高三物理二轮复习教师用书专题七选修3－3热学

板块一专题突破复习[知识建构][高考调研]1.考查方向：高考对本部分内容考查的重点和热点：①分子大小的估算．②对分子动理论内容的理解．③气体实验定律的理解和计算．④固、液、气三态的特点和理解．⑤热力学定律的理解和简单计算．⑥用油膜法估测分子大小等内容．2.常用的思想方法：①测分子直径的方法．②估算微观量的方法．③理想模型法．[答案](1)布朗运动与热运动异同点对比(2)对物体内能的理解①物体的体积越大，分子势能不一定越大，如0℃的水结成0℃的冰后体积变大，但分子势能却减小了．②理想气体分子间相互作用力为零，故分子势能忽略不计，一定质量的理想气体的内能只与温度有关．③内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法．(3)热力学第一定律应用思路与技巧应注意符号法则：“＋”表示外界对物体或流向物体；“－”表示物体对外界或流向外界．ΔU＝Q＋W的三种特殊情况：①若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．②若过程是等容的，即W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．③若过程是等温的，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．(4)①一定质量的理想气体，p、T、V三者的关系是：eq\f(pV,T)＝C，C是一个定值．②气体实验定律可看成理想气体状态方程的特例．当m不变，T1＝T2时，p1V1＝p2V2——玻意耳定律．当m不变，V1＝V2时，eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)——查理定律．当m不变，p1＝p2时，eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)——盖—吕萨克定律．考向一分子动理论、固体和液体[归纳提炼]1．分子热运动的实验基础：扩散现象和布朗运动．(1)扩散现象特点：温度越高，扩散越快．(2)布朗运动特点：液体内固体小颗粒永不停息、无规则的运动，颗粒越小、温度越高，运动越剧烈．(3)分子间的相互作用力和分子势能①分子力：分子间引力与斥力的合力．分子间距离增大，引力和斥力均减小；分子间距离减小，引力和斥力均增大，但斥力总比引力变化得快．②分子势能：分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增大；当分子间距为r0(分子间的距离为r0时，分子间作用的合力为0)时，分子势能最小．2．固体和液体(1)晶体和非晶体的分子结构不同，表现出的物理性质不同．晶体具有确定的熔点．单晶体表现出各向异性，多晶体和非晶体表现出各向同性．晶体和非晶体在适当的条件下可以相互转化．(2)液晶是一种特殊的物质状态，所处的状态介于固态和液态之间．液晶具有流动性，在光学、电学物理性质上表现出各向异性．(3)液体的表面张力使液体表面具有收缩到最小的趋势，表面张力的方向跟液面相切．[熟练强化]1．(2017·北京卷)以下关于热运动的说法正确的是()A．水流速度越大，水分子的热运动越剧烈B．水凝结成冰后，水分子的热运动停止C．水的温度越高，水分子的热运动越剧烈D．水的温度升高，每一个水分子的运动速率都会增大[解析]本题考查分子动理论．温度是分子热运动平均动能的标志，故温度越高，分子热运动越剧烈．分子热运动的剧烈程度与机械运动速度大小无关，故选项A错C对；水凝结成冰后，分子热运动依然存在，B项错误；温度升高，分子运动的平均速率增大，但不是每个分子的运动速率都会增大，D项错误．[答案]C2．(多选)(2017·山西五校四联)下列说法正确的是()A．具有各向异性的固体一定是晶体B．悬浮在液体中的小颗粒越大，布朗运动越剧烈C．露珠呈球状是由于液体表面张力的作用D．两个分子间的引力和斥力均随分子间距的增大而减小，但斥力比引力减小得更快E．把两块纯净的铅压紧，它们会“粘”在一起，说明分子间只存在分子引力[解析]小颗粒越大，在某一瞬间液体分子对它的撞击次数越多，各个方向的撞击作用更接近平衡，布朗运动越不明显，B项错误．把两块纯净的铅压紧，它们会“粘”在一起，说明分子间存在引力，不能说明“只”存在引力，E项错误．[答案]ACD3．(多选)对于分子动理论和物体内能的理解，下列说法正确的是()A．温度高的物体内能不一定大，但分子平均动能一定大B．外界对物体做功，物体内能一定增加C．温度越高，布朗运动越显著D．当分子间的距离增大时，分子间作用力就一直减小E．当分子间作用力表现为斥力时，分子势能随分子间距离的减小而增大[解析]温度高的物体分子平均动能一定大，但是内能不一定大，选项A正确；外界对物体做功，若物体同时向外散热，物体内能不一定增加，选项B错误；温度越高，液体分子运动越剧烈，布朗运动越显著，选项C正确；当分子间的距离增大时，分子间作用力可能先增大后减小，选项D错误；当分子间作用力表现为斥力时，分子间距离减小，分子力做负功，分子势能增大，选项E正确．[答案]ACE4．(多选)(2016·河南六校联考)两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不再靠近．在此过程中，下列说法正确的是()A．分子力先增大，后一直减小B．分子力先做正功，后做负功C．分子动能先增大，后减小D．分子势能先增大，后减小E．分子势能和动能之和不变[解析]由分子动理论的知识，当两个分子相互靠近，直至不能靠近的过程中，分子力先是表现为引力且先增大后减小，之后表现为分子斥力，一直增大，所以选项A错误；分子引力先做正功，然后分子斥力做负功，分子势能先减小再增大，分子动能先增大后减小，所以选项B、C正确，D错误；因为只有分子力做功，所以分子势能和分子动能的总和保持不变，选项E正确．[答案]BCE判断分子势能变化的两种方法方法一：利用分子力做功判断．分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增加．方法二：利用分子势能Ep与分子间距离r的关系图线判断．如右图所示．但要注意此图线和分子力与分子间距离的关系图线形状虽然相似，但意义不同，不要混淆．考向二对热力学定律的理解[归纳提炼]1．热力学第一定律反映功、热量与内能改变量之间的定量关系：ΔU＝W＋Q，使用时注意符号法则(简记为：外界对系统取正，系统对外取负)．对理想气体，ΔU仅由温度决定，W仅由体积决定，绝热情况下，Q＝0.2．热力学第二定律指明了哪些过程可能发生，哪些过程不可能发生，如：第二类永动机不可能实现、热现象中的能量耗散是不可避免的，揭示了自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性，一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行的．[熟练强化]1．(2015·北京卷)下列说法正确的是()A．物体放出热量，其内能一定减小B．物体对外做功，其内能一定减小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[解析]本题考查热力学第一定律，意在考查学生的理解能力．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，但外界对物体做正功，则ΔU不一定为负值，即内能不一定减少，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确．[答案]C2．如图所示，一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340J的热量，并对外做功120J．若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，则这一过程中气体________(填“吸收”或“放出”)________J热量．[解析]由热力学第一定律可得，该气体由状态a沿abc变化到状态c的过程中内能的变化量ΔU＝W＋Q＝－120J＋340J＝220J，因此该气体由状态a沿adc变化到状态c时，Q1＝ΔU－W1＝220J－(－40J)＝260J，显然此过程中气体从外界吸收热量．[答案]吸收2603．(2015·重庆卷)某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么()A．外界对胎内气体做功，气体内能减小B．外界对胎内气体做功，气体内能增大C．胎内气体对外界做功，内能减小D．胎内气体对外界做功，内能增大[解析]本题主要考查热力学第一定律和分子动理论，意在考查学生对物理规律的理解能力和联系实际的能力．以胎内气体作为研究对象，由于气体温度升高，内能增大，体积增大，胎内气体对外做功，所以D项正确．[答案]D4．(2017·河北名校联盟)关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是()A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的[解析]第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确．[答案]D1有关热力学第一定律的几种特殊情况.①若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；②若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；③若过程的始、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量.2理想气体内能变化参考温度变化，做功情况参考体积变化气体做功W＝pΔV.考向三气体实验定律和理想气体状态方程[归纳提炼]1．理想气体是指严格遵守气体实验定律的气体(1)理想气体是一种经科学地抽象而建立的理想化模型，实际上不存在．理想气体分子之间不存在相互作用力，分子间没有分子势能，气体的内能只与温度有关．(2)实际气体特别是那些不易液化的气体在压强不太大、温度不太低时都可当作理想气体来处理．2．气体的三个实验定律都是理想气体状态方程的特例理想气体状态方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)(1)当T1＝T2时，p1V1＝p2V2(玻意耳定律)(2)当V1＝V2时，eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)(查理定律)(3)当p1＝p2时，eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)(盖—吕萨克定律)(2017·全国卷Ⅰ)如图，容积均为V的汽缸A、B下端有细管(容积可忽略)连通，阀门K2位于细管的中部，A、B的顶部各有一阀门K1、K3，B中有一可自由滑动的活塞(质量、体积均可忽略)．初始时，三个阀门均打开，活塞在B的底部；关闭K2、K3，通过K1给汽缸充气，使A中气体的压强达到大气压p0的3倍后关闭K1.已知室温为27℃，汽缸导热.(1)打开K2，求稳定时活塞上方气体的体积和压强；(2)接着打开K3，求稳定时活塞的位置；(3)再缓慢加热汽缸内气体使其温度升高20℃，求此时活塞下方气体的压强．[思路点拨]此题有两个研究对象、多个过程，求解时要注意两方面的问题：①要把两部分气体分开看待，分别对每一部分气体分析出初、末状态的(p、V、T)情况，分别应用相应的定律列出相应的方程，切不可盲目地将两部分气体视为两种状态；②要找出两部分气体之间的联系，如总体积不变，借助活塞(或液柱)平衡分析压强，容器壁绝热还是导热等，利用这些关系，寻找联系的桥梁．可列表如下[解析](1)设打开K2后，稳定时活塞上方气体的压强为p1，体积为V1.依题意，被活塞分开的两部分气体都经历等温过程．由玻意耳定律得p0V＝p1V1①(3p0)V＝p1(2V－V1)②联立①②式得V1＝eq\f(V,2)③p1＝2p0④(2)打开K3后，由④式知，活塞必定上升．设在活塞下方气体与A中气体的体积之和为V2(V2≤2V)时，活塞下气体压强为p2.由玻意耳定律得(3p0)V＝p2V2⑤由⑤式得p2＝eq\f(3V,V2)p0⑥由⑥式知，打开K3后活塞上升直到B的顶部为止；此时p2为p2′＝eq\f(3,2)p0.(3)设加热后活塞下方气体的压强为p3，气体温度从T1＝300K升高到T2＝320K的等容过程中，由查理定律得eq\f(p2′,T1)＝eq\f(p3,T2)⑦将有关数据代入⑦式得p3＝1.6p0⑧[答案](1)eq\f(V,2)2p0(2)B的顶部(3)1.6p0图表法是解决多对象、多过程问题最直观的方法，能有效避免用规律代公式时张冠李戴，有两个优势：1不同研究对象通过桥梁可以找到状态参量之间的联系；2同一研究对象质量不变时，它的状态变化才能用气体实验定律列方程.做题时不一定列这么规范的表格，但一定要有表格中呈现的完整的思维活动.应用气体实验定律和理想气体状态方程解决问题时应注意的问题：1分析确定所选研究对象状态变化前后的状态参量.2分析液柱或活塞受力，利用平衡条件或牛顿第二定律确定压强关系.3气体体积变化与气体压强变化的关系.4构建物理模型：对于理想气体，可以直接根据温度的变化来确定内能的变化.吸、放热不能直接确定时，则要放在最后，根据热力学第一定律来确定.必须指出的是，一般来说系统对外界做功，系统体积膨胀；外界对系统做功，系统体积则被压缩.但在某些特定条件下，例如气体自由膨胀外界为真空时，气体就没有克服外力做功.另外，在判断内能变化时，还必须结合物态变化以及能的转化与守恒来进行.[熟练强化]1．(2017·全国卷Ⅲ)一种测量稀薄气体压强的仪器如图(a)所示，玻璃泡M的上端和下端分别连通两竖直玻璃细管K1和K2.K1长为l，顶端封闭，K2上端与待测气体连通；M下端经橡皮软管与充有水银的容器R连通．开始测量时，M与K2相通；逐渐提升R，直到K2中水银面与K1顶端等高，此时水银已进入K1，且K1中水银面比顶端低h，如图(b)所示．设测量过程中温度、与K2相通的待测气体的压强均保持不变．已知K1和K2的内径均为d，M的容积为V0，水银的密度为ρ，重力加速度大小为g.求：(1)待测气体的压强；(2)该仪器能够测量的最大压强．[解析](1)水银面上升至M的下端使玻璃泡中气体恰好被封住，设此时被封闭的气体的体积为V，压强等于待测气体的压强p.提升R，直到K2中水银面与K1顶端等高时，K1中水银面比顶端低h；设此时封闭气体的压强为p1，体积为V1，则V＝V0＋eq\f(1,4)πd2l①V1＝eq\f(1,4)πd2h②由力学平衡条件得p1＝p＋ρgh③整个过程为等温过程，由玻意耳定律得pV＝p1V1④联立①②③④式得p＝eq\f(ρπgh2d2,4V0＋πd2l－h)⑤(2)由题意知h≤l⑥联立⑤⑥式有p≤eq\f(πρgl2d2,4V0)⑦该仪器能够测量的最大压强为pmax＝eq\f(πρgl2d2,4V0)⑧[答案](1)eq\f(ρπgh2d2,4V0＋πd2l－h)(2)eq\f(πρgl2d2,4V0)2．(2017·全国卷Ⅱ)一热气球体积为V，内部充有温度为Ta的热空气，气球外冷空气的温度为Tb.已知空气在1个大气压、温度T0时的密度为ρ0，该气球内、外的气压始终都为1个大气压，重力加速度大小为g.(1)求该热气球所受浮力的大小；(2)求该热气球内空气所受的重力；(3)设充气前热气球的质量为m0，求充气后它还能托起的最大质量．[解析](1)设1个大气压下质量为m的空气在温度为T0时的体积为V0，密度为ρ0＝eq\f(m,V0)①在温度为T时的体积为VT，密度为ρ(T)＝eq\f(m,VT)②由盖－吕萨克定律得eq\f(V0,T0)＝eq\f(VT,T)③联立①②③式得ρ(T)＝ρ0eq\f(T0,T)④气球所受到的浮力为f＝ρ(Tb)gV⑤联立④⑤式得f＝Vgρ0eq\f(T0,Tb)⑥(2)气球内热空气所受的重力为G＝ρ(Ta)Vg⑦联立④⑦式得G＝Vgρ0eq\f(T0,Ta)⑧(3)设该气球还能托起的最大质量为m，由力的平衡条件得mg＝f－G－m0g⑨联立⑥⑧⑨式得m＝Vρ0T0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,Tb)－\f(1,Ta)))－m0⑩[答案](1)Vgρ0eq\f(T0,Tb)(2)Vgρ0eq\f(T0,Ta)(3)Vρ0T0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,Tb)－\f(1,Ta)))－m0高考题型预测——气体实验定律与热力学第一定律的组合[考点归纳]1．气体实验定律2．热力学第一定律公式ΔU＝Q＋W符号的规定[典题示例](2017·江西六校联考)我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990m深处的海水温度为280K．某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化．如图所示，导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，汽缸所处海平面的温度T0＝300K，压强p0＝1atm，封闭气体的体积V0＝3m3.如果将该汽缸下潜至990m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．(1)求990m深处封闭气体的体积(1atm相当于10m深的海水产生的压强)．(2)下潜过程中封闭气体________(填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功．[审题指导]第一步读题干—提信息题干信息1)导热良好说明气体温度与海水温度一致2)封闭一定质量的气体说明不漏气，质量不变3)可视为理想气体说明可用状态方程求解第二步审程序—顺思路[解析](1)当汽缸下潜至990m时，设封闭气体的压强为p，温度为T，体积为V，由题意可知p＝100atm①根据理想气体状态方程得eq\f(p0V0,T0)＝eq\f(pV,T)②代入数据得V＝2.8×10－2m3(2)下潜过程中，封闭理想气体温度降低，内能减少，体积减少，外界