新教材适用2024-2025学年高中物理第1章分子动理论4.分子动能和分子势能学案新人教版选择性必修第三册

4．分子动能和分子势能课程标准1．知道温度是分子平均动能的标记。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，知道物体的内能与温度和体积有关。4．能够区分内能和机械能。素养目标1．了解温度是分子热运动平均动能的标记，是微观粒子热运动的宏观表现。2．了解什么是分子势能，了解分子势能与分子间的距离、分子力做功的关系。3．知道什么是物体的内能，知道物体的内能跟物体的温度和体积有关。4．了解内能和机械能的区分。学问点1分子动能1．分子动能做_热运动__的分子也具有动能，这就是分子动能。2．分子的平均动能热现象探讨的是大量分子运动的整体表现，重要的不是系统中某个分子的动能大小，而是全部分子的动能的平均值，叫作分子热运动的_平均动能__。3．温度的微观说明温度是物体分子热运动_平均动能__的标记。说明：温度相同，分子平均动能相等，而不同种类的分子平均速率不相等。『判一判』(1)物体的温度上升时，物体每个分子的动能都增大。(×)(2)分子平均动能是物体全部分子动能的平均值；分子平均速率可由eq\x\to(E)k＝eq\f(1,2)meq\x\to(v)2求得。(×)『想一想』(1)物体的温度上升时，物体每个分子的动能都增大吗？提示：温度是分子平均动能的标记，不是某个分子动能大小的标记。物体温度上升时，物体每个分子的动能不肯定都增大，但物体分子的平均动能会增大。学问点2分子势能1．定义：分子间存在相互作用力，可以证明分子间的作用力所做的功与路径_无关__，分子组成的系统具有_分子势能__。2．确定因素(1)宏观上：分子势能的大小与物体的_体积__有关。(2)微观上：分子势能与分子间的_距离__有关。3．分子势能与分子间距离的关系(1)当r>r0时，分子力表现为_引力__，若r增大，需克服引力做功，分子势能_增加__。(2)当r<r0时，分子力表现为_斥力__，若r减小，需克服斥力做功，分子势能_增加__。(3)当r＝r0时，分子力为零，分子势能_最小__。『判一判』(3)当分子力做正功时，分子势能肯定减小。(√)(4)分子势能可以为正值、负值、零。(√)(5)当分子间距离为r<r0时，分子力为斥力，这时减小分子间的距离，分子势能增大。(√)『想一想』(2)分子势能和重力势能一样是有正值、负值和0吗？提示：分子势能也是相对的，取决于你所选取的参考位置。一般取无穷远处的势能为0，所以分子势能有0、正值和负值。学问点3物体的内能1．定义：物体中全部分子的_热运动动能__与_分子势能__的总和。2．内能的普遍性：组成任何物体的分子都在做_无规则的热运动__，所以任何物体都具有内能。3．确定因素(1)物体所含的分子总数由_物质的量__确定。(2)分子的热运动平均动能由_温度__确定。(3)分子势能与物体的_体积__有关，故物体的内能由_物质的量__、_温度__、_体积__共同确定，同时受物态变更的影响。留意：物体的内能与机械能无关。『判一判』(6)一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能。(×)(7)物体的温度和体积变更时，内能一般会发生变更。(√)『选一选』(多选)一杯水和一个钢球，它们的质量和温度都相等，则(BD)A．它们的内能肯定相等B．它们的分子平均动能肯定相等C．它们的分子平均速率肯定相等D．把钢球投入水中，它们的内能不变解析：温度相同，则分子平均动能肯定相同，B项正确；由于组成物体的分子的分子质量不同，因此分子的平均速率不同，C项错误；相同质量的水和钢球含有的分子数不同，因此内能不相等，A项错误；把钢球投入水中二者温度和内能都没有变更，D项正确。『想一想』(3)物体运动得越快，其内能就越大吗？静止在地面上的物体，内能为0吗？提示：物体运动得越快，物体动能越大，但这个动能与内能无关，故其内能不肯定越大。静止在地面上的物体，假如以地面作为零势能面，那么这个物体的机械能为0，但这个物体里的分子却始终处在永不停息的热运动中，物体的内能不为0。探究分子动能要|点|提|炼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，每个分子动能大小不同并且时刻在变更。(3)热现象是大量分子无规则运动的统计规律，对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。温度上升，分子平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大。个别分子动能可能增大也可能减小，个别分子甚至几万个分子热运动的动能大小不受温度影响，但总体上全部分子的动能之和肯定是增加的。(2)只要温度相同，任何物质分子的平均动能都相同。由于不同物质的分子质量不肯定相同，所以同一温度下，不同物质分子运动的平均速率大小一般不相同。典|例|剖|析典例1关于物体的温度与分子动能的关系，正确的说法是(C)A．某种物体的温度是0℃说明物体中分子的平均动能为零B．物体温度降低时，每个分子的动能都减小C．物体温度上升时速率小的分子数目削减，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题指导：由于分子处在永不停息的无规则运动中，分子的平均动能恒久不会为零，温度取决于分子热运动的猛烈程度，与物体宏观有序的运动速度大小无关。解析：温度是分子平均动能的标记。温度是0℃，物体中分子的平均动能并非为零，因为分子无规则运动不会停止，A错误；温度降低时分子的平均动能减小，并非每个分子动能都减小，B错误；物体温度上升时，分子的平均动能增大，分子的平均速率增大，速率小的分子数目削减，速率大的分子数目增多，C项正确；物体的运动速度增大，宏观机械能(动能)增大，但物体内分子的热运动不肯定加剧，温度不肯定上升，D错。对点训练❶(多选)当氢气和氧气温度相同时，下列说法正确的是(AB)A．两种气体分子的平均动能相等B．氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率C．两种气体分子热运动的总动能相等D．两种气体分子热运动的平均速率相等解析：因为温度是分子平均动能的标记，故选项A正确；因为氢气和氧气的分子质量不同，平均动能相等，所以两种气体分子的平均速率不同，由Ek＝eq\f(mv2,2)可得，分子质量大的平均速率小，故选项B正确，D错误；虽然两种气体分子平均动能相等，但由于两种气体的总质量不清晰，即分子数目关系不清晰，故选项C错误。探究分子势能要|点|提|炼1.分子势能的变更规律及推断依据分子力做正功，分子势能削减，分子力做了多少正功，分子势能就削减多少；分子力做负功，分子势能增加，克服分子力做了多少功，分子势能就增加多少。(1)r>r0时，r增大，分子势能增加，反之，削减。(2)r<r0时，r增大，分子势能削减，反之，增加。(3)r→∞时，分子势能为零；r＝r0时，分子势能最小。2．分子势能的“弹簧—小球”模型分子势能随分子间距离的变更类似于弹簧—小球模型，弹簧的原长相当于分子间的距离r0。弹簧在原长的基础上无论拉伸还是压缩，势能都会增加。3．分子势能曲线分子势能曲线如图所示，规定无穷远处分子势能为零。分子间距离从无穷远渐渐减小至r0的过程，分子间的合力为引力，合力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小，为负值。当分子间距离到达r0以后再接着减小，分子作用的合力为斥力，在分子间距离减小过程中，合力做负功，分子势能增大，其数值将从负值渐渐变大至零，甚至为正值，故r＝r0时分子势能最小。从曲线上可看出：(1)在r<r0处，曲线比较陡，这是因为分子间的斥力随分子间距的减小而增加得快，分子势能的增加也就快。(2)在r>r0处，曲线比较缓，这是因为分子间的引力随分子间距的增大而变更得慢，分子势能的增加也就变慢。(3)在r＝r0处，分子势能最小，但不肯定为零。一般取无穷远处分子势能为零，则分子势能最小位置是在r＝r0处，且为负值，故分子势能最小与分子势能为零绝不是一回事。4．分子势能与体积的关系由于物体分子间距离变更的宏观表现为物体的体积变更，所以微观的分子势能变更对应于宏观的物体体积变更。例如，同样是物体体积增大，有时体现为分子势能增加(在r>r0范围内)；有时体现为分子势能削减(在r<r0范围内)；一般我们说，物体体积变更了，其对应的分子势能也变更了。但分析与判定的关键要看体积变更过程中分子力是做正功，还是做负功。典|例|剖|析典例2(多选)关于分子势能，下列说法正确的是(AC)A．分子间作用力表现为斥力时，分子间距离越小，分子势能越大B．分子间作用力表现为引力时，分子间距离越小，分子势能越大C．分子势能随物体的体积变更而变更D．物体热胀冷缩时，分子的平均动能变更，分子势能不变解析：当分子间作用力表现为斥力时，分子间距离越小，分子势能越大，选项A正确；当分子间作用力表现为引力时，分子间距离减小，引力做正功，分子势能减小，因此分子间距离越小，分子势能越小，选项B错误；当物体的体积发生变更时，分子间距离便发生变更，则分子势能随之发生变更，分子势能是随物体的体积变更而变更的，选项C正确；物体热胀冷缩时，其温度发生变更，分子的平均动能变更，同时物体的体积发生变更，则分子势能也会变更，选项D错误。对点训练❷(2024·清华高校附属中学期末)分子势能的大小是由分子间的相对位置确定的。分子势能EP与分子间距离r的关系如图所示，r0为分子间的平衡位置。下列说法正确的是(A)A．当r＝r0时，分子势能最小B．当r＝r1时，分子势能最小C．当r＝r0时，分子力最大D．当r＝r1时，分子力为0解析：依据题图可知，当r＝r0时，分子势能最小，当r＝r1时，分子势能为零，不是最小，故选项A正确，B错误；当r＝r0时，分子势能最小，分子间的引力等于斥力，分子间作用力为零，选项C错误；当r＝r1<r0时，分子间作用力表现为斥力，不等于零，选项D错误。探究物体的内能要|点|提|炼1.内能与机械能的区分和联系项目内能机械能对应的运动形式微观分子热运动宏观物体的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的缘由物体内大量分子的热运动和分子间存在相互作用力由于物体做机械运动和物体发生弹性形变或被举高影响因素物质的量、物体的温度和体积物体的机械运动的速度、离地高度(或相对于参考平面的高度)或弹性形变量能否为零恒久不能等于零肯定条件下可以等于零联系在肯定条件下可以相互转化2.物态变更对内能的影响一些物质在物态发生变更时，例如冰的熔化、水在沸腾时变为水蒸气，温度不变，此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变更，分子势能变更，所以物体的内能变更。(1)热能是内能通俗而不准确的说法，热量是物体在热传递过程中内能转移的多少。(2)物体的内能增加，温度不肯定上升，物体的内能削减，温度不肯定降低，温度不变，内能可能变更。典|例|剖|析典例3(多选)关于物体的内能，下列说法正确的是(BD)A．相同质量的两种不同物质，上升相同的温度，内能的增量肯定相同B．物体的内能变更时温度不肯定变更C．内能与物体的温度有关，所以0℃的物体内能为零D．分子数和温度相同的物体不肯定具有相同的内能解析：相同质量的两种不同物质的物质的量可能不同，进而可知分子数可能不同，故上升相同的温度时(分子平均动能的变更量相同)，其分子总动能的变更量不肯定相同，且不知道分子势能如何变更，故其内能的增量可能不相同，选项A错误；物体内能变更时，可能是分子势能变更，因此温度不肯定变更，选项B正确；分子永不停息地做无规则运动，故物体的内能不行能为零，选项C错误；物体的内能与分子数、温度和体积等有关，分子数和温度相同，体积不同的物体，内能可能不同，选项D正确。对点训练❸以下说法正确的是(C)A．不同的物体，若温度相同，则内能也相同B．物体速度增大，则分子动能增大，内能也增大C．机械能和内能可以相互转化D．静止在地面上的物体，机械能和内能均为零解析：物体的内能与物体的温度、体积以及物质的量有关，不同的物体，若温度相同，内能不肯定相同，选项A错误；物体的动能与组成物体的分子的动能无必定联系，物体速度增大，动能增大，但分子动能不肯定增大，内能也不肯定增大，选项B错误；机械能可以转化为内能，内能也可以转化为机械能，选项C正确；物体的内能恒久不为零，静止在地面上的物体，机械能也不肯定为零，选项D错误。比较物体内能的大小和推断物体内能变更的方法详细比较和推断时，必需抓住物体内能的大小与分子数目有关、与温度有关、与物体的体积及物态等因素有关，结合能量转化和守恒定律，综合进行分析。(1)当物体质量m肯定时(相同物质的摩尔质量M相等)，物体所含分子数n就肯定。(2)当物体温度肯定时，物体内部分子的平均动能就肯定。(3)当物体的体积不变时，物体内部分子间的相对位置就不变，分子势能也不变。(4)当物体发生物态变更时，要汲取或放出热量，物体的内能也随之变更。案例甲、乙两名同学对0℃的水和0℃的冰进行了如下争辩：甲说：“冰和水的温度相同，所以分子平均动能相等。质量相同时，冰的体积大，因此冰的分子势能大，所以说冰的内能大于水的内能。”乙说：“0℃的水变成0℃的冰须要向外界放出热量，在质量相同的状况下，水的内能大于冰的内能。”请你推断一下甲、乙两名同学谁的说法是正确的？解析：甲同学认为冰的体积大，分子势能大，这是错误的说法(冰的体积大的主要缘由在于宏观的冰晶粒间空隙大)。分子势能大小与体积有关，但二者并不肯定成正比。0℃的冰变为0℃的水需吸热，故水的内能大，它们相同的物理量是分子平均动能，不同的物理量是分子势能，明显水的分子势能大。答案：乙同学的说法正确。一、分子动能1．下列关于物体的温度与分子动能的关系，正确的说法是(C)A．某物体的温度是0℃，说明物体中分子的平均动能为零B．物体温度上升时，每个分子的动能都增大C．物体温度上升时，分子平均动能增大D．物体的运动速度越大，则物体的温度越高解析：物体的温度是0℃，不代表物体中分子的平均动能为零，故A错误；温度从微观角度反映了大量分子无规则运动的猛烈程度，温度上升时，速率小的分子数目削减，速率大的分子数目增多，但并不是每个分子的动能都增大，故B错误；温度是分子平均动能的标记，物体温度上升时，分子平均动能增大，故C正确；温度与物体的宏观的运动速度无关，故D错误。2．(2024·山东平邑一中高二月考)一杯水含有大量的水分子，若杯中水的温度上升，则(A)A．水分子的平均动能增大B．只有个别水分子动能增大C．全部水分子的动能都增大D．每个水分子的动能变更量均相同解析：水的温度上升，即其内部的水分子运动变得猛烈，水分子的平均动能变大，这是统计规律，对个别分子不适用，故A正确，B、C、D错误。二、分子势能3．(多选)用r表示两个分子间的距离，Ep表示两个分子间的势能，当r＝r0时，两个分子间引力等于斥力，设两分子间距离很远时，Ep＝0，则(ABC)A．当r0<r<10r0时，Ep随r的增大而增大B．当r<r0时，Ep随r的减小而增大C．当r＝r0时，Ep最小D．当r＝r0时，EP＝0解析：当r>r0时，分子力的合力为引力，距离增大时，须要克服分子引力做功，所以分子势能Ep增大；当r<r0时，分子力的合力为斥力，距离r减小时，须要克服分子斥力做功，分子势能也要增大。由上述分析可知，从r＝r0动身，无论增大距离r还是减小距离r，分子势能均增大，所以在r＝r0处，分子势能最小。由于题中已规定两分子距离很远时，Ep＝0，所以r＝r0处肯定是Ep<0。4．(2024·安徽明光二中高二下期末改编)两分子间的斥力与引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子在分子力作用下，由静止起先相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是(D)A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能和分子势能均增大B．在r<r0阶段，分子势能先增大后减小C．在r＝r0时，分子势能为零，动能最大D．在r＝r0时，分子间引力和分子间斥力大小相等解析：r0为分子间的平衡距离，大于平衡距离时，分子间作用力表现为引力，小于平衡距离时，分子间作用力表现为斥力，则有在r>r0阶段，分子力表现为引力，相互靠近时F做正功，势能减小，故A错误；当r<r0时，分子力表现为斥力，F做负功，分子势能增加，故B错误；由以上分析可知，当r＝r0时，分子势能最小，动能最大，又由于两分子相距无穷远时分子势能为零，则在r＝r0时分子势能小于零，故C错误；当r＝r0时，分子力为零，所以分子间引力和分子间斥力大小相等，故D正确。三、物体的内能5．下列叙述正确的是(D)A．分子的动能与分