夜雨聆风【题目】如图1所示，用活塞将一定质量的理想气体密封在导热气缸内，活塞稳定在a处。将气缸置于恒温冷水中，如图2所示，活塞自发从a处缓慢下降并停在b处，然后保持气缸不动，用外力将活塞缓慢提升回a处。不计活塞与气缸壁之间的摩擦。则( )
A. 活塞从a到b的过程中，气缸内气体压强升高
B. 活塞从a到b的过程中，气缸内气体内能不变
C. 活塞从b到a的过程中，气缸内气体压强升高
D. 活塞从b到a的过程中，气缸内气体内能不变
【答案】D
【解析】活塞从a到b的过程中，气缸置于恒温冷水中，气体温度降低，则内能减小；活塞自发下降，表明气体体积减小；根据理想气体状态方程，温度降低、体积减小，压强保持不变。选项A、B错误。活塞从b到a的过程中，气缸置于恒温冷水中，气体温度不变，则内能不变；用外力将活塞缓慢提升，气体体积增大；根据玻意耳定律 ，体积增大时压强减小。 选项C错误，D正确。
【试题情境】
本题以导热气缸内活塞在恒温冷水中自发下降后又被外力提升回原处为背景，采用文字+示意图形式创设生活实践情境。情境素材来源于热学中的典型实验模型，属于情境嵌入型题目。试题情境与理想气体状态方程、热力学第一定律深度融合，但两个过程区分清晰、条件明确，属于简单情境，突出基础性与应用性。
【必备知识】
本题考查必修3中II级考点：理想气体状态方程、热力学第一定律、玻意耳定律。理想气体状态方程、内能与温度的关系、玻意耳定律属于陈述性知识；根据气体状态变化（温度、体积）判断内能、压强变化属于程序性知识；将活塞的“自发下降”与“外力提升”两个过程分别对应到等压变化和等温变化，并区分内能变化与压强变化的判断依据，属于策略性知识。
【课标要求】
选必修3：3.1.6 通过实验，了解气体实验定律，知道理想气体模型。能用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律。
选必修3：3.2.1 知道热力学第一定律，了解能量守恒定律。能用热力学第一定律解释和计算有关问题。
【素养等级】
(1) 本题考查物理观念中的物质观念与能量观念，能理解理想气体的状态参量（温度、体积、压强）及其变化规律，能应用热力学第一定律分析内能变化，达到学业质量水平2要求。
(2) 本题考查科学思维中的科学推理，能根据题目中“恒温冷水”“自发下降”“缓慢提升”等条件，将两个过程分别对应到等温变化和等压/等容变化模型，并运用气体实验定律进行推理判断，达到学业质量水平2要求。
【能力要求】
本题围绕气体状态变化与热力学第一定律展开考查，着重考查理解能力、信息加工能力、逻辑推理能力。
(1)理解能力：理解内能与温度的关系、压强与体积的关系，能区分“内能变化”与“压强变化”的物理机制。
(2)信息加工能力：从题干中提取“恒温冷水”“活塞自发下降”“外力缓慢提升”等关键条件，判断各过程对应的温度、体积变化特征。
(3)逻辑推理能力：能结合理想气体状态方程和热力学第一定律，对两个过程分别进行正向推理——a→b过程温度降低→内能减小、体积减小→压强不变；b→a过程温度不变→内能不变、体积增大→压强减小。
【问题复杂性分析】
【试题难度】
【命题综述】
【基于高考评价体系的多维命题细目表】
【拓展延伸】
拓展1：若将本题中的“恒温冷水”换为“恒温热源”，使气缸内气体温度升高，活塞自发从a处上升，则a→b过程中气体压强、内能如何变化？
解析：温度升高，内能增大；活塞自发上升，体积增大；导热气缸内气体压强始终等于大气压与活塞重力产生的压强之和，保持不变。因此，该过程为等压膨胀，温度升高→内能增大，体积增大→气体对外做功，根据热力学第一定律，气体从外界吸热。
拓展2：若本题中气缸不是导热的，而是绝热的，则活塞从a到b自发下降的过程中，气体温度、内能如何变化？
解析：绝热条件下，气体与外界无热量交换，。活塞自发下降，气体体积减小，外界对气体做功，。根据热力学第一定律 ，，，则 ，内能增大，温度升高。这与原题中导热气缸（温度降低）的结果相反，反映了边界条件对热力学过程的关键影响。
拓展3：本题中，若已知活塞从a到b下降的距离为 ，气缸横截面积为S，活塞质量为m，大气压强为 ，能否求出气体在a→b过程中放出的热量？请说明理由。
解析：a→b过程气体等压变化，压强 保持不变。体积变化量 ，气体对外做功 。内能变化 需结合温度变化 计算，但题目未给出气体种类或比热容，无法求出 的具体数值，因此无法直接求出放出的热量 。若已知气体为单原子理想气体等附加条件，则可进一步定量计算。
