高中 物理 必修第三冊 第一章 分子動理論《第4節(jié) 分子動能和分子勢能》教學(xué)設(shè)計

第4節(jié)分子動能和分子勢能[學(xué)習(xí)目標]1．知道分子熱運動的動能跟溫度有關(guān)。知道溫度是分子熱運動平均動能的標志。2．掌握分子勢能的概念，理解分子力做功對應(yīng)分子勢能的變化。知道分子勢能跟物體體積有關(guān)。3．理解分子勢能與分子間距離的變化關(guān)系曲線。4．知道什么是內(nèi)能，知道物體的內(nèi)能跟溫度和體積有關(guān)。知識點1分子動能和分子勢能分子能量比較內(nèi)容分子動能分子勢能定義分子無規(guī)則運動而具有的能由分子力和分子間相對位置決定的能大小決定因素物質(zhì)的溫度是分子熱運動平均動能的標志宏觀上與物體的體積有關(guān)，微觀上與分子間距離有關(guān)[判一判]1．(1)溫度高的物體，分子的平均動能一定大。()(2)溫度升高時，物體的每個分子的動能都將增大。()(3)分子勢能可以為正值、負值、零。()提示：(1)√(2)×(3)√知識點2物體的內(nèi)能1．定義：物體中所有分子的熱運動動能與分子勢能的總和。2．決定因素(1)分子總個數(shù)由物體物質(zhì)的量決定。(2)分子熱運動的平均動能由溫度決定。(3)分子勢能宏觀上與物體的體積有關(guān)。(4)物體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度、體積共同決定。3．內(nèi)能的普遍性：因為一切物體都是由不停地做無規(guī)則熱運動且相互作用著的分子所組成的，所以任何物體都具有內(nèi)能。[判一判]2．(1)一個分子的動能和分子勢能的總和叫作該分子的內(nèi)能。()(2)當一個物體的機械能發(fā)生變化時，其內(nèi)能也一定發(fā)生變化。()(3)溫度高的物體一定比溫度低的物體內(nèi)能大。()提示：(1)×(2)×(3)×1．(分子動能)(多選)下列關(guān)于分子動能的說法正確的是()A．物體的溫度升高，每個分子的動能都增加B．物體的溫度升高，分子的總動能增加C．如果分子的質(zhì)量為m，平均速率為v，則平均動能為eq\f(1,2)mv2D．分子的平均動能等于物體內(nèi)所有分子的動能之和與所有分子的總數(shù)之比解析：選BD。溫度是分子平均動能的標志，溫度升高，分子的平均動能增加，但是其中個別分子的動能卻有可能減小，A錯誤，B正確；分子的平均動能等于物體內(nèi)所有分子的動能之和與所有分子總數(shù)的比值，而不是用eq\f(1,2)mv2計算，C錯誤，D正確。2．(分子勢能)下列關(guān)于分子力和分子勢能的說法正確的是()A．當分子力表現(xiàn)為引力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的增大而增大B．當分子力表現(xiàn)為引力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的增大而減小C．當分子力表現(xiàn)為斥力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的減小而增大D．當分子力表現(xiàn)為斥力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的減小而減小解析：選C。當分子力表現(xiàn)為引力時，分子間距離增大，分子力可能先增大后減小，也可能一直減小，分子力做負功，分子勢能增大，所以A、B錯誤；當分子力表現(xiàn)為斥力時，分子間距離減小，分子力增大，分子力做負功，分子勢能增大，所以C正確，D錯誤。3．(物體的內(nèi)能)關(guān)于溫度與內(nèi)能的關(guān)系，下列說法正確的是()A．不同質(zhì)量的同種物質(zhì)，只要溫度相同，分子的平均動能就相同B．物體的溫度變化時，它的內(nèi)能一定改變C．物體的溫度升高時，每個分子的動能都增大D．物體的內(nèi)能等于物體的動能與勢能的總和答案：A探究一分子動能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，每個分子的動能大小不同，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)計結(jié)果，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，分子的平均動能增大，但不是每一個分子的動能都增大，個別分子的動能也可能減小，但總體上所有分子的動能之和一定是增加的。(2)雖然同一溫度下，不同物質(zhì)的分子熱運動的平均動能相同，但由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不盡相同，平均速率大小一般不相同。3．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物體所含的分子數(shù)目有關(guān)?！纠?】關(guān)于物體的溫度與分子動能的關(guān)系，正確的說法是()A．某種物體的溫度是0℃，說明物體中分子的平均動能為零B．物體溫度降低時，每個分子的動能都減小C．物體溫度升高時速率小的分子數(shù)目減少，速率大的分子數(shù)目增多D．物體的運動速度越快，則物體的溫度越高[解析]溫度是分子平均動能的標志。溫度是0℃，物體中分子的平均動能并非為零，因為分子無規(guī)則運動不會停止，A錯誤；溫度降低時分子的平均動能減小，并非每個分子動能都減小，B錯誤；物體溫度升高時，分子的平均動能增大，分子的平均速率增大，速率小的分子數(shù)目減少，速率大的分子數(shù)目增多，C正確；物體的運動速度增大，宏觀機械能(動能)增大，但物體內(nèi)分子的熱運動不一定加劇，溫度不一定升高，D錯誤。[答案]C【例2】(多選)當氫氣和氧氣的質(zhì)量和溫度都相同時，下列說法正確的是()A．兩種氣體分子的平均動能相等B．氫氣分子的平均速率大于氧氣分子的平均速率C．兩種氣體分子熱運動的總動能相等D．兩種氣體分子熱運動的平均速率相等[解析]因為溫度是分子平均動能的標志，溫度相同，則分子平均動能相同，故A正確；因為氫氣分子的質(zhì)量小于氧氣分子的質(zhì)量，而分子平均動能又相等，所以氫氣分子的平均速率大，故D錯誤，B正確；雖然氣體質(zhì)量和分子平均動能(溫度)都相等，但由于氣體摩爾質(zhì)量不同，分子數(shù)目不相等，分子總動能不相等，故C錯誤。[答案]AB[針對訓(xùn)練1]有甲、乙兩種不同的氣體，如果甲氣體內(nèi)分子平均速率比乙氣體內(nèi)分子平均速率大，則()A．甲氣體的溫度一定高于乙氣體的溫度B．甲氣體的溫度一定低于乙氣體的溫度C．甲氣體的溫度可能高于也可能低于乙氣體的溫度D．甲氣體的每個分子都比乙氣體的分子運動得快解析：選C。氣體溫度是氣體分子平均動能的標志，而分子的平均動能不僅與分子的平均速率有關(guān)，還與分子的質(zhì)量有關(guān)。本題涉及兩種不同氣體(分子質(zhì)量不同)，它們的分子質(zhì)量無法比較，因而無法比較兩種氣體溫度的高低，A、B錯誤，C正確；速率的平均值大，并不一定每個分子運動得都快，D錯誤。[針對訓(xùn)練2]一塊10℃的鐵與一塊10℃的鋁相比，以下說法中正確的是()A．鐵的分子動能之和與鋁的分子動能之和相等B．鐵的每個分子動能與鋁的每個分子的動能相等C．鐵的分子平均速率與鋁的分子平均速率相等D．以上說法均不正確解析：選D。兩物體溫度相等，說明它們的分子平均動能相等，因為溫度是分子熱運動平均動能的標志；由于沒有說明鐵與鋁的質(zhì)量，只有當它們所含分子數(shù)目一樣，分子總動能才相等，故A錯誤；分子平均動能相等，但對每個分子而言，它運動的速率是變化的，且每個分子的速率都是不同的，有快的也有慢的，所以每個分子的動能相等的說法不正確，故B錯誤；雖然分子的平均動能相等，但鐵分子、鋁分子質(zhì)量不等，因此分子平均速率不等，m鋁<m鐵，eq\o(v,\s\up6(－))鋁>eq\o(v,\s\up6(－))鐵，故C錯誤，D正確。探究二分子勢能1．分子勢能由于分子間存在著相互作用力，所以分子間也有相互作用的勢能，這就是分子勢能。其大小由分子間的相對位置決定。2．分子勢能的特點由分子間的相對位置決定，隨分子間距離的變化而變化。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(guān)。3．分子勢能與分子間距離的關(guān)系分子勢能的大小與分子間的距離有關(guān)，距離發(fā)生變化時，分子力要做功，分子勢能發(fā)生變化。分子勢能隨分子間距離的變化情況如圖所示(取無窮遠處Ep為0)。(1)當分子間的距離r＞r0時，分子勢能隨分子間距離的增大而增大。(2)當分子間的距離r＜r0時，分子勢能隨分子間距離的減小而增大。(3)當r＝r0時，分子勢能最小，但不為零。4．分子勢能的影響因素(1)宏觀上：分子勢能跟物體的體積有關(guān)。(2)微觀上：分子勢能跟分子間距離r有關(guān)，分子勢能與r的關(guān)系不是單調(diào)變化的。【例3】如圖所示，用F表示兩分子間的作用力，用Ep表示分子間的分子勢能，在兩個分子之間的距離由10r0變?yōu)閞0的過程中，以下判斷正確的是()A．F不斷增大，Ep不斷減小B．F先增大后減小，Ep不斷減小C．F不斷增大，Ep先增大后減小D．F、Ep都是先增大后減小[解析]由題圖中分子力與距離的關(guān)系圖像可知，兩個分子之間的距離從10r0變?yōu)閞0的過程中，F(xiàn)表現(xiàn)為引力，且分子力先增大后減小，由題圖中分子勢能與距離的關(guān)系圖像可知，兩個分子之間的距離從10r0變?yōu)閞0的過程中，Ep不斷減小。[答案]B【例4】(2022·江蘇徐州高二期末)有兩個分子M、N，固定M，將N由靜止釋放，N僅在分子力作用下遠離M，其速度和位移的圖像如圖所示，則()A．N由x＝0到x＝x2過程中，M、N間作用力先表現(xiàn)為引力后表現(xiàn)為斥力B．N由x＝x1到x＝x2過程中，N的加速度一直減小C．N由x＝0到x＝x2過程中，M、N系統(tǒng)的分子勢能先減小后增大D．N在x＝x1時，M、N間分子力最大[解析]由題圖可知，在x＝x1處N分子的動能最大，則分子力做功最多，分子勢能最小，則x＝x1處為平衡位置，此時分子力為零，當x<x1時，分子力表現(xiàn)為斥力，x>x1時，分子力表現(xiàn)為引力。N由x＝0到x＝x2過程中，M、N間作用力先表現(xiàn)為斥力后表現(xiàn)為引力，A錯誤；由v－t圖像的斜率表示加速度，加速度先增大后減小，B錯誤；N由x＝0到x＝x2過程中，M、N系統(tǒng)的分子勢能先減小后增大，C正確；N在x＝x1時，M、N間分子力為零，D錯誤。[答案]C[針對訓(xùn)練3]兩分子間的斥力與引力的合力F與分子間距離r的關(guān)系如圖所示，曲線與r軸交點的橫坐標為r0。相距很遠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時分子勢能為零，則下列說法正確的是()A．在r＞r0階段，F(xiàn)做正功，分子動能和分子勢能均增大B．在r＜r0階段，分子勢能先增大后減小C．在r＝r0時，分子勢能為零，動能最大D．在r＝r0時，分子引力和分子斥力大小相等解析：選D。在r＞r0階段，分子力表現(xiàn)為引力，相互接近過程中，F(xiàn)做正功，分子動能增大，分子勢能減小，所以A錯誤；在r＜r0階段，分子力表現(xiàn)為斥力，相互接近過程中，F(xiàn)做負功，分子勢能逐漸增大，所以B錯誤；由于在r＞r0階段，分子力表現(xiàn)為引力，相互接近過程中，F(xiàn)做正功，分子勢能減小，在r＜r0階段，分子力表現(xiàn)為斥力，相互接近過程中，F(xiàn)做負功，分子勢能逐漸增大，則在r＝r0時，分子勢能最小，且一定小于0，動能最大，所以C錯誤；在r＝r0時，分子引力和分子斥力大小相等，分子間作用力的合力為0，所以D正確。探究三物體的內(nèi)能1．對物體內(nèi)能的理解(1)內(nèi)能的特點①內(nèi)能是物體具有的，不是某個分子具有的，討論某個分子的內(nèi)能毫無意義。②任何物體的分子都在做無規(guī)則的熱運動，分子間都有相互作用，所以任何物體都有內(nèi)能，或者說任何物體的內(nèi)能都不為零。③物體內(nèi)能與物體的機械運動狀態(tài)、位置等因素?zé)o關(guān)，但受物態(tài)變化的影響。(2)影響物體內(nèi)能的因素①微觀決定因素：分子的勢能、分子的平均動能、分子的個數(shù)。②宏觀決定因素：物體的體積、溫度、物質(zhì)的量。2．內(nèi)能與機械能的區(qū)別和聯(lián)系項目內(nèi)能機械能區(qū)別對應(yīng)的運動形式微觀分子熱運動宏觀物體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原因由物體內(nèi)大量分子的熱運動和分子間相對位置決定由物體做機械運動和物體形變或被舉高影響因素物質(zhì)的量、物體的溫度和體積及物態(tài)物體的機械運動的速度、離地高度(或相對于零勢能面的高度或彈性形變)是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(zhuǎn)化【例5】關(guān)于機械能和內(nèi)能，下列說法中正確的是()A．機械能大的物體，其內(nèi)能一定很大B．物體的機械能損失時，內(nèi)能卻可能增大C．物體的內(nèi)能損失時，機械能必然減小D．物體的內(nèi)能為零時，機械能可以不為零[解析]機械能和內(nèi)能是兩種不同形式的能，機械能包括物體的動能、重力勢能和彈性勢能。而內(nèi)能是指所有分子動能和分子勢能之和，與物體的溫度、體積和物質(zhì)的量有關(guān)。機械能大的物體其內(nèi)能不一定大，機械能損失時，其內(nèi)能可能增大、不變或減小，故A錯誤，B正確；物體具有機械能的大小與物體內(nèi)能的大小無直接關(guān)系，物體的內(nèi)能損失時，機械能可能增大、不變或減小，故C錯誤；由分子動理論知，物體的內(nèi)能不能為零，機械能可以為零也可以不為零，故D錯誤。[答案]B[針對訓(xùn)練4](多選)一輛運輸瓶裝氧氣的貨車，由于某種原因，司機緊急剎車，最后停下來，則下列說法不正確的是()A．汽車機械能增大，氧氣內(nèi)能增大B．汽車機械能減小，氧氣內(nèi)能減小C．汽車機械能減小，氧氣內(nèi)能不變D．汽車機械能減小，汽車(輪胎)內(nèi)能增大答案：AB[針對訓(xùn)練5]下列說法正確的是()A．鐵塊熔化成鐵水的過程中，溫度不變，內(nèi)能也不變B．物體運動的速度增大，則物體中分子熱運動的平均動能增大，物體的內(nèi)能增大C．A、B兩物體接觸時有熱量從物體A傳到物體B，這說明物體A的內(nèi)能大于物體B的內(nèi)能D．A、B兩物體的溫度相同時，A、B兩物體的內(nèi)能可能不同，分子的平均速率也可能不同解析：選D。溫度是分子平均動能的標志，內(nèi)能是所有分子熱運動動能和分子勢能的總和，故溫度不變時，內(nèi)能可能變化，A錯誤；兩物體溫度相同，內(nèi)能可能不同，分子的平均動能相同，但分子的平均速率可能不同，故D正確；最易出錯的是認為有熱量從A傳到B，A的內(nèi)能肯定大，其實有熱量從A傳到B，只說明A的溫度高，內(nèi)能大小還要看它們的總分子數(shù)和分子勢能等因素，故C錯誤；機械運動的速度與分子熱運動的平均動能無關(guān)，故B錯誤。[A級——基礎(chǔ)達標練]1．一個鐵球和一個冰球的溫度相同，且其質(zhì)量相等，則()A．它們的分子平均動能一定相等B．它們的分子運動的平均速率一定相等C．冰球的體積大，水的分子勢能大D．它們的內(nèi)能一定相等答案：A2．下列關(guān)于溫度、內(nèi)能和熱量的說法正確的是()A．物體的溫度越高，所含熱量越多B．物體的內(nèi)能越大，所含熱量越多C．物體的溫度越高，它的分子熱運動的平均動能越大D．物體的溫度不變，它的內(nèi)能就不變解析：選C。熱量是過程量，“含有熱量”的說法是不正確的，故A、B錯誤；溫度是分子的平均動能的標志，物體的溫度越高，它的分子熱運動的平均動能越大，故C正確；物體的內(nèi)能與物質(zhì)的量、溫度、體積以及物態(tài)有關(guān)，物體的溫度不變，它的內(nèi)能不一定不變，故D錯誤。3．關(guān)于分子力和分子勢能，下列說法正確的是()A．當分子力表現(xiàn)為引力時，分子之間只存在引力B．當分子間距離為r0時，分子之間引力和斥力均為零C．分子之間的斥力隨分子間距離的減小而減小D．當分子間距離為r0時，分子勢能最小解析：選D。當分子力表現(xiàn)為引力時，分子之間引力和斥力共存，引力大于斥力，故A錯誤；當分子間距離為r0時，分子之間引力和斥力大小相等，方向相反，故B錯誤；分子間存在相互作用的引力和斥力，引力和斥力都隨分子間距離的減小而增大，故C錯誤；根據(jù)分子勢能與分子力之間的關(guān)系，當分子間距離為r0時，分子之間引力和斥力大小相等，方向相反，分子勢能最小，故D正確。4．(多選)關(guān)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，分子勢能越來越小解析：選AC。分子間的作用力表現(xiàn)為引力時，分子間的距離減小，分子力做正功，分子勢能隨分子間距離的減小而減小，A正確；分子力表現(xiàn)為斥力時，分子間的距離減小，分子力做負功，分子勢能隨分子間距離的減小而增大，B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(guān)，D錯誤。5．兩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軸交點的橫坐標為r0。相距很遠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時分子勢能為零，則下列說法正確的是()A．在r＝r0時，分子勢能最小，動能為零B．在r＝r0時，分子勢能為零C．在r>r0階段，F(xiàn)做正功，分子動能增大，勢能減小D．在r<r0階段，F(xiàn)做負功，分子動能減小，勢能也減小答案：C6．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．物體的體積增大時，內(nèi)能也增大C．內(nèi)能相同的物體，它們的分子平均動能一定相同D．內(nèi)能不相同的物體，它們的分子平均動能可能相同答案：D7．下列四幅圖中，能正確反映分子間作用力F和分子勢能Ep隨分子間距離r變化關(guān)系的圖線是()解析：選B。當r＜r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，隨分子間距離r增大，分子勢能Ep減??；當r＞r0時，分子力表現(xiàn)為引力，隨分子間距離r增大，分子勢能Ep增大；當r＝r0時，分子力為零，此時分子勢能最小，故B正確。[B級——能力增分練]8．(多選)當兩個分子間的距離r＝r0時，分子處于平衡狀態(tài)，設(shè)r1<r0<r2，則當兩個分子間的距離由r1變到r2的過程中()A．分子力先減小后增大B．分子力先做正功后做負功C．分子勢能先減小后增大D．分子力為零時，分子勢能最小解析：選BCD。當r<r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，隨r增加，分子力減小且分子力做正功，分子勢能減小，分子力為零時，分子勢能最??；當r>r0時，分子力表現(xiàn)為引力，其大小隨r增加先增大后減小，且整個過程分子力做負功，分子勢能增大，綜上可知B、C、D正確，A錯誤。9．(多選)設(shè)r＝r0時分子間的作用力為零，則一個分子從遠處以某一動能向另一個固定的分子靠近的過程中，下列說法中正確的是()A．r＞r0時，分子力做正功，動能不斷增大，勢能減小B．r＝r0時，動能最大，勢能最小C．r＜r0時，分子力做負功，動能減小，勢能增大D．以上說法不對解析：選ABC。當r＞r0時，分子力表現(xiàn)為引力，故兩分子相互靠近時，分子力做正功，分子勢能減小，分子動能增大；當r＜r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，兩分子相互靠近時，分子力做