新教材適用2024-2025學(xué)年高中物理第1章分子動理論4.分子動能和分子勢能學(xué)案新人教版選擇性必修第三冊

4．分子動能和分子勢能課程標(biāo)準(zhǔn)1．知道溫度是分子平均動能的標(biāo)記。2．知道什么是分子勢能，知道分子勢能與分子間距離有關(guān)。3．知道什么是內(nèi)能，知道物體的內(nèi)能與溫度和體積有關(guān)。4．能夠區(qū)分內(nèi)能和機械能。素養(yǎng)目標(biāo)1．了解溫度是分子熱運動平均動能的標(biāo)記，是微觀粒子熱運動的宏觀表現(xiàn)。2．了解什么是分子勢能，了解分子勢能與分子間的距離、分子力做功的關(guān)系。3．知道什么是物體的內(nèi)能，知道物體的內(nèi)能跟物體的溫度和體積有關(guān)。4．了解內(nèi)能和機械能的區(qū)分。學(xué)問點1分子動能1．分子動能做_熱運動__的分子也具有動能，這就是分子動能。2．分子的平均動能熱現(xiàn)象探討的是大量分子運動的整體表現(xiàn)，重要的不是系統(tǒng)中某個分子的動能大小，而是全部分子的動能的平均值，叫作分子熱運動的_平均動能__。3．溫度的微觀說明溫度是物體分子熱運動_平均動能__的標(biāo)記。說明：溫度相同，分子平均動能相等，而不同種類的分子平均速率不相等?！号幸慌小?1)物體的溫度上升時，物體每個分子的動能都增大。(×)(2)分子平均動能是物體全部分子動能的平均值；分子平均速率可由eq\x\to(E)k＝eq\f(1,2)meq\x\to(v)2求得。(×)『想一想』(1)物體的溫度上升時，物體每個分子的動能都增大嗎？提示：溫度是分子平均動能的標(biāo)記，不是某個分子動能大小的標(biāo)記。物體溫度上升時，物體每個分子的動能不肯定都增大，但物體分子的平均動能會增大。學(xué)問點2分子勢能1．定義：分子間存在相互作用力，可以證明分子間的作用力所做的功與路徑_無關(guān)__，分子組成的系統(tǒng)具有_分子勢能__。2．確定因素(1)宏觀上：分子勢能的大小與物體的_體積__有關(guān)。(2)微觀上：分子勢能與分子間的_距離__有關(guān)。3．分子勢能與分子間距離的關(guān)系(1)當(dāng)r>r0時，分子力表現(xiàn)為_引力__，若r增大，需克服引力做功，分子勢能_增加__。(2)當(dāng)r<r0時，分子力表現(xiàn)為_斥力__，若r減小，需克服斥力做功，分子勢能_增加__。(3)當(dāng)r＝r0時，分子力為零，分子勢能_最小__?！号幸慌小?3)當(dāng)分子力做正功時，分子勢能肯定減小。(√)(4)分子勢能可以為正值、負(fù)值、零。(√)(5)當(dāng)分子間距離為r<r0時，分子力為斥力，這時減小分子間的距離，分子勢能增大。(√)『想一想』(2)分子勢能和重力勢能一樣是有正值、負(fù)值和0嗎？提示：分子勢能也是相對的，取決于你所選取的參考位置。一般取無窮遠(yuǎn)處的勢能為0，所以分子勢能有0、正值和負(fù)值。學(xué)問點3物體的內(nèi)能1．定義：物體中全部分子的_熱運動動能__與_分子勢能__的總和。2．內(nèi)能的普遍性：組成任何物體的分子都在做_無規(guī)則的熱運動__，所以任何物體都具有內(nèi)能。3．確定因素(1)物體所含的分子總數(shù)由_物質(zhì)的量__確定。(2)分子的熱運動平均動能由_溫度__確定。(3)分子勢能與物體的_體積__有關(guān)，故物體的內(nèi)能由_物質(zhì)的量__、_溫度__、_體積__共同確定，同時受物態(tài)變更的影響。留意：物體的內(nèi)能與機械能無關(guān)。『判一判』(6)一個分子的動能和分子勢能的總和叫作該分子的內(nèi)能。(×)(7)物體的溫度和體積變更時，內(nèi)能一般會發(fā)生變更。(√)『選一選』(多選)一杯水和一個鋼球，它們的質(zhì)量和溫度都相等，則(BD)A．它們的內(nèi)能肯定相等B．它們的分子平均動能肯定相等C．它們的分子平均速率肯定相等D．把鋼球投入水中，它們的內(nèi)能不變解析：溫度相同，則分子平均動能肯定相同，B項正確；由于組成物體的分子的分子質(zhì)量不同，因此分子的平均速率不同，C項錯誤；相同質(zhì)量的水和鋼球含有的分子數(shù)不同，因此內(nèi)能不相等，A項錯誤；把鋼球投入水中二者溫度和內(nèi)能都沒有變更，D項正確?！合胍幌搿?3)物體運動得越快，其內(nèi)能就越大嗎？靜止在地面上的物體，內(nèi)能為0嗎？提示：物體運動得越快，物體動能越大，但這個動能與內(nèi)能無關(guān)，故其內(nèi)能不肯定越大。靜止在地面上的物體，假如以地面作為零勢能面，那么這個物體的機械能為0，但這個物體里的分子卻始終處在永不停息的熱運動中，物體的內(nèi)能不為0。探究分子動能要|點|提|煉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，每個分子動能大小不同并且時刻在變更。(3)熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運動的統(tǒng)計規(guī)律，對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。溫度上升，分子平均動能增大，但不是每一個分子的動能都增大。個別分子動能可能增大也可能減小，個別分子甚至幾萬個分子熱運動的動能大小不受溫度影響，但總體上全部分子的動能之和肯定是增加的。(2)只要溫度相同，任何物質(zhì)分子的平均動能都相同。由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不肯定相同，所以同一溫度下，不同物質(zhì)分子運動的平均速率大小一般不相同。典|例|剖|析典例1關(guān)于物體的溫度與分子動能的關(guān)系，正確的說法是(C)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．物體溫度上升時速率小的分子數(shù)目削減，速率大的分子數(shù)目增多D．物體的運動速度越大，則物體的溫度越高解題指導(dǎo)：由于分子處在永不停息的無規(guī)則運動中，分子的平均動能恒久不會為零，溫度取決于分子熱運動的猛烈程度，與物體宏觀有序的運動速度大小無關(guān)。解析：溫度是分子平均動能的標(biāo)記。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；物體溫度上升時，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)目削減，速率大的分子數(shù)目增多，C項正確；物體的運動速度增大，宏觀機械能(動能)增大，但物體內(nèi)分子的熱運動不肯定加劇，溫度不肯定上升，D錯。對點訓(xùn)練?(多選)當(dāng)氫氣和氧氣溫度相同時，下列說法正確的是(AB)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(biāo)記，故選項A正確；因為氫氣和氧氣的分子質(zhì)量不同，平均動能相等，所以兩種氣體分子的平均速率不同，由Ek＝eq\f(mv2,2)可得，分子質(zhì)量大的平均速率小，故選項B正確，D錯誤；雖然兩種氣體分子平均動能相等，但由于兩種氣體的總質(zhì)量不清晰，即分子數(shù)目關(guān)系不清晰，故選項C錯誤。探究分子勢能要|點|提|煉1.分子勢能的變更規(guī)律及推斷依據(jù)分子力做正功，分子勢能削減，分子力做了多少正功，分子勢能就削減多少；分子力做負(fù)功，分子勢能增加，克服分子力做了多少功，分子勢能就增加多少。(1)r>r0時，r增大，分子勢能增加，反之，削減。(2)r<r0時，r增大，分子勢能削減，反之，增加。(3)r→∞時，分子勢能為零；r＝r0時，分子勢能最小。2．分子勢能的“彈簧—小球”模型分子勢能隨分子間距離的變更類似于彈簧—小球模型，彈簧的原長相當(dāng)于分子間的距離r0。彈簧在原長的基礎(chǔ)上無論拉伸還是壓縮，勢能都會增加。3．分子勢能曲線分子勢能曲線如圖所示，規(guī)定無窮遠(yuǎn)處分子勢能為零。分子間距離從無窮遠(yuǎn)漸漸減小至r0的過程，分子間的合力為引力，合力做正功，分子勢能不斷減小，其數(shù)值將比零還小，為負(fù)值。當(dāng)分子間距離到達(dá)r0以后再接著減小，分子作用的合力為斥力，在分子間距離減小過程中，合力做負(fù)功，分子勢能增大，其數(shù)值將從負(fù)值漸漸變大至零，甚至為正值，故r＝r0時分子勢能最小。從曲線上可看出：(1)在r<r0處，曲線比較陡，這是因為分子間的斥力隨分子間距的減小而增加得快，分子勢能的增加也就快。(2)在r>r0處，曲線比較緩，這是因為分子間的引力隨分子間距的增大而變更得慢，分子勢能的增加也就變慢。(3)在r＝r0處，分子勢能最小，但不肯定為零。一般取無窮遠(yuǎn)處分子勢能為零，則分子勢能最小位置是在r＝r0處，且為負(fù)值，故分子勢能最小與分子勢能為零絕不是一回事。4．分子勢能與體積的關(guān)系由于物體分子間距離變更的宏觀表現(xiàn)為物體的體積變更，所以微觀的分子勢能變更對應(yīng)于宏觀的物體體積變更。例如，同樣是物體體積增大，有時體現(xiàn)為分子勢能增加(在r>r0范圍內(nèi))；有時體現(xiàn)為分子勢能削減(在r<r0范圍內(nèi))；一般我們說，物體體積變更了，其對應(yīng)的分子勢能也變更了。但分析與判定的關(guān)鍵要看體積變更過程中分子力是做正功，還是做負(fù)功。典|例|剖|析典例2(多選)關(guān)于分子勢能，下列說法正確的是(AC)A．分子間作用力表現(xiàn)為斥力時，分子間距離越小，分子勢能越大B．分子間作用力表現(xiàn)為引力時，分子間距離越小，分子勢能越大C．分子勢能隨物體的體積變更而變更D．物體熱脹冷縮時，分子的平均動能變更，分子勢能不變解析：當(dāng)分子間作用力表現(xiàn)為斥力時，分子間距離越小，分子勢能越大，選項A正確；當(dāng)分子間作用力表現(xiàn)為引力時，分子間距離減小，引力做正功，分子勢能減小，因此分子間距離越小，分子勢能越小，選項B錯誤；當(dāng)物體的體積發(fā)生變更時，分子間距離便發(fā)生變更，則分子勢能隨之發(fā)生變更，分子勢能是隨物體的體積變更而變更的，選項C正確；物體熱脹冷縮時，其溫度發(fā)生變更，分子的平均動能變更，同時物體的體積發(fā)生變更，則分子勢能也會變更，選項D錯誤。對點訓(xùn)練?(2024·清華高校附屬中學(xué)期末)分子勢能的大小是由分子間的相對位置確定的。分子勢能EP與分子間距離r的關(guān)系如圖所示，r0為分子間的平衡位置。下列說法正確的是(A)A．當(dāng)r＝r0時，分子勢能最小B．當(dāng)r＝r1時，分子勢能最小C．當(dāng)r＝r0時，分子力最大D．當(dāng)r＝r1時，分子力為0解析：依據(jù)題圖可知，當(dāng)r＝r0時，分子勢能最小，當(dāng)r＝r1時，分子勢能為零，不是最小，故選項A正確，B錯誤；當(dāng)r＝r0時，分子勢能最小，分子間的引力等于斥力，分子間作用力為零，選項C錯誤；當(dāng)r＝r1<r0時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，不等于零，選項D錯誤。探究物體的內(nèi)能要|點|提|煉1.內(nèi)能與機械能的區(qū)分和聯(lián)系項目內(nèi)能機械能對應(yīng)的運動形式微觀分子熱運動宏觀物體的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的緣由物體內(nèi)大量分子的熱運動和分子間存在相互作用力由于物體做機械運動和物體發(fā)生彈性形變或被舉高影響因素物質(zhì)的量、物體的溫度和體積物體的機械運動的速度、離地高度(或相對于參考平面的高度)或彈性形變量能否為零恒久不能等于零肯定條件下可以等于零聯(lián)系在肯定條件下可以相互轉(zhuǎn)化2.物態(tài)變更對內(nèi)能的影響一些物質(zhì)在物態(tài)發(fā)生變更時，例如冰的熔化、水在沸騰時變?yōu)樗魵猓瑴囟炔蛔?，此過程中分子的平均動能不變，由于分子間的距離變更，分子勢能變更，所以物體的內(nèi)能變更。(1)熱能是內(nèi)能通俗而不準(zhǔn)確的說法，熱量是物體在熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少。(2)物體的內(nèi)能增加，溫度不肯定上升，物體的內(nèi)能削減，溫度不肯定降低，溫度不變，內(nèi)能可能變更。典|例|剖|析典例3(多選)關(guān)于物體的內(nèi)能，下列說法正確的是(BD)A．相同質(zhì)量的兩種不同物質(zhì)，上升相同的溫度，內(nèi)能的增量肯定相同B．物體的內(nèi)能變更時溫度不肯定變更C．內(nèi)能與物體的溫度有關(guān)，所以0℃的物體內(nèi)能為零D．分子數(shù)和溫度相同的物體不肯定具有相同的內(nèi)能解析：相同質(zhì)量的兩種不同物質(zhì)的物質(zhì)的量可能不同，進(jìn)而可知分子數(shù)可能不同，故上升相同的溫度時(分子平均動能的變更量相同)，其分子總動能的變更量不肯定相同，且不知道分子勢能如何變更，故其內(nèi)能的增量可能不相同，選項A錯誤；物體內(nèi)能變更時，可能是分子勢能變更，因此溫度不肯定變更，選項B正確；分子永不停息地做無規(guī)則運動，故物體的內(nèi)能不行能為零，選項C錯誤；物體的內(nèi)能與分子數(shù)、溫度和體積等有關(guān)，分子數(shù)和溫度相同，體積不同的物體，內(nèi)能可能不同，選項D正確。對點訓(xùn)練?以下說法正確的是(C)A．不同的物體，若溫度相同，則內(nèi)能也相同B．物體速度增大，則分子動能增大，內(nèi)能也增大C．機械能和內(nèi)能可以相互轉(zhuǎn)化D．靜止在地面上的物體，機械能和內(nèi)能均為零解析：物體的內(nèi)能與物體的溫度、體積以及物質(zhì)的量有關(guān)，不同的物體，若溫度相同，內(nèi)能不肯定相同，選項A錯誤；物體的動能與組成物體的分子的動能無必定聯(lián)系，物體速度增大，動能增大，但分子動能不肯定增大，內(nèi)能也不肯定增大，選項B錯誤；機械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以轉(zhuǎn)化為機械能，選項C正確；物體的內(nèi)能恒久不為零，靜止在地面上的物體，機械能也不肯定為零，選項D錯誤。比較物體內(nèi)能的大小和推斷物體內(nèi)能變更的方法詳細(xì)比較和推斷時，必需抓住物體內(nèi)能的大小與分子數(shù)目有關(guān)、與溫度有關(guān)、與物體的體積及物態(tài)等因素有關(guān)，結(jié)合能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，綜合進(jìn)行分析。(1)當(dāng)物體質(zhì)量m肯定時(相同物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M相等)，物體所含分子數(shù)n就肯定。(2)當(dāng)物體溫度肯定時，物體內(nèi)部分子的平均動能就肯定。(3)當(dāng)物體的體積不變時，物體內(nèi)部分子間的相對位置就不變，分子勢能也不變。(4)當(dāng)物體發(fā)生物態(tài)變更時，要汲取或放出熱量，物體的內(nèi)能也隨之變更。案例甲、乙兩名同學(xué)對0℃的水和0℃的冰進(jìn)行了如下爭辯：甲說：“冰和水的溫度相同，所以分子平均動能相等。質(zhì)量相同時，冰的體積大，因此冰的分子勢能大，所以說冰的內(nèi)能大于水的內(nèi)能?！币艺f：“0℃的水變成0℃的冰須要向外界放出熱量，在質(zhì)量相同的狀況下，水的內(nèi)能大于冰的內(nèi)能?！闭埬阃茢嘁幌录住⒁覂擅瑢W(xué)誰的說法是正確的？解析：甲同學(xué)認(rèn)為冰的體積大，分子勢能大，這是錯誤的說法(冰的體積大的主要緣由在于宏觀的冰晶粒間空隙大)。分子勢能大小與體積有關(guān)，但二者并不肯定成正比。0℃的冰變?yōu)?℃的水需吸熱，故水的內(nèi)能大，它們相同的物理量是分子平均動能，不同的物理量是分子勢能，明顯水的分子勢能大。答案：乙同學(xué)的說法正確。一、分子動能1．下列關(guān)于物體的溫度與分子動能的關(guān)系，正確的說法是(C)A．某物體的溫度是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，分子平均動能增大D．物體的運動速度越大，則物體的溫度越高解析：物體的溫度是0℃，不代表物體中分子的平均動能為零，故A錯誤；溫度從微觀角度反映了大量分子無規(guī)則運動的猛烈程度，溫度上升時，速率小的分子數(shù)目削減，速率大的分子數(shù)目增多，但并不是每個分子的動能都增大，故B錯誤；溫度是分子平均動能的標(biāo)記，物體溫度上升時，分子平均動能增大，故C正確；溫度與物體的宏觀的運動速度無關(guān)，故D錯誤。2．(2024·山東平邑一中高二月考)一杯水含有大量的水分子，若杯中水的溫度上升，則(A)A．水分子的平均動能增大B．只有個別水分子動能增大C．全部水分子的動能都增大D．每個水分子的動能變更量均相同解析：水的溫度上升，即其內(nèi)部的水分子運動變得猛烈，水分子的平均動能變大，這是統(tǒng)計規(guī)律，對個別分子不適用，故A正確，B、C、D錯誤。二、分子勢能3．(多選)用r表示兩個分子間的距離，Ep表示兩個分子間的勢能，當(dāng)r＝r0時，兩個分子間引力等于斥力，設(shè)兩分子間距離很遠(yuǎn)時，Ep＝0，則(ABC)A．當(dāng)r0<r<10r0時，Ep隨r的增大而增大B．當(dāng)r<r0時，Ep隨r的減小而增大C．當(dāng)r＝r0時，Ep最小D．當(dāng)r＝r0時，EP＝0解析：當(dāng)r>r0時，分子力的合力為引力，距離增大時，須要克服分子引力做功，所以分子勢能Ep增大；當(dāng)r<r0時，分子力的合力為斥力，距離r減小時，須要克服分子斥力做功，分子勢能也要增大。由上述分析可知，從r＝r0動身，無論增大距離r還是減小距離r，分子勢能均增大，所以在r＝r0處，分子勢能最小。由于題中已規(guī)定兩分子距離很遠(yuǎn)時，Ep＝0，所以r＝r0處肯定是Ep<0。4．(2024·安徽明光二中高二下期末改編)兩分子間的斥力與引力的合力F與分子間距離r的關(guān)系如圖中曲線所示，曲線與r軸交點的橫坐標(biāo)為r0。相距很遠(yuǎn)的兩分子在分子力作用下，由靜止起先相互接近。若兩分子相距無窮遠(yuǎn)時分子勢能為零，下列說法正確的是(D)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，分子間引力和分子間斥力大小相等解析：r0為分子間的平衡距離，大于平衡距離時，分子間作用力表現(xiàn)為引力，小于平衡距離時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，則有在r>r0階段，分子力表現(xiàn)為引力，相互靠近時F做正功，勢能減小，故A錯誤；當(dāng)r<r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，F(xiàn)做負(fù)功，分子勢能增加，故B錯誤；由以上分析可知，當(dāng)r＝r0時，分子勢能最小，動能最大，又由于兩分子相距無窮遠(yuǎn)時分子勢能為零，則在r＝r0時分子勢能小于零，故C錯誤；當(dāng)r＝r0時，分子力為零，所以分子間引力和分子間斥力大小相等，故D正確。三、物體的內(nèi)能5．下列敘述正確的是(D)A．分子的動能與分