物理人教版選修3-3學(xué)案第七章5內(nèi)能

5內(nèi)能1．分子動(dòng)能(1)分子動(dòng)能：做熱運(yùn)動(dòng)的分子，都具有動(dòng)能，這就是分子動(dòng)能。①分子動(dòng)能是指單個(gè)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，但是物體內(nèi)各個(gè)分子的動(dòng)能不盡相同，在研究熱現(xiàn)象時(shí)，我們研究的是大量分子的行為，所以對(duì)單個(gè)分子的動(dòng)能的研究沒(méi)有意義，我們關(guān)心的是大量分子的平均動(dòng)能。②分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能是所有分子動(dòng)能的平均值，溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，這就是溫度的微觀含義。在相同溫度下，各種物質(zhì)分子的平均動(dòng)能都相同，溫度升高，分子平均動(dòng)能增加，溫度降低，分子平均動(dòng)能減少。③分子運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和，它等于分子的平均動(dòng)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(guān)。(2)分子平均動(dòng)能：所有分子的動(dòng)能的平均值，即分子的平均動(dòng)能。設(shè)質(zhì)量為m的n個(gè)分子，其速度大小分別為v1、v2、v3、…、vn，則其動(dòng)能的平均值為eq\x\to(E)k＝eq\f(\f(1,2)mv\o\al(2,1)＋\f(1,2)mv\o\al(2,2)＋…＋\f(1,2)mv\o\al(2,n),n)。(3)溫度的意義：溫度在宏觀上的意義是表示物體的冷熱程度。而它又是大量分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志，這是溫度的微觀含義。①同一溫度下，不同物質(zhì)分子的平均動(dòng)能都相同，但由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不一定相同，所以分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率也不一定相同。②溫度反映的是大量分子平均動(dòng)能的大小，不是反映個(gè)別分子的動(dòng)能大小，同一溫度下，各個(gè)分子的動(dòng)能不盡相同。③溫度的本質(zhì)：溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。④溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)：平均動(dòng)能大，在宏觀上表現(xiàn)為物體的溫度高，溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，是含有統(tǒng)計(jì)意義的，對(duì)于個(gè)別分子來(lái)說(shuō)，溫度是沒(méi)有意義的。eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up7(),\s\do5(釋疑點(diǎn)))))溫度與平均動(dòng)能溫度升高，分子的平均動(dòng)能增大，但不是每一個(gè)分子的動(dòng)能都增大?！纠?】一塊100℃的鐵與一塊100℃A．鐵的分子動(dòng)能之和與鋁的分子動(dòng)能之和相等B．鐵的每個(gè)分子動(dòng)能與鋁的每個(gè)分子動(dòng)能相等C．鐵分子的平均速率與鋁分子的平均速率相等D．以上說(shuō)法均不正確解析：兩物體溫度相等，說(shuō)明它們分子的平均動(dòng)能相等，因?yàn)闇囟仁欠肿舆\(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志；由于沒(méi)有說(shuō)明鐵與鋁的質(zhì)量，只有當(dāng)它們所含分子數(shù)目一樣時(shí)，分子總動(dòng)能才相等，故A錯(cuò)；分子平均動(dòng)能相等，但對(duì)每個(gè)分子而言，它運(yùn)動(dòng)的速率是變化的，且每個(gè)分子的速率都是不同的，有的快也有的慢，所以每個(gè)分子的動(dòng)能相等的說(shuō)法不正確，故B錯(cuò)；雖然分子的平均動(dòng)能相等，但鐵分子、鋁分子質(zhì)量不同，因此分子平均速率不等，所以C錯(cuò)。故只有D正確。答案：Deq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up7(),\s\do5(辨誤區(qū)))))平均速率與平均動(dòng)能平均速率與分子種類有關(guān)，平均動(dòng)能只與溫度有關(guān)。1．溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)意義上的平均動(dòng)能相對(duì)應(yīng)，對(duì)于個(gè)別分子或幾十個(gè)、幾百個(gè)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大小與溫度是沒(méi)有確定關(guān)系的。2．分子的平均動(dòng)能大小只由溫度決定，與物質(zhì)的種類無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，只要處于同一溫度下，任何物質(zhì)分子做熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能都相同。由于不同物質(zhì)分子的質(zhì)量不盡相同，因此，在同一溫度下，不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的平均速率大小也不相同。(1)分子勢(shì)能：組成物質(zhì)的分子間存在相互作用力，分子間具有由它們的相對(duì)位置決定的勢(shì)能，這種勢(shì)能叫做分子勢(shì)能。(2)分子勢(shì)能的特點(diǎn)：由分子間相對(duì)位置決定的能量，隨分子間距的變化而變化。分子勢(shì)能是標(biāo)量。(3)變化分析依據(jù)：由于分子間既存在引力，又存在斥力，分子間距離變化時(shí)，既要考慮引力做功，又要考慮斥力做功，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，用分子間的合力做功分析勢(shì)能變化，W＞0，勢(shì)能減少，W＜0，勢(shì)能增加。(4)分子勢(shì)能的大小和分子間距離的關(guān)系①當(dāng)分子間的距離r＞r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，分子間的距離增大時(shí)，分子力做負(fù)功，因此分子勢(shì)能隨分子間距離的增大而增大。②當(dāng)分子間的距離r＜r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做負(fù)功，因此分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大。③如果取兩個(gè)分子間相距無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)(此時(shí)分子間作用力可忽略不計(jì))的分子勢(shì)能為零，分子勢(shì)能Ep與分子間距離r的關(guān)系可用如圖所示的曲線表示。從圖線上看出，當(dāng)r＝r0時(shí)，分子勢(shì)能最小。說(shuō)明：(1)勢(shì)能的大小與物體間距離的關(guān)系有一個(gè)共同的規(guī)律：不論是重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、分子勢(shì)能，還是電勢(shì)能，當(dāng)它們之間的距離發(fā)生變化時(shí)，它們之間的相互作用力如果是做正功，勢(shì)能都要減小；如果是做負(fù)功，勢(shì)能都要增大。(2)由于物體分子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(shì)能變化對(duì)應(yīng)于宏觀的物體體積變化。但是，同樣是物體體積增大，有時(shí)體現(xiàn)為分子勢(shì)能增大(在r＞r0范圍內(nèi))；有時(shí)體現(xiàn)為分子勢(shì)能減小(在r＜r0范圍內(nèi))。一般來(lái)說(shuō)，物體體積變化了，其對(duì)應(yīng)的分子勢(shì)能也變化了。(3)分子勢(shì)能最小與分子勢(shì)能為零絕不是一回事。eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up7(),\s\do5(談重點(diǎn)))))分子勢(shì)能1.分子勢(shì)能的變化規(guī)律：分子力做正功，分子勢(shì)能減少；分子力做了多少正功，分子勢(shì)能就減少多少。分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加；克服分子力做了多少功，分子勢(shì)能就增加多少。2．分子勢(shì)能與物體體積的關(guān)系：分子勢(shì)能與物體的體積有關(guān)，但不能理解成物體體積越大，分子勢(shì)能就越大。因?yàn)榉肿觿?shì)能除了與物體的體積有關(guān)外，還與物態(tài)有關(guān)。如0℃的水結(jié)成0℃的冰后，體積變大，但分子勢(shì)能卻減小了3．分子平均動(dòng)能與速率的關(guān)系：溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，但并不是分子平均速率的標(biāo)志，在相同溫度下，各種物質(zhì)的平均動(dòng)能相同，而平均速率一般是不同的。由Ek＝eq\f(1,2)meq\x\to(v)2可知，不同物質(zhì)的分子，其質(zhì)量一般不同，故不同物質(zhì)分子的平均速率也一般不同?！纠?】關(guān)于分子勢(shì)能，下列說(shuō)法正確的是()A．分子間表現(xiàn)為引力時(shí)，分子間距離越小，分子勢(shì)能越大B．分子間表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子間距離越小，分子勢(shì)能越小C．物體在熱脹冷縮時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化D．物體在做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子勢(shì)能越來(lái)越小解析：分子間的作用力表現(xiàn)為引力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做正功，因此分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而減小，所以A錯(cuò)誤；分子力為斥力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做負(fù)功，因此分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大，所以B錯(cuò)誤；物體在熱脹冷縮時(shí)，體積發(fā)生變化，說(shuō)明分子勢(shì)能發(fā)生變化，所以C正確；物體在做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體重力勢(shì)能減小，分子勢(shì)能與重力勢(shì)能無(wú)關(guān)，所以D錯(cuò)誤。答案：Ceq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up7(),\s\do5(點(diǎn)技巧))))分子力做功①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(shì)能變化對(duì)應(yīng)著宏觀的物體體積變化。但是，同樣是物體體積增大(或減小)，有時(shí)表現(xiàn)為分子勢(shì)能增大(或減小)(在一定范圍內(nèi))；有時(shí)表現(xiàn)為分子勢(shì)能減小(或增大)(在一定范圍內(nèi))。②分子勢(shì)能與物體體積有關(guān)，但不能簡(jiǎn)單理解成物體體積越大，分子勢(shì)能就越大；體積越小，分子勢(shì)能就越小。如0℃的水變成3．物體的內(nèi)能(1)物體的內(nèi)能：物體中所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和叫做物體的內(nèi)能。一切物體都是由不停地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)并且相互作用著的分子組成的，因此任何物體都是有內(nèi)能的。(2)任何物體都具有內(nèi)能，因?yàn)橐磺形矬w都是由不停地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)且相互作用著的分子組成的。內(nèi)能是對(duì)一個(gè)宏觀物體而言的，不存在某個(gè)分子內(nèi)能的說(shuō)法。(3)內(nèi)能的決定因素物體的內(nèi)能跟物體的溫度和體積有關(guān)。溫度發(fā)生變化，分子的平均動(dòng)能發(fā)生變化；物體的體積發(fā)生變化，分子勢(shì)能發(fā)生變化。還要注意，物體的內(nèi)能還與物體所含的分子數(shù)有關(guān)，因?yàn)閮?nèi)能是物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和。辨誤區(qū)內(nèi)能和熱量的區(qū)別內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量，一個(gè)物體在不同的狀態(tài)下含有不同的內(nèi)能，而熱量是一個(gè)過(guò)程量，它表示由于熱傳遞而引起的變化過(guò)程中轉(zhuǎn)移的能量，即內(nèi)能的改變量。如果沒(méi)有熱傳遞，就無(wú)所謂熱量，但此時(shí)物體仍有一定的內(nèi)能，例如，我們可以說(shuō)“某物體在某溫度時(shí)具有多少內(nèi)能”而不能說(shuō)“某物體在某溫度時(shí)具有多少熱量?！薄纠?－1】關(guān)于物體的內(nèi)能，下列說(shuō)法中正確的是()A．水分子的內(nèi)能比冰分子的內(nèi)能大B．物體所處的位置越高，分子勢(shì)能就越大，內(nèi)能就越大C．一定質(zhì)量的0℃的水結(jié)成0D．相同質(zhì)量的兩個(gè)同種物體，運(yùn)動(dòng)物體的內(nèi)能一定大于靜止物體的內(nèi)能解析：因內(nèi)能是指組成物體的所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和，說(shuō)單個(gè)分子的內(nèi)能沒(méi)有意義，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。內(nèi)能與機(jī)械能是兩種不同性質(zhì)的能，它們之間無(wú)直接聯(lián)系，內(nèi)能與“位置”高低、“運(yùn)動(dòng)”還是“靜止”沒(méi)有關(guān)系，故選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤。一定質(zhì)量的0℃的水結(jié)成答案：C析規(guī)律分析物體內(nèi)能變化的基本方法(1)根據(jù)內(nèi)能的定義來(lái)分析，抓住三個(gè)方面：一看物質(zhì)的量，二看溫度，三看體積。(2)從能量的觀點(diǎn)分析(即根據(jù)后面將要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第一定律)，特別是遇到物態(tài)變化時(shí)，用此方法更優(yōu)越?！纠?－2】下列說(shuō)法正確的是()A．分子的動(dòng)能與分子的勢(shì)能的和叫做這個(gè)分子的內(nèi)能B．物體內(nèi)分子勢(shì)能由物體的溫度和體積決定C．物體的速度增大時(shí)，物體的內(nèi)能增大D．物體的動(dòng)能減小時(shí)，物體的溫度可能增加解析：內(nèi)能是指整個(gè)物體的，是從宏觀上而言的，一個(gè)分子無(wú)內(nèi)能可言，選項(xiàng)A是錯(cuò)誤的；物體的分子勢(shì)能由分子間距離決定，宏觀上反映為物體體積的變化，所以選項(xiàng)B也是錯(cuò)誤的；物體的內(nèi)能與物體做宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)C也是錯(cuò)誤的；物體的溫度由分子的平均動(dòng)能決定，與物體宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能無(wú)關(guān)，因此選項(xiàng)D是正確的。答案：D4．內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別與聯(lián)系物體的內(nèi)能是不同于機(jī)械能的另一種形式的能。內(nèi)能是由大量分子做熱運(yùn)動(dòng)和分子間相對(duì)位置所決定的能，機(jī)械能是由物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體形變所決定的能；機(jī)械能在一定條件下可以為零。但內(nèi)能永遠(yuǎn)不為零，它們的區(qū)別與聯(lián)系如下表所示。項(xiàng)目?jī)?nèi)能機(jī)械能對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形式微觀分子熱運(yùn)動(dòng)宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)決定因素物質(zhì)的量、物體的溫度和體積物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、離地高度(或相對(duì)于零勢(shì)能面的高度)或彈性形變是否為零永遠(yuǎn)不等于零一定條件下可以等于零能量常見(jiàn)形式分子動(dòng)能、分子勢(shì)能物體動(dòng)能、重力勢(shì)能或彈性勢(shì)能聯(lián)系在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化分子勢(shì)能與距離的關(guān)系可用下表來(lái)表示，用此表來(lái)幫助解題，抓住距離為r0時(shí)，分子勢(shì)能最小的特點(diǎn)，解題非常簡(jiǎn)捷?！纠?－1】關(guān)于機(jī)械能和內(nèi)能，下列說(shuō)法中正確的是()A．機(jī)械能大的物體，其內(nèi)能一定很大B．物體的機(jī)械能損失時(shí)，內(nèi)能卻可以增加C．物體的內(nèi)能損失時(shí)，機(jī)械能必然減小D．物體的內(nèi)能為零時(shí)，機(jī)械能不可以為零解析：內(nèi)能和機(jī)械能是兩種不同形式的能量，兩者并不存在必然的聯(lián)系。只有在系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化形式只發(fā)生在機(jī)械能與內(nèi)能之間時(shí)，機(jī)械能的損失才等于內(nèi)能的增加，故A、C錯(cuò)，B對(duì)；因?yàn)槲镔|(zhì)分子總在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，故內(nèi)能不可能為零，D錯(cuò)。答案：B【例4－2】一輛汽車的車廂內(nèi)有一瓶氧氣，當(dāng)汽車以60km/h的速度行駛起來(lái)后，解析：內(nèi)能是所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而不是分子定向移動(dòng)的動(dòng)能。另一方面，物體機(jī)械能增加，內(nèi)能不一定增加。所以氣瓶?jī)?nèi)氧氣的內(nèi)能不一定增加。答案：不一定eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up7(),\s\do5(辨誤區(qū)))))機(jī)械能、內(nèi)能對(duì)同一物體，不考慮形變時(shí)，機(jī)械能由其宏觀速度和相對(duì)地面的高度決定；內(nèi)能則與其內(nèi)部分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)及其分子間距有關(guān)，跟物體整體的宏觀速度和高度無(wú)直接關(guān)系。【例5－1】甲、乙兩個(gè)分子相距較遠(yuǎn)(此時(shí)它們之間的分子力可以忽略)，設(shè)甲固定不動(dòng)，在乙逐漸向甲靠近直到不能再靠近的過(guò)程中，關(guān)于分子勢(shì)能變化情況的下列說(shuō)法正確的是()A．分子勢(shì)能不斷增大 B．分子勢(shì)能不斷減小C．分子勢(shì)能先增大后減小 D．分子勢(shì)能先減小后增大解析：從分子間的作用力與分子間的距離的關(guān)系知道，當(dāng)分子間距離大于r0時(shí)，分子間表現(xiàn)為引力，當(dāng)分子間距離小于r0時(shí)，分子間表現(xiàn)為斥力；當(dāng)分子間距離大于10r0時(shí)，分子間的作用力十分小，可以忽略。所以當(dāng)乙從較遠(yuǎn)處向甲盡量靠近的過(guò)程中，分子力先是對(duì)乙做正功，后是分子力對(duì)乙做負(fù)功或者乙克服分子力做功。而由做功與分子勢(shì)能變化的關(guān)系知道，若分子力做正功，分子勢(shì)能減小，若分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加。因此當(dāng)乙盡量向甲靠近的過(guò)程中，分子勢(shì)能是先減小后增大。答案：D【例5－2】在某變化過(guò)程中，兩個(gè)分子間相互作用的勢(shì)能在增大，則()A．兩個(gè)分子之間的距離可能保持不變B．兩個(gè)分子之間的距離一定在增大C．兩個(gè)分子之間的距離一定在減小D．兩個(gè)分子之間的距離可能在增大也可能在減小解析：若分子從平衡位置開(kāi)始移動(dòng)，不論距離增大，還是減小，分子力都做負(fù)功，兩個(gè)分子間相互作用的勢(shì)能都在增大；反之，兩個(gè)分子間相互作用的勢(shì)能都在增大，分子間距離可能增大，也可能減小，應(yīng)選擇D。答案：D6．內(nèi)能重點(diǎn)內(nèi)容和思想方法本節(jié)內(nèi)容綜合性較強(qiáng)，分子勢(shì)能與分子間作用力與距離關(guān)系問(wèn)題涉及力做功和能量轉(zhuǎn)化的內(nèi)容，在高考當(dāng)中還常常把物體內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化也作為考查要點(diǎn)，要引起足夠重視。本節(jié)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是使學(xué)生掌握三個(gè)概念(分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、物體內(nèi)能)，掌握三個(gè)物理規(guī)律(溫度與分子平均動(dòng)能的關(guān)系、分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系、熱傳遞與功的關(guān)系)。在對(duì)分子平均動(dòng)能與溫度關(guān)系的學(xué)習(xí)中，滲透統(tǒng)計(jì)的方法。分子間勢(shì)能與分子間距離關(guān)系和做功與熱傳遞關(guān)系要相互滲透歸納。綜合應(yīng)用：以給出圖象為背景提示的題目，考查分子間作用力(分子動(dòng)理論)、分子勢(shì)能(內(nèi)能的確定因素之一)以及有關(guān)的力學(xué)規(guī)律等綜合知識(shí)。圖象反映的變化曲線是分子力的變化規(guī)律，其決定了分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度的變化規(guī)律，而加速度是反映速度變化快慢的物理量，加速度的大小和速度的大