2025年高三物理上学期“物理分子机器”中的物理知识考查卷

2025年高三物理上学期“物理分子机器”中的物理知识考查卷一、选择题（共10小题，每小题4分，共40分）分子机器的微观结构基础下列关于分子机器组成的说法正确的是（）A.分子机器由单个分子构成，其直径约为10⁻⁶mB.组成分子机器的分子间距离始终等于平衡距离r₀（10⁻¹⁰m）C.分子机器中分子的质量可通过摩尔质量与阿伏加德罗常数计算得出D.分子机器的体积等于组成它的所有分子体积之和解析：分子机器由大量分子组成，分子直径数量级为10⁻¹⁰m（A错误）；分子间距离随机器运动状态变化，可能大于或小于r₀（B错误）；分子质量m₀=M/Nₐ，其中M为摩尔质量，Nₐ为阿伏加德罗常数（C正确）；分子间存在间隙，机器体积大于分子体积之和（D错误）。分子热运动与布朗运动某实验观察到分子机器中的悬浮颗粒在液体中做无规则运动，下列说法正确的是（）A.颗粒越大，运动越明显，因为其惯性更大B.温度升高时，颗粒运动加剧，说明分子热运动的平均动能减小C.颗粒运动轨迹是折线，反映了液体分子的无规则运动D.若将实验液体换成气体，颗粒运动现象消失解析：颗粒越小，分子撞击不平衡性越显著，运动越剧烈（A错误）；温度升高，分子平均动能增大，颗粒运动加剧（B错误）；布朗运动轨迹由位置连线构成，间接反映分子热运动（C正确）；气体中悬浮颗粒也会因分子碰撞产生布朗运动（D错误）。分子间作用力与分子势能分子机器中两个相邻分子的势能Eₚ随距离r变化的关系如图所示（示意图），下列说法正确的是（）A.当r=r₀时，分子力为引力，势能最小B.当r<r₀时，分子力表现为斥力，势能随r减小而增大C.当r>10r₀时，分子力为零，势能为零D.分子机器运转时，分子势能的变化与温度无关解析：r=r₀时分子力为零，势能最小（A错误）；r<r₀时斥力大于引力，分子力表现为斥力，r减小则斥力做负功，势能增大（B正确）；势能零点人为规定，r>10r₀时势能可为某一常数（C错误）；温度影响分子热运动，间接改变分子间距和势能（D错误）。热力学第一定律的应用某分子机器工作时从外界吸收热量Q，对外做功W，同时向低温热源释放热量Q₂，则（）A.机器的内能变化ΔU=Q+WB.若Q=20J，W=10J，则Q₂=30JC.非理想气体分子机器的内能仅由温度决定D.机器运转过程中，机械能可以全部转化为内能解析：热力学第一定律ΔU=Q-W（外界对系统做功为正），A错误；能量守恒Q=W+Q₂，故Q₂=10J（B错误）；非理想气体内能与温度、体积有关（C错误）；根据热力学第二定律，机械能可完全转化为内能（D正确）。热力学第二定律与分子机器效率关于分子机器的效率，下列说法正确的是（）A.理想分子热机的效率可达100%，因为分子间碰撞为弹性碰撞B.分子机器从单一热源吸热对外做功而不产生其他影响是可能的C.实际分子机器的效率随温度升高而一定增大D.机器运转中，能量耗散导致可用能量减少，符合热力学第二定律解析：根据开尔文表述，热机效率不可能达100%（A错误）；不可能从单一热源吸热做功而不产生其他影响（B错误）；效率还与热源温差有关，高温可能导致分子无序性增加，效率降低（C错误）；能量耗散使熵增加，符合热力学第二定律（D正确）。二、实验题（共2小题，共30分）用油膜法估测分子机器中分子直径某研究小组用油酸酒精溶液测量分子机器中液态分子的直径，实验步骤如下：①配置油酸酒精溶液：将体积V₀=1mL的油酸溶于酒精，制成V=500mL的溶液；②用滴管滴取溶液，每滴体积V滴=0.02mL，共滴出n=50滴形成单分子油膜；③测量油膜面积S=120cm²。（1）计算1滴溶液中纯油酸的体积V₁=______m³；（2）估算分子直径d=m（保留一位有效数字）；（3）若实验中油酸未完全散开，则测量结果比真实值（选填“偏大”“偏小”或“不变”）。答案：（1）V₁=（V₀/V）×V滴=（1/500）×0.02mL=4×10⁻¹²m³；（2）d=V₁/S=4×10⁻¹²m³/1.2×10⁻²m²≈3×10⁻¹⁰m；（3）偏大（油膜面积S测量值偏小，d=V/S偏大）。分子机器的内能变化实验某实验装置通过控制分子机器的温度和体积，探究其内能变化：（1）在等容过程中，机器吸收热量50J，温度升高10K，若分子总数为N=10²¹个，分子平均动能增量ΔEₖ=______J（普朗克常量k=1.38×10⁻²³J/K，忽略分子势能）；（2）在等压膨胀过程中，外界对机器做功-20J（机器对外做功20J），内能增加30J，则机器吸收的热量Q=______J。答案：（1）ΔEₖ总=N×(3/2)kΔT=10²¹×1.5×1.38×10⁻²³×10≈0.21J，平均动能增量ΔEₖ=0.21J/10²¹≈2×10⁻²²J；（2）由ΔU=Q+W得Q=ΔU-W=30J-(-20J)=50J。三、计算题（共2小题，共30分）分子机器的功率与能量转换某分子机器由N=6×10²³个分子组成，每个分子的质量m₀=4.65×10⁻²⁶kg，在温度T=300K时，分子平均动能Eₖ=6.21×10⁻²¹J。机器工作时，每秒有n=10²⁰个分子从低能级跃迁到高能级，吸收能量ε=1.6×10⁻²⁰J，同时对外输出机械功。（1）求机器的摩尔质量M；（2）若机器效率η=20%，求其输出功率P。解答：（1）M=m₀Nₐ=4.65×10⁻²⁶kg×6.02×10²³mol⁻¹≈0.028kg/mol（或28g/mol）；（2）每秒吸收总能量Q=nε=10²⁰×1.6×10⁻²⁰J=16J，输出功率P=ηQ=0.2×16W=3.2W。热力学定律与分子机器循环过程某分子热机经历如图所示的循环过程（A→B→C→A），其中A→B为等温膨胀，B→C为等容降温，C→A为等压压缩。已知A状态体积Vₐ=2L，压强pₐ=1×10⁵Pa，温度Tₐ=300K；B状态体积Vᵦ=4L。（1）求B状态的压强pᵦ；（2）若C→A过程中外界对机器做功W=150J，求该过程中机器吸收或释放的热量Q。解答：（1）A→B等温过程，由玻意耳定律pₐVₐ=pᵦVᵦ得pᵦ=pₐVₐ/Vᵦ=1×10⁵Pa×2L/4L=5×10⁴Pa；（2）C→A等压压缩，W=150J（外界对系统做功），根据热力学第一定律ΔU=Q+W。因循环过程总内能变化为0，A→B吸热Q₁=pₐVₐln(Vᵦ/Vₐ)=1×10⁵×2×10⁻³×ln2≈138.6J；B→C等容降温放热Q₂=ΔUᵦ→c（内能减少）；C→A过程ΔU=Q+W=-（Q₁-Q₂），解得Q=ΔU-W=-288.6J（释放热量288.6J）。四、综合题（共20分）分子机器的设计与物理原理（1）分子马达：某种分子马达通过ATP水解提供能量，驱动分子沿轨道运动。已知水解1个ATP分子释放能量ΔE=8×10⁻²⁰J，马达每秒水解N=5×10⁴个ATP分子，效率η=30%，求其输出机械功率。（2）熵增原理：分子机器工作时，周围环境温度T=300K，若每秒产生熵变ΔS=2×10⁻¹⁸J/K，求该过程中散失到环境的热量Q。（3）量子效应：在纳米尺度下，分子机器可能表现出量子隧穿效应。若某分子的德布罗意波长λ=10⁻¹⁰m，质量m=10⁻²⁵kg，求其运动速度v（普朗克常量h=6.63×10⁻³⁴J·s）。解答：（1）总能量E=NΔE=5×10⁴×8×10⁻²⁰J=4×10