2025年高三物理上學(xué)期“物理分子機(jī)器”中的物理知識(shí)考查卷一、選擇題（共10小題，每小題4分，共40分）分子機(jī)器的微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下列關(guān)于分子機(jī)器組成的說法正確的是（）A.分子機(jī)器由單個(gè)分子構(gòu)成，其直徑約為10??mB.組成分子機(jī)器的分子間距離始終等于平衡距離r?（10?1?m）C.分子機(jī)器中分子的質(zhì)量可通過摩爾質(zhì)量與阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算得出D.分子機(jī)器的體積等于組成它的所有分子體積之和解析：分子機(jī)器由大量分子組成，分子直徑數(shù)量級(jí)為10?1?m（A錯(cuò)誤）；分子間距離隨機(jī)器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，可能大于或小于r?（B錯(cuò)誤）；分子質(zhì)量m?=M/N?，其中M為摩爾質(zhì)量，N?為阿伏加德羅常數(shù)（C正確）；分子間存在間隙，機(jī)器體積大于分子體積之和（D錯(cuò)誤）。分子熱運(yùn)動(dòng)與布朗運(yùn)動(dòng)某實(shí)驗(yàn)觀察到分子機(jī)器中的懸浮顆粒在液體中做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，下列說法正確的是（）A.顆粒越大，運(yùn)動(dòng)越明顯，因?yàn)槠鋺T性更大B.溫度升高時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)加劇，說明分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減小C.顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡是折線，反映了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)D.若將實(shí)驗(yàn)液體換成氣體，顆粒運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象消失解析：顆粒越小，分子撞擊不平衡性越顯著，運(yùn)動(dòng)越劇烈（A錯(cuò)誤）；溫度升高，分子平均動(dòng)能增大，顆粒運(yùn)動(dòng)加?。˙錯(cuò)誤）；布朗運(yùn)動(dòng)軌跡由位置連線構(gòu)成，間接反映分子熱運(yùn)動(dòng)（C正確）；氣體中懸浮顆粒也會(huì)因分子碰撞產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)（D錯(cuò)誤）。分子間作用力與分子勢(shì)能分子機(jī)器中兩個(gè)相鄰分子的勢(shì)能E?隨距離r變化的關(guān)系如圖所示（示意圖），下列說法正確的是（）A.當(dāng)r=r?時(shí)，分子力為引力，勢(shì)能最小B.當(dāng)r<r?時(shí)，分子力表現(xiàn)為斥力，勢(shì)能隨r減小而增大C.當(dāng)r>10r?時(shí)，分子力為零，勢(shì)能為零D.分子機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，分子勢(shì)能的變化與溫度無關(guān)解析：r=r?時(shí)分子力為零，勢(shì)能最?。ˋ錯(cuò)誤）；r<r?時(shí)斥力大于引力，分子力表現(xiàn)為斥力，r減小則斥力做負(fù)功，勢(shì)能增大（B正確）；勢(shì)能零點(diǎn)人為規(guī)定，r>10r?時(shí)勢(shì)能可為某一常數(shù)（C錯(cuò)誤）；溫度影響分子熱運(yùn)動(dòng)，間接改變分子間距和勢(shì)能（D錯(cuò)誤）。熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用某分子機(jī)器工作時(shí)從外界吸收熱量Q，對(duì)外做功W，同時(shí)向低溫?zé)嵩瘁尫艧崃縌?，則（）A.機(jī)器的內(nèi)能變化ΔU=Q+WB.若Q=20J，W=10J，則Q?=30JC.非理想氣體分子機(jī)器的內(nèi)能僅由溫度決定D.機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能解析：熱力學(xué)第一定律ΔU=Q-W（外界對(duì)系統(tǒng)做功為正），A錯(cuò)誤；能量守恒Q=W+Q?，故Q?=10J（B錯(cuò)誤）；非理想氣體內(nèi)能與溫度、體積有關(guān)（C錯(cuò)誤）；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，機(jī)械能可完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（D正確）。熱力學(xué)第二定律與分子機(jī)器效率關(guān)于分子機(jī)器的效率，下列說法正確的是（）A.理想分子熱機(jī)的效率可達(dá)100%，因?yàn)榉肿娱g碰撞為彈性碰撞B.分子機(jī)器從單一熱源吸熱對(duì)外做功而不產(chǎn)生其他影響是可能的C.實(shí)際分子機(jī)器的效率隨溫度升高而一定增大D.機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中，能量耗散導(dǎo)致可用能量減少，符合熱力學(xué)第二定律解析：根據(jù)開爾文表述，熱機(jī)效率不可能達(dá)100%（A錯(cuò)誤）；不可能從單一熱源吸熱做功而不產(chǎn)生其他影響（B錯(cuò)誤）；效率還與熱源溫差有關(guān)，高溫可能導(dǎo)致分子無序性增加，效率降低（C錯(cuò)誤）；能量耗散使熵增加，符合熱力學(xué)第二定律（D正確）。二、實(shí)驗(yàn)題（共2小題，共30分）用油膜法估測(cè)分子機(jī)器中分子直徑某研究小組用油酸酒精溶液測(cè)量分子機(jī)器中液態(tài)分子的直徑，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①配置油酸酒精溶液：將體積V?=1mL的油酸溶于酒精，制成V=500mL的溶液；②用滴管滴取溶液，每滴體積V滴=0.02mL，共滴出n=50滴形成單分子油膜；③測(cè)量油膜面積S=120cm2。（1）計(jì)算1滴溶液中純油酸的體積V?=______m3；（2）估算分子直徑d=m（保留一位有效數(shù)字）；（3）若實(shí)驗(yàn)中油酸未完全散開，則測(cè)量結(jié)果比真實(shí)值（選填“偏大”“偏小”或“不變”）。答案：（1）V?=（V?/V）×V滴=（1/500）×0.02mL=4×10?12m3；（2）d=V?/S=4×10?12m3/1.2×10?2m2≈3×10?1?m；（3）偏大（油膜面積S測(cè)量值偏小，d=V/S偏大）。分子機(jī)器的內(nèi)能變化實(shí)驗(yàn)?zāi)硨?shí)驗(yàn)裝置通過控制分子機(jī)器的溫度和體積，探究其內(nèi)能變化：（1）在等容過程中，機(jī)器吸收熱量50J，溫度升高10K，若分子總數(shù)為N=1021個(gè)，分子平均動(dòng)能增量ΔE?=______J（普朗克常量k=1.38×10?23J/K，忽略分子勢(shì)能）；（2）在等壓膨脹過程中，外界對(duì)機(jī)器做功-20J（機(jī)器對(duì)外做功20J），內(nèi)能增加30J，則機(jī)器吸收的熱量Q=______J。答案：（1）ΔE?總=N×(3/2)kΔT=1021×1.5×1.38×10?23×10≈0.21J，平均動(dòng)能增量ΔE?=0.21J/1021≈2×10?22J；（2）由ΔU=Q+W得Q=ΔU-W=30J-(-20J)=50J。三、計(jì)算題（共2小題，共30分）分子機(jī)器的功率與能量轉(zhuǎn)換某分子機(jī)器由N=6×1023個(gè)分子組成，每個(gè)分子的質(zhì)量m?=4.65×10?2?kg，在溫度T=300K時(shí)，分子平均動(dòng)能E?=6.21×10?21J。機(jī)器工作時(shí)，每秒有n=102?個(gè)分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，吸收能量ε=1.6×10?2?J，同時(shí)對(duì)外輸出機(jī)械功。（1）求機(jī)器的摩爾質(zhì)量M；（2）若機(jī)器效率η=20%，求其輸出功率P。解答：（1）M=m?N?=4.65×10?2?kg×6.02×1023mol?1≈0.028kg/mol（或28g/mol）；（2）每秒吸收總能量Q=nε=102?×1.6×10?2?J=16J，輸出功率P=ηQ=0.2×16W=3.2W。熱力學(xué)定律與分子機(jī)器循環(huán)過程某分子熱機(jī)經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)過程（A→B→C→A），其中A→B為等溫膨脹，B→C為等容降溫，C→A為等壓壓縮。已知A狀態(tài)體積V?=2L，壓強(qiáng)p?=1×10?Pa，溫度T?=300K；B狀態(tài)體積V?=4L。（1）求B狀態(tài)的壓強(qiáng)p?；（2）若C→A過程中外界對(duì)機(jī)器做功W=150J，求該過程中機(jī)器吸收或釋放的熱量Q。解答：（1）A→B等溫過程，由玻意耳定律p?V?=p?V?得p?=p?V?/V?=1×10?Pa×2L/4L=5×10?Pa；（2）C→A等壓壓縮，W=150J（外界對(duì)系統(tǒng)做功），根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W。因循環(huán)過程總內(nèi)能變化為0，A→B吸熱Q?=p?V?ln(V?/V?)=1×10?×2×10?3×ln2≈138.6J；B→C等容降溫放熱Q?=ΔU?→c（內(nèi)能減少）；C→A過程ΔU=Q+W=-（Q?-Q?），解得Q=ΔU-W=-288.6J（釋放熱量288.6J）。四、綜合題（共20分）分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與物理原理（1）分子馬達(dá)：某種分子馬達(dá)通過ATP水解提供能量，驅(qū)動(dòng)分子沿軌道運(yùn)動(dòng)。已知水解1個(gè)ATP分子釋放能量ΔE=8×10?2?J，馬達(dá)每秒水解N=5×10?個(gè)ATP分子，效率η=30%，求其輸出機(jī)械功率。（2）熵增原理：分子機(jī)器工作時(shí)，周圍環(huán)境溫度T=300K，若每秒產(chǎn)生熵變?chǔ)=2×10?1?J/K，求該過程中散失到環(huán)境的熱量Q。（3）量子效應(yīng)：在納米尺度下，分子機(jī)器可能表現(xiàn)出量子隧穿效應(yīng)。若某分子的德布羅意波長(zhǎng)λ=10?1?m，質(zhì)量m=10?2?kg，求其運(yùn)動(dòng)速度v（普朗克常量h=6.63×10?3?J·s）。解答：（1）總能量E=NΔE=5×10?×8×10?2?J=4×10