第4节 分子动能和分子势能

第4节分子动能和分子势能核心素养点击物理观念(1)知道温度是分子热运动平均动能的标志。(2)知道什么是分子势能，知道分子势能与分子间距离有关。(3)知道什么是内能，了解内能与机械能的区别。科学思维(1)理解分子力做功的特点。(2)理解物体的内能与哪些宏观量有关。科学探究探究分子力做功与分子势能变化的关系。一、分子动能1．填一填(1)定义由于分子不停地做

而具有的能。(2)分子热运动的平均动能所有分子热运动动能的

。(3)温度的微观意义温度是分子热运动的

的标志。无规则热运动平均值平均动能2．判一判(1)某物体的温度是0℃，说明物体中分子的平均动能为零。

(

)(2)温度升高时，物体内每个分子的动能都增加。

(

)(3)温度升高时，物体内分子的平均动能增加。

(

)3．想一想在热现象的研究中，为什么研究单个分子的动能没有意义，而是要研究所有分子的动能的平均值？提示：物体内分子是大量的，各个分子的速度大小不同，因此，每个分子的动能大小不同，并且还在不断地改变。由于热现象是大量分子热运动的结果，因此研究单个分子运动的动能没有意义，而是要研究大量分子运动的平均动能。××√二、分子势能1．填一填(1)分子力做功的特点：分子间的作用力所做的功与路径

，分子组成的系统具有分子势能。(2)分子势能与分子间距离的关系规定两分子相距无穷远时，分子势能为零。①r>r0时，分子间的作用力表现为引力，r减小，分子力做

，分子势能减小。②r＝r0时，分子力为零，分子势能最小。③r<r0时，分子间的作用力表现为斥力，r减小，分子力做

，分子势能增大。无关正功负功(3)分子势能的决定因素①宏观上：分子势能的大小与物体的

有关。②微观上：分子势能的大小与分子之间的

有关。2．判一判(1)两分子间距为r0时分子势能最小。

(

)(2)分子势能随分子间距离的增大而减小。

(

)(3)分子势能可以为正值、负值、零。

(

)体积距离√×√3．选一选(多选)两分子间的距离为r0时，其合力为零，下图中能正确反映分子势能Ep与分子间的距离r变化关系的是 (

)解析：当分子间距离小于平衡距离r0时，分子力表现为斥力，随着分子间距离增大，分子力做正功，分子势能减小；当分子间距离等于平衡距离r0时，分子力为零，分子势能最小；当分子间距离大于平衡距离r0时，分子力表现为引力，随着分子间距离增大，分子力做负功，分子势能增大，分子势能具有相对性，其大小与零参考面的选取有关，故选项A、C正确，B、D错误。答案：AC三、物体的内能1．填一填(1)定义物体中所有分子的

与

的总和。(2)决定因素物体的内能由物质的量、

、

共同决定。(3)任何物体都具有

。热运动动能分子势能温度体积内能2．判一判(1)温度越高的物体，内能越大。

(

)(2)物体运动速度越大，内能越大。

(

)(3)物体体积增大时，内能不一定增大。

(

)3．想一想如果物体运动得越来越快，则物体分子的平均动能越来越大，对吗？提示：不对。物体的速度变大，是指其机械运动的速度变大，即其机械运动的动能变大，而分子的平均动能是指分子热运动的动能，只与温度有关，与物体的宏观运动无关。×√×探究(一)对分子动能的理解[问题驱动]

我们知道热现象是大量分子做无规则热运动产生的，热现象发生过程中，也有相应的能量变化，那么，热运动的能量与大量分子无规则热运动有什么关系呢？提示：物体内大量分子永不停息地做无规则热运动，对于每个分子来说都有无规则热运动的动能，热运动的能量是大量分子无规则运动的能量总和。[重难释解]1．单个分子的动能(1)物体由大量分子组成，每个分子都有分子动能且不为零。(2)分子在永不停息地做无规则热运动，每个分子的动能大小不同，并且时刻在变化。(3)热现象是大量分子无规则运动的统计结果，个别分子的动能没有实际意义。2．分子的平均动能(1)温度是大量分子无规则热运动的宏观表现，具有统计意义，温度升高，分子的平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大，个别分子的动能也可能减小，但总体上所有分子的动能之和一定是增加的。(2)虽然同一温度下，不同物质的分子热运动的平均动能相同，但由于不同物质的分子质量不尽相同，它们的分子的平均速率大小一般不相同。3．分子的总动能分子的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和，它等于分子的平均动能与分子数的乘积，即它与物体的温度和所含的分子数目有关。关于物体的温度与分子动能的关系，正确的说法是

(

)A．某物体的温度是0℃，说明物体中分子的平均动能为零B．物体温度升高时，每个分子的动能都增大C．物体温度升高时速率小的分子数目减少，速率大的分子数目增多D．物体的运动速度越大，则物体的温度越高[解析]

某物体温度是0℃，物体中分子的平均动能并不为零，因为分子在永不停息地做无规则运动。从微观上讲，分子运动快慢是有差别的，各个分子运动的快慢无法跟踪测量，而温度的概念是建立在统计规律的基础上的，在一定温度下，分子速率大小按一定的统计规律分布，当温度升高时，分子运动加剧，平均动能增大，但并不是所有分子的动能都增大。物体的运动速度越大，物体的动能越大，这并不能代表物体内部分子的热运动加快，所以物体的温度不一定高，故C正确，A、B、D错误。[答案]

C(1)温度是分子平均动能的唯一标志，但不要误认为0℃的物体中分子的平均动能也为零。(2)正确区分物体内分子做无规则热运动的速度和物体做机械运动的速度。解析：温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能增加，但是其中个别分子的动能却有可能减小，A错误，B正确；分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与分子总数的比值，而不是用平均速率计算，C错误，D正确。答案：BD

解析：冰水混合物温度为0℃，冰、水温度相同，二者分子平均动能相同，故选项A错误，B正确；相同温度的冰和水内个别分子的动能是随时变化的，比较个别分子的动能没意义，故选项C、D错误。答案：B3．有甲、乙两种不同气体，如果甲气体内分子平均速率比乙气体内分子平均速率大，则

(

)A．甲气体的温度一定高于乙气体的温度B．甲气体的温度一定低于乙气体的温度C．甲气体的温度可能高于也可能低于乙气体的温度D．甲气体的每个分子运动都比乙气体的分子运动得快解析：气体温度是气体分子平均动能的标志，而分子的平均动能不仅与分子的平均速率有关，还与分子的质量有关。本题涉及两种不同气体，它们的分子质量无法比较，因而无法比较两种气体温度的高低，A、B错误，C正确；速率的平均值大，每个分子运动得并不一定都快，D错误。答案：C探究(二)对分子势能的理解

[重难释解]1．分子势能的特点由分子间相对位置决定，随分子间距离的变化而变化。2．分子势能与分子力做功的关系分子力做正功分子势能减小，分子力做负功分子势能增大。取分子间距离无穷远时分子势能为零值，一般认为两分子间距离r>10r0时，分子势能为零。4．影响分子势能的因素(1)宏观上：分子势能的大小与体积有关(但是不能说体积越大分子势能越大)。(2)微观上：分子势能与分子之间的距离有关。[思考探究](1)当两分子距离为平衡距离r0时，分子力F＝0，此时分子势能一定为零吗？提示：不一定，当两分子从距离大于r0处逐渐靠近过程中分子力先做正功，后做负功，分子势能先减小后增大，相距r0时分子势能最小，由于没有规定零势能面，所以此时分子势能不一定为零。(2)分子势能与体积有关，能否说物体体积越大，分子势能就越大？提示：不能，由于物体分子间距变化的宏观表现为物体的体积变化，所以微观的分子势能变化对应于宏观的物体体积变化。同样是物体体积增大，有时体现为分子势能增大(在r>r0范围内)，有时体现为分子势能减小(在r<r0范围内)。一般来说，物体体积变化了，其对应的分子势能也变化了。[解析]

若一分子固定于原点O，另一分子从距O点很远处向O点运动，在两分子间距减小到r2的过程中，分子力做正功，势能减小；在间距由r2减小到r1的过程中，分子力仍做正功，势能减小；在间距为r1处，势能小于零。[答案]

减小减小小于(1)分子在平衡位置时，分子势能最小，分子力为零，分子的加速度为零。(2)可根据分子力做功或分子动能和势能之和不变来分析分子势能的变化。[素养训练]1．由于两个分子间的距离变化而使得分子势能变小，可确定在这一过程中

(

)A．两分子间的相互作用力一定表现为引力B．一定克服分子间的相互作用力做功C．两分子间距离一定增大D．两分子间的相互作用力可能增大解析：由分子力做功与分子势能变化关系可知，分子力做正功时，分子势能减小，有两种可能性：一是r<r0，分子力表现为斥力，且分子间距离增大两分子间的相互作用力减小；二是r>r0，分子力表现为引力，且分子间距离减小两分子间的相互作用力可能增大，也可能减小。综上分析可知，A、B、C错误，D正确。答案：D2．在两个分子间的距离由r0(平衡位置)变为10r0的过程中，关于分子间的作用力F和分子间的势能Ep的说法中，正确的是 (

)A．F不断减小，Ep不断减小B．F先增大后减小，Ep不断增大C．F不断增大，Ep先减小后增大D．F、Ep都是先减小后增大解析：分子间距r＝r0时，分子力F＝0；随r的增大，分子力表现为引力，F≠0；当r＝10r0时，F＝0，所以F先增大后减小。在分子间的距离由r0至10r0的过程中，始终克服分子引力做功，所以分子势能一直增大，故B正确，A、C、D错误。答案：B

解析：当r＝r0时引力与斥力的合力为零，即分子力为零，A、D错；当分子间的距离大于或小于r0时，分子力做负功，分子势能增加，r＝r0时分子势能最小，B对，C错。答案：B探究(三)对物体的内能的理解[问题驱动]一架飞机在空中以某一速度飞行，由于飞机中所有分子都具有飞机的速度，所以分子具有动能，又由于飞机在空中，飞机中所有分子都离地面有一定高度，以地面为零势能面，所以分子具有势能，上述动能和势能的总和就是飞机的内能，当飞机停在地上时，飞机的内能为零，以上说法是否正确？为什么？提示：不正确，飞机的内能不是飞机的机械能，它是飞机中所有分子做无规则热运动的分子动能和由于分子之间的相互作用而具有的分子势能的总和，与飞机的高度和飞机速度无关。[重难释解]1．对物体的内能的理解(1)内能的特点①内能是物体具有的，不是某个分子具有的，讨论某个分子的内能毫无意义。②任何物体的分子都在做无规则的热运动，分子间都有相互作用，所以任何物体都有内能，或者说任何物体的内能都不为零。③物体内能与物体的机械运动状态、位置等因素无关，但受物态变化的影响。(2)影响物体内能的因素①微观决定因素：分子的势能、分子的平均动能、分子的个数。②宏观决定因素：物体的体积、温度、物质的量。2．内能与机械能的比较

内能机械能对应的运动形式微观分子热运动宏观物体机械运动能量常见形式分子动能、分子势能物体动能、重力势能或弹性势能能量存在原因由物体内大量分子的无规则热运动和分子间相对位置决定由物体做机械运动和物体与地球的相对位置或形变决定影响因素物质的量、物体的温度和体积及物态物体的机械运动的速度、离地高度或相对于零势能面的高度或弹性形变是否为零永远不能等于零一定条件下可以等于零联系在一定条件下可以相互转化关于物体的内能，下列说法中正确的是

(

)A．水分子的内能比冰分子的内能大B．物体所处的位置越高，分子势能就越大，内能越大C．一定质量的0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少D．相同质量的两个同种物体，运动物体的内能一定大于静止物体的内能[解析]

内能是指组成物体的所有分子的热运动的动能与分子势能的总和，单个分子的内能没有意义，故选项A错误；内能与机械能是两种不同性质的能，它们之间无直接联系，内能与“位置”高低、“运动”还是“静止”没有关系，故选项B、D错误；一定质量的0℃的水结成0℃的冰，放出热量，使得内能减小，故选项C正确。[答案]

C对物体的内能的分析技巧(1)物体的内能与温度、体积有关，但由温度、体积无法确定物体的内能是多大，只能判定内能是否变化。(2)温度是分子平均动能的标志，故温度相同，分子平均动能一定相同。(3)分子势能的大小与体积有关，温度相同、体积相等的物体，内能也不一定相等。[素养训练]1．下列说法正确的是

(

)A．分子的动能与分子的势能之和叫作这个分子的内能B．物体的分子势能由物体的温度和体积决定C．物体的速度增大时，物体的内能增加D．物体的动能减少时，物体的温度可能增加解析：内能是对物体内所有分子而言的，单个分子的内能无意义，A错误；物