2024-2025學年新教材高中物理第一章分子動理論4分子動能和分子勢能學案新人教版選擇性必修3

PAGE10-分子動能和分子勢能教學設計·高端引領新課導入人造地球衛(wèi)星從近地點向遠地點運動時,其動能漸漸減小,重力勢能漸漸增大,那么組成衛(wèi)星的物質的分子動能和分子勢能怎樣變更呢?教學建議本節(jié)課從微觀角度相識分子動能和分子勢能。(1)這節(jié)課中要讓學生建立:分子動能、分子平均動能、分子勢能、物體內能等四個以上物理概念,又要讓學生理解兩個物理規(guī)律:分子平均動能與溫度的關系,分子勢能與分子間距離的關系。(2)了解分子由于熱運動而具有的動能,相識到溫度是大量分子熱運動的宏觀表現,是分子平均動能的標記。在分子平均動能與溫度關系的講授中,滲透統(tǒng)計的方法。(3)類比兩小球的彈簧模型,加深對分子勢能與分子力以及分子力做功的關系,在分子勢能與分子間距離的關系上要滲透歸納推理方法。(4)通過對物體內能的理解,加深對分子的平均動能、勢能的相識,了解物體的內能與物體的體積和溫度的聯系。課程標準素養(yǎng)目標1.了解分子動能、分子勢能和內能概念。2.了解內能和機械能的區(qū)分。1.了解溫度是分子熱運動平均動能的標記,是微觀粒子熱運動的宏觀表現。(物理觀念)2.了解什么是分子勢能。(物理觀念)3.知道什么是物體的內能,了解內能和機械能的區(qū)分。(物理觀念)4.理解分子力做功的特點。(科學思維)5.理解物體的內能與哪個宏觀量有關。(科學思維)6.探究分子力做功與分子勢能變更的關系。(科學探究)必備學問·素養(yǎng)奠基一、分子動能1.分子動能:分子不停地做無規(guī)則運動,做熱運動的分子也具有動能。2.平均動能:全部分子的動能的平均值。溫度越高,分子熱運動的平均動能越大;溫度越低,分子熱運動的平均動能越小。二、分子勢能1.分子勢能:由于分子間存在著相互作用力,所以分子具有由它們的相對位置確定的勢能,這就是分子勢能。2.分子勢能與分子間距離的關系:(1)當分子間距離r大于r0時,分子間的相互作用力表現為引力,要增大分子間的距離,必需克服引力做功,因此分子勢能隨著分子間距離的增大而增大。(2)當分子間距離r小于r0時,分子間的相互作用力表現為斥力,要減小分子間的距離,必需克服斥力做功,因此分子勢能隨分子間距離的減小而增大。3.物體的體積變更時,分子間距離發(fā)生變更,分子勢能隨著發(fā)生變更,可見分子勢能跟物體的體積有關。4.下列關于分子勢能與分子間距離關系的說法中正確的是①④。①兩分子間距為r0時分子勢能最小。②分子勢能隨著分子間距的增大而增大。③分子勢能隨著分子間距的增大而減小。④分子勢能可以為正值、負值、零。三、內能思索在水平地面上滾動的足球,球內的氣體分子在做無規(guī)則熱運動的同時,還共同參加水平地面上的機械運動。當足球靜止在地面上時足球內的氣體還具有什么形式的能呢?提示:足球內的氣體具有內能。1.物體中全部分子熱運動的動能與分子勢能的總和,叫作物體的內能,對于給定的某種物體,其內能大小跟物體的質量、溫度和體積有關。2.組成物體的分子在做無規(guī)則的熱運動,具有熱運動的動能,它是內能的一部分;同時物體還可能做整體的運動,因此,還會具有動能,這是機械能的一部分,它是由物體的機械運動確定的。3.下列關于內能的說法正確的是③。①物體的溫度越高,內能越大。②機械能越大的物體內能越大。③氣體的內能不為0(分子間距在10r0左右)。④物體的體積越大,內能就越大。關鍵實力·素養(yǎng)形成一分子動能和分子勢能的理解1.單個分子的動能:由于分子運動的無規(guī)則性,在某時刻物體內部各個分子的動能大小不一,即使是同一個分子,在不同時刻的動能也是不同的,所以單個分子的動能沒有意義。2.分子熱運動的平均動能:(1)熱現象探討的是大量分子運動的宏觀表現,有意義的是物體內全部分子熱運動的平均動能。(2)溫度是分子熱運動的平均動能的標記,分子動理論使我們懂得了溫度的微觀意義,在相同溫度下,各種物質分子熱運動的平均動能都相同,由于不同物質分子的質量不肯定相同,因此相同溫度時不同物質分子熱運動的平均速率不肯定相同。3.分子勢能:(1)組成物質的分子間存在相互作用力,分子間具有由它們的相對位置確定的勢能,這種勢能叫作分子勢能。(2)分子勢能的特點:由分子間相對位置確定的能量,隨分子間距的變更而變更,分子勢能是標量,分子勢能的正負號表示大小。4.分子勢能的大小和分子間距離的關系:(1)假如取兩個分子間相距無窮遠時(此時分子間作用力可忽視不計)的分子勢能為零,分子勢能Ep與分子間距離r的關系可用如圖所示的曲線表示,從圖線上可看出,當r=r0時,分子勢能最小。(2)當分子間的距離r>r0時,分子間的作用力表現為引力,分子間的距離增大時,分子力做負功,因此分子勢能隨分子間距離的增大而增大。(3)當分子間的距離r<r0時,分子間的作用力表現為斥力,分子間的距離減小時,分子力做負功,因此分子勢能隨分子間距離的減小先從負值增大到零,然后再接著增加。(4)分子勢能“彈簧—小球”模型分子勢能隨分子間距離的變更類似于彈簧,彈簧為原長相當于分子間的距離為r0,彈簧在原長的基礎上無論拉伸還是壓縮,勢能都會增大。5.分子勢能與物體的體積有關:物體的體積發(fā)生變更時,分子間的相對位置也發(fā)生變更,因而分子勢能也隨著發(fā)生變更?！舅妓鳌ぬ接憽?1)當兩分子距離為平衡距離r0時,分子力F=0,此時分子勢能肯定為零嗎?提示:不肯定,當兩分子從距離大于r0處漸漸靠近過程中分子力先做正功,后做負功,分子勢能先減小后增大,相距r0時最小,由于沒有規(guī)定零勢能面,所以,不肯定為零。(2)分子勢能與體積有關,能否說物體體積越大,分子勢能就越大?提示:不能,由于物體分子間距變更的宏觀表現為物體的體積變更,所以微觀的分子勢能變更對應于宏觀的物體體積變更。同樣是物體體積增大,有時體現為分子勢能增大(在r>r0范圍內),有時體現為分子勢能減小(在r<r0范圍內)。一般我們說,物體體積變更了,其對應的分子勢能也變更了?！镜淅痉丁?2024·全國Ⅰ卷)分子間作用力F與分子間距r的關系如圖所示,r=r1時,F=0。分子間勢能由r確定,規(guī)定兩分子相距無窮遠時分子間的勢能為零。若一分子固定于原點O,另一分子從距O點很遠處向O點運動,在兩分子間距減小到r2的過程中,勢能________(選填“減小”“不變”或“增大”);在間距由r2減小到r1的過程中,勢能__________(選填“減小”“不變”或“增大”);在間距等于r1處,勢能__________(選填“大于”“等于”或“小于”)零。

【解析】從距O點很遠處向O點運動,兩分子間距減小到r2的過程中,分子間體現引力,引力做正功,分子勢能減小;由r2減小到r1的過程中,分子間仍舊體現引力,引力做正功,分子勢能減小;在間距等于r1之前,分子勢能始終減小,取無窮遠處分子間勢能為零,則在r1處分子勢能小于零。答案:減小減小小于【誤區(qū)警示】分子力做功與分子勢能變更關系的理解(1)分子力做功是分子勢能變更的唯一緣由。(2)勢能的大小與物體間距離的關系有一個共同的規(guī)律:不論是重力勢能、彈性勢能、電勢能、還是分子勢能,當它們之間的距離發(fā)生變更時,它們之間的相互作用力假如是做正功,勢能都要減小;假如是做負功,勢能都要增大。(3)分子勢能最小與分子勢能為零絕不是一回事,分子勢能的正、負代表大小,如Ep=-10J小于Ep=5J。【素養(yǎng)訓練】1.(多選)如圖所示,甲分子固定在坐標原點O,乙分子沿x軸運動,兩分子間的分子勢能Ep與兩分子間距離的變更關系如圖中曲線所示,圖中分子勢能的最小值為-E0。若兩分子所具有的總能量為0,則下列說法中正確的是 ()A.乙分子在P點(x=x2)時,其動能為E0B.乙分子在P點(x=x2)時,加速度最大C.乙分子在Q點(x=x1)時,處于平衡狀態(tài)D.乙分子的運動范圍為x≥x1【解析】選A、D。兩分子所具有的總能量為0,乙分子在P點時,分子勢能為-E0,故分子動能為E0,故A正確;乙分子在P點時,分子力為零,故加速度為零、最小,故B錯誤;乙分子在Q點時分子勢能為零,但此時受分子力不為零,故不是平衡狀態(tài),故C錯誤;當乙分子運動至Q點(x=x1)時,其分子勢能為零,故其分子動能也為零,分子間距最小,而后向分子間距變大的方向運動,故乙分子的運動范圍為x≥x1,故D正確。2.關于物體的溫度與分子動能的關系,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.物體溫度上升時,每個分子的動能都增大C.物體溫度上升時,速率小的分子數目削減,速率大的分子數目增多D.物體的運動速度越大,則物體的溫度越高【解析】選C。某種物體溫度是0℃,物體中分子的平均動能并不為零,A項錯誤;因為分子在永不停息地運動,從微觀上講,分子運動快慢是有差別的,各個分子運動的快慢無法跟蹤測量,而溫度的概念是建立在統(tǒng)計規(guī)律的基礎上的,在肯定溫度下,分子速率大小按肯定的統(tǒng)計規(guī)律分布,當溫度上升時,說明分子運動激烈,分子平均動能增大,速率小的分子數目減小,速率大的分子數目增多,但并不是全部分子的動能都增大,故B錯誤,C正確;物體的運動速度越大,說明物體的動能越大,這并不能代表物體內部分子的熱運動越猛烈,則物體的溫度不肯定高,選項D錯誤?！狙a償訓練】(多選)關于分子勢能與分子間距離之間的關系,下列推斷正確的是 ()A.當r<r0時,r越小,則分子勢能Ep越大B.當r>r0時,r越小,則分子勢能Ep越大C.當r=r0時,分子勢能Ep最小D.當r→∞時,分子勢能Ep最小【解析】選A、C。當r<r0時,分子力表現為斥力,r減小時,分子力做負功,分子勢能增大,A正確;當r>r0時,分子力表現為引力,r減小時分子力做正功,分子勢能減小,B錯誤;當r=r0時,分子力減小為零,分子勢能也減小到最小,C正確;當r→∞時,分子力做負功,分子勢能漸漸增大,D錯誤。二內能和機械能的區(qū)分和聯系1.內能是對大量分子而言的,對單個分子來說無意義。2.物體內能的確定因素:(1)從宏觀上看,物體內能的大小由物體的質量、溫度和體積三個因素確定。(2)從微觀上看,物體內能的大小由組成物體的分子總數、分子熱運動的平均動能和分子間的距離三個因素確定。3.內能與機械能的區(qū)分和聯系:內能機械能對應的運動形式微觀分子熱運動宏觀物體機械運動能量常見的形式分子動能、分子勢能物體的動能、重力勢能或彈性勢能能量的確定因素由物體內大量分子的無規(guī)則熱運動和分子間相對位置確定由物體做機械運動、與地球相對位置或物體形變確定影響因素物質的量、物體的溫度和體積物體做機械運動的速度、離地高度(或相對于零勢能面的高度)或彈性形變是否為零恒久不能等于零肯定條件下可以等于零聯系在肯定條件下可以相互轉化【思索·探討】一架飛機在空中以某一速度飛行,由于飛機中全部分子都具有飛機的速度,所以分子具有動能,又由于飛機在空中,飛機中全部分子都離地面有肯定高度,以地面為零勢能面,所以分子具有勢能,上述動能和勢能的總和就是飛機的內能,當飛機停在地上時,飛機的內能為零,以上說法是否正確?為什么?提示:不正確,飛機的內能不是飛機的機械能,它是飛機中全部分子做無規(guī)則熱運動和由于分子之間的相互作用而具有的勢能的總和,與飛機的高度和飛機速度無關?！镜淅痉丁筷P于物體的內能,下列說法中正確的是 ()A.相同質量的兩種物質,上升相同的溫度,內能增量肯定相同B.肯定質量0℃的水結成0℃的冰,內能肯定減小C.靜止的物體內能肯定為零D.相同質量的兩個同種物體,運動物體的內能肯定大于靜止物體的內能【解析】選B。質量相同的兩種物質,上升相同的溫度時,分子總數和體積變更狀況不肯定相同,故選項A錯;水結成冰要對外放熱,因此0℃的水結成0℃的冰,水的內能肯定大于冰的內能,選項B正確;內能是物體全部分子動能和勢能的總和,沒有內能為零的物體存在,故C錯誤;內能和機械能無關,是兩個不相干的量,選項D錯?！菊`區(qū)警示】內能和機械能與運動狀態(tài)的關系(1)影響物體內能的因素有溫度、體積和物質的量。(2)物體的內能跟物體的機械運動狀態(tài)無關。(3)探討熱現象時,一般不考慮機械能,但在機械運動中有摩擦時,存在內能與機械能的相互轉化,這時要考慮機械能?！舅仞B(yǎng)訓練】1.(多選)下列說法正確的是 ()A.分子的動能與分子的勢能的和叫作這個分子的內能B.物體的分子勢能由物體的溫度和體積確定C.物體的速度增大時,物體的內能可能減小D.物體做減速運動時,其溫度可能增加【解析】選C、D。內能是物體中全部分子熱運動平均動能與分子勢能的總和,A錯誤;宏觀上,物體的分子勢能與物體的體積有關,與物體的溫度無關,B錯誤;物體的內能與其速度無關,所以物體的速度增大,內能可能增大,也可能減小,速度減小,其溫度可能上升,也可能降低,C、D正確。2.(多選)下列說法正確的是 ()A.橡皮筋被拉伸時,分子間勢能增加B.1kg0℃的水內能比1kg0℃的冰內能大C.靜止的物體其分子的平均動能為零D.A、B兩物體溫度相同,內能可能不同,分子的平均動能也可能不同【解析】選A、B。橡皮筋被拉伸時,要克服分子力做功,故其分子勢能增加,A正確;1kg0℃的水變成0℃的冰要放出熱量,故1kg0℃的水內能大,B正確;靜止的物體動能為零,但分子在永不停息地運動,其平均動能不為零,同理被舉高的物體,勢能增加,但其體積不變,分子勢能不變,故C錯;溫度是分子熱運動的平均動能的標記,不同物體,溫度相同,分子的平均動能相同,故D錯?！就卣估}】考查內容:內能和機械能的關系與轉化【典例】關于內能和機械能的關系與轉化,以下說法正確的是 ()A.機械能是內能的宏觀反映B.內能是機械能的微觀表現C.在肯定條件下內能和機械能可以相互轉化D.機械能可以轉化為內能,但內能不能轉化為機械能【解析】選C。機械能是宏觀物體的做功本事的反映,是由于宏觀物體的運動以及相互作用而存在的能量,內能是組成宏觀物體的微觀粒子由于運動和相互作用而具有的能量,它們沒有A、B選項描述的這種聯系;機械能通過摩擦或做功可以轉化為內能,內能也可以通過熱機轉化為機械能,C正確,D錯誤?！菊n堂回眸】課堂檢測·素養(yǎng)達標1.關于溫度的概念,下列說法中正確的是 ()A.溫度是分子平均動能的標記,物體的溫度高,則分子的平均動能大B.溫度是分子平均動能的標記,溫度上升,則物體的每一個分子的動能都增大C.某物體當其內能增大時,則該物體的溫度肯定上升D.甲物體的溫度比乙物體高,則甲物體分子的平均速率比乙物體分子的平均速率大【解析】選A。溫度是分子平均動能的標記,溫度上升,分子的平均動能增大,但有些分子的動能可能減小,A正確,B錯誤;內能增大,溫度不肯定上升,因為增加內能可以只通過變更分子勢能,C錯誤;不同種類的分子,分子質量不肯定相等,因此無法比較分子的平均速率大小,D錯誤。2.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變更關系的圖線是 ()【解析】選B。當r=r0時引力與斥力的合力為零,即分子力為零,A、D兩項錯誤;當分子間的距離趨于r0時,分子力做正功,分子勢能削減,r=r0時分子勢能最小,B項正確,C項錯誤。3.下列關于溫度、內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,其內能也不變【解析】選C。物體的內能是一個狀態(tài)量,