届高考物理二轮复习板块一专题突破复习专题七热学学案.docx
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届高考物理二轮复习板块一专题突破复习专题七热学学案
专题七热学
[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:
=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,
=
——查理定律.
当m不变,p1=p2时,
=
——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] C
2.(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] ACD
3.(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] ACE
4.(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] C
2.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 260
3.(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] D
4.(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] D
1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
=
(1)当T1=T2时,p1V1=p2V2(玻意耳定律)
(2)当V1=V2时,
=
(查理定律)
(3)当p1=p2时,
=
(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=
③
p1=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=
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′=
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
=
⑦
将有关数据代入⑦式得
p3=1.6p0⑧
[答案]
(1)
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+
πd2l①
V1=
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=
⑤
(2)由题意知
h≤l⑥
联立⑤⑥式有
p≤
⑦
该仪器能够测量的最大压强为
pmax=
⑧
[答案]
(1)
(2)
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=
①
在温度为T时的体积为VT,密度为
ρ(T)=
②
由盖-吕萨克定律得
=
③
联立①②③式得
ρ(T)=ρ0
④
气球所受到的浮力为
f=ρ(Tb)gV⑤
联立④⑤式得
f=Vgρ0
⑥
(2)气球内热空气所受的重力为
G=ρ(Ta)Vg⑦
联立④⑦式得
G=Vgρ0
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=Vρ0T0
-m0⑩
[答案]
(1)Vgρ0
(2)Vgρ0
(3)Vρ0T0
-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
=
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,外界对气体做功,由热力学第一定律可知下潜过程中封闭气体放热,由能量守恒定律可知传递的热量大于外界对气体所做的功.
[答案]
(1)2.8×10-2m3
(2)放热 大于
气体实验定律的解题方法
(1)选对象
根据题意,选出所研究的那一部分气体,这部分气体在状态变化过程中,其质量必须保持一定.
(2)找参量
找出作为研究对象的这部分气体发生状态变化前后的一组p、V、T数值或表达式.压强的确定往往是个关键,常需结合力学知识(如力的平衡条件或牛顿运动定律)才能写出表达式.
(3)认过程
过程表示两个状态之间的一种变化方式,除题中条件已直接指明外,在许多情况下,往往需要通过对研究对象跟周围环境的相互关系的分析才能确定.认清变化过程是正确选用物理规律的前提.
4列方程,根据研究对象状态变化的具体方式,选用气体状态方程或某一实验定律,代入具体数值,求出结果,最后分析讨论所得结果的合理性及其物理意义.
[预测题组]
如图,一质量和厚度均可忽略的活塞将气体密封在足够高的导热气缸内,系统静止时缸内的气体温度、压强分别与外界温度T0、外界压强p0相等,活塞与气缸底部高度差为h.现对气缸底部缓慢加热,活塞缓慢上升.已知气体吸收的热量Q与温度差ΔT的关系为Q=kΔT(其中k为常量,且k>0),活塞的面积为S,不计一切摩擦,求:
(1)当活塞在缸内上升到离缸底高度为3h时缸内气体的温度T;
(2)在活塞从离缸底高度为h上升到高度为3h的过程中,缸内气体增加的内能ΔU.
[解析]
(1)活塞在缸内上升的过程,缸内气体的压强恒为p0,发生等压变化,则由盖—吕萨克定律得
=
得T=3T0
(2)在活塞上升过程中,气体对活塞做的功W=p0S(3h-h)
在这一过程中,气体吸收的热量Q=k(T-T0)
由热力学第一定律得,缸内气体增加的内能ΔU=Q-W
由以上各式得ΔU=2kT0-2p0Sh
[答案]
(1)3T0
(2)2kT0-2p0Sh
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