高中 物理 必修第三册 第一章 分子动理论《第4节 分子动能和分子势能》教学设计

第4节分子动能和分子势能[学习目标]1．知道分子热运动的动能跟温度有关。知道温度是分子热运动平均动能的标志。2．掌握分子势能的概念，理解分子力做功对应分子势能的变化。知道分子势能跟物体体积有关。3．理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线。4．知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关。知识点1分子动能和分子势能分子能量比较内容分子动能分子势能定义分子无规则运动而具有的能由分子力和分子间相对位置决定的能大小决定因素物质的温度是分子热运动平均动能的标志宏观上与物体的体积有关，微观上与分子间距离有关[判一判]1．(1)温度高的物体，分子的平均动能一定大。()(2)温度升高时，物体的每个分子的动能都将增大。()(3)分子势能可以为正值、负值、零。()提示：(1)√(2)×(3)√知识点2物体的内能1．定义：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。2．决定因素(1)分子总个数由物体物质的量决定。(2)分子热运动的平均动能由温度决定。(3)分子势能宏观上与物体的体积有关。(4)物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定。3．内能的普遍性：因为一切物体都是由不停地做无规则热运动且相互作用着的分子所组成的，所以任何物体都具有内能。[判一判]2．(1)一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能。()(2)当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化。()(3)温度高的物体一定比温度低的物体内能大。()提示：(1)×(2)×(3)×1．(分子动能)(多选)下列关于分子动能的说法正确的是()A．物体的温度升高，每个分子的动能都增加B．物体的温度升高，分子的总动能增加C．如果分子的质量为m，平均速率为v，则平均动能为eq\f(1,2)mv2D．分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子的总数之比解析：选BD。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所有分子总数的比值，而不是用eq\f(1,2)mv2计算，C错误，D正确。2．(分子势能)下列关于分子力和分子势能的说法正确的是()A．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而增大B．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而减小C．当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大D．当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而减小解析：选C。当分子力表现为引力时，分子间距离增大，分子力可能先增大后减小，也可能一直减小，分子力做负功，分子势能增大，所以A、B错误；当分子力表现为斥力时，分子间距离减小，分子力增大，分子力做负功，分子势能增大，所以C正确，D错误。3．(物体的内能)关于温度与内能的关系，下列说法正确的是()A．不同质量的同种物质，只要温度相同，分子的平均动能就相同B．物体的温度变化时，它的内能一定改变C．物体的温度升高时，每个分子的动能都增大D．物体的内能等于物体的动能与势能的总和答案：A探究一分子动能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，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物体所含的分子数目有关。【例1】关于物体的温度与分子动能的关系，正确的说法是()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．物体的运动速度越快，则物体的温度越高[解析]温度是分子平均动能的标志。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；物体温度升高时，分子的平均动能增大，分子的平均速率增大，速率小的分子数目减少，速率大的分子数目增多，C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一定加剧，温度不一定升高，D错误。[答案]C【例2】(多选)当氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法正确的是()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志，温度相同，则分子平均动能相同，故A正确；因为氢气分子的质量小于氧气分子的质量，而分子平均动能又相等，所以氢气分子的平均速率大，故D错误，B正确；虽然气体质量和分子平均动能(温度)都相等，但由于气体摩尔质量不同，分子数目不相等，分子总动能不相等，故C错误。[答案]AB[针对训练1]有甲、乙两种不同的气体，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分子运动得快解析：选C。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(分子质量不同)，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，并不一定每个分子运动得都快，D错误。[针对训练2]一块10℃的铁与一块10℃的铝相比，以下说法中正确的是()A．铁的分子动能之和与铝的分子动能之和相等B．铁的每个分子动能与铝的每个分子的动能相等C．铁的分子平均速率与铝的分子平均速率相等D．以上说法均不正确解析：选D。两物体温度相等，说明它们的分子平均动能相等，因为温度是分子热运动平均动能的标志；由于没有说明铁与铝的质量，只有当它们所含分子数目一样，分子总动能才相等，故A错误；分子平均动能相等，但对每个分子而言，它运动的速率是变化的，且每个分子的速率都是不同的，有快的也有慢的，所以每个分子的动能相等的说法不正确，故B错误；虽然分子的平均动能相等，但铁分子、铝分子质量不等，因此分子平均速率不等，m铝<m铁，eq\o(v,\s\up6(－))铝>eq\o(v,\s\up6(－))铁，故C错误，D正确。探究二分子势能1．分子势能由于分子间存在着相互作用力，所以分子间也有相互作用的势能，这就是分子势能。其大小由分子间的相对位置决定。2．分子势能的特点由分子间的相对位置决定，随分子间距离的变化而变化。分子势能是标量，正、负表示的是大小，具体的值与零势能点的选取有关。3．分子势能与分子间距离的关系分子势能的大小与分子间的距离有关，距离发生变化时，分子力要做功，分子势能发生变化。分子势能随分子间距离的变化情况如图所示(取无穷远处Ep为0)。(1)当分子间的距离r＞r0时，分子势能随分子间距离的增大而增大。(2)当分子间的距离r＜r0时，分子势能随分子间距离的减小而增大。(3)当r＝r0时，分子势能最小，但不为零。4．分子势能的影响因素(1)宏观上：分子势能跟物体的体积有关。(2)微观上：分子势能跟分子间距离r有关，分子势能与r的关系不是单调变化的。【例3】如图所示，用F表示两分子间的作用力，用Ep表示分子间的分子势能，在两个分子之间的距离由10r0变为r0的过程中，以下判断正确的是()A．F不断增大，Ep不断减小B．F先增大后减小，Ep不断减小C．F不断增大，Ep先增大后减小D．F、Ep都是先增大后减小[解析]由题图中分子力与距离的关系图像可知，两个分子之间的距离从10r0变为r0的过程中，F表现为引力，且分子力先增大后减小，由题图中分子势能与距离的关系图像可知，两个分子之间的距离从10r0变为r0的过程中，Ep不断减小。[答案]B【例4】(2022·江苏徐州高二期末)有两个分子M、N，固定M，将N由静止释放，N仅在分子力作用下远离M，其速度和位移的图像如图所示，则()A．N由x＝0到x＝x2过程中，M、N间作用力先表现为引力后表现为斥力B．N由x＝x1到x＝x2过程中，N的加速度一直减小C．N由x＝0到x＝x2过程中，M、N系统的分子势能先减小后增大D．N在x＝x1时，M、N间分子力最大[解析]由题图可知，在x＝x1处N分子的动能最大，则分子力做功最多，分子势能最小，则x＝x1处为平衡位置，此时分子力为零，当x<x1时，分子力表现为斥力，x>x1时，分子力表现为引力。N由x＝0到x＝x2过程中，M、N间作用力先表现为斥力后表现为引力，A错误；由v－t图像的斜率表示加速度，加速度先增大后减小，B错误；N由x＝0到x＝x2过程中，M、N系统的分子势能先减小后增大，C正确；N在x＝x1时，M、N间分子力为零，D错误。[答案]C[针对训练3]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，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，则下列说法正确的是()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，分子引力和分子斥力大小相等解析：选D。在r＞r0阶段，分子力表现为引力，相互接近过程中，F做正功，分子动能增大，分子势能减小，所以A错误；在r＜r0阶段，分子力表现为斥力，相互接近过程中，F做负功，分子势能逐渐增大，所以B错误；由于在r＞r0阶段，分子力表现为引力，相互接近过程中，F做正功，分子势能减小，在r＜r0阶段，分子力表现为斥力，相互接近过程中，F做负功，分子势能逐渐增大，则在r＝r0时，分子势能最小，且一定小于0，动能最大，所以C错误；在r＝r0时，分子引力和分子斥力大小相等，分子间作用力的合力为0，所以D正确。探究三物体的内能1．对物体内能的理解(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．内能与机械能的区别和联系项目内能机械能区别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热运动和分子间相对位置决定由物体做机械运动和物体形变或被举高影响因素物质的量、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【例5】关于机械能和内能，下列说法中正确的是()A．机械能大的物体，其内能一定很大B．物体的机械能损失时，内能却可能增大C．物体的内能损失时，机械能必然减小D．物体的内能为零时，机械能可以不为零[解析]机械能和内能是两种不同形式的能，机械能包括物体的动能、重力势能和弹性势能。而内能是指所有分子动能和分子势能之和，与物体的温度、体积和物质的量有关。机械能大的物体其内能不一定大，机械能损失时，其内能可能增大、不变或减小，故A错误，B正确；物体具有机械能的大小与物体内能的大小无直接关系，物体的内能损失时，机械能可能增大、不变或减小，故C错误；由分子动理论知，物体的内能不能为零，机械能可以为零也可以不为零，故D错误。[答案]B[针对训练4](多选)一辆运输瓶装氧气的货车，由于某种原因，司机紧急刹车，最后停下来，则下列说法不正确的是()A．汽车机械能增大，氧气内能增大B．汽车机械能减小，氧气内能减小C．汽车机械能减小，氧气内能不变D．汽车机械能减小，汽车(轮胎)内能增大答案：AB[针对训练5]下列说法正确的是()A．铁块熔化成铁水的过程中，温度不变，内能也不变B．物体运动的速度增大，则物体中分子热运动的平均动能增大，物体的内能增大C．A、B两物体接触时有热量从物体A传到物体B，这说明物体A的内能大于物体B的内能D．A、B两物体的温度相同时，A、B两物体的内能可能不同，分子的平均速率也可能不同解析：选D。温度是分子平均动能的标志，内能是所有分子热运动动能和分子势能的总和，故温度不变时，内能可能变化，A错误；两物体温度相同，内能可能不同，分子的平均动能相同，但分子的平均速率可能不同，故D正确；最易出错的是认为有热量从A传到B，A的内能肯定大，其实有热量从A传到B，只说明A的温度高，内能大小还要看它们的总分子数和分子势能等因素，故C错误；机械运动的速度与分子热运动的平均动能无关，故B错误。[A级——基础达标练]1．一个铁球和一个冰球的温度相同，且其质量相等，则()A．它们的分子平均动能一定相等B．它们的分子运动的平均速率一定相等C．冰球的体积大，水的分子势能大D．它们的内能一定相等答案：A2．下列关于温度、内能和热量的说法正确的是()A．物体的温度越高，所含热量越多B．物体的内能越大，所含热量越多C．物体的温度越高，它的分子热运动的平均动能越大D．物体的温度不变，它的内能就不变解析：选C。热量是过程量，“含有热量”的说法是不正确的，故A、B错误；温度是分子的平均动能的标志，物体的温度越高，它的分子热运动的平均动能越大，故C正确；物体的内能与物质的量、温度、体积以及物态有关，物体的温度不变，它的内能不一定不变，故D错误。3．关于分子力和分子势能，下列说法正确的是()A．当分子力表现为引力时，分子之间只存在引力B．当分子间距离为r0时，分子之间引力和斥力均为零C．分子之间的斥力随分子间距离的减小而减小D．当分子间距离为r0时，分子势能最小解析：选D。当分子力表现为引力时，分子之间引力和斥力共存，引力大于斥力，故A错误；当分子间距离为r0时，分子之间引力和斥力大小相等，方向相反，故B错误；分子间存在相互作用的引力和斥力，引力和斥力都随分子间距离的减小而增大，故C错误；根据分子势能与分子力之间的关系，当分子间距离为r0时，分子之间引力和斥力大小相等，方向相反，分子势能最小，故D正确。4．(多选)关于分子势能，下列说法正确的是()A．分子间作用力表现为引力时，分子间距离越小，分子势能越小B．分子间作用力表现为斥力时，分子间距离越小，分子势能越小C．物体在热胀冷缩时，分子势能发生变化D．物体在做自由落体运动时，分子势能越来越小解析：选AC。分子间的作用力表现为引力时，分子间的距离减小，分子力做正功，分子势能随分子间距离的减小而减小，A正确；分子力表现为斥力时，分子间的距离减小，分子力做负功，分子势能随分子间距离的减小而增大，B错误；物体在热胀冷缩时，物体体积发生变化，说明分子势能发生变化，C正确；物体在做自由落体运动时，物体重力势能减小，但分子势能与重力势能无关，D错误。5．两分子间的斥力和引力的合力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，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，则下列说法正确的是()A．在r＝r0时，分子势能最小，动能为零B．在r＝r0时，分子势能为零C．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增大，势能减小D．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小答案：C6．关于物体的内能，下列叙述正确的是()A．温度高的物体比温度低的物体内能大B．物体的体积增大时，内能也增大C．内能相同的物体，它们的分子平均动能一定相同D．内能不相同的物体，它们的分子平均动能可能相同答案：D7．下列四幅图中，能正确反映分子间作用力F和分子势能Ep随分子间距离r变化关系的图线是()解析：选B。当r＜r0时，分子力表现为斥力，随分子间距离r增大，分子势能Ep减小；当r＞r0时，分子力表现为引力，随分子间距离r增大，分子势能Ep增大；当r＝r0时，分子力为零，此时分子势能最小，故B正确。[B级——能力增分练]8．(多选)当两个分子间的距离r＝r0时，分子处于平衡状态，设r1<r0<r2，则当两个分子间的距离由r1变到r2的过程中()A．分子力先减小后增大B．分子力先做正功后做负功C．分子势能先减小后增大D．分子力为零时，分子势能最小解析：选BCD。当r<r0时，分子力表现为斥力，随r增加，分子力减小且分子力做正功，分子势能减小，分子力为零时，分子势能最小；当r>r0时，分子力表现为引力，其大小随r增加先增大后减小，且整个过程分子力做负功，分子势能增大，综上可知B、C、D正确，A错误。9．(多选)设r＝r0时分子间的作用力为零，则一个分子从远处以某一动能向另一个固定的分子靠近的过程中，下列说法中正确的是()A．r＞r0时，分子力做正功，动能不断增大，势能减小B．r＝r0时，动能最大，势能最小C．r＜r0时，分子力做负功，动能减小，势能增大D．以上说法不对解析：选ABC。当r＞r0时，分子力表现为引力，故两分子相互靠近时，分子力做正功，分子势能减小，分子动能增大；当r＜r0时，分子力表现为斥力，两分子相互靠近时，分子力做