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导学物理观念(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．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：所有分子的动能的_______。3．温度的微观意义：温度是分子热运动的___________的标志。二、分子势能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。无规则热运动平均值平均动能无关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。(1)r>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。(2)r＝r0时，分子力为零，分子势能最小。(3)r<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。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。三、物体的内能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______。体积距离热运动动能分子势能温度体积内能1．对放在桌面上的某一物体而言。(1)其中有10个分子的动能很大，那么这10个分子的温度很高吗？提示：物体的温度是对大量分子而言的，对10个这样少的分子没有意义。(2)该物体的分子平均动能与什么因素有关？提示：物体的分子平均动能取决于温度。2．如图所示，分子间作用力做功与分子势能的关系与弹簧长度变化时弹性势能的变化趋势相似，请对以下说法作出判断：(1)分子间距离由图乙增大为图甲时，分子势能增大。

()(2)分子间距离由图乙减小为图丙时，分子势能减小。

()(3)分子间距离为图乙时，分子势能最大。

()3．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，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，与物体的宏观运动的快慢无关。√××新知学习(一)|对分子动能的理解[任务驱动]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的做无规则热运动，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。

[重点释解]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)分子在永不停息的做无规则热运动，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。[针对训练]1．下列关于分子动能的说法中正确的是

(

)A．物体温度升高，每个分子的动能都增大B．物体温度升高，分子的总动能不变C．物体温度升高，分子的平均动能增大D．分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和解析：物体的温度升高，分子的平均动能一定增大，但不是每个分子的动能都增大，故A错误，C正确；物体的温度升高，分子的平均动能一定增大，则分子的总动能增大，故B错误；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，故D错误。答案：C

2．关于分子热运动的动能，下列说法中正确的是

(

)A．物体运动速度大，物体内分子热运动的动能一定大B．物体的温度降低，物体内分子热运动的平均动能一定减小C．物体的温度升高，物体内每个分子热运动的动能都增大D．1g100℃的水变成1g100℃的水蒸气，分子热运动的平均动能增大解析：物体由于运动而具有的能叫动能，它是宏观物体所具有的一种能量，分子由于热运动而具有的能叫分子动能，是微观上内能的一种形式，所以物体的运动速度大小与分子热运动的动能无关，A错误；温度是分子热运动平均动能的标志，物体的温度升高，分子的平均动能增大，但并不是每个分子热运动的动能都增大，B正确，C错误；温度相同、质量相同的水和水蒸气，分子平均动能相同，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．甲气体的每个分子都比乙气体的每个分子运动得快解析：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

新知学习(二)|对分子势能的理解[任务驱动]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。

[重点释解]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。3．分子势能与分子间距离的关系(1)当10r0>r>r0时，分子间的作用力表现为引力，分子间的距离增大时，分子力做负功，因而分子势能随分子间距离的增大而增加。(2)当r<r0时，分子间的作用力表现为斥力，分子间的距离减小时，分子力做负功，因而分子势能随分子间距离的减小而增加。(3)当r＝r0时，分子势能最小，在此位置分子间距离r不论减小还是增大，分子势能都增大，所以说，平衡位置处是分子势能最低的点。(4)当r≥10r0(r数量级为10－9m)时，分子间的作用力可以忽略。如果选取此时的分子势能为零，那么分子势能与分子间距离的关系如图所示。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。[典例体验][典例]

(2023·海南高考)如图为两分子靠近过程中的示意图，r0为分子间平衡距离，下列关于分子力和分子势能的说法正确的是

(

)A．分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力B．分子从无限远靠近到距离r0处的过程中分子势能变大C．分子势能在r0处最小D．分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小[解析]

分子间距离大于r0时，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处的过程中，引力做正功，分子势能减小，则在r0处分子势能最小；继续减小分子间距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大。[答案]

C/方法技巧/分子力做功与分子势能变化关系的理解(1)分子力做功是分子势能变化的唯一原因。(2)势能的大小与物体间距离的关系有一个共同的规律：不论是重力势能、弹性势能、电势能、还是分子势能，当它们之间的距离发生变化时，它们之间的相互作用力如果是做正功，势能都要减小；如果是做负功，势能都要增大。(3)分子势能最小与分子势能为零绝不是一回事，分子势能的正、负代表大小，如Ep＝－10J小于Ep＝5J。

[针对训练]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时，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时，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．甲、乙两图分别表示两个分子之间分子力和分子势能随分子间距离变化的图像。由图像判断，以下说法正确的是

(

)A．当分子间距离为r0时，分子力和分子势能均最小且为零B．当分子间距离r＞r0时，分子力随分子间距离的增大而增大C．当分子间距离r＞r0时，分子势能随分子间距离的增大而减小D．当分子间距离r＜r0时，分子间距离逐渐减小，分子力和分子势能都增加解析：当分子间距离为r0时，分子力为0，分子势能最小但不为0，所以A错误；当分子间距离r＞r0时，由图像可知随分子间距离的增大，分子力先增大后减小，所以B错误；当分子间距离r＞r0时，分子力为引力，分子间距离增大时，分子引力做负功，则分子势能随分子间距离的增大而增大，所以C错误；当分子间距离r＜r0时，分子间距离逐渐减小，分子力越来越大，分子斥力做负功，分子势能增加，则分子力和分子势能都增加，所以D正确。答案：D

新知学习(三)|对物体内能的理解[任务驱动]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。

[重点释解]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[典例体验][典例]关于物体的内能，下列说法中正确的是

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)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/方法技巧/内能和机械能与运动状态的关系(1)影响物体内能的因素有温度、体积和物质的量。(2)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。(3)研究热现象时，一般