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天宫一号实验舱水球实验中气泡的热力学分析

更新时间:2024-07-12 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

免责声明:以下仅代表个人观点,欢迎指正(但不要挑毛病)。d33物理好资源网(原物理ok网)

①【热力学】。(多选)如图1所示,a、b是航天员王亚平在“天宫一号”实验舱做水球实验时,水球内形成的气泡。a、b两个气泡温度相同,a的体积较大。气泡内气体视为理想气体。下列说法正确的是()d33物理好资源网(原物理ok网)

高中物理基础选择题d33物理好资源网(原物理ok网)

图1(摘自《金太阳教育》物理选修课3-黄金练习)d33物理好资源网(原物理ok网)

A.水球呈球形时表面张力的结果d33物理好资源网(原物理ok网)

B.此时水球内水分子间只存在引力d33物理好资源网(原物理ok网)

Ca中气体的内能大于b中气体的内能d33物理好资源网(原物理ok网)

D.在水球表面滴一小滴红墨水,水球不会破,最后水球是红色的。d33物理好资源网(原物理ok网)

这道题的题目是选项C(ABD不用解释了,很基础的概念题)d33物理好资源网(原物理ok网)

我们先来看参考答案:d33物理好资源网(原物理ok网)

由于两个气泡内气体温度相同,a、b内气体分子的平均动能相等,所以a内气体的内能与b内气体的内能相同,所以C错误。d33物理好资源网(原物理ok网)

这里有两个问题:d33物理好资源网(原物理ok网)

a、b虽然都是理想气体贝语网校,但是它们的气体种类不一定相同,因此它们的能量自由度也不一定相同。d33物理好资源网(原物理ok网)

经定量计算,a处气体含量大于b处气体含量。d33物理好资源网(原物理ok网)

显然,参考答案没有把这两个方面都考虑到,所以虽然结果是正确的,但是推理过程是完全错误的。d33物理好资源网(原物理ok网)

很多同学或者老师可能会认为,显然a中气体的量较大,而同样的温度意味着气体分子的平均动能也相同,所以不存在a中气体内能较大的问题,因此C是正确的。d33物理好资源网(原物理ok网)

其实这里又涉及到了高中物理中一个常见的误区:认为相同温度的理想气体分子具有相同的平均动能,但实际上根据大学物理教科书,相同温度的理想气体分子具有相同的平均平动能,而内能还包括分子转动动能、振动动能和势能。d33物理好资源网(原物理ok网)

这导致选项 C 在高中背景下是正确的,但实际上是错误的。d33物理好资源网(原物理ok网)

以下证明a中的气体量较大:d33物理好资源网(原物理ok网)

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图 1-ad33物理好资源网(原物理ok网)

首先我们可以明确一点,a、b外面的液体可以看成是薄液层,最外圈为真空(如图1-a所示)d33物理好资源网(原物理ok网)

我们可以在液体表面取一小块区域元素,那么对于这个区域元素,我们有d33物理好资源网(原物理ok网)

表面张力为:Fσ=∮σ•dl=2σπrΔθ•Δθ=2σπr(Δθ)^2(此处外表面无张力)d33物理好资源网(原物理ok网)

气体压强为Fp=P•π(rΔθ)^2d33物理好资源网(原物理ok网)

由于面元处于力平衡状态,Fp=Fσd33物理好资源网(原物理ok网)

∴P=2σ/rd33物理好资源网(原物理ok网)

对于理想气体,根据克拉珀龙方程,我们有:PV = nRTd33物理好资源网(原物理ok网)

其中 V = 4πr^3/3d33物理好资源网(原物理ok网)

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所以 n=8πσr^2/3RTd33物理好资源网(原物理ok网)

设理想气体的能量自由度为k,气体内能为E=knRT/2=4πσkr^2/3d33物理好资源网(原物理ok网)

对于 a 和 b,Ea/Eb=(ra/rb)^2•(kb/ka)d33物理好资源网(原物理ok网)

且 na/nb=(ra/rb)^2d33物理好资源网(原物理ok网)

可以看出a中气体量较大,但内部能量不一定较大(见ka/kb与ra/rb关系)d33物理好资源网(原物理ok网)

②【能源•应用问题】到达地面的太阳辐射量在不同地区、季节、气象条件下是不同的,下表(图-2)给出了热带、温带和较寒冷地区的平均辐射量。上海地区安装一台太阳能热水器,已知其采光面积为2m^2,热转换效率为40%,水的比热容为4.2x10^3J/(kg•℃)。d33物理好资源网(原物理ok网)

求:d33物理好资源网(原物理ok网)

(1)这台太阳能热水器每天可以吸收多少焦耳的太阳能?d33物理好资源网(原物理ok网)

(2)若热水器中的水温上升20℃,热水器平均每天可以提供多少热水?d33物理好资源网(原物理ok网)

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图2(摘自《金太阳教育》物理选修课3-黄金练习)d33物理好资源网(原物理ok网)

这道题和上一道题不一样,并不是因为高中物理课本上对黑社会的概念和定义,导致对选项理解错误而产生的错题,而是一道让人摸不着头脑的怪题。d33物理好资源网(原物理ok网)

首先,上海是亚热带地区,那应该归类到温带还是热带呢?这个问题没有提供相关信息。d33物理好资源网(原物理ok网)

其次,即使我们可以很清楚的看到上海可以算是温带地区高中物理基础选择题,那么表格中给出的平均太阳辐射量的范围到底是多少呢?d33物理好资源网(原物理ok网)

参考答案直接取平均值处理。d33物理好资源网(原物理ok网)

这很让人困惑,毕竟问题里没有相关信息。d33物理好资源网(原物理ok网)

③[热力学]。理想气体等温膨胀时,从单一热源吸收的热量全部用来对外做功。这个过程是否违反热力学第二定律?为什么?d33物理好资源网(原物理ok网)

我们先来看教科书上开尔文的说法:不可能从单一热源中吸收热量,并将其完全转化为功,而不引起其他效应。d33物理好资源网(原物理ok网)

我们来看看参考答案:d33物理好资源网(原物理ok网)

这个过程并不违反热力学第二定律,因为它会引起其他变化,即气体状态(体积和压力)的变化。d33物理好资源网(原物理ok网)

当然答案本身没有错。d33物理好资源网(原物理ok网)

然而很多老师在讲解这个问题时陷入了一个误区:d33物理好资源网(原物理ok网)

错误地认为这里的其他变化只包括系统外界的变化,而不考虑系统本身的状态变化,因此认为等温膨胀过程涉及到外界,从而引起外界的变化,所以不违反热力学第二定律。d33物理好资源网(原物理ok网)

这样的解释未免有些牵强。d33物理好资源网(原物理ok网)

原因是教材里的描述太模糊。d33物理好资源网(原物理ok网)

开尔文在大学物理里的说法是这样的:不可能制造一台循环工作、仅从一个热源吸收热量、并将其完全转化为有用功、而不产生其他效应的热机。d33物理好资源网(原物理ok网)

这里加入了循环运行的条件,明确了系统本身的状态是不变的(否则就不能称为循环),这个表述比教科书上的说法清晰多了高中物理基础选择题,不容易引起误解。d33物理好资源网(原物理ok网)

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④【波动光学】。(多选) 图3所示为t=0时刻两束同频率相干水波的叠加,图中虚线表示波峰,虚线表示波谷。已知两束波的振幅均为2cm,且在图中所示范围内振幅恒定。波速为2m/s,波长为0.4m。点E为BD与AC的交点。下列说法正确的是()d33物理好资源网(原物理ok网)

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图3(摘自《步步高》物理选修1练习)d33物理好资源网(原物理ok网)

AA点和C点均为减振点d33物理好资源网(原物理ok网)

B. 振动增强的唯一点是 B、E 和 Dd33物理好资源网(原物理ok网)

C.BD线上的所有点均为振动增强点d33物理好资源网(原物理ok网)

此时点DB与D之间的垂直高差为4cmd33物理好资源网(原物理ok网)

这道题的问题是选项C(ABD就可以,容易判断)d33物理好资源网(原物理ok网)

我们先来看参考答案:d33物理好资源网(原物理ok网)

由于B为波谷交汇处,D为波峰交汇处,B、D均为振动增强点,因此BD线上的所有点均为振动增强点。d33物理好资源网(原物理ok网)

显然,这里有一个问题:d33物理好资源网(原物理ok网)

干涉图样不一定关于BD对称(实际上可以看出是不对称的),所以不能把BD线看成是振动增强线。实际上,连接B和D的振动增强线应该是一条双曲线(如图4-a所示)d33物理好资源网(原物理ok网)

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图4-a(振动增强线为连接B、D的实线)d33物理好资源网(原物理ok网)

综上所述,本题的主要误解是:振动增强(减弱)线是直线,而不是双曲线。d33物理好资源网(原物理ok网)

⑤【电路】。有两个电阻1、2,它们的阻值随电压的变化而变化,以致它们的伏安特性曲线,也就是电压与电流不再成比例关系(这种电阻叫非线性电阻)。设电阻1、2的伏安特性曲线如图5所示。现将这两个电阻并联起来,再接上电动势为E=9.0V、内阻为r0=2.0Ω的电源。试利用题目给出的数据和图形,用图解法读出所需要的数据,然后计算出电阻1、2分别消耗的功率P1、P2。要求是:d33物理好资源网(原物理ok网)

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图5(摘自高中物理《解题词典》)d33物理好资源网(原物理ok网)

(1)在标题图上绘制您所制作的图形。d33物理好资源网(原物理ok网)

(2)从图中读取所需的物理量数据(取两位有效数字),分别为:d33物理好资源网(原物理ok网)

(3)计算电阻R1消耗的功率P1= ,电阻R2消耗的功率P2= 。d33物理好资源网(原物理ok网)

废话不多说,下面是参考答案(见图5-a)(这道题没什么好说的):d33物理好资源网(原物理ok网)

两个电阻并联时,总电流为各部分电流之和。可选取若干点,如U=1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0V等,在途中标出相应的In=I1n+I2n,然后用一条平滑的曲线将它们连接起来,即可得到并联电阻的伏安特性曲线。如图5-a所示。d33物理好资源网(原物理ok网)

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图 5-ad33物理好资源网(原物理ok网)

这个过程看似没什么问题,但是如果仔细看图可以发现,从U = 1.0V到6.0V,恰好位于网格顶点的点很少,也就是说几乎所有的点都需要估计,这就很恶心了。d33物理好资源网(原物理ok网)

对于这种题,我的看法是:如果你不想为别人写,就不要写这种题。d33物理好资源网(原物理ok网)

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