第4节 分子间的相互作用力（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第4节　分子间的相互作用力 核心素养导学 物理观念 (1)知道分子间相互作用力及分子力与分子间距离的关系。 (2)知道分子势能，了解分子势能与分子间距离的关系。 (3)知道内能，了解内能与机械能的区别。 (4)知道分子动理论的基本内容。 科学思维 学会用图像分析分子间作用力与分子势能和分子间距离的关系。 科学探究 通过实验观察分子间的相互作用力。 科学态度与责任 能够用本节学习的知识解释生产和生活中的一些现象。 一、分子间存在相互作用力 1．当用力拉伸物体时，物体内各部分之间要产生反抗拉伸的作用力，此时分子间的作用力表现为______。 2．当用力压缩物体时，物体内各部分之间会产生反抗压缩的作用力，此时分子间的作用力表现为______。 引力 斥力 二、分子间作用力与距离的关系 1．当r<r0时，分子间的作用力F>0，表现为______。 2．当r＝r0时，分子间的作用力F为___，这个位置称为______位置。 3．当r>r0时，分子间的作用力F<0，表现为_____。 斥力 0 平衡 引力 三、内能　分子动理论 1．分子势能 (1)定义：由分子间的相互作用和___________决定的势能。 (2)分子势能的大小是由分子间的相对位置决定的。 2．内能 物体中所有分子的热运动的动能和分子势能的______。 3．分子动理论的基本内容 物体是由__________组成的；分子永不停息地做_______运动；分子间存在着_____________。 相对位置 总和 大量分子 无规则 引力、斥力 1.图中洁净的玻璃板接触水面，要使玻璃板离开水面，拉力F必须大于玻璃板的重力，这说明了什么？ 提示：说明了分子之间存在引力。 2．物体是由大量分子组成的，分子又在永不停息地做无规则运动，那么为什么大量分子能聚在一起形成液体或固体而不散开？ 提示：由于分子间存在引力，引力使分子聚集在一起而不散开。 3．当两分子距离为平衡距离r0时，分子间作用力F＝0，此时分子势能一定为零吗？ 提示：不一定，当两分子从距离大于r0处逐渐靠近过程中分子间作用力先做正功，后做负功，分子势能先减小后增大，相距r0时最小，但不一定为零。 4．从微观上说，分子平均动能的大小与温度有关，而分子势能的大小跟分子间距离有关。判断下列说法正误： (1)物体的体积增大，分子势能一定增大，体积减小，分子势能一定减小。( ) (2)物体运动的速度越快，内能越大。 ( ) (3)某种物体的温度是0 ℃，说明物体中分子的平均动能为零。 ( ) × × × 新知学习(一)|分子力与分子间距离变化的关系 [重点释解] 1．分子力的性质：根据现代分子结构理论，分子由原子组成，原子又是由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子形成的电子云组成的，可见，分子是一个复杂的带电系统，毫无疑问，分子间的作用力应属于电磁力。 2．分子力的特点 (1)分子间总是同时存在引力和斥力，实际表现出来的是它们的合力。 (2)分子间作用力随分子间距离而变化，当分子间的距离大于r0时，引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，但斥力的变化比引力的变化要快。 (3)分子力是短程力，分子间的距离超过分子直径的10倍，即1 nm的数量级时，可以认为分子间作用力为零，气体分子间的作用力可忽略不计。 3．分子力与分子间距离变化的关系 (1)平衡位置：分子间距离r＝r0时，引力与斥力大小相等，分子力为零。平衡位置即分子间距离等于r0(数量级为10－10m)的位置。 (2)分子间的引力和斥力随分子间距离r的变化关系：分子间的引力和斥力都随分子间距离r的增大而减小，但斥力减小得更快。 (3)分子力弹簧模型：分子间的相互作用力像弹簧连接着的两个小球间的相互作用力。小球代表分子，弹簧的弹力代表分子斥力和分子引力的合力，如表所示。 [典例体验] [典例]　(多选)将甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于r轴上，甲、乙两分子间作用力与分子间距离的关系图像如图所示。现把乙分子从r3处由静止释放，则 (　 ) A．乙分子从r3到r1一直加速 B．乙分子从r3到r2过程中分子间作用力表现为引力，从r2到r1过程中分子间作用力表现为斥力 C．乙分子从r3到r1过程中，分子间作用力先增大后减小 D．乙分子从r3到距离甲最近的位置过程中，分子间作用力先减小后增大 [解析]　由图像可知，乙分子从r3到r1过程中，分子间作用力一直表现为引力，且分子间作用力先增大后减小，分子间作用力和运动方向相同，说明乙分子一直做加速运动，故A、C正确，B错误；乙分子距离甲最近时一定在r1的左侧，可知乙分子从r3到距离甲最近的位置过程中，分子间作用力先增大(从r3到r2，表现为引力)后减小(从r2到r1，表现为引力)再反向增大(从r1向左，表现为斥力)，故D错误。 [答案]　AC /方法技巧/ 分子力问题的分析方法 (1)首先要分清是分子力还是分子引力或分子斥力。 (2)分子间的引力和斥力都随着分子间距离的增大而减小。 (3)分子力比较复杂，要抓住四个关键点：一是r＝r0时，分子力为零但引力和斥力大小相等，均不为零；二是r≥10r0时，分子力以及引力、斥力都可忽略，可以看作是零；三是r<r0时，分子力随着分子间距离增大而减小；四是r>r0时，分子间距由r0增大到10r0，分子力先增大后减小。 [针对训练] 1．(多选)下列事例能说明分子间有相互作用力的是 (　 ) A．金属块经过锻打能改变它原来的形状而不断裂 B．拉断一根钢绳需要用一定的外力 C．带电的物体可以吸引轻小的纸屑 D．液体一般很难压缩 解析：金属块经锻打能改变形状而不断裂，说明分子间有引力；拉断钢绳需要一定的外力，也说明分子间有引力；而液体难压缩说明分子间存在斥力；带电的物体可以吸引轻小的纸屑是静电力的作用，故C错误，A、B、D正确。 答案：ABD　 2．(多选)如图所示，横坐标r表示两个分子间的距离，纵坐标F表示两个分子间引力、斥力的大小，图中两条曲线分别表示两分子间引力、斥力的大小随分子间距离的变化关系，e为两曲线的交点，则下列说法中正确的是 (　 ) A．ab为引力曲线，cd为斥力曲线，e点横坐标的数量级为10－10m B．ab为斥力曲线，cd为引力曲线，e点横坐标的数量级为10－10m C．当两分子间距离在r0附近时，若两个分子间距离增加，分子间斥力减小得比引力更快 D．若r＝r0，则分子间没有引力和斥力 解析：在F-r图像中，在r＝r0附近随着距离的增加，斥力比引力减小得快，则知ab为引力曲线，cd为斥力曲线。图中曲线交点e对应r＝r0，即e点横坐标的数量级为10－10m，此时分子间引力和斥力的合力为零，但分子间引力和斥力同时存在，故A、C正确。 答案：AC　 新知学习(二)|分子势能与物体的内能 [任务驱动] 一架飞机在空中以某一速度飞行，由于飞机中所有分子都具有飞机的速度，所以分子具有动能，又由于飞机在空中，飞机中所有分子都离地面有一定高度，以地面为零势能参考平面，所以分子具有势能，上述动能和势能的总和就是飞机的内能，当飞机停在地上时，飞机的内能为零，以上说法是否正确？为什么？ 提示：不正确，飞机的内能不是飞机的机械能，它是飞机中所有分子做无规则热运动和由于分子之间的相互作用而具有的势能的总和，与飞机的高度和飞机速度无关。　　　　 [重点释解] 1．分子势能与分子间距离的关系 分子势能的大小与分子间的距离有关，距离发生变化时， 分子力做功，分子势能发生变化。分子势能随分子间距离的变 化情况如图所示(取无穷远处Ep为0)。 (1)当分子间的距离r>r0时，分子势能随分子间距离的增大而增大。 (2)当分子间的距离r<r0时，分子势能随分子间距离的减小而增大。 (3)当r＝r0时，分子势能最小。 2．对内能的理解 (1)内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义。 (2)某个物体的内能在宏观上由物体的质量、温度和体积决定；微观上由分子数、分子平均动能和分子势能决定。 (3)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。 3．内能与机械能的比较   内能 机械能 对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体机械运动 能量常见的形式 分子动能、分子势能 物体的动能、重力势能或弹性势能 能量存在的原因 由物体内大量分子的无规则热运动和分子间相对位置决定 由物体做机械运动、与地球相对位置或物体形变决定 影响因素 物体的质量、物体的温度和体积 物体的质量、物体做机械运动的速度、离地高度(或相对于零势能参考平面的高度)或弹性形变 是否为零 永远不能等于零 一定条件下可以等于零 联系 在一定条件下可以相互转化 [典例体验] [典例]　若某种实际气体分子的作用力表现为引力，则一定质量的该气体内能的大小与气体体积和温度的关系是 (　 ) A．如果保持其体积不变，温度升高，内能增大 B．如果保持其体积不变，温度升高，内能减少 C．如果保持其温度不变，体积增大，内能不变 D．如果保持其温度不变，体积增大，内能减少 [解析]　若保持气体的体积不变，则分子势能不变，温度升高，分子的平均动能变大，故气体的内能增大，A项正确，B项错误；若保持气体的温度不变，气体分子的平均动能不变，体积增大，分子间的引力做负功，分子势能增大，故气体的内能增大，C、D两项均错误。 [答案]　A /方法技巧/ 影响物体内能的因素 (1)物体的内能：物体的内能是物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和。在其概念中有三个关键词：所有分子、动能、分子势能。 (2)影响物体内能的因素： ①由于温度越高，分子平均动能越大，所以物体的内能与温度有关。 ②由于分子势能与分子间距有关，所以物体的内能与体积有关。 ③由于内能应包含所有分子的动能、势能，所以内能还与分子数目有关，即与物体的物质的量有关。 [针对训练] 1．关于物体的内能，下列说法中正确的是 (　 ) A．水分子的内能比冰分子的内能大 B．物体所处的位置越高，分子势能就越大，内能越大 C．一定质量的0 ℃的水结成0 ℃的冰，内能一定减少 D．相同质量的两个同种物体，运动物体的内能一定大于静止物体的内能 解析：内能是指组成物体的所有分子的热运动的动能与分子势能的总和，单个分子的内能没有意义，故选项A错误；内能与机械能是两种不同性质的能，它们之间无直接联系，内能与“位置”高低、“运动”还是“静止”没有关系，故选项B、D错误；一定质量的0 ℃的水结成0 ℃的冰，放出热量，使得内能减小，故选项C正确。 答案：C　 2．(2023·海南高考)如图为两分子靠近过程中的示意图，r0为分子间平衡距离，下列关于分子力和分子势能的说法正确的是(　 ) A．分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力 B．分子从无限远靠近到距离r0处的过程中分子势能变大 C．分子势能在r0处最小 D．分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小 解析：分子间距离大于r0时，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处的过程中，引力做正功，分子势能减小，则在r0处分子势能最小；继续减小分子间距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大。 答案： C 　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——认识分子作用力 1．(选自粤教版教材“资料活页”)许多年来，人们对壁虎能轻松“走壁”的秘诀一直众说纷纭，壁虎脚底的黏着力究竟是怎样产生的呢？很多人认为，壁虎能贴在光滑的天花板上，靠的是四只脚掌上神奇的吸盘，其实情况并非如此。最新的研究表明，看上去不起眼的壁虎，居然是自然界数一数二的“应用物理大师”。它脚底的力量，利用的是最基本的物理学原理——分子作用力。 由于分子作用力过于微弱，通常没有人会注意到。比如，当我们把手贴在墙壁上时，也会产生分子作用力，但由于实际接触面积太小，人的手掌不会被吸附到墙壁上。而壁虎就不一样了，它的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有400～1 000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离足够近，从而产生分子间引力。虽然每根刚毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。根据计算，一根刚毛产生的力能提起一只蚂蚁，而一只壁虎如果同时使用全部刚毛，则能够提起125 kg的重物。 在壁虎脚趾微结构的启示下，科学家开始研制超级附着技术。例如，有人就模仿壁虎脚趾的微结构研制出一种柔韧的胶布，上面植入上百万根人工合成的、长度不足2 μm的绒毛，未来可用于无人探测器，增强其越野攀爬能力。 科学思维——应用图像分析分子势能的变化 2．(选自鲁科版教材课后练习)分子势能随分子间距离变化的图像如图所示。据图分析可得 (　 ) A．r1处为分子平衡位置 B．r2处为分子平衡位置 C．分子间距离足够大时，分子势能最小，分子间无相互作用力 D．r<r1时，r越小，分子势能越大，分子间仅有斥力存在 解析：r2处为分子平衡位置分子势能为最小值，A、C错误，B正确；由图像可知，r<r1时，r越小，分子势能越大，但这时分子间斥力和引力仍是同时存在的，故D错误。 答案：B 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.玻璃杯中盛有冰水混合物，冰的质量和水的质量相等且保持不变，则玻璃杯内 (　 ) A．冰分子的平均动能大于水分子的平均动能 B．水分子的平均动能等于冰分子的平均动能 C．一个水分子的动能一定大于一个冰分子的动能 D．一个水分子的动能一定等于一个冰分子的动能 解析：冰水混合物温度为0 ℃，冰、水温度相同，二者分子平均动能相同，故A错误，B正确；相同温度的冰和水内个别分子的动能是随时变化的，比较个别分子的动能没有意义，故C、D错误。 答案：B　 2．(2024·乐山高二调研)(多选)分子间的作用力与分子间距离的关系图像如图所示，图中r0为分子斥力和引力平衡时两个分子间的距离，规定两分子间距离为无限远时分子势能为0，下列说法正确的是(　 ) A．当分子间的距离r<r0时，引力大于斥力 B．当分子间的距离10r0>r>r0时，引力大于斥力 C．分子间距离从r1减小到r0的过程中，分子势能减小 D．分子间距离从无限远减小到r0的过程中，分子势能先减小后增大 解析：由题图可知，当分子间的距离r<r0时，斥力大于引力，分子间的作用力表现为斥力；当10r0>r>r0时，引力大于斥力，分子间的作用力表现为引力，故A错误，B正确；由题图可知，分子间距离从r1减小到r0的过程中，分子间的作用力表现为引力，分子间的作用力做正功，分子势能减小，故C正确；分子间距离从无限远减小到r0的过程中，分子间的作用力一直做正功，故分子势能一直减小，故D错误。 答案： BC 分子力F随分子间距离r的变化关系图像 分子间距离 分子力 分子力弹簧模型 r＝r0 零 象征分子力合力为零r＜r0 表现为斥力，且分子力随分子间距的增大而减小 象征分子力的合力为斥力r＞r0 表现为引力，且分子力随分子间距的增大，先增大后减小 象征分子力的合力为引力 $$