2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊(cè) 第1章 4 分子動(dòng)能和分子勢(shì)能

4分子動(dòng)能和分子勢(shì)能[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.理解分子動(dòng)能，知道溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志(重點(diǎn))。2.理解分子勢(shì)能，明確分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系(重難點(diǎn))。3.理解內(nèi)能的概念及其決定因素。一、分子動(dòng)能1．分子動(dòng)能：由于分子不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而具有的能量。2．分子的平均動(dòng)能(1)所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的平均值。(2)決定因素：物體的溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。3．物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能等于分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與分子數(shù)的乘積。物體內(nèi)分子的總動(dòng)能與物體的溫度和所含分子總數(shù)有關(guān)。(1)物體溫度升高時(shí)，物體內(nèi)每個(gè)分子的動(dòng)能都增大。(×)(2)物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，其分子的平均動(dòng)能也越大。(×)(3)相同溫度的不同物體，分子的平均動(dòng)能相同。(√)(4)只要溫度相同，任何物體分子的平均速率都相同。(×)(5)物體溫度升高時(shí)，分子的平均動(dòng)能增大。(√)例1(多選)當(dāng)氫氣和氧氣溫度相同時(shí)，下列說法中正確的是()A．兩種氣體的分子平均動(dòng)能相等B．氫氣分子的平均速率大于氧氣分子的平均速率C．兩種氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能相等D．兩種氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率相等答案AB解析因?yàn)闇囟仁欠肿悠骄鶆?dòng)能的標(biāo)志，溫度相同，兩種氣體的分子平均動(dòng)能相同，故選項(xiàng)A正確；因?yàn)闅錃夂脱鯕獾姆肿淤|(zhì)量不同，所以兩種氣體分子的平均速率不同，由Ek＝eq\f(1,2)mv2可知，分子質(zhì)量大的平均速率小，故選項(xiàng)B正確，D錯(cuò)誤；雖然兩種氣體分子平均動(dòng)能相等，由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量一般不同，所以同一溫度下，不同物質(zhì)的分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能相同，但平均速率一般不同。二、分子勢(shì)能1．分子勢(shì)能：由分子間的相對(duì)位置決定的能。2．分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系(1)當(dāng)r>r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力，若r增大，需克服引力做功，分子勢(shì)能增加。(2)當(dāng)r<r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為斥力，若r減小，需克服斥力做功，分子勢(shì)能增加。(3)當(dāng)r＝r0時(shí)，分子力為零，分子勢(shì)能最小，即分子間距離等于平衡距離時(shí)分子勢(shì)能最小。3．決定因素(1)宏觀上：分子勢(shì)能的大小與物體的體積有關(guān)。(2)微觀上：分子勢(shì)能的大小與分子之間的距離有關(guān)。(1)當(dāng)兩個(gè)分子從相距無窮遠(yuǎn)處逐漸靠近到不能再靠近的過程，分子勢(shì)能如何變化？(2)若選定分子間距離為無窮遠(yuǎn)時(shí)的分子勢(shì)能為0，試定性的把兩分子的分子力F、分子勢(shì)能Ep與分子間距離r的關(guān)系圖像畫在坐標(biāo)系中。答案(1)當(dāng)r>r0時(shí)，分子間為引力，分子靠近過程中分子力做正功，分子勢(shì)能減小；當(dāng)r<r0(2)例2(多選)(2022·長(zhǎng)春市高二期末)兩分子間的斥力和引力的合力F與分子間距離r的關(guān)系如圖中曲線所示，曲線與r軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為r0。相距很遠(yuǎn)的兩分子在分子力作用下，由靜止開始相互接近。若兩分子相距無窮遠(yuǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零，下列說法正確的是()A．在r>r0階段，F(xiàn)做正功，分子動(dòng)能增大，勢(shì)能減小B．在r<r0階段，F(xiàn)做負(fù)功，分子動(dòng)能減小，勢(shì)能也減小C．在r＝r0時(shí)，分子勢(shì)能最小，動(dòng)能為零D．在r＝r0時(shí)，分子勢(shì)能小于零答案AD解析r0為分子間的平衡距離，在r>r0階段，分子力表現(xiàn)為引力，相互靠近時(shí)F做正功，分子動(dòng)能增加，勢(shì)能減小，故A正確；在r<r0階段，分子力表現(xiàn)為斥力，相互靠近時(shí)F做負(fù)功，分子動(dòng)能減小，勢(shì)能增加，故B錯(cuò)誤；由以上分析可知，當(dāng)在r＝r0時(shí)，分子勢(shì)能最小，動(dòng)能最大，故C錯(cuò)誤；由于兩分子相距無窮遠(yuǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零，在r>r0階段，相互靠近時(shí)F做正功，勢(shì)能減小，故在r＝r0時(shí)，分子勢(shì)能小于零，故D正確。例3A．一定是分子力做了正功B．兩個(gè)分子間的相互作用力可能變大C．兩個(gè)分子間的距離一定變大D．兩個(gè)分子間的相互作用力一定是引力答案AB解析分子勢(shì)能變小，說明分子力做正功，故A正確；如圖所示為Ep－r、F－r圖像，若分子間距大于平衡間距r0，分子勢(shì)能變小，分子間距變小，分子力可能變大也可能變?。蝗舴肿娱g距小于平衡間距r0，分子勢(shì)能變小，分子間距變大，分子力變小，表現(xiàn)為斥力，故B正確，C、D錯(cuò)誤。三、物體的內(nèi)能1．定義：物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和。2．內(nèi)能普遍性：組成任何物體的分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，所以任何物體都具有內(nèi)能。3．影響內(nèi)能的相關(guān)因素(1)物體所含的分子總數(shù)：由物質(zhì)的量決定；(2)分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能：與溫度有關(guān)；(3)分子勢(shì)能：與物體的體積有關(guān)。故物體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度、體積共同決定，同時(shí)受物態(tài)的影響。物體運(yùn)動(dòng)得越快，其內(nèi)能就越大嗎？靜止在地面上的物體，內(nèi)能為0嗎？答案物體運(yùn)動(dòng)得越快，物體動(dòng)能越大，但內(nèi)能不一定越大，靜止在地面上的物體，如果以地面作為零勢(shì)能面，那么這個(gè)物體的機(jī)械能為0，但這個(gè)物體內(nèi)的分子卻始終處在永不停息的熱運(yùn)動(dòng)中，物體的內(nèi)能不為0。例4(2022·徐州市高二期中)關(guān)于質(zhì)量相同的100℃的水和100℃的水蒸氣，下列說法中正確的是()A．分子平均動(dòng)能不相同，分子勢(shì)能相同，內(nèi)能相同B．分子平均動(dòng)能相同，分子勢(shì)能不相同，內(nèi)能相同C．分子平均動(dòng)能相同，分子勢(shì)能不相同，內(nèi)能不相同D．分子平均動(dòng)能不相同，分子勢(shì)能相同，內(nèi)能不相同答案C解析質(zhì)量相同的100℃的水和100℃的水蒸氣的分子數(shù)相同；溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，所以100℃的水分子平均動(dòng)能等于100℃的水蒸氣的分子平均動(dòng)能。相同質(zhì)量的水和水蒸氣的體積不同，故分子勢(shì)能不相同。同樣溫度的水變?yōu)橥瑯訙囟鹊乃魵庖諢崃浚?00℃的水的內(nèi)能小于100℃相同質(zhì)量的水蒸氣的內(nèi)能，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確。物態(tài)變化對(duì)內(nèi)能的影響一些物質(zhì)在物態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如冰的融化、水在沸騰時(shí)變?yōu)樗魵?，溫度不變，此過程中分子的平均動(dòng)能不變，由于分子間的距離變化，分子勢(shì)能變化，所以物體的內(nèi)能變化。例5A．機(jī)械能增大的物體，其內(nèi)能一定增大B．物體的機(jī)械能損失時(shí)，內(nèi)能有可能增大C．物體的內(nèi)能損失時(shí)，機(jī)械能必然會(huì)減小D．物體的機(jī)械能可以為0，內(nèi)能不可以為0答案BD解析內(nèi)能和機(jī)械能是兩種不同形式的能，二者的決定因素不同，A錯(cuò)誤；例如在物體克服空氣阻力勻速下降過程中，機(jī)械能減小，而摩擦生熱，物體溫度升高，內(nèi)能會(huì)增大，B正確；例如在物體靜止時(shí)，溫度降低，內(nèi)能減小，而物體的機(jī)械能不變，C錯(cuò)誤；物體內(nèi)分子在永不停息的運(yùn)動(dòng)中，內(nèi)能不可能為0，但機(jī)械能可以為0，D正確。內(nèi)能和機(jī)械能的區(qū)別與聯(lián)系內(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)宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)常見的能量形式分子動(dòng)能、分子勢(shì)能物體動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能影響因素物質(zhì)的量、物體的溫度、體積及物態(tài)物體的質(zhì)量、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、相對(duì)于零勢(shì)能面的高度、彈性形變量大小永遠(yuǎn)不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(zhuǎn)化課時(shí)對(duì)點(diǎn)練考點(diǎn)一分子動(dòng)能1．(多選)下列關(guān)于分子動(dòng)能的說法，正確的是()A．物體的溫度升高，每個(gè)分子的動(dòng)能都增加B．物體的溫度升高，分子的平均動(dòng)能增加C．如果分子的質(zhì)量為m，平均速率為v，則平均動(dòng)能為eq\f(1,2)mv2D．分子的平均動(dòng)能等于物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能之和與所有分子的總數(shù)之比答案BD解析溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，溫度升高，分子的平均動(dòng)能增加，但是其中個(gè)別分子的動(dòng)能卻有可能減小或不變，A錯(cuò)，B對(duì)；分子的平均動(dòng)能等于物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能之和與所有分子總數(shù)的比值，C錯(cuò)，D對(duì)。2．若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中，溫度保持不變，體積增大，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法中正確的是()A．氣體分子的平均速率減小B．氣體分子的平均速率增大C．氣體分子的平均動(dòng)能減小D．氣體分子的平均動(dòng)能不變答案D解析氣泡在上升的過程中，內(nèi)部氣體溫度不變，氣體分子的平均動(dòng)能不變，平均速率不變，故D正確。3．(2022·鹽城市高二期末)一塊10℃的鐵與一塊10℃的鋁相比，以下說法正確的是()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)分子的動(dòng)能相等C．鐵的分子平均速率與鋁的分子平均速率相等D．以上說法均不正確答案D考點(diǎn)二分子勢(shì)能4．(多選)用r表示兩分子間的距離，Ep表示分子勢(shì)能，當(dāng)r＝r0時(shí)引力等于斥力，設(shè)兩分子相距大于10倍的r0時(shí)，Ep＝0，則()A．當(dāng)r＞r0時(shí)，Ep隨r的增大而增大B．當(dāng)r＜r0時(shí)，Ep隨r的減小而增大C．當(dāng)r＜r0時(shí)，Ep不隨r的變化而變化D．當(dāng)r＞r0時(shí)，Ep＝0答案AB解析當(dāng)r＞r0時(shí)，分子間作用力表現(xiàn)為引力，當(dāng)r增大時(shí)，分子間作用力做負(fù)功，Ep增大，故A正確；當(dāng)r＜r0時(shí)，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，當(dāng)r減小時(shí)，分子間作用力做負(fù)功，則Ep增大，故B正確，C錯(cuò)誤；因兩分子相距大于10倍的r0時(shí)，Ep＝0，當(dāng)r＞r0時(shí)，隨r的減小，分子勢(shì)能減小，則當(dāng)r＞r0時(shí)，Ep<0，故D錯(cuò)誤。5．分子甲和乙相距較遠(yuǎn)(此時(shí)分子間作用力可以忽略)，設(shè)甲分子固定不動(dòng)，乙分子逐漸向甲靠近直到不能再靠近，在這個(gè)過程中，下列說法正確的是()A．分子間作用力總對(duì)乙做正功，分子勢(shì)能不斷減小B．乙總是克服分子間作用力做功，分子勢(shì)能不斷增大C．乙先是克服分子間作用力做功，然后分子間作用力對(duì)乙做正功，分子勢(shì)能先增大后減小D．先是分子間作用力做正功，然后乙克服分子間作用力做功，分子勢(shì)能先減小后增大答案D解析甲和乙相距較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)分子間作用力為零，分子勢(shì)能為零，甲分子固定不動(dòng)，乙向甲靠近直到r＝r0的過程中，由于r＞r0，分子間作用力為引力，分子間作用力做正功，分子勢(shì)能越來越小，且為負(fù)值，r＝r0時(shí)分子勢(shì)能最小，乙分子從r＝r0到不能再靠近甲的過程中，由于r＜r0，分子間作用力為斥力，分子間作用力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，所以先是分子間作用力對(duì)乙做正功，然后乙克服分子間作用力做功，分子勢(shì)能先減小后增大，選項(xiàng)D正確。6.(2022·北京市昌平區(qū)高二期末)分子勢(shì)能Ep隨分子間距離r變化的圖像如圖所示，取r趨于無窮大時(shí)Ep為零，若甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O處，乙分子從r3處由靜止釋放運(yùn)動(dòng)到r1的過程中，下列說法正確的是()A．當(dāng)r＝r1時(shí)，分子引力與分子斥力大小相等B．當(dāng)r＝r2時(shí)，分子引力大于分子斥力C．從r3到r2分子力對(duì)乙做正功，分子勢(shì)能減少D．從r2到r1分子力對(duì)乙做負(fù)功，分子勢(shì)能減少答案C解析r2為平衡位置，分子引力等于斥力，B錯(cuò)誤；當(dāng)r＝r1時(shí)，分子力表現(xiàn)為斥力，分子斥力大于分子引力，A錯(cuò)誤；從r3到r2，分子力為引力，分子力對(duì)乙做正功，分子勢(shì)能減小，C正確；從r2到r1，分子力為斥力，分子力對(duì)乙做負(fù)功，分子勢(shì)能增大，D錯(cuò)誤。7.(2022·潮州市高二期中)分子力F隨分子間距離r的變化如圖所示。將兩分子從相距r＝r2處釋放，僅考慮這兩個(gè)分子間的作用，下列說法正確的是()A．從r＝r2到r＝r0分子間引力、斥力都在減小B．從r＝r2到r＝r1分子力的大小先減小后增大C．從r＝r2到r＝r0分子勢(shì)能先減小后增大D．從r＝r2到r＝r1分子動(dòng)能先增大后減小答案D解析從r＝r2到r＝r0分子間引力、斥力都增大，但斥力增加得更快，故A錯(cuò)誤；由題圖可知，在r＝r0時(shí)分子力為零，故從r＝r2到r＝r1分子力的大小先增大后減小再增大，故B錯(cuò)誤；分子勢(shì)能在r＝r0時(shí)最小，故從r＝r2到r＝r0分子勢(shì)能一直減小，故C錯(cuò)誤；從r＝r2到r＝r1分子勢(shì)能先減小后增大，故分子動(dòng)能先增大后減小，故D正確。考點(diǎn)三物體的內(nèi)能8．(2022·上海師大附中期末)關(guān)于物體的內(nèi)能，下列敘述正確的是()A．溫度高的物體比溫度低的物體內(nèi)能大B．物體的內(nèi)能不可能為零C．內(nèi)能相同的物體，它們的分子平均動(dòng)能一定相同D．內(nèi)能不相同的物體，它們的分子平均動(dòng)能一定不相同答案B解析溫度高低只反映分子平均動(dòng)能的大小，由于物體的內(nèi)能跟物體的質(zhì)量、體積、溫度和物態(tài)有關(guān)，所以溫度高的物體不一定比溫度低的物體內(nèi)能大，A錯(cuò)誤；內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，分子在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以內(nèi)能永不為零，B正確；內(nèi)能相同的物體，它們的溫度可能不相同，所以它們的分子平均動(dòng)能可能不相同，C錯(cuò)誤；內(nèi)能不同的兩個(gè)物體，它們的溫度可以相同，即它們的分子平均動(dòng)能可以相同，D錯(cuò)誤。9．(2022·齊齊哈爾市高二期中)關(guān)于物體的內(nèi)能和分子勢(shì)能，下列說法中正確的是()A．物體的速度增大，則分子的動(dòng)能增加，內(nèi)能也一定增加B．物體溫度不變，內(nèi)能可能變大C．物體的內(nèi)能與溫度有關(guān)，與物體的體積無關(guān)D．把物體舉得越高，分子勢(shì)能越大答案B解析物體的速度增大，是物體的動(dòng)能增大，增加的是物體的機(jī)械能，分子動(dòng)能的變化只與物體的溫度有關(guān)，故A錯(cuò)誤；物體內(nèi)部所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和叫作物體的內(nèi)能，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能由溫度決定，分子勢(shì)能與物體的體積有關(guān)，當(dāng)發(fā)生物態(tài)變化時(shí)，物體的溫度不變，只是分子的平均動(dòng)能不變，但分子勢(shì)能可能變大，物體的內(nèi)能可能增大，故B正確；物體的內(nèi)能由物體的物質(zhì)的量、溫度、物體的體積共同決定，同時(shí)會(huì)受物態(tài)變化的影響，故C錯(cuò)誤；分子勢(shì)能與物體的體積有關(guān)，把物體舉得越高，增加的是物體的重力勢(shì)能，故D錯(cuò)誤。10．(多選)關(guān)于內(nèi)能，下列說法正確的是()A．質(zhì)量、溫度、體積都相等的物體的內(nèi)能一定相等B．內(nèi)能不同的物體，它們分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能可能相同C．一木塊被舉高，組成該木塊的所有分子的分子勢(shì)能都增大D．溫度高的物體內(nèi)能不一定大，但分子平均動(dòng)能一定大答案BD解析物體的內(nèi)能與物質(zhì)的量、體積和溫度有關(guān)，質(zhì)量相等的不同種類的物體，物質(zhì)的量不一定相等，所以質(zhì)量、溫度、體積都相等的物體的內(nèi)能不一定相等，A錯(cuò)誤；內(nèi)能與溫度、體積、物質(zhì)的量有關(guān)，內(nèi)能不同的物體，溫度可能相同，它們分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能可能相同，B正確；分子勢(shì)能與物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)無關(guān)，被舉高只是重力勢(shì)能增大，分子勢(shì)能不一定變化，C錯(cuò)誤；溫度高則分子平均動(dòng)能大，但內(nèi)能的大小不僅要看分子平均動(dòng)能，還要看分子數(shù)目和分子勢(shì)能，所以內(nèi)能不一定大，D正確。11．(多選)18g的水，18g的水蒸氣，32g的氧氣，在它們的溫度都是100℃時(shí)()A．它們的分子數(shù)目相同，分子的平均動(dòng)能不相同，氧氣的分子平均動(dòng)能大B．它們的分子數(shù)目相同，分子的平均動(dòng)能相同C．它們的分子數(shù)目相同，它們的內(nèi)能不相同，水蒸氣的內(nèi)能比水大D．它們的分子數(shù)目不相同，分子的平均動(dòng)能相同答案BC解析水和水蒸氣的相對(duì)分子質(zhì)量相同，摩爾質(zhì)量相同，故分子數(shù)相同，為N1＝N2＝eq\f(18,18)×6.02×1023＝6.02×1023個(gè)，32g的氧氣分子數(shù)為N3＝eq\f(32,32)×6.02×1023＝6.02×1023個(gè)，故N1＝N2＝N3；溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志，故分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能相同，但水蒸氣的分子勢(shì)能更大，內(nèi)能包括分子勢(shì)能和分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，故內(nèi)能不相同，水蒸氣的內(nèi)能比水大，B、C正確，A、D錯(cuò)誤。12.(多選)設(shè)有甲、乙兩分子，如圖，甲固定在O點(diǎn)，r0為其與平衡位置間的距離，現(xiàn)在使乙分子由靜止開始只在分子間的作用力作用下由距甲0.5r0處開始沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，則()A．乙分子的加速度一直減小B．乙分子到達(dá)r0處時(shí)速度最大C．分子間作用力對(duì)乙一直做正功，分子勢(shì)能減小D．乙分子在r0處時(shí)，分子勢(shì)能最小答案BD解析由分子間作用力隨分子間距離的變化規(guī)律可知0.5r0處到r0處，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，斥力減小，乙分子的加速度也就減小，從r0處到無窮遠(yuǎn)處，分子間