单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了测量水的质量、温度升高的高度，还需测量太阳照射的时间T。
[3]产生误差的主要原因：太阳能没有全部被水吸收，或水吸收的太阳能还有一部分损失等。
15．
【详解】根据题意，设小铁块质量为，铁块滑到底部时产生的内能为
则铁块升高的温度为
16．见解析
【详解】
仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去，因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能，根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电。
17．5J，升高
【详解】由题意可知，气体对外做的功
J=10J
向瓶内迅速打气，在整个过程中，可认为气体与外界没有热交换，即
Q=0
则气体内能的变化量
ΔU=W+Q=15J-10J+0=5J
一定量理想气体内能增加，温度升高。
18．（1）Q－0.1p0V0；（2）363K
【详解】（1）由热力学第一定律解得
（2）活塞由A移动到B的过程中，先做等容变化，后做等压变化。由气态方程得
＝
＝
解得
TB＝363K
19．（1）2000J，食物的化学能转化成运动所需的机械能和维持体温的内能；（2）200W，2盏
【详解】解：（1）假设自己的质量为50kg，两层楼梯的垂直高度为4m，匀速上楼时，动能没有改变，体内输出的有用能量转化为自己的重力势能。那么有用能量为
Ep=mgh=50×10×4J=2000J
这中间能量转化为食物的化学能转化成运动所需的机械能和维持体温的内能。
（2）假设上楼需要时间10s，那么输出功率为
如果这些能量转化为电能，可同时点亮盏=2盏100W的灯泡。
答案第1页，共2页
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