上海市北虹高中2019-2020学年高中物理沪科版选修3-3：4.1热力学第一定律 同步练习（含解析）

热力学第一定律
1．用分子动理论的观点看，下列表述正确的是（ ）
A．对一定质量的气体加热，其内能一定增加
B．一定质量100℃的水转变成100℃的水蒸汽，其分子的平均动能增加
C．一定质量的理想气体，如果压强不变而体积增大，其分子的平均动能增加
D．如果气体温度升高，物体中所有分子的速率都一定增大
2．如图所示，绝缘弹簧的下端固定在斜面底端，弹簧与斜面平行，带电小球Q（可视为质点）固定在光滑绝缘斜面上的M点，且在通过弹簧中心的直线ab上。现把与Q大小相同，带电性也相同的小球P，从直线ab上的N点由静止释放，在小球P与弹簧接触到速度变为零的过程中
A．小球P的速度是先增大后减小
B．小球P和弹簧的机械能守恒，且P速度最大时所受弹力与库仑力的合力最大
C．小球P的动能、重力势能、电势能与弹簧的弹性势能的总和减小
D．小球P合力的冲量为零
3．下列说法中正确的是
A．外界对气体做功，气体的内能一定增大
B．气体从外界吸收热量，气体的内能一定增大
C．气体的温度越低，气体分子无规则运动的平均动能越大
D．气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大
4．一定质量的理想气体沿如图所示的过程从状态A变化到状态B，则在这一过程中气体（ ）
A、气体的密度增大
B、向外界放出热量
C、外界对气体做功
D、气体分子的平均动能增大
5．下列说法正确的是_______
A．温度越高，扩散运动进行的越快
B．悬浮在水中的花粉运动反映了花粉分子的热运动
C．当分子间表现为引力时，随分子间距离的增大分子间势能增大
D．当分子间的引力与斥力大小相等时，分子势能最小
E. 外界对物体做功，物体内能一定增加
6．下列说法正确的是（ ）
A．一定质量的理想气体从外界吸热，内能不一定增加
B．在同一液体中观察布朗运动现象，悬浮的固体颗粒越小、液体的温度越高，布朗运动越剧烈
C．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”
D．一定质量的理想气体，其分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与气体的体积和温度有关
7．下列说法中正确的是_______．
E．物体温度升高，内能可能降低
A．利用氧气的摩尔质量、密度以及阿伏加德罗常数就可以算出氧气分子体积
B．一定质量的理想气体，内能只与温度有关与体积无关
C．固体很难被压缩是因为其内部的分子之间存在斥力作用
D．只要物体与外界不发生热量交换，其内能就一定保持不变
8．一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其图像如图所示，下列判断正确的是 ．
E、空气相对湿度越大时，空气中水蒸气压强越接近饱和气压，水蒸发越慢
A．一定量气体膨胀对外做功，同时从外界吸收的热量，则它的内能增大
B．在使两个分子间的距离由很远减小到很难在靠近的过程中，分子间作用力先减小后增大，分子势能不断增大
C．由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离，液体表面存在张力
D．用油膜法测出油分子的直径后，要测定阿伏伽德罗常数，只需再知道油的密度即可
9．下列说法正确的是 ．
A．分子质量不同的两种气体，温度相同时其分子的平均动能相同
B．一定质量的气体，在体积膨胀的过程中，内能一定减小
C．布朗运动表明，悬浮微粒周围的液体分子在做无规则运动
D．知道阿伏伽德罗常数、气体的摩尔质量和密度就可以估算出气体分子的大小
E.两个分子的间距从极近逐渐增大到10r0的过程中，它们的分子势能先减小后增大
10．下列说法正确的是________________．（填正确答案标号．选对1个得2分,选对2个得4分,选对3个得5分．每选错1个扣3分,最低得分为0分．）
E．第二类永动机是不能制造出来的,尽管它不违反热力学第一定律,但它违反热力学第二定律
A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程,气体的内能增大
B．由于液体表面层分子较密集,分子间引力大于斥力,因此产生液体的表面张力
C．一定量的气体,在体积不变时,分子平均每秒与容器壁碰撞次数,随温度的降低而减小
D．气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与单位体积内的分子数和温度有关
11．甲、乙两个物体在同一直线上同向运动甲物体在前、乙物体在后，甲物体质量为2kg，速度是1m/s，乙物体质量是4kg，速度是3m/s。乙物体追上甲物体发生正碰后，两物体仍沿原方向运动，而甲物体的速度为3m/s，乙物体的速度是多少？这两个物体碰撞中损失的动能是多少？
12．一定质量的理想气体体积V与热力学温度T的关系图象如图所示，气体在状态A时的压强pA=p0，温度TA=T0，线段AB与V轴平行，BC的延长线过原点．求：
（i）气体在状态B时的压强pB；
（ii）气体从状态A变化到状态B的过程中，对外界做的功为10J，该过程中气体吸收的热量为多少；
（iii）气体在状态C时的压强pC和温度TC．
13．节水喷灌系统主要应用在农场、体育场、大型公园等需要大范围喷洒的场所．节水喷灌系统的应用，有效地提高了水资源的利用率，达到了节水的效果．如图所示为某农庄灌溉工程的示意图，地面与水面的距离为H=17.2m．用水泵从水池抽水（抽水过程中H保持不变），水从管口以不变的速度源源不断地沿水平方向喷出，水落地的位置到管口的水平距离为x=4.8m．设管口横截面上各处水的速度都相同．龙头离地面高h=1.8 m，水管横截面积为S=4cm2，水的密度为ρ=1.0×103 kg/m3，重力加速度为g =10m/s2，不计空气阻力．求：
（1）水从管口射出时的速度大小
（2）水落地时的速度大小和方向
（3）不计额外功的损失，水泵输出的功率P
14．如图所示，某种自动洗衣机进水时，洗衣机缸内水位升高，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量．
（1）当洗衣缸内水位缓慢升高时，设细管内空气温度不变，则被封闭的空气（_______）
A．分子间的引力和斥力都增大
B．分子的热运动加剧
C．分子的平均动能增大
D．体积变小，压强变大
（2）若密闭的空气可视为理想气体，在上述（1）中空气体积变化的过程中，外界对空气做0.6J的功，则空气_____（选填“吸收”或“放出”）了_____J的热量；当洗完衣服缸内水位迅速降低时，则空气的内能_____（选填“增加”或“减小”）．
（3）若密闭的空气体积V=1L，密度ρ=1.29kg/m3，平均摩尔质量M=0.029kg/mol，阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol﹣1，试估算该气体分子的总个数________（结果保留一位有效数字）．
15．如图所示，内壁光滑的导热气缸里封闭了一定质量的理想气体，活塞的横截面积为S，质量不计，离缸底的距离为L1．由于环境温度缓慢下降，使得活塞缓慢下降到距离缸底L2处．已知大气压强为p0，被封闭气体初始状态的热力学温度为T1、内能为E1．
①求活塞下降到距离缸底L2处时，缸内封闭气体的温度；
②一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比，求整个过程中通过缸壁传递的热量Q．
16．若一条鱼儿正在水下10m处戏水，吐出的一个体积为1cm3的气泡．气泡内的气体视为理想气体，且气体质量保持不变，大气压强为P0=1.0×105Pa，g=10m/s2，湖水温度保持不变．
（1）气泡在上升的过程中，气体吸热还是放热？请简述理由．
（2）气泡到达湖面时的体积多大？
参考答案
1．C
【解析】根据热力学第一定律可知，对气体加热，若气体对外做功，其内能不一定增加，故A错误；一定质量100℃的水转变成100℃的水蒸汽，由于温度不变，故分子的平均动能不变，故B错误；一定质量的理想气体，如果压强不变而体积增大，则其温度一定变大，故其分子的平均动能增加，故C正确；如果气体温度升高，只是分子的平均动能增大，但单个分子的动能和速率无法确定，故D错误．
2．A
【解析】小球P先沿斜面加速向下运动，当加速度减小到零后，减速向下运动，当弹簧压缩量最大时，小球静止，则小球P的速度先增大后减小，A正确；当小球的合力为零时，速度最大，此时受弹力与库仑力的合力等于重力沿斜面方向上的分力，合力不是最大，在最低点，弹力和库仑力的合力大于重力的分力，此时最大，B错误；本题涉及到动能、重力势能、弹性势能以及电势能的变化，根据能量守恒定律知，小球P的动能、重力势能、电势能与弹簧的弹性势能的总和不变，故C错误；小球受到的合力不是一直为零，故合力的冲量不为零，D错误．
3．D
【解析】根据热力学第一定律可知外界对气体做功的同时如果气体向外界放热，则其内能不一定增大，同理，若气体从外界吸收热量的同时，对外界做功，其内能不一定增大，AB错误；气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大，C错误D正确．
4. D
【解析】由图示图象可知，由A到B过程，气体压强不变而温度升高，气体发生等压变化，由盖吕萨克定律可知，气体体积增大，气体体积增大而质量不变，则气体密度减小，故A错误；气体温度升高，内能增大，气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体要吸收热量，故BC错误；气体温度升高，气体分子平均动能增大，故D正确。
考点：理想气体的状态方程
名师点睛：气体的状态参量包括压强、体积和温度；在分析图象中应会由气体的状态方程找出各量的变化，再由热学规律找出内能等的变化。
5．ACD
【解析】物体的温度越高，则分子无规则运动就越剧烈，而扩散现象是分子无规则运动的宏观体现，所以扩散就越快，故A正确；我们所观察到的布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动，小颗粒的布朗运动是由于周围液体分子撞击的冲力不平衡而引起的，所以固体小颗粒的无规则运动反映了周围液体分子的无规则运动．但并不是液体分子的无规则运动，故B错误；分子力表现为引力时，分子间距离增大时分子力做负功，故r越大，分子势能越大，故C正确；分子势能最小时，分子间引力与斥力大小相等，故D正确；根据热力学第一定律，如果外界对物体做功的同时，物体伴随着放热，其内能不一定增加，E错误．
6．ABD
【解析】一定质量的理想气体从外界吸热，若气体对外做功，则内能不一定增加，选项A正确； 在同一液体中观察布朗运动现象，悬浮的固体颗粒越小、液体的温度越高，布朗运动越剧烈，选项B正确； 热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其它变化”，选项C错误； 一定质量的理想气体，其分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与气体的体积和温度有关，温度越高，体积越小分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数越多，选项D正确；故选ABD.
7．BCE
【解析】
试题分析:A、仅利用氧气的摩尔质量和氧气的密度这两个已知量，便可计算出氧气的摩尔体积，借助阿伏伽德罗常数求出一个氧气分子占有的空间，但氧气分子间有很大空隙，故无法得出氧气分子的体积，故A错误；B、理想气体是一种理想化的物理模型，实际上并不存在；理想气体的内能仅与温度有关，与气体的体积无关；实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下可以看做理想气体，故B正确．C、根据分子动理论的内容可知，固体很难被压缩是因为其内部的分子之间存在斥力作用．故C正确．D、不发生热传递的话，也可以是对外界作功或者外界对物体做功，照样可以改变物体的内能．故D错误．E、物体的内能跟物体的质量、状态、温度有关，因此只知道物体的温度关系是无法比较内能关系,选项E正确．故选BCE．
考点：分子动理论、理想气体状态方程、热力学第一定律．
【名师点睛】要理解做功和热传递是改变物体内能的两种方式，这两种方式是等效的．分子之间同时存在着引力和斥力．
8．ACE
【解析】
试题分析：根据热力学第一定律知：，A正确；在使两个分子间的距离由很远（）减小到很难再靠近的过程中，分子间的作用力表现为引力且随距离的减小而增大，然后随距离的减小而减小，当r=r0时引力等于斥力，分子力为0，当r＜r0时分子力表现为斥力，且随分子间距离的减小而又增大．在分子间距减小的过程中，分子表现为引力时分子力做正功分子势能减小，当分子力表现为斥力时随间距的减小分子力做负功分子势能增大，故在整个过程中，分子势能先减小后增大，故B错误；由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离，液体表面存在张力，C正确；用油膜法测出油分子的直径后，要测定阿伏加德罗常数，只需再知道油的摩尔体积即可，D错误；空气相对湿度越大时，空气中水蒸气压强越接近同温度水的饱和汽压，水蒸发越慢，E正确．
考点：热力学第一定律、晶体和非晶体
【名师点睛】本题考查了选项3-3的内容，掌握热力学第一定律的应用，知道分子力与分子间距的关系，会利用油膜法测分子的直径．
9．ACE
【解析】
试题分析：温度是分子平均动能的标志，温度相同，则分子平均动能一定相同，A正确；一定质量的气体，在体积膨胀的过程中，如果同时伴随着吸热，内能 不一定减小，B错误；布朗运动是液体分子做无规则运动的表现，C正确；知道阿伏伽德罗常数、气体的摩尔质量和密度可算出摩尔体积，D错误；两个分子的间距从极近逐渐增大到10r0的过程中，分子之间的作用力开始时是斥力，当距离大于r0后表现为引力，所以该过程中分子力先做正功，后做负功，它们之间的分子势能先减小后增大，E正确；
考点：考查了分子平均动能，布朗运动，阿伏伽德罗常数，分子作用力
【名师点睛】明确各种物理现象的实质和原理才能顺利解决此类题目，故平时学习时要“知其然，更要知其所以然”．
10．CDE
【解析】
试题分析：一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程,则Q=0，W<0，根据可知气体的内能减小，选项A错误；由于液体表面层分子较稀疏,分子间引力大于斥力,因此产生液体的表面张力，选项B错误；一定量的气体,在体积不变时，温度降低，则压强减小，则分子平均每秒与容器壁碰撞次数减小，选项C正确；气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与单位体积内的分子数和温度有关，温度越高、单位体积的分子数越多则气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数越多，选项D正确；第二类永动机是不能制造出来的,尽管它不违反能量守恒定律,但它违反热力学第二定律，选项E错误；故选CDE．
考点：热力学第一定律；表面张力；气体的压强；永动机
11．2 m/s；2J
【解析】甲、乙两物体组成的系统动量守恒，以甲的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得： ，
代入数据解得，
由能量守恒定律得，
代入数据解得：E=2J；
12．（i）（ii）10J（iii）；
【解析】
【分析】
【详解】
（i）A到B是等温变化，压强和体积成反比，根据玻意耳定律有：
pAVA=pBVB
解得：
（ii）A状态至B状态过程是等温变化，气体内能不变，即：
△U=0
气体对外界做功：
W=-10J
根据热力学第一定律有：
△U=W+Q
解得：
Q=-W=10J
（iii）由B到C等压变化，根据盖吕萨克定律得：
解得：
TC＝T0
A到C等容变化，根据查理定律得：
解得：
【点睛】
本题第一问关键根据玻意耳定律列式求解，第二问关键根据热力学第一定律列式求解，注意理想气体的内能与热力学温度成正比．
13．（1）v0=8m/s（2）水落地时的速度大小为10m/s，方向与水平方向成37?角斜向下．
（3）P=710.4W
【解析】（1）水射出后，做平抛运动，故在竖直方向
水平方向：
解得：
（2）竖直方向：，水平方向：
水落地时：，tanθ=
解得：，
水落地时的速度大小为10m/s，方向与水平方向成37?角斜向下．
（3）设t时间内从管口喷出的水体积为V，的质量为m，则有：，
设t时间内水泵对水做的功为W，则有：
水泵输出的功率：
解得：
14．AD 放出 0.6 减小 3×1022
【解析】
【分析】
【详解】
（1）水位升高，压强增大，被封闭气体做等温变化，根据理想气体状态方程可知，气体体积减小，分子之间距离减小，因此引力和斥力都增大，故AD正确；气体温度不变，因此分子的热运动情况不变，分子平均动能不变，故BC错误．故选AD．
（2）在（1）中空气体积变化的过程中，气体温度不变，内能不变，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体放出热量Q=W=0.6J；若水位迅速降低，压强则迅速减小，体积迅速膨胀，气体对外做功，由于过程迅速，没有来得及吸放热，因此内能降低．
（3）物质的量为：，分子总数：，代入数据得：N=2.68×1022≈3×1022．
【点睛】
本题考查了热学的有关基础知识，比较简单，注意理想气体状态方程和热力学第一定律的应用．
15．①；
②﹣P0（L1﹣L2）S
【解析】
试题分析：（1）对气体做等压变化，由理想气体状态方程求温度；
（2）外界对气体做的功，然后由热力学第一定律求解
解：①气体发生等压变化，有
解得封闭气体的温度为 T2=
②设气体在T2时的内能为E2，由题意有
气体状态变化过程中内能变化了△U=E2﹣E1=
外界对气体做功W=P0（L1﹣L2）S 由热力学第一定律△U=W+Q
整个过程中通过缸壁传递的热量 Q=﹣P0（L1﹣L2）S
答：①求活塞下降到距离缸底L2处时，缸内封闭气体的温度；
②一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比，求整个过程中通过缸壁传递的热量﹣P0（L1﹣L2）S
【点评】本题考查了求气体体积、求传递的热量，应用平衡条件、玻意耳定律、热力学第一定律即可正确解题，应用热力学第一定律时，要注意各符号正负的含义
16．（1）气泡在上升的过程中，气体吸热1．
（2）气泡到达湖面时的体积2cm3
【解析】
试题分析：① 吸热（1分），气泡上升的过程中体积增大，对外做功，由于保持温度不变，故内能不变，由热力学第一定律可得，气泡需要吸热（2分）．
②气泡初始时的压强P1= P0+ρgh=2.0×105Pa (2分)
气泡浮到水面上的气压P1= P0=1.0×105Pa
由气体的等温变化可知，P1V1= P2V2(2分)
带入数据可得：V2=2cm3(1分)
考点：热力学第一定律，气体实验定律