高考物理人教通用名师考点点拨专题讲义专题15+热.docx
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高考物理人教通用名师考点点拨专题讲义专题15+热
高考定位
高考对本专题内容考查的重点和热点有:
①分子大小的估算;②对分子动理论内容的理解;③物态变化中的能量问题;④气体实验定律的理解和简单计算;⑤固、液、气三态的微观解释和理解;⑥热力学定律的理解和简单计算;⑦用油膜法估测分子大小等内容.应考策略:
内容琐碎、考查点多,复习中应以四块知识(分子动理论、从微观角度分析固体、液体、气体的性质、气体实验定律、热力学定律)为主干,梳理出知识点,进行理解性记忆.
考题1 热学基本规律与微观量计算的组合
例1
(2014·江苏·12A)一种海浪发电机的气室如图1所示.工作时,活塞随海浪上升或下降,改变气室中空气的压强,从而驱动进气阀门和出气阀门打开或关闭.气室先后经历吸入、压缩和排出空气的过程,推动出气口处的装置发电.气室中的空气可视为理想气体.
图1
(1)下列对理想气体的理解,正确的有________.
A.理想气体实际上并不存在,只是一种理想模型
B.只要气体压强不是很高就可视为理想气体
C.一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关
D.在任何温度、任何压强下,理想气体都遵循气体实验定律
(2)压缩过程中,两个阀门均关闭.若此过程中,气室中的气体与外界无热量交换,内能增加了3.4×104J,则该气体的分子平均动能________(选填“增大”、“减小”或“不变”),活塞对该气体所做的功________(选填“大于”、“小于”或“等于”)3.4×104J.
(3)上述过程中,气体刚被压缩时的温度为27℃,体积为0.224m3,压强为1个标准大气压.已知1mol气体在1个标准大气压、0℃时的体积为22.4L,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1.计算此时气室中气体的分子数.(计算结果保留一位有效数字)
解析
(1)理想气体是一种理想化模型,温度不太低、压强不太大的实际气体可视为理想气体;只有理想气体才遵循气体的实验定律,选项A、D正确,选项B错误.一定质量的理想气体的内能完全由温度决定,与体积无关,选项C错误.
(2)因为理想气体的内能完全由温度决定,当气体的内能增加时,气体的温度升高,温度是分子平均动能的标志,则气体分子的平均动能增大.
根据热力学第一定律,ΔU=Q+W,由于Q=0,所以W=ΔU=3.4×104J.
(3)设气体在标准状态时的体积为V1,等压过程为:
=
气体物质的量为:
n=,且分子数为:
N=nNA
解得N=NA
代入数据得N≈5×1024个
答案
(1)AD
(2)增大 等于 (3)5×1024
1.
(1)1mol任何气体在标准状况下的体积都是22.4L.试估算温度为0℃,压强为2个标准大气压时单位体积内气体分子数目为____________(结果保留两位有效数字).
(2)下列说法正确的是( )
A.液晶具有流动性,光学性质各向异性
B.气体的压强是由气体分子间斥力产生的
C.液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离,所以液体表面存在表面张力
D.气球等温膨胀,球内气体一定向外放热
答案
(1)5.4×1025
(2)AC
解析
(1)设0℃,p1=2atm,气体的体积V1=1m3,在标准状态下,压强p2=1atm,气体的体积为V2
由p1V1=p2V2得:
V2==m3=2m3
设气体的分子个数为N,则N=NA=5.4×1025个.
(2)气体压强是由大量气体分子频繁撞击器壁而产生的,B错误;气体等温膨胀说明:
W<0,ΔU=0,由ΔU=W+Q可知,Q>0,球内气体吸热,D错误.
2.在“用油膜法估测分子的大小”实验中,用注射器将一滴油酸酒精溶液滴入盛水的浅盘里,待水面稳定后,将玻璃板放在浅盘上,在玻璃板上描出油膜的轮廓,随后把玻璃板放在坐标纸上,其形状如图2所示,坐标纸上正方形小方格的边长为10mm,该油酸膜的面积是____m2;若一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是4×10-6mL,则油酸分子的直径是________m.(上述结果均保留1位有效数字)
图2
答案 8×10-3 5×10-10
解析 由于小方格的个数为80个,故油酸膜的面积是S=80×100×10-6m2=8×10-3m2;油酸分子直径为d==m=5×10-10m.
3.(2014·北京·13)下列说法中正确的是( )
A.物体温度降低,其分子热运动的平均动能增大
B.物体温度升高,其分子热运动的平均动能增大
C.物体温度降低,其内能一定增大
D.物体温度不变,其内能一定不变
答案 B
解析 温度是物体分子平均动能的标志,所以物体温度升高,其分子热运动的平均动能增大,A错,B对;影响物体内能的因素是温度、体积和物质的量,所以只根据温度的变化情况无法判断内能的变化情况,C、D错.
解答微观量计算问题时应注意:
(1)固体、液体分子可认为紧靠在一起,可看成球体或立方体;气体分子只能按立方体模型计算所占的空间.
(2)阿伏加德罗常数是联系宏观与微观的桥梁,计算时要注意抓住与其相关的三个量:
摩尔质量、摩尔体积和物质的量.
考题2 热学基本规律与气体实验定律的组合
例2
(1)下列说法中正确的是________.
A.理想气体温度升高时,分子的平均动能一定增大
B.一定质量的理想气体,体积减小时,单位体积的分子数增多,气体的压强一定增大
C.压缩处于绝热容器中的一定质量的理想气体,其内能一定增加
D.当分子间的相互作用力为引力时,其分子间没有斥力
E.分子a从远处靠近不动的分子b的过程中,当它们相互作用力为零时,分子a的动能一定最大
(2)如图3所示,U形管两臂粗细不等,开口向上,右端封闭的粗管横截面积是开口的细管的三倍,管中装入水银,大气压为76cmHg.左端开口管中水银面到管口距离为11cm,且水银面比封闭管内高4cm,封闭管内空气柱长为11cm.现在开口端用小活塞封住,并缓慢推动活塞,使两管液面相平,推动过程中两管的气体温度始终不变,试求:
图3
①粗管中气体的最终压强;
②活塞推动的距离.
解析
(1)一定质量的理想气体,体积减小时,由于温度变化不确定,则气体的压强不一定增大,故B错误;分子间同时存在引力和斥力,二力同时存在,故D错误.故选A、C、E.
(2)①设左管横截面积为S,则右管横截面积为3S,以右管封闭气体为研究对象.
初状态p1=80cmHg,V1=11×3S=33S,两管液面相平时,Sh1=3Sh2,h1+h2=4cm,解得h2=1cm,此时右端封闭管内空气柱长l=10cm,V2=10×3S=30S
气体做等温变化有p1V1=p2V2
即80×33S=p2×30S
p2=88cmHg.
②以左管被活塞封闭气体为研究对象
p1′=76cmHg,V1′=11S,p2=p2′=88cmHg
气体做等温变化有p1′V1′=p2′V2′
解得V2′=9.5S
活塞推动的距离为L=11cm+3cm-9.5cm=4.5cm
答案
(1)ACE
(2)①88cmHg ②4.5cm
4.(2014·广东·17)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图4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4
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 实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体.充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,温度升高,选项A、C正确;根据理想气体状态方程=C可判断压强一定增大,选项B、D错误.
5.(2014·重庆·10)
(1)重庆出租车常以天然气作为燃料,加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中,若储气罐内气体体积及质量均不变,则罐内气体(可视为理想气体)( )
A.压强增大,内能减小
B.吸收热量,内能增大
C.压强减小,分子平均动能增大
D.对外做功,分子平均动能减小
(2)图5为一种减震垫,上面布满了圆柱状薄膜气泡,每个气泡内充满体积为V0、压强为p0的气体.当平板状物品平放在气泡上时,气泡被压缩.若气泡内气体可视为理想气体,其温度保持不变.当体积压缩到V时气泡与物品接触面的面积为S.求此时每个气泡内气体对接触面处薄膜的压力.
图5
答案
(1)B
(2)S
解析
(1)储气罐内气体体积及质量均不变,温度升高,气体从外界吸收热量,分子平均动能增大,内能增大,压强变大.因气体体积不变,故外界对气体不做功,只有B正确.
(2)取气泡内的气体研究,设压缩后气泡内气体压强为p,由玻意耳定律得p0V0=pV,则p=,故气体对接触面处薄膜的压力F=pS=S.
6.
(1)下列说法中正确的是________.
A.当分子间的距离增大时,分子间的斥力减小,引力增大
B.一定质量的理想气体对外界做功时,它的内能有可能增加
C.有些单晶体沿不同方向的光学性质不同
D.从单一热源吸收热量,使之全部变成功而不产生其他影响是不可能的
(2)有一导热气缸,气缸内用质量为m的活塞密封一定质量的理想气体,活塞的横截面积为S,大气压强为p0.如图6所示,气缸水平放置时,活塞距离气缸底部的距离为L,现将气缸竖立起来,活塞将缓慢下降,不计活塞与气缸间的摩擦,不计气缸周围环境温度的变化,求活塞静止时活塞到气缸底部的距离.
图6
答案
(1)BCD
(2)L
解析
(2)缸内密闭的气体经历的是等温过程,设气缸竖直放置后,活塞静止时活塞到气缸底部的距离为h.
气缸水平放置时,对活塞有:
p1S-p0S=0
气缸竖直放置后活塞静止时,对活塞有:
p2S-mg-p0S=0
据玻意耳定律有:
p1LS=p2hS
解得:
h=L
应用气体实验定律的三个重点环节:
1.正确选择研究对象:
对于变质量问题要保证研究质量不变的部分;对于多部分气体问题,要各部分独立研究,各部分之间一般通过压强找联系.
2.列出各状态的参量:
气体在初、末状态,往往会有两个(或三个)参量发生变化,把这些状态参量罗列出来会比较准确、快速的找到规律.
3.认清变化过程:
准确分析变化过程以便正确选用气体实验定律.
考题3 气体实验定律与热力学定律综合问题的分析技巧
例3 如图7所示,一圆柱形绝热容器竖直放置,通过绝热活塞封闭着摄氏温度为t1的理想气体,活塞的质量为m,横截面积为S,与容器底部相距h1.现通过电热丝给气体加热一段时间,使其温度上升到t2(摄氏温度),若这段时间内气体吸收的热量为Q,已知大气压强为p0,重力加速度为g,求:
图7
(1)气体的压强;
(2)这段时间内活塞上升的距离是多少?
(3)这段时间内气体的内能如何变化,变化了多少?
解析
(1)对活塞受力分析,由平衡条件得p=p0+
(2)设温度为t2时活塞与容器底部相距h2.
由盖—吕萨克定律=得:
=
由此得:
h2=
活塞上升的距离为Δh=h2-h1=.
(3)气体对外做功为W=pS·Δh=(p0+)·S·=(p0S+mg)
由热力学第一定律可知
ΔU=Q-W=Q-(p0S+mg).
答案
(1)p0+
(2)
(3)Q-(p0S+mg)
7.
(1)下列说法正确的是________.
a.当分子力表现为引力时,分子力和分子势能都是随着分子间距离的增大而减小
b.单晶体和多晶体都有确定的熔点和凝固点
c.在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的,符合能量守恒定律的宏观过程都能自然发生
d.当液体与大气相接触时,液体表面层内的分子所受其它分子作用力的合力总是指向液体内部
(2)如图8所示,导热材料制成的截面积相等、长度均为L=60cm的气缸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pA=2.0×105Pa的理想气体,B内充满压强pB=1.0×105Pa的同种理想气体,忽略连接气缸的管道体积,室温不变.现打开阀门,求:
图8
①平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强;
②活塞移动过程中B中气体是吸热还是放热?
答案
(1)bd
(2)①20cm 1.5×105Pa ②放热
解析
(2)①平衡后两部分气体的压强相等设为p,设活塞的面积为S,活塞移动的距离为x,根据玻意耳定律
pALS=p(L+x)S
pBLS=p(L-x)S
解得p=1.5×105Pa
x=20cm
②活塞向右移动压缩B内气体,即外界对B气体做功,但温度不变,故内能不变.根据热力学第一定律,B气体放出热量.
8.
(1)下列说法中正确的有________.
A.已知水的摩尔质量和水分子的质量,就可以计算出阿伏加德罗常数
B.布朗运动说明分子在永不停息地做无规则运动
C.两个分子间由很远(r>10-9m)距离减小到很难再靠近的过程中,分子间作用力先减小后增大,分子势能不断增大
D.露珠呈球状是由于液体表面张力的作用
(2)如图9甲所示,一端开口导热良好的气缸放置在水平平台上,活塞质量为10kg,横截面积为50cm2,气缸全长21cm,气缸质量20kg,大气压强为1×105Pa,当温度为7℃时,活塞封闭的气柱长10cm,现将气缸倒过来竖直悬挂在天花板上,如图乙所示,g取10m/s2.
图9
①求稳定后,活塞相对气缸移动的距离;
②当气缸被竖直悬挂在天花板上,活塞下降并达到稳定的过程中,判断气缸内气体是吸热还是放热,并简述原因.
答案
(1)ABD
(2)①5cm ②吸热 气缸倒置过程中,气缸内气体体积变大,对外做功,而气体内能不变,据热力学第一定律,气缸内气体吸热
解析
(2)①设气缸倒置前后被封闭的气体的压强分别为p1和p2,气柱体积分别为V1和V2,活塞向下移动的距离为x,则
p1=p0+=1.2×105Pa,V1=L1S
p2=p0-=0.8×105Pa,V2=L2S=(L1+x)S
因为气缸导热良好,则气缸倒置前后温度不变,
由玻意耳定律得:
p1V1=p2V2
解得x=5cm
②气缸倒置过程中,气缸内气体体积变大,对外做功,而气体内能不变,所以,气缸内气体吸热.
9.
(1)下列说法正确的是________.
A.单晶体和多晶体在物理性质上均表现为各向异性
B.墨水滴入水中出现扩散现象,这是分子无规则运动的结果
C.不可能从单一热源吸收热量全部用来做功
D.缝衣针漂浮在水面上是表面张力作用的结果
(2)如图10所示,有一光滑的导热性能良好的活塞C将容器分成A、B两室,A室体积为V0,B室的体积是A室的两倍,A、B两室分别有一定质量的理想气体.A室上连有一U形管(U形管内气体的体积忽略不计),当两边水银柱高度差为19cm时,两室气体的温度均为T1=300K.若气体的温度缓慢变化,当U形管两边水银柱等高时,求:
(外界大气压等于76cm汞柱)
图10
①此时气体的温度为多少?
②在这个过程中B气体的内能如何变化?
做功情况如何?
从外界吸热还是放热?
(不需说明理由)
答案
(1)BD
(2)①240K ②在这个过程中B气体的内能减少;外界对气体不做功,气体对外界放热
解析
(2)①由题意知,气体的状态参量为:
初状态
对A气体:
VA=V0,TA=T1=300K,pA=p0+h=95cmHg
对B气体:
VB=2V0,TB=T1=300K,pB=p0+h=95cmHg
末状态
对A气体:
VA′=V,pA′=p0=76cmHg
对B气体:
VB′=3V0-V,pB′=p0=76cmHg
由理想气体状态方程得:
对A气体:
=
对B气体:
=
代入数据解得:
T=240K,V=V0
②气体B末状态的体积:
VB′=3V0-V=2V0=VB,
由于整个过程中气体B初末状态体积不变,外界对气体不做功,温度降低,内能减小,由热力学第一定律可知,气体对外放出热量.
这类综合问题对热力学第一定律的考查有定性判断和定
量计算两种方式:
(1)定性判断.利用题中的条件和符号法则对W、Q、ΔU中的其中两个量做出准确的符号判断,然后利用ΔU=W+Q对第三个量做出判断.
(2)定量计算.一般计算等压变化过程的功,即W=p·ΔV,然后结合其他条件,利用ΔU=W+Q进行相关计算.
(3)注意符号正负的规定.若研究对象为气体,对气体做功的正负由气体体积的变化决定.气体体积增大,气体对外界做功,W<0;气体的体积减小,外界对气体做功,W>0.
知识专题练 训练15
题组1 热学基本规律与微观量计算的组合
1.以下说法正确的是________.
A.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及气体分子的平均动能都有关
B.布朗运动是液体分子的运动,它说明分子不停息地做无规则热运动
C.当分子间的引力和斥力平衡时,分子势能最小
D.如果气体分子总数不变,而气体温度升高,气体的平均动能一定增大,因此压强也必然增大
E.当分子间距离增大时,分子间的引力和斥力都减小
答案 ACE
解析 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及气体分子的平均动能都有关,单位体积内的分子数越多,则气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数越多;分子的平均动能越大,则气体的平均速率越大,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A正确;布朗运动是悬浮在液体中的固体颗粒的运动,它说明液体分子不停息地做无规则热运动,选项B错误;当分子间的引力和斥力平衡时,即r=r0位置,分子势能最小,选项C正确;如果气体分子总数不变,而气体温度升高,气体的平均动能一定增大,但是如果气体的体积变大,则气体分子密度减小,因此压强不一定增大,选项D错误;当分子间距离增大时,分子间的引力和斥力都减小,选项E正确.
2.在做“用油膜法估测分子的大小”实验时,将6mL的油酸溶于酒精中制成104mL的油酸酒精溶液.用注射器取适量溶液滴入量筒,测得每滴入75滴,量筒内的溶液增加1mL.用注射器把1滴这样的溶液滴入表面撒有痱子粉的浅水盘中,把玻璃板盖在浅盘上并描出油酸膜边缘轮廓,如图1所示.已知玻璃板上正方形小方格的边长为1cm,则油酸膜的面积约为________m2(保留两位有效数字).由以上数据,可估算出油酸分子的直径约为_______m(保留两位有效数字).
图1
答案 1.1×10-2 7.3×10-10
解析 正方形小方格的边长为1cm,则每个小方格的面积为1cm2=1×10-4m2,油膜所占方格的个数以超过半格算一格,不够半格舍去的原则,对照图像可得共占据方格112个,所以油膜面积约为112×1×10-4m2≈1.1×10-2m2.油膜为单分子薄膜,即油膜厚度等于分子直径,所以有d==≈7.3×10-10m.
题组2 热学基本规律与气体实验定律的组合
3.
(1)关于一定量的理想气体,下列说法正确的是( )
A.气体分子的体积是指每个气体分子平均所占有的空间体积
B.只要能增加气体分子热运动的剧烈程度,气体的温度就可以升高
C.在完全失重的情况下,气体对容器壁的压强为零
D.气体从外界吸收热量,其内能不一定增加
E.气体在等压膨胀过程中温度一定升高
(2)“拔火罐”是一种中医疗法,为了探究“火罐”的“吸力”,某人设计了如图2所示的实验.圆柱状气缸(横截面积为S)被固定在铁架台上,轻质活塞通过细线与重物m相连,将一团燃烧的轻质酒精棉球从缸底的开关K处扔到气缸内,酒精棉球熄灭时(设此时缸内温度为t℃)关闭开关K,此时活塞下的细线刚好拉直且拉力为零,而这时活塞距缸底为L.由于气缸传热良好,重物被吸起,最后重物稳定在距地面处.已知环境温度为27℃不变,与大气压强相当,气缸内的气体可看作理想气体,求t值.
图2
答案
(1)BDE
(2)127℃
解析
(2)当气缸内温度为t℃时,气缸内封闭气体Ⅰ状态:
p1=p0
V1=LS
T1=(273+t)K
当气缸内温度为27℃时,气缸内封闭气体Ⅱ状态:
p2=p0-=p0
V2=LS
T2=300K
由理想气体状态方程:
=
T1=400K
故t=127℃
4.
(1)下列判断正确的有________.
A.液晶既具有液体的流动性,又像某些晶体那样具有光学各向异性
B.气体经等压升温后,内能增大,外界需要对气体做功
C.当分子力表现为斥力时,分子力和分子势能总随分子间距离的减小而减小
D.小昆虫能在水面上跑动,是因为水的表面张力的缘故
E.第二类永动机不能实现,并不是因为违背了能量守恒定律
(2)如图3所示,一个密闭的导热气缸里用质量为M、横截面积为S的活塞封闭了A、B两部分气体,此时上下气体体积相等,当把气缸倒置稳定后A、B两部分气体体积比为1∶2,重力加速度为g,求后来B气体的压强.
图3
答案
(1)ADE
(2)
解析
(2)由初始平衡状态:
pAS+Mg=pBS
由最终平衡状态:
pA′S-Mg=pB′S
设气缸总容积为V,因为气缸导热,气体做等温变化,有:
pA·=pA′· pB·=pB′·
联立上面的方程,得pB′=
5.
(1)下列说法中正确的是________.
A.凡是具有规则几何形状的物体一定是单晶体,单晶体和多晶体都具有各向异性
B.液体表面层内分子分布比液体内部稀疏,所以分子间作用力表现为引力
C.布朗运动是悬浮在液体中的固体分子的运动,它间接说明分子永不停息地做无规则运动
D.满足能量守恒定律的客观过程并不都是可以自发地进行的
E.一定量的气体,在压强不变时,分子每秒对器壁单位面积平均碰撞次数随着温度降低而增加
(2)如图4是粗细均匀一端封闭一端开口的U形玻璃管,大气压强p0=76cmHg,当两管水银面相平时,左管被封闭气柱长L1=20cm、温度t1=31℃,求:
图4
①当气柱温度t2等于多少℃时,左管中气柱长为21cm?
②保持t1温度不变,为使左管气柱变为19cm,应在右管加入多长的水银柱?
答案
(1)BDE
(2)①54.6℃ ②6cm
解析
(2)①当左管气柱变为21cm时,右管水银面将比左管水银面高2cm,
此时左管气柱压强:
p2=(76+2)cmHg=78cmHg
研究左管气柱由一定质量理想气体状态方程:
=
其中p1=p0=76cmHg,V1=20S,T1=(273+31)K=304K,V2=21S,T2=(273+t2)K
代入数据解得:
t2=54.6℃
②设左管气柱变为19cm时压强为p3,由题意可知左管气柱做等温变化,根据玻意耳定律:
p1V1=p3V3
得76cmHg×20S=p3×19S
解得:
p3=80cmHg
右管加入的水银柱长:
h=80cm-76cm+(20-19)×2cm=6cm
6.如图5所示,一端开口的极细玻璃管开口朝下竖直立于水银槽的水银中,初始状态管内外水银面的高度差为l0=62cm,系统温度为27℃.因怀疑玻璃管液面上方存在空气,现从初始状态分别进行两次试验如下:
图5
①保持系统温度不变,将玻璃管竖直向上提升2cm(开口仍在水银槽液面以下),结果液面高度差增加1cm;
②将系统温度升到77℃,结果液面高度差减小1cm.
已知玻璃管内粗细均匀,空气可看成理想气体,热力学零度可认为是-273℃.求