3.3 能量守恒定律 习题 人教版（2019）高中物理选择性必修第三册（含解析）

第三章热力学定律第三节能量守恒定律配套练习（含解析）
一、单选题
1．第一类永动机失败的原因是（　　）
A．人类的技术还不够发达 B．制造永动机的零件做得不够精密
C．它违背了能量守恒定律 D．还没有找到合理的设置结构
2．一种冷暖两用型空调在制热时，每消耗电能，放出约的热量。下列说法正确的是（　　）
A．空调制热过程产生了新能量
B．空调制热时放出的热量全部是由电能转化面来的
C．此过程违反了能量守恒定律
D．空调制热时放出的热量，一部分是由电能转化而来，另一部分则是从外界吸收
3．下列说法正确的是（ ）.
A．能量转化和守恒定律只适用于物理学领域，其他学科不适用
B．布朗运动也遵循能量转化和守恒定律
C．生命运动不遵循能量转化和守恒定律
D．只要做功，内能就一定改变
4．下列关于能的转化和守恒定律的认识不正确的是( )
A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的增加
B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机不可能制成
D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
5．在学习了内能及能量的转化和守恒后，同学们在一起梳理知识时交流了以下想法，你认为其中不正确的是（ ）
A．做功可以改变物体的内能
B．热传递改变物体内能是不同形式的能量的相互转化
C．在一定条件下各种形式的能量都可以相互转化
D．能量在转移和转化的过程中总会有损耗，但能量的总量总保持不变
6．如图所示，固定容器及可动活塞 P 都是绝热的，中间有一导热的固定隔板 B,B 的两边分别盛有气体甲和乙．现将活塞 P 缓慢地向 B 移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动 P 的过程中
A．外力对乙做功；甲的内能不变
B．外力对乙做功；乙的内能不变
C．乙传递热量给甲；乙的内能增加
D．乙的内能增加；甲的内能不变
7．如图所示，足够长的传送带与水平方向的倾角为 ，物块a通过平行于传送带的轻绳跨过光滑滑轮与物块b相连，b的质量为m.开始时，a、b及传送带均静止，且a不受传送带摩擦力作用，现让传送带逆时针匀速转动，则在b上升h高度(未与滑轮相碰)过程中下列说法错误的是( )
A．物块a的重力势能减少
B．摩擦力对a做的功等于a机械能的增量
C．摩擦力对a做的功等于物块a、b动能增量之和
D．任意时刻，重力对a、b做功的瞬时功率大小相等
8．如图所示，容器、各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定。、的底部由带有阀门的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，中水面比中的高，打开阀门，使中的水逐渐流向中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是（ ）
A．大气压力对水做功，水的内能减小
B．水克服大气压力做功，水的内能减小
C．大气压力对水不做功，水的内能不变
D．大气压力对水不做功，水的内能增加
9．如图所示，柱形容器内封有一定质量的空气，光滑活塞（质量为）与容器用良好的隔热材料制成。活塞横截面积为，大气压为，另有质量为的物体从活塞上方的点自由下落到活塞上，并随活塞一 起到达最低点而静止，在这一过程中，容器内空气内能的改变量，外界对容器内空气所做的功与物体及活塞的重力势能的变化量的关系是（ ）
A．
B．，
C．，
D．，
10．三峡水力发电站是我国最大的水力发电站.三峡水库蓄水后，平均水位落差约为100m，用于发电的水流量约为.如果通过水轮机以后水的动能忽略不计，水流减少的机械能有90%转化为电能，按照以上数据估算，三峡发电站的发电功率最大数量级最接近
A．1010W B．108W C．107W D．105W
11．水平地面上固定一倾角为的足够长的光滑斜面，如图所示，斜面上放一质量为、长的薄板．质量为的滑块（可视为质点）位于薄板的最下端，与之间的动摩擦因数．开始时用外力使、静止在斜面上，某时刻给滑块一个沿斜面向上的初速度，同时撤去外力，已知重力加速度，，．下列说法正确的是（ ）
A．在滑块向上滑行的过程中，、的加速度大小之比为
B．从、开始运动到、相对静止的过程所经历的时间为
C．从、开始运动到、相对静止的过程中滑块克服摩擦力所做的功为
D．从、开始运动到、相对静止的过程中因摩擦产生的热量为
12．如图所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门（如图甲），落潮时，开闸放水发电（如图乙）。设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电机的平均能量转化效率为10%，则一天内发电的平均功率约为（ρ海水＝1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2）（　　）
A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW
二、填空题
13．不同形式的能量可以通过______过程而发生转化，能量转化的多少是由______来量度的。
14．火力发电的过程是用燃料燃烧产生的热能来加热水，使水变成高温、高压的水蒸气，再由水蒸气推动发电机旋转发出电能的过程，从能的转换角度来看，实质上是______能转化为______能，再转化成______能，最后转化成电能的过程。
15．用活塞将一定质量的理想气体密闭在气缸内。通过外界因素改变缸内气体的状态，气体从状态A经状态B变化到状态C，再从状态C回到状态A，其体积的倒数与压强的变化关系图像如图所示，图中AB与横轴平行，BC与纵轴平行。AC的连线过坐标原点。从状态A到状态B的过程中，气体____（填“吸热”“放热”或“绝热”）；从状态B到状态C的过程中，单位时间内碰撞器壁单位面积上的气体分子个数____（填“增大”“减小”或“不变”）；从状态C到状态A的过程中，气体的内能____（填“增大”“减小”或“不变”）。
16．容器A、B的底部用一带有阀门的细管相连，阀门关闭时A中水面较高打开阀门使水较慢流动，最终A、B中的水面相平，则在此过程中，大气压力对水所做的功W_______0，水的内能的增加量_______0（选填“>”、“=”、“<”）.
三、解答题
17．如图所示，一导热性能良好的汽缸开口向上放在水平面上，已知汽缸的总高度为，用厚度不计、截面面积大小为的密封性良好的轻质活塞于开口处封闭缸中的气体，现在活塞上轻放一质量为重物，当系统平衡时活塞距离底端的间距为，若外界大气压恒为，环境温度恒为，忽略一切摩擦，重力加速度取。求：（计算结果均保留两位有效数字）
①上述过程中封闭气体吸热还是放热，热量改变了多少；
②如果将环境的温度从缓慢升高到，则活塞重新平衡时升高的距离为多少。
18．质量的铅弹以速度水平射入质量的靶中未穿出。靶原来静止在光滑的水平面上，并可自由滑动。已知铅弹的比热容，若铅弹射入靶的过程中，机械能的损失有50%转化为铅弹的内能，铅弹的温度将升高多少。
19．1847年，焦耳完成了下降重物带动液体中的叶轮转动而使液体温度上升的实验，如图所示。请说明这个实验的原理及意义。
20．若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，对外界做了0.6J的功，（设湖水的温度相等且保持不变）
(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？
(2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中又对外界做了0.1J的功，同时吸收了0.3J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？
参考答案
1．C
【解析】第一类永动机当时设计的思路是机器不需要外界的动力或燃料却能源源不断地对外做功。显然这种设计思维违背了能量守恒定律，这也是第一类永动机失败的原因，所以C正确，ABD错误。
故选C。
2．D
【解析】该空调向室内放出的热量，一部分是通过电流做功，消耗电能转化而来，另一部分则是通过从外界吸收，因此并不违反能量守恒定律，故选项D正确，ABC错误。
故选D。
3．B
【解析】A．能量守恒定律是自然界中规范应用的规律，不仅仅在物理学领域适用，其他学科都适用。故A错误。
B．布朗运动也遵循能量转化和守恒定律，选项B正确；
C．生命运动也同样遵循能量转化和守恒定律，选项C错误；
D．外界对物体做功，同时物体对外放热，物体的内能不一定变化，故D错误。
故选B.
4．D
【解析】A、根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其它形式的能一定增大；故A正确；
B、某个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其它物体的能量增加；故B正确；
C、不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器--永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成的；故C正确；
D、石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能，能量并没有消失；故D错误．
本题选不正确的，故选D
【点睛】
能量的转化和守恒定律是指能量在转化和转移中总量保持不变；
某种形式的能减少，其它形式的能一定增大，某个物体的总能量减少，必然有其它物体的能量增加；
5．B
【解析】A．做功和热传递都可以改变物体的内能，故A说法正确，不符合题意；
B．热传递是不同物体间的内能相互转移，故B说法错误，符合题意；
C．在一定条件下各种形式的能量都可以相互转化，故C说法正确，不符合题意；
D．能量在转化和转移的过程中总会有损耗，例如电动机的工作原理就是电能转化为机械能，但是因为机械之间存在摩擦，摩擦生热，所以有一部分电能转化为内能，而这部分的能量转化是我们不需要的，所以可以称这部分能量损耗了．根据能量守恒定律，自然界中所有能量的总量保持不变，故D说法正确，不符合题意．
故选B．
6．C
【解析】活塞P压缩气体乙，则外力对气体乙做功，因P与外界隔热，可知乙的内能增加，因B是导热的隔板，可知乙的热量将传给甲，最终甲、乙的内能都增加，故选C.
7．B
【解析】A.开始时，a、 b及传送带均静止且a不受传送带摩擦力作用，有，则上升h，则a下降，则a重力势能的减小量为
故A正确不符合题意;
BC.根据能量守恒定律得，摩擦力对a做的功等于a、b系统机械能的增量，因为a重力势能的减小量等于b重力势能增加量，系统重力势能不变，所以摩擦力对a做的功等于系统动能的增量，故B错误符合题意，C正确不符合题意;
D.任意时刻a、b的速率相等，对b，克服重力做功的瞬时功率，对a有:
所以重力对a、b做功的瞬时功率大小相等，故D正确不符合题意。
8．D
【解析】AB．平衡前，容器中的活塞向下移动，设中活塞横截面积为，移动距离为，大气压力推动中活塞向下移动时对水做的功
平衡前，容器中的活塞向上移动，设中活塞横截面积为，移动距离为，大气压力通过活塞对水做负功
由于水的总体积不变，则有
即容器中大气压力对水做的功与容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功（正功、负功）的代数和，即
选项AB错误。
CD．大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，没有热交换。但是水从容器流向容器的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，水的重力势能减小，根据能量守恒定律，减少的水的势能转化为水的内能，水的内能增加，选项C错误，D正确。
故选D。
9．C
【解析】由于系统隔热，所以气体与外界没有热交换，活塞对气体做正功，所以由热力学第一定律知气体的内能增加，且
△E=W
而从能量守恒的角度考虑，m和M减少的机械能即重力势能和大气压做功共
Mgh+mg△h+poS△h
这部分损失的能量一部分使气体的内能增加，另一部分损失到碰撞过程中m和M的内能上，所以
W＜Mgh+mg△h+poS△h
故选C。
10．A
【分析】
本题考查能量转化及功率的相关计算。
【解析】平均水位落差约为100m，单位时间内到达水轮机处水流的机械能为
机械能有90%转化为电能，所以发电功率
所以A正确，BCD错误；
故选A。
11．D
【解析】A.由题中条件可知，当滑块向上运动时，薄板将沿斜面向下运动，由受力分析和牛顿第二定律可知，对薄板，则有，薄板的加速度，方向沿斜面向下；对滑块，则有，则滑块的加速度，方向沿斜面向下，故在滑块向上滑行的过程中，、的加速度大小之比为，故选项A错误；
B.开始运动时，滑块向上做匀减速直线运动，减速到零所需要的时间，此时薄板的速度大小为，然后二者均向下运动，且二者的加速度不变，最后速度相同，则有，代入数据可解得，共同速度为，、从开始运动到速度相同所用时间为，故选项B错误；
C.沿斜面向上运动的位移，此过程中向下运动的位移，球沿斜面向下运动到两者速度相同时，下滑的位移，此过程中，向下运动的位移，故整个过程中摩擦力对滑块所做的功，即滑块克服摩擦力所做的功为，故选项C正确；
D.整个过程中因摩擦产生的热量为，故选项D正确．
12．B
【解析】利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮，退潮后水坝内水的势能增加
W水=G△h=mg△h=ρ水Vg△h=ρ水Shg△h=ρ水Sgh△h
△h为水的重心下降的高度，即△h=1.5m
则水的势能可转变为电能
W电=W水×10%=ρ水Sgh△h×10%
=1.0×103kg/m3×5.0×108m2×10N/kg×3m×（1.5m）×0.1J
=2.25×1012J
每天2次涨潮，则该电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为
P==5.2×104kW
故ACD错误，B正确。
故选B。
13．做功 做功的多少
【解析】[1][2]不同形式的能量可以通过做功过程而发生转化，能量转化的多少是由做功的多少来量度的。
14．化学 内 机械
【解析】[1]火力发电一般是指利用石油、煤和天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压的水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电。在火力发电的过程中实质上是由化学能转化为内能在转化成机械能，最后转化成电能的过程。
[2] 在火力发电的过程中实质上是由化学能转化为内能在转化成机械能，最后转化成电能的过程。
[3] 在火力发电的过程中实质上是由化学能转化为内能在转化成机械能，最后转化成电能的过程。
15．放热； 减小； 不变；
【解析】[1]由可得
斜率的倒数和温度成正比，根据图像可知，从状态A到状态B的过程中，气体的体积不变，不对外做功，气体温度减小，内能减小，由热力学第一定律知气体向外界放热；
[2]从状态B到状态C的过程中，气体体积增大，单位体积内分子数减小，单位时间内碰撞器壁单位面积上的气体分子个数减小；
[3]状态C到状态A的过程中斜率不变，气体温度不变，内能不变。
16．= >
【解析】[1]打开阀门后，据连通器原理，最后A、B两管中的水面将相平，即A中水面下降，B中水面上升，设A管截面积为S1，水面下降距离为h1，B管截面积为S2，水面上升距离为h2，由于水的总体积保持不变，则有
A管中大气压力对水做的功：
B管中大气压力对水做的功：
大气压力对水做的总功：
因为
所以
即大气压力对水不做功；
[2]由于水的重心降低，重力势能减小，由能量守恒定律知水的内能增加，即
17．①放热，6.0J；②0.048m
【解析】①封闭气体初始状态的压强为
末态压强为
由于封闭的理想气体发生了等温变化，由玻意耳定律得
解得
则外界对气体做功为
根据热力学第一定律得
解得
即放出6.0J的热量；
②由题意可知，气体发生了等压变化，则由盖-吕萨克定律得
代入数据解得
则活塞升高的距离为
18．
【解析】设铅弹射入靶中后，的共同速度为v，由动量守恒定律可得
机械能的损失为
铅弹的内能为
设铅弹的温度升高，则有
代入数据联立解得
19．见解析
【解析】两重物下落，带动叶轮转动，焦耳通过测量所持重物的重力和重物下落的距离，计算出重物做的功，即叶轮克服水的摩擦所做的功，测量保温性能良好的绝热器里的水升高的温度，从而计算出水吸收的热量，即可验证机械功与热量的转换关系。
20．(1)0.6J；(2)0.2J
【解析】(1)气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU=Q＋W，则
Q=ΔU-W=0-(-0.6J)=0.6J
(2)由热力学第一定律得
ΔU=Q＋W=0.3J＋(-0.1J)=0.2J
内能增加0.2J。