第4節(jié) 分子動(dòng)能和分子勢(shì)能

第4節(jié)分子動(dòng)能和分子勢(shì)能核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念(1)知道溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。(2)知道什么是分子勢(shì)能，知道分子勢(shì)能與分子間距離有關(guān)。(3)知道什么是內(nèi)能，了解內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別?？茖W(xué)思維(1)理解分子力做功的特點(diǎn)。(2)理解物體的內(nèi)能與哪些宏觀量有關(guān)?？茖W(xué)探究探究分子力做功與分子勢(shì)能變化的關(guān)系。一、分子動(dòng)能1．填一填(1)定義由于分子不停地做

而具有的能。(2)分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的

。(3)溫度的微觀意義溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的

的標(biāo)志。無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)平均值平均動(dòng)能2．判一判(1)某物體的溫度是0℃，說(shuō)明物體中分子的平均動(dòng)能為零。

(

)(2)溫度升高時(shí)，物體內(nèi)每個(gè)分子的動(dòng)能都增加。

(

)(3)溫度升高時(shí)，物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能增加。

(

)3．想一想在熱現(xiàn)象的研究中，為什么研究單個(gè)分子的動(dòng)能沒(méi)有意義，而是要研究所有分子的動(dòng)能的平均值？提示：物體內(nèi)分子是大量的，各個(gè)分子的速度大小不同，因此，每個(gè)分子的動(dòng)能大小不同，并且還在不斷地改變。由于熱現(xiàn)象是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，因此研究單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能沒(méi)有意義，而是要研究大量分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。××√二、分子勢(shì)能1．填一填(1)分子力做功的特點(diǎn)：分子間的作用力所做的功與路徑

，分子組成的系統(tǒng)具有分子勢(shì)能。(2)分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系規(guī)定兩分子相距無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，分子勢(shì)能為零。①r>r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，r減小，分子力做

，分子勢(shì)能減小。②r＝r0時(shí)，分子力為零，分子勢(shì)能最小。③r<r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，r減小，分子力做

，分子勢(shì)能增大。無(wú)關(guān)正功負(fù)功(3)分子勢(shì)能的決定因素①宏觀上：分子勢(shì)能的大小與物體的

有關(guān)。②微觀上：分子勢(shì)能的大小與分子之間的

有關(guān)。2．判一判(1)兩分子間距為r0時(shí)分子勢(shì)能最小。

(

)(2)分子勢(shì)能隨分子間距離的增大而減小。

(

)(3)分子勢(shì)能可以為正值、負(fù)值、零。

(

)體積距離√×√3．選一選(多選)兩分子間的距離為r0時(shí)，其合力為零，下圖中能正確反映分子勢(shì)能Ep與分子間的距離r變化關(guān)系的是 (

)解析：當(dāng)分子間距離小于平衡距離r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為斥力，隨著分子間距離增大，分子力做正功，分子勢(shì)能減?。划?dāng)分子間距離等于平衡距離r0時(shí)，分子力為零，分子勢(shì)能最小；當(dāng)分子間距離大于平衡距離r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力，隨著分子間距離增大，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大，分子勢(shì)能具有相對(duì)性，其大小與零參考面的選取有關(guān)，故選項(xiàng)A、C正確，B、D錯(cuò)誤。答案：AC三、物體的內(nèi)能1．填一填(1)定義物體中所有分子的

與

的總和。(2)決定因素物體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、

、

共同決定。(3)任何物體都具有

。熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能分子勢(shì)能溫度體積內(nèi)能2．判一判(1)溫度越高的物體，內(nèi)能越大。

(

)(2)物體運(yùn)動(dòng)速度越大，內(nèi)能越大。

(

)(3)物體體積增大時(shí)，內(nèi)能不一定增大。

(

)3．想一想如果物體運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越快，則物體分子的平均動(dòng)能越來(lái)越大，對(duì)嗎？提示：不對(duì)。物體的速度變大，是指其機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度變大，即其機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能變大，而分子的平均動(dòng)能是指分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，只與溫度有關(guān)，與物體的宏觀運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)?！痢獭撂骄?一)對(duì)分子動(dòng)能的理解[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]

我們知道熱現(xiàn)象是大量分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，熱現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程中，也有相應(yīng)的能量變化，那么，熱運(yùn)動(dòng)的能量與大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系呢？提示：物體內(nèi)大量分子永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)于每個(gè)分子來(lái)說(shuō)都有無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，熱運(yùn)動(dòng)的能量是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量總和。[重難釋解]1．單個(gè)分子的動(dòng)能(1)物體由大量分子組成，每個(gè)分子都有分子動(dòng)能且不為零。(2)分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，每個(gè)分子的動(dòng)能大小不同，并且時(shí)刻在變化。(3)熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，個(gè)別分子的動(dòng)能沒(méi)有實(shí)際意義。2．分子的平均動(dòng)能(1)溫度是大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，具有統(tǒng)計(jì)意義，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，個(gè)別分子的動(dòng)能也可能減小，但總體上所有分子的動(dòng)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(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能相同，但由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不盡相同，它們的分子的平均速率大小一般不相同。3．分子的總動(dòng)能分子的總動(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)。關(guān)于物體的溫度與分子動(dòng)能的關(guān)系，正確的說(shuō)法是

(

)A．某物體的溫度是0℃，說(shuō)明物體中分子的平均動(dòng)能為零B．物體溫度升高時(shí)，每個(gè)分子的動(dòng)能都增大C．物體溫度升高時(shí)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(yùn)動(dòng)速度越大，則物體的溫度越高[解析]

某物體溫度是0℃，物體中分子的平均動(dòng)能并不為零，因?yàn)榉肿釉谟啦煌Ｏ⒌刈鰺o(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。從微觀上講，分子運(yùn)動(dòng)快慢是有差別的，各個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的快慢無(wú)法跟蹤測(cè)量，而溫度的概念是建立在統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上的，在一定溫度下，分子速率大小按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)加劇，平均動(dòng)能增大，但并不是所有分子的動(dòng)能都增大。物體的運(yùn)動(dòng)速度越大，物體的動(dòng)能越大，這并不能代表物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)加快，所以物體的溫度不一定高，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。[答案]

C(1)溫度是分子平均動(dòng)能的唯一標(biāo)志，但不要誤認(rèn)為0℃的物體中分子的平均動(dòng)能也為零。(2)正確區(qū)分物體內(nèi)分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速度和物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度。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，A錯(cuò)誤，B正確；分子的平均動(dòng)能等于物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能之和與分子總數(shù)的比值，而不是用平均速率計(jì)算，C錯(cuò)誤，D正確。答案：BD

解析：冰水混合物溫度為0℃，冰、水溫度相同，二者分子平均動(dòng)能相同，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；相同溫度的冰和水內(nèi)個(gè)別分子的動(dòng)能是隨時(shí)變化的，比較個(gè)別分子的動(dòng)能沒(méi)意義，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。答案：B3．有甲、乙兩種不同氣體，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(gè)分子運(yùn)動(dòng)都比乙氣體的分子運(yùn)動(dòng)得快解析：氣體溫度是氣體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，而分子的平均動(dòng)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，它們的分子質(zhì)量無(wú)法比較，因而無(wú)法比較兩種氣體溫度的高低，A、B錯(cuò)誤，C正確；速率的平均值大，每個(gè)分子運(yùn)動(dòng)得并不一定都快，D錯(cuò)誤。答案：C探究(二)對(duì)分子勢(shì)能的理解

[重難釋解]1．分子勢(shì)能的特點(diǎn)由分子間相對(duì)位置決定，隨分子間距離的變化而變化。2．分子勢(shì)能與分子力做功的關(guān)系分子力做正功分子勢(shì)能減小，分子力做負(fù)功分子勢(shì)能增大。取分子間距離無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零值，一般認(rèn)為兩分子間距離r>10r0時(shí)，分子勢(shì)能為零。4．影響分子勢(shì)能的因素(1)宏觀上：分子勢(shì)能的大小與體積有關(guān)(但是不能說(shuō)體積越大分子勢(shì)能越大)。(2)微觀上：分子勢(shì)能與分子之間的距離有關(guān)。[思考探究](1)當(dāng)兩分子距離為平衡距離r0時(shí)，分子力F＝0，此時(shí)分子勢(shì)能一定為零嗎？提示：不一定，當(dāng)兩分子從距離大于r0處逐漸靠近過(guò)程中分子力先做正功，后做負(fù)功，分子勢(shì)能先減小后增大，相距r0時(shí)分子勢(shì)能最小，由于沒(méi)有規(guī)定零勢(shì)能面，所以此時(shí)分子勢(shì)能不一定為零。(2)分子勢(shì)能與體積有關(guān)，能否說(shuō)物體體積越大，分子勢(shì)能就越大？提示：不能，由于物體分子間距變化的宏觀表現(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。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。[解析]

若一分子固定于原點(diǎn)O，另一分子從距O點(diǎn)很遠(yuǎn)處向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，在兩分子間距減小到r2的過(guò)程中，分子力做正功，勢(shì)能減小；在間距由r2減小到r1的過(guò)程中，分子力仍做正功，勢(shì)能減?。辉陂g距為r1處，勢(shì)能小于零。[答案]

減小減小小于(1)分子在平衡位置時(shí)，分子勢(shì)能最小，分子力為零，分子的加速度為零。(2)可根據(jù)分子力做功或分子動(dòng)能和勢(shì)能之和不變來(lái)分析分子勢(shì)能的變化。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．由于兩個(gè)分子間的距離變化而使得分子勢(shì)能變小，可確定在這一過(guò)程中

(

)A．兩分子間的相互作用力一定表現(xiàn)為引力B．一定克服分子間的相互作用力做功C．兩分子間距離一定增大D．兩分子間的相互作用力可能增大解析：由分子力做功與分子勢(shì)能變化關(guān)系可知，分子力做正功時(shí)，分子勢(shì)能減小，有兩種可能性：一是r<r0，分子力表現(xiàn)為斥力，且分子間距離增大兩分子間的相互作用力減??；二是r>r0，分子力表現(xiàn)為引力，且分子間距離減小兩分子間的相互作用力可能增大，也可能減小。綜上分析可知，A、B、C錯(cuò)誤，D正確。答案：D2．在兩個(gè)分子間的距離由r0(平衡位置)變?yōu)?0r0的過(guò)程中，關(guān)于分子間的作用力F和分子間的勢(shì)能Ep的說(shuō)法中，正確的是 (

)A．F不斷減小，Ep不斷減小B．F先增大后減小，Ep不斷增大C．F不斷增大，Ep先減小后增大D．F、Ep都是先減小后增大解析：分子間距r＝r0時(shí)，分子力F＝0；隨r的增大，分子力表現(xiàn)為引力，F(xiàn)≠0；當(dāng)r＝10r0時(shí)，F(xiàn)＝0，所以F先增大后減小。在分子間的距離由r0至10r0的過(guò)程中，始終克服分子引力做功，所以分子勢(shì)能一直增大，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

解析：當(dāng)r＝r0時(shí)引力與斥力的合力為零，即分子力為零，A、D錯(cuò)；當(dāng)分子間的距離大于或小于r0時(shí)，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，r＝r0時(shí)分子勢(shì)能最小，B對(duì)，C錯(cuò)。答案：B探究(三)對(duì)物體的內(nèi)能的理解[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]一架飛機(jī)在空中以某一速度飛行，由于飛機(jī)中所有分子都具有飛機(jī)的速度，所以分子具有動(dòng)能，又由于飛機(jī)在空中，飛機(jī)中所有分子都離地面有一定高度，以地面為零勢(shì)能面，所以分子具有勢(shì)能，上述動(dòng)能和勢(shì)能的總和就是飛機(jī)的內(nèi)能，當(dāng)飛機(jī)停在地上時(shí)，飛機(jī)的內(nèi)能為零，以上說(shuō)法是否正確？為什么？提示：不正確，飛機(jī)的內(nèi)能不是飛機(jī)的機(jī)械能，它是飛機(jī)中所有分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子動(dòng)能和由于分子之間的相互作用而具有的分子勢(shì)能的總和，與飛機(jī)的高度和飛機(jī)速度無(wú)關(guān)。[重難釋解]1．對(duì)物體的內(nèi)能的理解(1)內(nèi)能的特點(diǎn)①內(nèi)能是物體具有的，不是某個(gè)分子具有的，討論某個(gè)分子的內(nèi)能毫無(wú)意義。②任何物體的分子都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，分子間都有相互作用，所以任何物體都有內(nèi)能，或者說(shuō)任何物體的內(nèi)能都不為零。③物體內(nèi)能與物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shì)能、分子的平均動(dòng)能、分子的個(gè)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(jī)械能的比較

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)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)能能量存在原因由物體內(nèi)大量分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和分子間相對(duì)位置決定由物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體與地球的相對(duì)位置或形變決定影響因素物質(zhì)的量、物體的溫度和體積及物態(tài)物體的機(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)能越大C．一定質(zhì)量的0℃的水結(jié)成0℃的冰，內(nèi)能一定減少D．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]

內(nèi)能是指組成物體的所有分子的熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和，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0℃的冰，放出熱量，使得內(nèi)能減小，故選項(xiàng)C正確。[答案]

C對(duì)物體的內(nèi)能的分析技巧(1)物體的內(nèi)能與溫度、體積有關(guān)，但由溫度、體積無(wú)法確定物體的內(nèi)能是多大，只能判定內(nèi)能是否變化。(2)溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，故溫度相同，分子平均動(dòng)能一定相同。(3)分子勢(shì)能的大小與體積有關(guān)，溫度相同、體積相等的物體，內(nèi)能也不一定相等。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．下列說(shuō)法正確的是

(

)A．分子的動(dòng)能與分子的勢(shì)能之和叫作這個(gè)分子的內(nèi)能B．物體的分子勢(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)能增加D．物體的動(dòng)能減少時(shí)，物體的溫度可能增加解析：內(nèi)能是對(duì)物體內(nèi)所有分子而言的，單個(gè)分子的內(nèi)能無(wú)意義，A錯(cuò)誤；物