2019年高考物理备考优生百日闯关系列专题15固体液体气体与能量守恒含解析.doc
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1、专题15 固体、液体、气体与能量守恒第一部分名师综述综合分析近几年的高考物理试题发现,试题在考查主干知识的同时,注重考查必修中的基本概念和基本规律,以选择题的形式考查晶体和非晶体的特点、液体的表面张力、饱和汽与饱和汽压、热力学运动定律的理解等;以计算和问答题的形式结合气体考查内能、气体实验定律、理想气体状态方程、热力学第一定律等;(1)考纲要求知道晶体、非晶体的区别;理解表面张力,会解释有关现象;掌握气体实验三定律,会用三定律分析气体状态变化问题。知道改变内能的两种方式,理解热力学第一定律;知道与热现象有关的宏观物理过程的方向性,了解热力学第二定律;掌握能量守恒定律及其应用(2)命题规律高考热
2、学命题的重点内容有:理想气体状态方程和用图象表示气体状态的变化;气体实验定律的理解和简单计算;固、液、气三态的微观解释和理解。高考对本部分内容考查的重点和热点有以下几个方面:热力学定律的理解和简单计算,多以选择题的形式出现。第二部分精选试题1如图所示,向一个空的铝饮料罐(即易拉罐)中插入一根透明吸管,接口用蜡密封,在吸管内引入一小段油柱(长度可以忽略),如果不计大气压的变化,这就是一个简易的气温计。已知铝罐的容积是360cm3,吸管内部粗细均匀,横截面积为0.2cm2,吸管的有效长度为20cm,当温度为25 时,油柱离管口10cm。如果需要下列计算,可取相应的近似值:360298362296.
3、4 364298362299.6(1)吸管上标刻度值时,刻度是否均匀?说明理由; (系数可用分数表示)(2)计算这个气温计的测量范围(结果保留一位小数,用摄氏温度表示。)【答案】(1)体积的变化量与温度的变化量成正比,吸管上的标的刻度是均匀的。(2)23.426.6【解析】【详解】(1)根据盖-吕萨克定律,VT=C则有:C=V1T1=360+100.2273+25=362298cm3/K所以V=CT=362298T 即体积的变化量与温度的变化量成正比,吸管上标的刻度是均匀的(2)因为V=362298T,所以有:T=298362V=2983620.2(20-10)K=1.6K这个气温计可以测量的
4、温度为:t=(251.6),即这个气温计测量的范围是296.4K299.6K,即23.426.62利用如图所示的实验装置来测定容器内液体的温度,容器右侧部分水银压强计的左管中有一段长度为h=10cm的水银柱,水银柱下密封一段长为l=4 cm的空气柱B。实验开始时水银压强计的两侧水银柱上端在同一水平面,这时容器内液体的温度为27,后来对液体加热,通过向水银压强计右管中注入水银,使左管水银面仍在原来的位置,此时测得水银压强计左管中密封空气柱B的长度为l=3 cm。已知外界大气压强为76 cmHg。求:(I)加热后液体的温度t;(II)向水银压强计右管中注入水银的长度。【答案】(1)t=139.5C
5、;(2)水银压强计右管注入水银的长度为32cm【解析】【详解】(I)由题意知,B部分气体发生等温变化,则初始时pB=p0+ph+pl=76+10+4cmHg=90cmHg根据玻意耳定律得:pBlS=pBlS得:pB=pBll=9043cmHg=120cmHg这时A气体压强pA=pB-ph=110cmHgA气体做等容变化,初始时,pA=pB-ph=80cmHg根据查理定律,pATA=pATA得TA=pATApA=110273+2780K=412.5K得t=139.5C(II)设最终右侧水银面比左管中水银面高h,由题意知120cmHg=76cmHg+ph+13cmHg得ph=31cmHg,h=31
6、cm所以水银压强计右管注入水银的长度为h+l-l=31+4-3cm=32cm3如图所示,一气缸水平放置,用一横截面积为S、厚度不计的活塞将缸内封闭一定质量的气体,活塞与缸底间的距离为L,在活塞右侧13L处有一对气缸内壁固定连接的卡环,缸内气体的温度为T0,大气压强为p0,气缸导热性良好。现将气缸在竖直面内缓慢转过90,气缸开口向下,活塞刚好与卡环接触,重力加速度为g。不计气缸与活塞间摩擦。(1)求活塞的质量;(2)再将气缸在竖直面内缓慢转动180,当气缸开口向上时,对缸内气体缓慢加热,直到当缸内活塞再次恰好与卡环接触,加热过程中气体内能增加E,求缸内气体的温度和加热过程中气体吸收的热量。【答案
7、】(1)p0S4g;(2)T=53T0,23p0SL+E【解析】【详解】(1)设活塞的质量为m,当汽车缸开口向下时,缸内气体的压强:p1=p0-mgS当气缸从水平转到缸口向下,气体发生等温变化,则有:p0LS=p143LS联立解得活塞的质量:m=p0S4g(2)设气缸开口向上且活塞与卡环刚好要接触时,缸内气体的温度为T,缸内气体的压强:p2=p0+mgS=54p0气体发生等容变化,则有:P1T0=P2T解得:T=53T0设气缸刚转到开口向上时,活塞力卡环的距离为d,则:p0LS=p2(43L-d)S解得:d=815L在给气体加热的过程中,气体对外做的功:W=p2Sd=23p0SL则根据热力学第
8、一定律可知,气体吸收的热量:W=p2Sd=23p0SL+E4底面积为4S的圆柱形烧杯装有深度为H的某种液体,液体密度为,将一横截面积为S、长度为2H的玻璃管竖直向下插入液体中直到玻璃管底部与烧杯底部接触,如图1所示。现用厚度不计气密性良好的塞子堵住玻璃管上端如图2所示。再将玻璃管缓慢竖直上移,直至玻璃管下端即将离开液面如图3所示。已知大气压强p0=kgH,k为常数,g为重力加速度,环境温度保持不变,求图3中液面下降的高度h及玻璃管内液柱的高度h。【答案】h=h4=H8(k+2-k2+4),h=H2(k+2-k2+4)【解析】【详解】(1)由液体在整个过程中体积不变,设图3烧杯中液体的高度下降为
9、h,则由几何关系有:H4S=(H+h)4S+Sh解得h=4h对管内封闭气体发生等温变化,设图3红粉笔气体的压强为p,由理想气体状态方程有:p0HS=p(2H-h)S对管内液体有平衡条件有:p+gh=p0联立解得:h=H2(k+2k2+4)考虑到无论k取何值h=H2(k+2k2+4)2H即kk2+40,假设成立;因此水银不会流出,管中水银面离管口的距离为(517-20)cm。10如图所示,两正对且固定不动的导热气缸,与水平成30角,底部由体积忽略不计的细管连通、活塞a、b用不可形变的轻直杆相连,不计活塞的厚度以及活塞与气缸的摩擦,a、b两活塞的横截面积分别为S1=10cm2,S2=20cm2,两
10、活塞的总质量为m=12kg,两气缸高度均为H=10cm。气缸内封闭一定质量的理想气体,系统平衡时活塞a、b到气缸底的距离均为L=5cm(图中未标出),已知大气压强为P=105Pa.环境温度为T0=300K,重力加速度g取10m/s2。求:(1)若缓慢降低环境温度,使活塞缓慢移到气缸的一侧底部,求此时环境的温度;(2)若保持环境温度不变,用沿轻杆向上的力缓慢推活塞,活塞a由开始位置运动到气缸底部,求此过程中推力的最大值。【答案】(1)200K(2)40N【解析】【分析】(1)将两活塞作为整体受力分析,求得气缸内气体的压强;缓慢降低环境温度,使活塞缓慢移动时,气体压强不变,体积减小,活塞向下移动;
11、由盖吕萨克定律可得活塞缓慢移到气缸的一侧底部时环境的温度。(2) 沿轻杆向上的力缓慢推活塞,活塞a由开始位置运动到气缸底部时,推力最大。求得末状态(活塞a由开始位置运动到气缸底部时)气体的总体积;据玻意耳定律求得末状态气体的压强;将两活塞作为整体受力分析,求得推力的最大值。【详解】(1)设初始气体压强为p1,将两活塞作为整体受力分析,由平衡条件可得:p0S1+p1S2=mgsin300+p0S2+p1S1,代入数据解得:p1=1.6105Pa活塞缓慢移动过程中,缸内气体压强不变,温度降低,体积减小,活塞向下移动;由盖吕萨克定律可得:S1L+S2LT0=S1HT,解得:活塞缓慢移到气缸的一侧底部
12、时环境的温度T=200K(2) 沿轻杆向上的力缓慢推活塞,气体体积变化,又气体温度不变,则气体压强变化,当活塞到达汽缸顶部时,向上的推力最大,此时气体的体积为HS2,设此时的压强为p2,由玻意耳定律得:p1(LS1+LS2)=p2HS2代入数据解得:p2=1.2105Pa将两活塞作为整体受力分析,由平衡条件可得:F+p0S1+p2S2=mgsin300+p0S2+p2S1代入数据解得:F=40N11如图所示,绝热气缸A固定在水平桌面上,可通过电热丝给内部封闭的气体加热,其活塞用一轻绳与导热气缸B的活塞通过定滑轮相连,气缸B悬在空中,质量为M,底部悬挂有一质量也为M的物体,气缸B的活塞到气缸B内
13、部底端的距离为d。两活塞面积均为S,两气缸中均封闭有相同质量的同种理想气体,两气缸都不漏气。开始时系统处于平衡状态,且温度均与环境温度相同为T0,不计活塞和气体的重力,不计任何摩擦,已知重力加速度为g,外界大气压强为P0。(i)求A、B气缸中气体的压强;(ii)若环境温度、大气压保持不变,取下气缸B底部悬挂的物体,重新稳定后,要使气缸B底部离地面的高度与取下物体前相同,则气缸A中气体的温度应升高多少?(活塞不会脱离气缸)【答案】(i)PA=PB=P0-2MgS(ii)2MgP0S-2MgT0【解析】【分析】(i)对气缸A、B的活塞根据平衡条件列出方程即可求解向应的压强;(ii)再次根据平衡条件
14、以及理想气体状态方程进行求解即可;【详解】(i)取下物体前对气缸B的活塞根据平衡条件有:PBS+2Mg=P0S解得:PB=P0-2MgS取下物体前对气缸A的活塞根据平衡条件有:PAS+F=P0S(F=2Mg)解得:PA=P0-2MgS故气缸A、B中的压强相等;(ii)取下物体,重新稳定后,对气缸B有:PBS+Mg=P0S解得:PB=P0-MgS此过程中气缸B中的气体等温变化,有:PBSd=PBSd此过程中气缸B上移的距离为:d=d-d联解得:d=MgP0S-Mgd取下物体前,气缸A、B中的压强相同,温度也相同,且两气缸中均封闭有相同质量的同种理想气体,故气缸A、B中的气体体积相同,气缸A中活塞
15、到气缸A内部底端的距离也为d,要使气缸B底部离地面的高度与取下物体前相同,则气缸A中活塞应向右移动d的距离,因此在此过程中对A中气体有:PASdT0=PASd+dT而:PA=PB联解得:T=P0SP0S-2MgT0气缸A中气体的温度应升高:T=T-T0=2MgP0S-2MgT0。【点睛】本题结合平衡条件求解气体的压强,然后结合等温变化和理想气体状态方程进行求解,要注意两个气缸的体积、压强和温度之间的关系是解决本题的关键。12如图,内径均匀的弯曲玻璃管ABCDE两端开口,AB、CD段竖直,BC、DE段水平,AB=100cm,BC=40cm,CD=50cm,DE=60cm。在水平段DE内有一长10
16、cm的水银柱,其左端距D点10cm。在环境温度为300K时,保持BC段水平,已知大气压为75cm Hg且保持不变。(1)若将玻璃管A端缓慢竖直向下插入大水银槽中,使A端刚刚没入水银面,再将环境温度缓慢升高,求温度升高到多少K时,水银柱刚好全部溢出;(2)若将玻璃管A端缓慢竖直向下插入大水银槽中,使A端刚刚没入水银面下10cm。再将环境温度缓慢降低,求温度降低到多少K时,水银柱刚好全部进入CD段。【答案】(1)375K(2)208K【解析】【分析】(1)A端刚没入水银面,随着环境温度缓慢升高,封闭气体做等压变化,根据V1T1=V2T2求解。(2)当液柱刚好全部进入CD管时,玻璃管中的水银将沿AB
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