热学气缸活塞问题分析(气缸活塞的种类)

高考热学气缸活塞类型十大考点

广西北海合浦廉州中学　杜　辉　秦付平

对近几年高考试题研究发现，有关气缸类型试题是考查热学的好载体，一直受高考命题者青睐，该类试题命题的意图主要是考查对热学基本规律的综合应用，都是围绕气缸活塞的变化问题设置的。由于该类试题涉及热学和力学知识，需要学生有较好的分析综合思维能力以及灵活运用知识解决问题的能力。因此，在高三物理复习过程中，要重视该类问题的解法思路分析，归纳题型的种类和考点，提高学生分析问题和解决问题的能力。

考点一、考查热力学第一定律

例1．（2010年广东卷）如图1是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的（ ）

A．温度升高，内能增加600J

B．温度升高，内能减少200J

C．温度降低，内能增加600J

D．温度降低，内能减少200J

解析：由热力学第一定律得：，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，故温度升高，答案选A正确。

例2．（2010年全国II卷）如图2，一绝热容器被隔板K 隔开a、b两部分。已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态。在此过程中（ ）

A．气体对外界做功，内能减少

B．气体不做功，内能不变

C．气体压强变小，温度降低

D．气体压强变小，温度不变

解析：绝热容器内的稀薄气体与外界没有热传递，Q=0。稀薄气体向真空扩散没有做功，W=0。根据热力学第一定律稀薄气体的内能不变，则温度不变。稀薄气体扩散体积增大，压强必然减小。答案为BD。

考点二、考查气体内能变化问题

例3．（2009年全国卷II）如图3所示，水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在气缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝。气缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比（ ）

A．右边气体温度升高，左边气体温度不变

B．左右两边气体温度都升高

C．左边气体压强增大

D．右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量

解析：本题考查电路接入气缸问题，当电热丝通电后，右的气体温度升高气体膨胀，将隔板向左推，对左边的气体做功，根据热力学第一定律，内能增加，气体的温度升高，根据气体定律左边的气体压强增大。BC正确，右边气体内能的增加值为电热丝发出的热量减去对左边的气体所做的功，D错。因此，答案为BC。

考点三、考查气缸受力平衡问题

例4．如图4所示，一根竖直的弹簧支持着一倒立汽缸的活塞，使汽缸悬空而静止。设活塞和缸壁间无摩擦且可以在缸内自由移动，缸壁导热性能良好。使缸内气体温度总能与外界大气的温度相同，则下列结论中正确的是（ ）

A．若外界大气压强增大，则弹簧将压缩一些

B．若外界大气压强增大，则汽缸的上底面距地面的高度将增大

C．若气温升高，则活塞距地面的高度将减小

D．若气温升高，则汽缸的上底面距地面的高度将增大

解析：取活塞及汽缸为研究对象，其重力和弹簧弹力受力平衡，无论气体怎样变化，弹力不变，其长度不变，A错；由，得大气压强p0增大，气体压强变大，温度不变。由此时气柱变短，即汽缸上底面离地高度变小，B错；气体压强不变，温度升高，根据气体实验定律知体积增大，气柱变长，知C错，D对。答案为D。

考点四、考查气体状态参量的图像

例5．如图5甲所示，固定在水平地面上的气缸内，用活塞封闭一定质量的理想气体，已知在环境温度变化时大气压强不变。现对活塞施加一作用力F，使气缸内气体分别经历图乙所示的①②③三个过程，缓慢地从状态A变化到状态B，状态A、B压强相等，则下列说法正确的是（ ）

A．过程①F—定对活塞做负功

B．过程②F对活塞做功为零

C．过程③F先对活塞做正功，后对活塞做负功

D．过程①的内能比过程②的内能增加的多

解析：由题意知，①过程是压强先增大后减小，最后与原来相等，温度增加体积增大，得活塞向右移动，F对活塞做负功，A正确；过程②说明活塞受力平衡，得F=0，F对活塞做功也为零，B正确；过程③温度增加体积增大，得活塞向先向右后向左移动，得F先对活塞做负功，后对活塞做正功，C错；过程①的内能和过程②的内能增加一样多，D错；因此答案AB选项正确。

例6．如图6所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中（状态①），汽缸的内壁光滑。现用水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动一段距离（状态②），在此过程中，如果环境保持恒温，分别用p、V、T表示该理想气体的压强、体积、温度。气体从状态①变化到状态②，此过程可用图中的哪几个图象表示（ ）

解析：由题意知，从①到②，温度不变，体积增大，压强减小，所以只有AD正确。AD。

考点五、考查气体状态参量的讨论

例7．（2010年福建卷）如图7所示，一定质量的理想气体密封在绝热（即与外界不发生热交换）容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体（ ）

A．温度升高，压强增大，内能减少

B．温度降低，压强增大，内能减少

C．温度升高，压强增大，内能增加

D．温度降低，压强减小，内能增加

解析：根据题意得，外力F做正功，W＞0；绝热，Q=0；由热力学第一定律△U=Q+W＞0，内能增加，温度升高；另外，由可以判断出压强增大。答案为C。

考点六、考查气体分子平均速率

例8．如图8所示，用导热的固定隔板把一容器隔成容积相等的甲、乙两部分，甲、乙中分别有质量相等的氮气和氧气。在达到平衡时，它们的温度必相等，若分子势能可忽略，则甲、乙中（ ）

A．气体的压强相等

B．气体分子的平均动能相等

C．气体的内能相等

D．气体分子的平均速率相等

解析：由于温度是分子平均动能的标志，所以在达到平衡时，它们的温度相等，气体分子的平均动能必相等。答案为B。

考点七、考查气缸弹簧连接体问题

例9．如图9所示，密闭绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为EP（弹簧处于自然长度时的弹性势能为零），现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程（ ）

A．EP全部转换为气体的内能

B．EP一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能

C．EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能

D．EP一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能

解析：以活塞为研究对象，设初态时气体压强为P1，活塞质量为m，截面积为S，末态时的压强为P2，初态：，由题意可得末态位置必须高于初态位置，否则

20090318

不能平衡，则由和（绝热），W为正，也必为正，温度升高，内能增加，活塞重力势能增加，末态时，由力的平衡条件知：，仍然具有一定弹性势能，D正确。答案为D。

考点八、考查气体压强微观解释

例10．如图10所示，一个内壁光滑与外界不发生热传递的汽缸固定在地面上，缸内活塞下方封闭着空气（活塞与外界也不发生热传递），若用竖直向上的力F将活塞向上拉一些，达到稳定后缸内封闭着的气体（ ）

A．若活塞重力不计，拉力F对活塞做的功等于缸内气体内能的改变量

B．分子平均动能不变

C．单位时间内缸壁单位面积上受到的气体分子碰撞的次数减少

D．每个分子对缸壁的冲力都会减小

解析：活塞向上运动气体体积增大，气体对外做功，又没有发生热传递，故气体的温度降低，压强一定减小，故分子平均动能减小。气体对外做的功等于气体内能的减少量。答案为C。

考点九、考查热敏电阻接入气缸问题

例11．如图11所示，带有活塞的汽缸中封闭一定质量的气体（不考虑分子势能）。将一个半导体热敏电阻置于汽缸中，热敏电阻与汽缸外的电流表和电源相连接。活塞可以自由滑动，活塞上有几块质量不等的小物块，还有准备好的可以往活塞上添加的小物块。下列说法正确的是（ ）

A．若发现电流表示数变小，汽缸内的温度一定升高了，要想保持气体的体积不变，则需要往活塞上添加小物块

B．若发现电流表示数变小，气体的内能一定减小了，要想保持气体的体积不变，则需要减少活塞上的物块的数量

C．若发现电流表示数变小，当保持活塞上的物块数量不变时，则气体的体积一定增大，活塞会向上移动

D．若发现电流表示数变小，则汽缸内的温度一定降低了，若活塞上物块数量保持不变，活塞会向下移动

解析：根据气体状态参量p、V、T关系，闭合电路欧姆定律以及热敏电阻特性知，电流表示数变小，R值变大，温度降低，内能减小。易选出正确选项BD。

考点十、考查气体实验定律

例12．（2008年宁夏卷）如图12所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的气缸内，活塞相对于底部的高度为h，可沿气缸无摩擦地滑动。取一小盒沙子缓慢地倒在活塞的上表面上。沙子倒完时，活塞下降了h/4。再取相同质量的一小盒沙子缓慢地倒在活塞的上表面上。外界天气的压强和温度始终保持不变，求此次沙子倒完时活塞距气缸底部的高度。

解析：设大气和活塞对气体的总压强为，加一小盒沙子对气体产生的压强为，由玻马定律得①，由①式得：②，再加一小盒沙子后，气体的压强变为p0+2p。设第二次加沙子后，活塞的高度为h′，又因为′③，联立②③式解得h′=。

总结：从上面例子看出，有关气缸类型试题已是各类考试考查热点之一，这类试题考查的考点多，知识综合性较强。解决这类问题的关键是对气体状态参量和内能等基本概念的理解，特别是活塞移动时的机械运动状态及其变化与气体状态及其变化相互影响等等，通过以上总结的十大考点以后，再做一些相关练习，相信同学们能很好的掌握好气缸类问题。

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