05 第1章 第4节 分子动能和分子势能-【正禾一本通】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）

第4节　分子动能和分子势能 【课标解读】　1.知道分子动能，理解温度是分子平均动能的标志。 2．知道分子势能，认识分子势能与分子间的距离有关。 3．理解内能的概念及影响内能大小的因素。 探究点一　分子动能　　　　　　　　　　　　　　 运动的物体具有动能，分子不停地做无规则运动，也应该具有动能。你能确定某个分子在某个时刻的动能吗？怎样计算物体内所有分子的总动能？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：不能；通过对大量分子求统计平均，确定分子的平均动能，则物体内所有分子的总动能等于分子个数乘以分子的平均动能。 1．分子动能：由于分子不停地做无规则运动而具有的能量就是分子动能。 2．分子的平均动能 (1)定义：所有分子的动能的平均值叫作分子热运动的平均动能。 (2)决定因素：物体的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。 3．分子的总动能：物体内分子运动的总动能等于分子热运动的平均动能与分子数的乘积。 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)物体的温度升高时，物体内每个分子的动能都增大。(×) (2)物体运动的速度越大，其分子的平均动能也越大。(×) (3)相同温度的不同物体，分子的平均动能也相同。(√) (4)温度高的物体，分子的总动能一定大。(×) 对分子平均动能的理解 (1)物体的温度是它的分子热运动的平均动能的标志。任何物体，只要它的温度高，其分子的平均动能就一定大。 (2)物体的温度相同，分子的平均动能一定相同，但分子的平均速率一般不同，因为不同物质的分子质量一般不同。 (3)物体分子的总动能不仅与物体的温度(决定分子的平均动能)有关，还与物体所含的分子总数有关。 (4)每个分子都有分子动能且不为零，热现象是大量分子无规则运动的统计结果，个别分子的动能没有实际意义。 【典例1】 (多选)(2024·内蒙古乌海检测)当氢气和氧气温度相同时，下列说法中正确的是(　　) A．两种气体的分子平均动能相等 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 解析：选AB。因为温度是分子平均动能的标志，温度相同，两种气体的分子平均动能相等，故A正确；因为氢气和氧气的分子质量不同，所以两种气体分子的平均速率不同，分子质量大的平均速率小，故B正确，D错误；虽然两种气体分子平均动能相等，但由于两种气体的质量不清楚，即分子数目关系不清楚，则总动能关系不确定，故C错误。 探究点二　分子势能　　　　　　　　　　　　　　　　 与重力做功伴随着重力势能的变化类似，分子力做功时也伴随着分子势能的变化。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，分子势能如何变化？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：当r>r0时，分子间为引力，分子靠近过程中分子间的作用力做正功，分子势能减小；当r<r0时，分子间为斥力，分子靠近过程中分子间的作用力做负功，分子势能增大。所以分子势能先减小后增大。 1．分子势能：由分子间的相对位置决定的势能叫作分子势能。 2．分子势能与分子间距离的关系 (1)当r>r0时，分子间的作用力表现为引力，若r增大，需克服引力做功，分子势能增加。 (2)当r<r0时，分子间的作用力表现为斥力，若r减小，需克服斥力做功，分子势能增加。 (3)当r＝r0时，分子间的作用力为零，分子势能最小。 3．分子势能的Ep­r图像 如果选定分子间距离r为无穷远时的分子势能Ep为0，则分子势能Ep随分子间距离r变化的情况如图所示。 4．分子势能的决定因素 (1)宏观上：分子势能的大小与物体的体积有关。 (2)微观上：分子势能的大小与分子之间的距离有关。 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)当分子间的作用力做正功时，分子势能一定减小。(√) (2)当分子间距离r＝r0时，分子间的作用力为0，分子势能也为0。(×) (3)当分子间距离由r0逐渐增大到∞时，分子势能逐渐增大。(√) (4)物体的体积增大时，分子间距离变大，分子势能也变大。(×) 1．分子间的作用力的F­r图像与分子势能的Ep­r图像对比 比较项目 分子间的作用力的F­r图像 分子势能的Ep­r图像 对应图线 r＝r0位置 分子间的作用力等于零 分子势能最小 r>r0区间 分子间的作用力表现为引力，且随分子间距离的增大先变大后变小 分子势能随分子间距离的增大而增大 r<r0区间 分子间的作用力表现为斥力，且随分子间距离的减小而增大 分子势能随分子间距离的减小而增大 [说明]在分子力的F­r图像中，由于力是矢量，所以F的正负号表示分子力的方向，而在分子势能的Ep­r图像中，由于分子势能是标量，所以Ep的正负号表示分子势能的大小。 2．关于影响分子势能的因素的理解 分子势能与物体的体积有关。物体的体积变化时，分子势能也随之变化，但分子势能与体积的关系不是单调变化的，如物体的体积增大时，分子势能可能增加，也可能减小。 【典例2】 (易错题)分子势能Ep随分子间距离r变化的图像如图所示，取r趋于无穷大时Ep为零，若甲分子固定在坐标原点O处，乙分子从r3处由静止释放运动到r1的过程中，下列说法正确的是(　　) A．当r＝r1时，分子引力等于分子斥力 B．当r＝r2时，分子引力大于分子斥力 C．从r3到r2，分子间的作用力对乙做正功，分子势能减小 D．从r2到r1，分子间的作用力对乙做负功，分子势能减小 解析：选C。由题图知，分子势能Ep在r2位置最小，所以r2为平衡位置，分子引力等于斥力，故B错误；当r＝r1时，分子间的作用力表现为斥力，即分子斥力大于分子引力，故A错误；从r3到r2，分子间的作用力表现为引力，分子间的作用力对乙做正功，分子势能减小，故C正确；从r2到r1，分子间的作用力表现为斥力，分子间的作用力对乙做负功，分子势能增大，故D错误。 [名师提醒] 错因剖析 对照反思 (1)对分子势能的Ep­r图像的意义及特点理解不深； (2)混淆分子间的作用力的F­r图像与分子势能的Ep­r图像； (3)对分子间的作用力做功和分子势能变化的关系掌握不牢 【针对训练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．一定是分子间的作用力做了正功 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 解析：选AB。分子势能变小，说明分子间的作用力做正功，故A正确。如图所示为F­r图像及对应的Ep­r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，分子间的作用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，分子间的作用力变小，表现为斥力，故B正确，C、D错误。 探究点三　物体的内能　　　　　　　　　　　　　 如图所示，小球被抛出后正在空中下落。小球的动能怎样变化？重力势能呢？小球内所有分子的动能之和怎样变化？所有分子的势能之和呢？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：小球的动能增加，重力势能减小；所有分子的动能之和不变，所有分子的势能之和也不变。 1．物体的内能 (1)定义：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和叫作物体的内能。 (2)普遍性：任何物体都具有内能。 2．内能的影响因素 (1)物体所含的分子总数：由物质的量决定。 (2)分子热运动的平均动能：与温度有关。 (3)分子势能：与物体的体积有关。 物体内能的大小由物质的量、温度和体积三个因素决定，同时也受物态变化的影响。 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)物体的温度越高，它的内能就越大。(×) (2)物体被举高时，它的重力势能和分子势能都增大。(×) (3)当足球静止在地面上时，它的内能为零。(×) (4)物体的温度和体积变化时，内能一般要发生改变。(√) 物体内能与机械能的比较 项目 内能 机械能 运动形式 微观分子的热运动 宏观物体的机械运动 能量形式 分子动能、分子势能 动能、重力势能或弹性势能 存在的原因 物体内大量分子的无规则热运动及分子间的相对位置 物体的机械运动、物体与地球的相对位置或物体的形变等 影响因素 物质的量、物体的温度、体积及所处物态 物体的质量、速度、相对高度或弹性形变 是否为零 永远不能等于零 一定条件下可以等于零 联系 在一定条件下可以通过力的功相互转化 【典例3】 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．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能相同 B．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能相同 C．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能不相同 D．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能不相同 解析：选C。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100 ℃的水分子的平均动能等于100 ℃的水蒸气分子的平均动能。相同质量的水和水蒸气的体积不同，所以分子势能不相同。同样温度的水变为同样温度的水蒸气要吸收热量，所以在质量相同的条件下，100 ℃的水的内能小于100 ℃的水蒸气的内能，故C正确。 [思维延伸]冰融化时，温度不变，分子的平均动能不变，而内能增加，所以分子势能增加。同理，水在沸腾变为水蒸气时，分子势能也增加。 【典例4】 (多选)下列关于内能和机械能的说法正确的是(　　) A．物体的机械能增大，则其内能也一定增大 B．物体的机械能损失时，其内能有可能增大 C．物体的内能损失时，机械能也必然会减小 D．物体的机械能可以为0，内能不可以为0 解析：选BD。内能和机械能是两种不同形式的能，二者的决定因素不同，A错误；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，内能会增大，B正确；例如在物体静止时，温度降低，内能减小，而物体的机械能不变，C错误；物体内分子在永不停息地做无规则运动，内能不可能为0，但机械能可以为0，D正确。 【针对训练2】 关于物体的内能和分子势能，下列说法中正确的是(　　) A．物体的速度增大，则分子动能增加，内能也一定增加 B．物体的温度不变，而内能可能变大 C．物体的内能与温度有关，与体积无关 D．把物体举得越高，分子势能越大 解析：选B。物体的速度增大，则物体的动能增大，而分子动能的变化与物体的温度有关，内能的变化与物体的温度、体积都有关，故A、C错误；物体的温度不变时，分子的平均动能不变，但分子势能可能变大，所以物体的内能可能增大，故B正确；把物体举得越高，则物体的重力势能增加，而分子势能与物体的体积有关，与物体所处的高度无关，故D错误。 　从Ep­r图像看分子间的作用力的变化 若分子间的距离变化很小的一段距离Δr，则分子间的作用力做功ΔW＝F·Δr。结合分子间的作用力做功与分子势能变化的关系可知，分子势能的变化量ΔEp＝－ΔW＝－F·Δr，即分子间的作用力F＝－，故分子势能的Ep­r图线的斜率可以反映分子间的作用力F的大小和方向。 学科网（北京）股份有限公司 $$