新教材高中物理第一章分子動理論第4節(jié)分子動能和分子勢能學案新人教版選擇性必修第三冊

PAGEPAGE11第4節(jié)分子動能和分子勢能課標解讀課標要求素養(yǎng)要求1.知道物體是由大量分子組成的,知道阿伏加德羅常數(shù),會用它進行相關的計算或估算。2.了解擴散現(xiàn)象，觀察并能解釋布朗運動,理解擴散現(xiàn)象及布朗運動產(chǎn)生的原因。知道什么是分子的熱運動,理解分子熱運動與溫度的關系。3.知道分子間存在著空隙和相互作用力。通過圖像知道分子力與分子間距離的關系。4.了解分子動理論的基本觀點及相應的實驗證據(jù)。1.物理觀念：知道擴散、布朗運動、熱運動及分子動理論的基本觀點和相關的實驗證據(jù)。2.科學思維：理解物體是由大量分子組成的，理解擴散現(xiàn)象與布朗運動的成因；培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力；能用F-r圖像解釋分子力。3.科學探究：通過對布朗運動的探究，學會通過觀察物理現(xiàn)象，揭示其本質，得出結論。4.科學態(tài)度與責任：學會堅持實事求是的態(tài)度，用實驗方法探究問題，培養(yǎng)探索科學的興趣。自主學習·必備知識教材研習教材原句要點一分子勢能分子間存在著相互作用力，可以證明分子間的作用力所做的功與路徑無關①，分子組成的系統(tǒng)具有分子勢能。要點二物體的內(nèi)能物體中所有分子的熱運動動能②與分子勢能的總和，叫作物體的內(nèi)能。一般來說，物體的溫度③和體積④變化時它的內(nèi)能都會隨之改變。自主思考①分子力做功與以前學過的哪種力相似，分子勢能又與哪種能量具有相似的特點？答案：提示分子力做功與重力、電場力做功相似，均與路徑無關，分子勢能同重力勢能、電勢能相似。②物體運動的速度越大，其分子的熱運動平均動能也越大嗎？答案：提示不是，分子的平均動能與宏觀物體運動的速度無關。③如圖，一小孩從滑梯上滑下來，感覺屁股熱，這種現(xiàn)象怎么解釋？答案：提示小孩的臀部內(nèi)能增加，溫度升高，感覺熱。④在一個恒溫的容器中，一個物體自由下落，它的內(nèi)能改變了嗎？答案：提示物體下落過程中，物體的體積沒有發(fā)生變化，所以分子勢能保持不變，內(nèi)能不變。名師點睛1.分子勢能的理解（1）由分子間的相對位置決定，隨分子間距離的變化而變化。（2）分子勢能是標量，正、負表示的是大小，具體的值與零勢能點的選取有關。2.內(nèi)能的理解（1）內(nèi)能是一種與分子熱運動及分子間相互作用相關的能量形式，與物體宏觀運動狀態(tài)無關，它取決于物質的量、溫度、體積及物態(tài)。（2）研究熱現(xiàn)象時，一般不考慮機械能，在機械運動中有摩擦時，有可能發(fā)生機械能轉化為內(nèi)能。（3）物體溫度升高，內(nèi)能不一定增加；溫度不變，內(nèi)能可能改變；溫度降低，內(nèi)能可能增加。（4）組成任何物體的分子都在做無規(guī)則的熱運動，所以任何物體都具有內(nèi)能?；犹骄俊りP鍵能力探究點一分子動能情境探究1.為什么研究分子動能的時候主要關心大量分子的平均動能？答案：提示分子動能是指單個分子熱運動的動能，但分子是無規(guī)則運動的，因此各個分子的動能以及一個分子在不同時刻的動能都不盡相同，所以研究單個分子的動能沒有意義，我們主要關心的是大量分子的平均動能。2.相同溫度的氧氣和氫氣，哪一個平均動能大？哪一個平均速率大？答案：提示溫度是分子熱運動平均動能的標志，溫度相同，任何物體分子的平均動能都相等。由Ek探究歸納1.單個分子的動能（1）物體由大量分子組成，每個分子都有分子動能且不為零。（2）分子在永不停息地做無規(guī)則熱運動，每個分子動能大小不同并且時刻在變化。（3）熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運動的統(tǒng)計規(guī)律，對個別分子的動能沒有實際意義。2.分子的平均動能（1）溫度是大量分子無規(guī)則熱運動的宏觀表現(xiàn)，具有統(tǒng)計意義。溫度升高，分子平均動能增大，但不是每一個分子的動能都增大。個別分子動能可能增大也可能減小，個別分子甚至幾萬個分子熱運動的動能大小不受溫度影響，但總體上所有分子的動能之和一定是增加的。（2）只要溫度相同，任何分子的平均動能都相同。由于不同物質的分子質量不一定相同，所以同一溫度下，不同物質分子運動的平均速率一般不相同。3.物體內(nèi)分子的總動能分子的總動能是物體內(nèi)所有分子熱運動動能的總和,它等于分子的平均動能與分子數(shù)的乘積,即它與物體的溫度和所含的分子數(shù)目有關。探究應用例（多選）關于分子的動能，下列說法中正確的是()A.只要溫度相同，任何物體分子的平均動能都相同B.分子動能指的是由于分子做無規(guī)則運動而具有的能C.物體中10個分子的動能很大，這10個分子的溫度很高D.溫度低的物體中的每一個分子的運動速率一定小于溫度高的物體中的每一個分子的運動速率答案：A;B解析：溫度相同，任何物體分子的平均動能都相同，故A項正確；分子動能指的是由于分子做無規(guī)則運動而具有的能，故B項正確；物體溫度是對大量分子而言，對于10個這樣少數(shù)的分子無意義，故C項錯誤；溫度低的物體分子的平均速率?。ㄏ嗤镔|），但具體到每一個分子的速率是不確定的，可能大于平均速率，也可能小于平均速率，故D項錯誤。解題感悟理解分子動能的三點注意（1）溫度是分子平均動能的“標志”或者說“量度”，溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運動的統(tǒng)計意義上的平均動能相對應，與單個分子的動能沒有關系。（2）每個分子都有分子動能且不為零，熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運動的統(tǒng)計規(guī)律，對個別分子動能沒有實際意義。（3）溫度高的物體，分子的平均速率不一定大，還與分子質量有關。遷移應用1.對不同的物體而言，下列說法中正確的是()A.高溫物體內(nèi)分子的平均動能一定比低溫物體內(nèi)分子的平均動能大B.高溫物體內(nèi)每一個分子的動能一定大于低溫物體內(nèi)每一個分子的動能C.高溫物體內(nèi)分子運動的平均速率一定比低溫物體內(nèi)分子運動的平均速率大D.高溫物體內(nèi)每一個分子運動的速率一定大于低溫物體內(nèi)每一個分子運動的速率答案：A解析：溫度高的物體，分子的平均動能一定大，但分子的平均速率不一定大，因為不同物質分子的質量不同；對單個分子的速率、動能討論溫度是沒有意義的。探究點二分子勢能情境探究分子力F、分子勢能Ep與分子間距離r的關系圖線如圖所示（取無窮遠處分子勢能E（1）當r>r0時，分子間表現(xiàn)為什么力？若（2）當r<r0時，分子間表現(xiàn)為什么力？若（3）當r=r答案：提示（1）分子力為引力，若r增大，分子力做負功，分子勢能增大。（2）分子力為斥力，若r減小，分子力做負功，分子勢能增大。（3）當r=r0時，分子勢能最小。當分子間距離小于r0時，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢能隨分子間距離的減小而增大。如果分子間距離大于r0時，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢能隨分子間距離的增大而增大。從以上兩種情況綜合分析，分子間距離以探究歸納1.分子力做功與分子勢能的關系分子力做正功，分子勢能減少，分子力做了多少正功，分子勢能就減少多少；分子力做負功，分子勢能增加，克服分子力做了多少功，分子勢能就增加多少。2.分子勢能與分子間距離的關系分子間距離r=r>r0，r<r0，分子力等于零表現(xiàn)為引力表現(xiàn)為斥力分子力做功—分子力做負功分子力做負功分子勢能最小隨分子間距離的增大而增大隨分子間距離的減小而增大3.分子勢能曲線分子勢能曲線如圖所示，規(guī)定無窮遠處分子勢能為零。分子間距離從無窮遠逐漸減小至r0的過程，分子間的合力為引力，合力做正功，分子勢能不斷減小，其數(shù)值將比零還小，為負值。當分子間距離到達r0以后再繼續(xù)減小，分子間的合力為斥力，在分子間距離減小過程中，合力做負功，分子勢能增大，其數(shù)值將從負值逐漸變大至零，甚至為正值，故從曲線上可看出：（1）在r<r0處，曲線比較陡，這是因為分子間的斥力隨分子間距的減小而增加得快，分子勢能的增加也就快。（2）在r>r0處，曲線比較緩，這是因為分子間的引力隨分子間距的增大而變化得慢，分子勢能的增加也就變慢。（3）在4.影響分子勢能的因素（1）宏觀上：分子勢能的大小與體積有關。一般體積變化，勢能就變化，但不能說體積變大，勢能就變大。（2）微觀上：分子勢能與分子間的距離有關。5.分子勢能與體積的關系由于物體分子間距離變化的宏觀表現(xiàn)為物體的體積變化，所以微觀的分子勢能變化對應宏觀的物體體積變化。例如，同樣是物體體積增大，有時體現(xiàn)為分子勢能增加（在r>r0范圍內(nèi)）；有時體現(xiàn)為分子勢能減?。ㄔ谔骄繎美?021福建永安第一中學高三開學考試）如圖所示，甲分子固定在坐標原點O，只在兩分子間的作用力作用下，乙分子沿x軸方向運動，兩分子間的分子勢能Ep與兩分子間距離xA.乙分子在P點時加速度最大B.乙分子在Q點時分子勢能最小C.乙分子在Q點時處于平衡狀態(tài)D.乙分子在P點時分子動能最大答案：D解析：由圖像可知，乙分子在P點(x=x2)時，分子勢能最小，此時分子處于平衡位置，分子引力與分子斥力大小相等，合力為零，加速度為零，速率最大，動能最大，A項錯誤，D項正確；由圖像可知，乙分子在Q點時分子勢能為零，大于分子在P點的分子勢能，因此乙分子在Q點時分子勢能不是最小，B項錯誤；乙分子在Q點(x=x1解題感悟分子勢能圖像問題的解題技巧（1）首先要明確分子勢能、分子力與分子間距離關系圖像中拐點意義的不同。分子勢能圖像的最低點（最小值）對應的距離是分子平衡距離r0，而分子力圖像的最低點（引力最大值）對應的距離大于r0。分子勢能圖像與r軸交點的距離小于r0，分子力圖像與r（2）其次要把圖像上的信息轉化為分子間距離，再求解其他問題。遷移應用1.（多選）關于分子勢能，下列說法正確的是()A.分子間作用力表現(xiàn)為引力時，分子間距離越小，分子勢能越小B.分子間作用力表現(xiàn)為斥力時，分子間距離越小，分子勢能越小C.物體在熱脹冷縮時，分子勢能發(fā)生變化D.物體在做自由落體運動時，分子勢能越來越小答案：A;C解析：分子間的作用力表現(xiàn)為引力，分子間的距離減小時，分子力做正功，分子勢能隨分子間距離的減小而減小，A項正確；分子間作用力表現(xiàn)為斥力，分子間的距離減小時，分子力做負功，分子勢能隨分子間距離的減小而增大，B項錯誤；物體在熱脹冷縮時，物體體積發(fā)生變化，說明分子勢能發(fā)生變化，C項正確；物體在做自由落體運動時，物體重力勢能減小，但分子勢能與重力勢能無關，D項錯誤。2.如圖所示，甲分子固定在坐標原點O，乙分子位于x軸上，甲、乙兩分子間的作用力與兩分子間距離的關系如圖中曲線所示，F(xiàn)>0為斥力，F(xiàn)<0為引力。a、b、c、d為x軸上四個特定的位置，現(xiàn)將乙分子從a移動到d的過程中，兩分子間的分子力和分子勢能同時都增大的階段是()A.從a到bB.從b到cC.從b至dD.從c到d答案：D解析：根據(jù)分子力做功與分子勢能的關系，分子力做正功，分子勢能減??；分子力做負功，分子勢能增加，可確定出所選階段。探究點三內(nèi)能情境探究1.如圖所示為某實驗器材的結構示意圖，金屬內(nèi)筒和隔熱外筒間封閉一定體積的氣體，內(nèi)筒中有水，在水加熱升溫的過程中(忽略液體和氣體的體積變化）。（1）氣體分子間引力、斥力怎樣變化？（2）是不是所有氣體分子運動速率都增大了？（3）氣體的內(nèi)能怎樣變化？答案：（1）封閉氣體分子數(shù)與體積不變，所以分子間平均距離不變，所以分子間斥力與引力都不變，分子勢能也不變。（2）不是。封閉氣體溫度升高，分子熱運動平均動能增大，分子熱運動平均速率增大，并不是所有分子速率都增大。（3）氣體的分子勢能沒有變，平均動能增大，所以氣體的內(nèi)能增大。2.飛機從地面起飛，隨后在高空高速航行，有人說：“在這段時間內(nèi)，飛機中乘客的勢能、動能都增大了，他們身上所有分子的動能和勢能也都增大了，因此乘客的內(nèi)能也增大了?！边@種說法對嗎？為什么？答案：這種說法不對。因為該說法將機械能和內(nèi)能兩個概念混淆了，物體的內(nèi)能是由物體內(nèi)分子的數(shù)目、物體的溫度和體積決定的，與機械運動無關。機械運動速度的變化以及豎直高度的變化僅改變乘客的機械能，不能以此判斷其內(nèi)能的變化情況。探究歸納1.內(nèi)能的決定因素（1）從宏觀上看：物體內(nèi)能的大小由物體的物質的量、溫度和體積三個因素決定。（2）從微觀上看：物體的內(nèi)能由組成物體的分子總數(shù)、分子熱運動的平均動能和分子勢能三個因素決定。2.內(nèi)能與機械能的區(qū)別和聯(lián)系項目內(nèi)能機械能對應的運動形式微觀分子熱運動宏觀物體的機械運動能量常見形式分子動能、分子勢能物體動能、重力勢能或彈性勢能能量存在的原因物體內(nèi)大量分子的熱運動和分子間存在相互作用力由于物體做機械運動和物體發(fā)生彈性形變或被舉高影響因素物質的量、物體的溫度和體積物體的機械運動的速度、離地高度(或相對于參考平面的高度）或彈性形變量能否為零永遠不能等于零一定條件下可以等于零聯(lián)系在一定條件下可以相互轉化3.物態(tài)變化對內(nèi)能的影響一些物質在物態(tài)發(fā)生變化時，例如冰的熔化、水在沸騰時變?yōu)樗魵猓瑴囟炔蛔?，此過程中分子的平均動能不變，由于分子間的距離變化，分子勢能變化，所以物體的內(nèi)能變化。探究應用例下列敘述正確的是()A.分子的動能與分子的勢能之和，叫作這個分子的內(nèi)能B.物體的內(nèi)能由物體的動能和勢能決定C.物體做加速運動時，其內(nèi)能也一定增大D.物體的動能減小時，其溫度可能升高答案：D解析：內(nèi)能是大量分子組成的物體具有的，單個分子無內(nèi)能可言，A項錯誤，物體的內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子熱運動動能和分子勢能的總和，由物體的溫度、體積決定，與整個物體宏觀機械運動的動能和勢能無關，物體做加速運動時，其動能增大，但內(nèi)能不一定增大，故B、C項錯誤；當物體運動的動能減小時，其溫度可能升高，如物體在粗糙的水平面上滑行，因摩擦生熱，動能減小，溫度升高，故D項正確。遷移應用1.（多選）下列有關溫度與分子動能、物體內(nèi)能的說法中正確的是()A.溫度升高，每個分子的動能一定都變