4.分子动能和分子势能-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

4．分子动能和分子势能 【素养目标】　1.知道分子动能，知道温度是分子平均动能的标志。2.知道分子势能，理解分子势能与分子间距离的关系。3.理解内能的概念及其决定因素。 知识点一　分子动能 [情境导学]　如图为某同学练习踢足球的情景，回答下列问题： (1)运动着的足球具有动能，其动能大小与足球的温度有关吗？ (2)足球内大量的气体分子做无规则运动，也具有动能，其动能大小与足球的温度有关吗？温度升高时，足球内所有气体分子的动能是否均增大？ 提示：(1)无关。(2)有关；不是。 (阅读教材P14完成下列填空) 1．分子动能：像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能，这就是分子动能。 2．分子热运动的平均动能：所有分子的动能的平均值。 3．温度的微观含义：温度是分子热运动的平均动能的标志。温度越高，分子热运动的平均动能越大；温度越低，分子热运动的平均动能越小。 [问题探究]　根据分子的平均动能与温度的关系，请思考： (1)物体温度升高时，分子的平均动能增大，物体内每个分子的动能是不是都增大？ (2)物体运动的速度大小与其分子的平均动能的大小有关吗？ (3)相同温度的不同物体，分子的平均动能一定相同吗？ (4)相同温度的不同物体，分子的平均速率一定相同吗？ 提示：(1)不是；(2)无关；(3)一定；(4)不一定。 学生用书第17页 (多选)关于分子热运动的动能，下列说法中正确的是(　　) A．物体运动速度越大，物体内分子热运动的动能一定越大 B．物体的温度降低，物体内分子热运动的平均动能一定减小 C．物体的温度升高，分子平均动能一定增大，但物体内每个分子热运动的动能不一定增大 D．1 g 100 ℃的水变成1 g 100 ℃的水蒸气，分子热运动的平均动能增大 答案：BC 解析：物体由于运动而具有的能叫作动能，它是宏观物体所具有的一种能量形式，而分子热运动的动能叫作分子动能，是微观上内能的一种形式，所以物体运动速度与分子热运动的动能无关，故A错误；温度是分子热运动平均动能的标志，物体的温度降低，分子热运动的平均动能减小；物体的温度升高，分子热运动的平均动能增大，但并不是每个分子热运动的动能都增大，故B、C正确；温度相同的水和水蒸气，分子热运动的平均动能相同，故D错误。 对分子动能的理解 单个分子的动能 (1)由于分子运动的无规则性，在某时刻物体内部各个分子的动能大小不一 (2)同一个分子，在不同时刻的动能也可能是不同的 (3)研究单个分子的动能没有实际意义 分子的平均动能 (1)物体的温度是分子热运动的平均动能的标志 ①温度升高，分子平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大 ②温度降低，分子平均动能减小，但不是每一个分子的动能都减小 (2)只要温度相同，任何分子的平均动能都相同，与物质的种类无关 分子的总动能 (1)物体内分子运动的总动能是指所有分子热运动的动能总和，它等于分子热运动的平均动能与分子数的乘积 (2)物体内分子的总动能与物体的温度和所含分子总数有关 　　 针对练1.(多选)下列说法中正确的是(　　) A．只要温度相同，任何物体分子的平均动能都相同 B．分子动能指的是由于分子做无规则运动而具有的能 C．物体中10个分子的动能很大，这10个分子的温度很高 D．同一物体，温度低时每一个分子的运动速率一定小于温度高时每一个分子的运动速率 答案：AB 解析：温度相同，物体分子的平均动能相同，故A正确；分子动能指的是由于分子做无规则热运动而具有的能，故B正确；物体温度是对大量分子而言的，对于10个分子无意义，故C错误；同一物体，温度低时分子的平均速率小，但每一个分子的运动速率是不确定的，可能大于平均速率，也可能小于平均速率，故D错误。 针对练2.(多选)当氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法正确的是(　　) A．两种气体分子的平均动能相等 B．氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率 C．两种气体分子热运动的总动能相等 D．两种气体分子热运动的平均速率相等 答案：AB 解析：温度是分子热运动平均动能的标志，温度相同，则分子平均动能相同，故A正确；因为氢气分子的质量小于氧气分子的质量，而两种气体分子的平均动能又相等，所以氢气分子的平均速率大，故B正确，D错误；虽然氢气和氧气的质量和分子平均动能都相等，但由于两者的摩尔质量不同，所以分子数目不相等，气体分子热运动的总动能不相等，故C错误。 知识点二　分子势能 [情境导学] 1．重力做功对应着重力势能的变化，弹簧弹力做功对应着弹性势能的变化，那么分子力做功对应什么形式的能量变化呢？ 提示：分子力做功对应分子势能的变化。 2．当两个分子从相距无穷远处逐渐靠近到不能再靠近的过程中，对应的能量如何变化？ 提示：分子势能先减小后增大。 (阅读教材P14—P15完成下列填空) 1．分子势能：分子间存在着相互作用力，分子间的作用力所做的功与路径无关，分子组成的系统具有分子势能。 学生用书第18页 2.分子势能与分子间距离的关系 (1)当r>r0时，分子间作用力表现为引力，若r增大，需克服引力做功，分子势能增大。 (2)当r<r0时，分子间作用力表现为斥力，若r减小，需克服斥力做功，分子势能增大。 (3)当r＝r0时，分子间作用力为0，分子势能最小。 3．分子势能与物体的体积有关。 [问题探究]　如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间的距离的关系如图中曲线所示。F＞0为斥力，F＜0为引力。a、b、c、d为x轴上四个特定的位置。现把乙分子从a处由静止释放，乙分子由a位置运动到d位置的过程中： (1)分子间的作用力如何做功？分子势能如何变化？ (2)乙分子运动到哪一位置时分子动能最大，分子势能最小？ 提示：(1)分子力先做正功后做负功；分子势能先减小后增大。 (2)c点。 甲、乙两图分别表示两个分子之间分子间作用力和分子势能随分子间距离变化的图像。由图像判断以下说法正确的是(　　) A．当分子间距离为r0时，分子间作用力和分子势能均最小且为零 B．当分子间距离r＞r0时，分子间作用力随分子间距离的增大而增大 C．当分子间距离r＞r0时，分子势能随分子间距离的增大而减小 D．当分子间距离r＜r0时，分子间作用力和分子势能都随分子间距离的减小而增大 答案：D 解析：当分子间距离为r0时，由题图甲、乙可知，分子间作用力为0，分子势能最小但不为0，A错误；当分子间距离r＞r0时，由题图甲可知，随分子间距离的增大，分子力先增大后减小，B错误；当分子间距离r＞r0时，由题图乙可知，分子势能随分子间距离的增大而增大，C错误；当分子间距离r＜r0时，由题图甲、乙可知，分子间作用力和分子势能都随分子间距离的减小而增大，D正确。 分子间作用力及其做功、分子势能与分子间距离的关系 图示 r<r0 分子力表现为斥力，随着r的减小，分子力做负功，分子势能增大 r>r0 分子力表现为引力，随着r的增大，分子力做负功，分子势能增大 r＝r0 分子势能最小。从此位置开始，分子间距离r不论减小还是增大，分子力都做负功，分子势能都增大 r>10r0 分子力、分子势能均视为零 　　 针对练1.(多选)两个分子由于距离发生变化而使得分子势能变小，则可以判断在这一过程中(　　) A．一定是分子力做了正功 B．两个分子间的相互作用力可能变大 C．两个分子间的距离一定变大 D．两个分子间的相互作用力一定是引力 答案：AB 解析：分子势能变小，说明分子力做正功，故A正确；如图为Ep-r、F-r图像，若分子间距大于平衡间距r0，分子势能变小，分子间距变小，分子力可能变大也可能变小；若分子间距小于平衡间距r0，分子势能变小，分子间距变大，分子力变小，表现为斥力，故B正确，C、D错误。 针对练2.将甲分子固定于坐标原点O处，乙分子放置于r轴上距离O点很远的r4处，r1、r2、r3为r轴上的三个特殊的位置，甲、乙两分子间的作用力F和分子势能Ep随两分子间距离r的 学生用书第19页 变化关系分别如图中两条曲线所示，设两分子间距离很远时，Ep＝0。现把乙分子从r4处由静止释放，下列说法中正确的是(　　) A．实线为Epr图线，虚线为Fr图线 B．当分子间距离r<r2时，甲、乙两分子间只有斥力，且斥力随r减小而增大 C．乙分子从r4到r2做加速度先增大后减小的加速运动，从r2到r1做加速度增大的减速运动 D．乙分子从r4到r2的过程中，分子势能先增大后减小，在r1位置时分子势能最小 答案：C 解析：由于分子间距离等于平衡位置的距离时，分子势能最小，所以虚线为Ep-r图线，实线为F-r图线，A错误；无论两个分子之间的距离多大，分子之间既存在斥力，又存在引力，B错误；乙分子从r4到r2的过程中，分子间作用力(表现为引力)先增大后减小，根据牛顿第二定律可知，乙分子做加速度先增大后减小的加速运动，乙分子从r2到r1的过程中，分子间作用力(表现为斥力)一直增大，根据牛顿第二定律可知，乙分子做加速度增大的减速运动，C正确；根据分子势能图线(虚线)可知，乙分子从r4到r2的过程中，分子势能一直减小，在r2位置时分子势能最小，D错误。 知识点三　物体的内能 [情境导学]　(1)用什么描述物体中所有分子的分子动能和分子势能的总和？ (2)根据知识点一、二学习的分子动能和分子势能的概念，猜想物体中所有分子的分子动能和分子势能的总和与哪些因素有关。 提示：(1)内能；(2)与温度、体积、物质的量有关。 (阅读教材P15—P16完成下列填空) 1．物体的内能：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。任何物体都具有内能。 2．决定因素：物体内能的大小跟物体的物质的量、温度和体积有关。 [问题探究]　(1)物体运动得越快，动能越大，其内能一定越大吗？ (2)静止在地面上的物体，动能为0，如果以地面为参考平面，那么这个物体的机械能为0，内能也为0吗？ 提示：(1)物体运动得越快，动能越大，但内能不一定越大。 (2)静止在地面上的物体，动能可以为0，机械能也可以为0，但这个物体内的分子却始终做永不停息的热运动，物体的内能不为0。 角度一　对内能的理解 (多选)关于内能，下列说法正确的是(　　) A．质量、温度和体积都相等的物体的内能一定相等 B．内能不同的物体，它们分子热运动的平均动能可能相同 C．一木块被举高，组成该木块的所有分子的分子势能都增大 D．温度高的物体内能不一定大，但分子平均动能一定大 答案：BD 解析：物体的内能与物质的量、体积和温度有关，质量相等的不同种类的物体，物质的量不一定相等，所以质量、温度和体积都相等的物体的内能不一定相等，A错误；内能与温度、体积、物质的量有关，内能不同的物体，温度可能相同，它们分子热运动的平均动能可能相同，B正确；分子势能与物体的机械运动无关，被举高只是重力势能增大，分子势能不一定变化，C错误；温度高则分子平均动能大，但内能的大小不仅要看分子平均动能，还要看分子数目和分子势能，所以内能不一定大，D正确。 对物体内能的理解 1．内能的特点 (1)内能是物体具有的，不是某个分子具有的，讨论单个分子的内能无意义。 (2)任何物体的内能都不为零。任何物体的分子都在做永不停息的热运动，所以任何物体都有内能。 (3)物体内能与物体的机械运动状态、位置等因素无关，但受物态变化的影响。 2．决定物体内能的因素 (1)微观决定因素：分子的势能、分子的平均动能和分子的个数。 (2)宏观决定因素：物体的体积、温度和物质的量。　　 针对练．关于质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气，下列说法中正确的是(　　) A．分子动能不相同，分子势能相同，内能相同 B．分子动能相同，分子势能不相同，内能相同 C．分子动能相同，分子势能不相同，内能不相同 D．分子动能不相同，分子势能相同，内能不相同 答案：C 解析：质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气的分子数相同，温度是分子平均动能的标志，所以二者的分子动能相同；相同质量的水和水蒸气的体积不同，故分子势能不相同；同样温度的水变为同样温度的水蒸气要吸收热量，所以100 ℃的水的内能小于100 ℃的相同质量的水蒸气的内能。故A、B、D错误，C正确。 角度二　内能与机械能的比较 (多选)下列关于内能和机械能的说法正确的是(　　) A．机械能增大的物体，其内能一定增大 B．物体的机械能损失时，内能有可能增大 C．物体的内能损失时，机械能必然会减小 D．物体的机械能可以为0，内能不可以为0 答案：BD 解析：内能和机械能是两种不同形式的能，二者的决定因素不同，例如，在物体克服空气阻力匀速下降过程中，机械能减小，而摩擦生热，物体温度升高，内能增大，A错误，B正确；在物体静止时，温度降低，内能减小，而物体的机械能不变，C错误；物体内分子在做永不停息的运动，内能不可以为0，但机械能可以为0，D正确。 学生用书第20页 内能与机械能的区别与联系 能量 内能 机械能 区 别 对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体机械运动 常见的能量形式 分子动能、分子势能 物体的动能、重力势能、弹性势能 影响因素 物体的物质的量、温度、体积 物体的质量、机械运动的速度、相对于参考平面的高度、弹性形变量 大小 永远不等于零 一定条件下可以等于零 联系 在一定条件下可以相互转化 　　 1．下列关于分子动能的说法正确的是(　　) A．物体的温度升高，每个分子的动能都增加 B．物体的温度升高，分子的平均动能增加，内能也增加 C．如果分子的质量为m，平均速率为v，则平均动能为mv2 D．分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子的总数之比 答案：D 解析：温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能增加，但个别分子的动能可能减小，A错误；内能包括分子动能和分子势能，温度升高，分子动能增加，但内能不一定增加，B错误；分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子总数的比值，C错误，D正确。 2．(鲁科版选择性必修第三册·P8·T5)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 答案：B 解析：r2处分子势能最小，为分子平衡位置，A、C错误，B正确；由题图可知，r<r1时，r越小，分子势能越大，但这时分子间斥力和引力仍同时存在，D错误。 3．关于物体的内能，下列说法正确的是(　　) A．水的内能比冰的内能大 B．物体所处的位置越高，分子势能越大 C．一定质量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 答案：C 解析：物体的内能由物体的温度、体积和物质的量共同决定，由题给条件无法确定水与冰的内能大小关系，故A错误；物体所处的位置越高，重力势能越大，分子势能是物体内能的一部分，与物体所处的高度无关，故B错误；一定质量0 ℃的水结成0 ℃的冰，必须向外释放能量，可知内能一定减少，故C正确；物体的内能与物体的运动状态无关，相同质量的两个同种物体，运动物体的内能不一定大于静止物体的内能，故D错误。故选C。 4．(多选)18 g的水，18 g的水蒸气，32 g的氧气，在它们的温度都是100 ℃时(　　) A．它们的分子数目相同，分子的平均动能不相同，氧气的分子平均动能大 B．它们的分子数目相同，分子的平均动能相同 C．它们的分子数目相同，它们的内能不相同，水蒸气的内能比水大 D．它们的分子数目不相同，分子的平均动能相同 答案：BC 解析：水和水蒸气的质量相同，摩尔质量相同，故分子数相同，为N1＝N2＝×6.02×1023＝6.02×1023个，32 g的氧气分子数为N3＝×6.02×1023＝6.02×1023个，故N1＝N2＝N3；温度是分子热运动平均动能的标志，温度相同，分子热运动的平均动能相同，所以水和水蒸气的分子动能相同，但水蒸气的分子势能比水大，内能包括分子势能和分子动能，水蒸气的内能比水大，故B、C正确，A、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$