1.1.2 分子间的作用力 物体的内能-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第2课时　分子间的作用力　物体的内能 [学习目标]　1.知道分子间存在空隙和相互作用力，掌握分子间作用力与分子间距的关系(重点)。2.知道分子动理论的内容。3.理解分子动能和分子势能的概念，理解物体内能的含义，明确分子势能与分子间距离的关系(重难点)。 一、分子间存在着相互作用力 既然分子在永不停息地做无规则运动，为什么固体和液体的分子不散开，能保持一定的体积，且固体还能保持一定的形状呢？通过教材中实验来说明。 答案　因为组成物体的分子之间存在着相互作用的引力。 1．分子间作用力 分子之间同时存在着引力和斥力，它们的大小与分子间的距离有关。 研究分子间作用力f随分子间距r变化的示意图可知，分子间引力和斥力都随分子间的距离增大而减小，随距离的减小而增大，但斥力变化得快。 2．分子间作用力与分子间距离的关系 r 分子力 f-r图像 r＝r0 f引＝f斥 f合＝0 r<r0 f引<f斥 f合为斥力 r>r0 f引>f斥 f合为引力 r>10r0 f引＝f斥≈0 f合≈0 3.分子动理论的基本观点 物体是由大量分子组成的，分子永不停息地做无规则运动，分子间存在着相互作用力。 为什么固体和液体有一定体积，而气体没有固定体积？固体有固定形状而液体没有固定形状？ 答案　固体、液体和气体分子间的作用力不同，它们的分子运动情况也不同。固体分子密集在一起，在分子间作用力的作用下，分子在平衡位置附近自由振动；液体分子的密集程度比固体小，每个分子都可在其他分子之间穿梭往来；气体分子间的距离很大，相互作用力很小，分子快速运动，而且毫无秩序，这种混乱无序导致分子间频繁碰撞。 (1)当两个物体紧靠在一起时，并没有粘在一起是因为此时两个物体间的分子力表现为斥力。(　×　) (2)水的体积很难被压缩，这是分子间存在斥力的宏观表现。(　√　) (3)气体总是很容易充满容器，这是分子间存在斥力的宏观表现。(　×　) (4)两个相同的半球壳吻合接触，中间抽成真空(马德堡半球)，用力很难拉开，这就是分子间存在引力的宏观表现。(　×　) (5)用力拉铁棒的两端，铁棒没有断，这就是分子间存在引力的宏观表现。(　√　) 例1　(多选)(2022·福建莆田第二十五中学期末)两个分子从靠近得不能再靠近的位置开始，使二者之间的距离逐渐增大，直到大于分子直径的10倍以上，这一过程中关于分子间的相互作用力的下列说法中正确的是(　　) A．分子间的引力和斥力都在减小 B．分子间的斥力在减小，引力在增大 C．分子间相互作用的合力在逐渐减小 D．分子间相互作用的合力，先减小后增大，再减小到零 答案　AD 解析　分子间同时存在着引力和斥力，当距离增大时，二力都在减小，只是斥力减小得比引力快。当分子间距离r<r0时，分子间的斥力大于引力，因而表现为斥力；当r>r0时，分子间的斥力小于引力，因而表现为引力；当r＝r0时，合力为零；当距离大于10倍直径时，分子间的相互作用力可视为零，所以分子间作用力的合力的变化是先减小后增大，再减小到零，A、D正确，B、C错误。 针对训练　当两个分子间的距离为r0时，正好处于平衡状态，下列关于分子间作用力与分子间距离的关系的说法正确的是(　　) A．当分子间的距离r<r0时，它们之间只有斥力作用 B．当分子间的距离r＝r0时，分子不受力 C．当分子间的距离从0.5r0增大到10r0的过程中，分子间的引力和斥力都在减小，且斥力比引力减小得快 D．当分子间的距离从0.5r0增大到10r0的过程中，分子间作用力的合力在逐渐减小 答案　C 解析　分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的，当r＝r0时，F引＝F斥，每个分子所受的合力为零，并非不受力；当r<r0时，F斥>F引，合力表现为斥力，并非只受斥力，故A、B错误；当分子间的距离从0.5r0增大到10r0的过程中，分子间的引力和斥力都减小，而且斥力比引力减小得快，分子间作用力的合力先减小到零，之后先增大再减小，故C正确，D错误。 二、物体的内能 1．分子势能 (1)定义：分子具有由它们的相对位置决定的势能，这种势能称为分子势能。 (2)分子势能的决定因素 ①宏观上：与物体的体积有关。 ②微观上：与分子间的距离有关。 若r<r0，当r减小时，分子间作用力表现为斥力，做负功，分子势能增大。 若r>r0，当r增大时，分子间作用力表现为引力，做负功，分子势能增大。 若r＝r0，分子间作用力为零，分子势能最小。 若选定分子间距离为无穷远时的分子势能为0，试定性地把两分子的分子力f、分子势能Ep与分子间距离r的关系图像画在坐标系中。(力f画成虚线，势能Ep画成实线) 答案　当r>r0时，分子间为引力，分子靠近过程中分子力做正功，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力做负功，分子势能增大。所以r减小时分子势能先减小后增大。 2．分子动能 (1)定义：分子由于做热运动所具有的能量。 (2)平均动能：大量分子动能的平均值。 (3)温度与平均动能的关系 ①温度的微观本质：温度是物体内分子热运动的平均动能的标志。 ②温度越高，分子热运动的平均动能越大。 3．物体的内能 (1)定义：物体的所有分子热运动的动能和分子势能的总和。 (2)普遍性：组成物体的分子永不停息地做无规则运动，分子间存在着相互作用力，所以任何物体都具有内能。 (3)影响内能的相关因素 ①物体所含的分子数目：由物体的质量决定； 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。 故物体的内能由物体的质量、温度、体积共同决定，同时受物态的影响。 (1)物体的温度升高时，物体内每个分子的动能都增大。(　×　) (2)运动物体的速度越快，分子的平均动能就越大。(　×　) (3)相同温度的不同物体，分子的平均动能相同。(　√　) (4)只要温度相同，任何物体的平均速率都相同。(　×　) (5)静止在地面上的物体，内能一定为零。(　×　) (6)物体温度升高，其内能一定增大。(　×　) 例2　(2023·海南卷)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 答案　C 解析　分子间距离大于r0，分子间表现为引力，分子间距离变小，引力做正功，势能减小，在r0处势能最小，继续减小距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，势能增大，C正确。 例3　(2023·福建泉州市高二期末)分子间存在着分子力，并且分子力做功与路径无关，因此分子间存在与其相对距离有关的分子势能。如图所示为分子势能Ep随分子间距离r变化的图像，取r趋近于无穷大时Ep为零。通过功能关系可以从此图像中得到有关分子力的信息，若仅考虑这两个分子间的作用，下列说法中正确的是(　　) A．图中r1是分子间引力和斥力平衡的位置 B．假设将两个分子从r＝r2处释放，它们将相互靠近 C．假设将两个分子从r＝r1处释放，当r＝r2时它们的速度最大 D．假设将两个分子从r＝r1处释放，当r＝r2时它们的加速度最大 答案　C 解析　距离无穷远的两分子在相互靠近的过程中，两分子间距离在达到平衡距离前分子力对两分子始终做正功，分子势能减小，又因为无穷远处分子势能为零，所以当达到平衡距离时，分子势能最小且为负值，因此题图中r2是分子间引力和斥力平衡的位置，假设将两个分子从r＝r2处释放，它们将保持静止，故A、B错误；因为r1小于r2，所以假设将两个分子从r＝r1处释放，分子力表现为斥力，两分子将做加速度减小的加速运动，当r＝r2时它们的速度最大，加速度为零，故C正确，D错误。 例4　(2022·江苏徐州市高二期中)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 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100 ℃的水分子平均动能等于100 ℃的水蒸气的分子平均动能。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 ℃相同质量的水蒸气的内能，故A、B、D错误，C正确。 物态变化对内能的影响 一些物质在物态发生变化时，如冰的融化、水在沸腾时变为水蒸气，温度不变，此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化。 例5　(多选)(2022·江苏扬州市公道中学高二月考改编)下列关于内能和机械能的说法正确的是(　　) A．机械能大的物体，其内能一定大 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，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的运动中，内能不可能为0，但机械能可以为0，D正确。 内能和机械能的区别与联系 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 常见的能量形式 分子动能、分子势能 物体动能、重力势能、弹性势能 影响因素 物质的量、物体的温度、体积及物态 物体的质量、机械运动的速度、相对于零势能面的高度、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 课时对点练 考点一　分子间的作用力 1．(2022·云南曲靖市高二期中)以下现象中能说明分子间存在斥力的是(　　) A．气体总是很容易充满容器 B．水的体积很难被压缩 C．两根玻璃棒用力挤压不能粘合在一起 D．破镜不能重圆 答案　B 解析　气体总是很容易充满容器，说明气体分子间作用力很小，气体分子在做无规则运动，不能说明分子间存在斥力，故A错误；水分子间有间隙，但水的体积很难被压缩，说明分子间存在斥力，故B正确；分子间存在相互作用力，但分子间能发生作用的距离范围很小，两根玻璃棒用力挤压在一起，因为它们分子间的距离远大于分子间作用力的作用距离，不能粘合在一起，并不能说明它们分子间存在斥力，故C错误；破镜不能重圆，是因为分子间的距离远大于分子间作用力的作用距离，故D错误。 2.(多选)如图所示，是分子间作用力与分子间距离的关系，其中两虚线分别表示分子间斥力和引力与分子间距离的关系，实线表示分子间作用力F(斥力和引力的合力)与分子间距离r的关系，由图可知下列说法中正确的是(　　) A．分子间距离为r0时，分子间没有相互作用 B．分子间距离增大时，分子间斥力减小，引力增大 C．分子间距离大于r0时，分子间的引力总是大于斥力 D．分子间距离增大时，分子间作用力可能先减小后增大再减小 答案　CD 解析　分子间距离为r0时，分子间的斥力和引力相等，对外表现为分子间作用力等于零，但分子间仍有相互作用，故A错误；分子间距离增大时，分子间斥力和引力都减小，故B错误；分子间距离大于r0时，分子间的引力大于分子间的斥力，对外表现为引力，故C正确；分子间距离小于r0时，分子间作用力表现为斥力，随着分子间距离增大，分子间作用力逐渐减小；分子间距离大于r0时，分子间作用力表现为引力，随着分子间距离增大，分子间作用力先增大后减小，故D正确。 3.两分子间的作用力F与分子间距r的关系图像如图所示，下列说法中正确的是(　　) A．r<r1时，两分子间的引力为零 B．r1<r<r2时，两分子间的作用力随r的增大而逐渐增大 C．r＝r2时，两分子间的引力最大 D．r>r2时，两分子间的引力随r的增大而增大，斥力为零 答案　B 解析　分子间同时存在引力和斥力，r<r1时，斥力大于引力，合力表现为斥力，故A错误；r1<r<r2时，两分子间的作用力随r的增大而逐渐增大，故B正确；分子间同时存在引力和斥力，且均随着两分子间距离的减小而增大，r＝r2时，两分子间的引力不是最大，故C错误；r>r2时，两分子间的引力随r的增大而减小，斥力不为零，故D错误。 考点二　物体的内能 4.(2022·福建师大二附中期末)分子间作用力f与分子间距r的关系如图所示，规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零。若一个分子固定于原点O，另一个分子从距O点很远处向O点运动，以下说法正确的是(　　) A．在两分子间距减小到r1的过程中，分子间作用力先减小后增大 B．在两分子间距减小到r1的过程中，分子势能先减小后增大 C．在两分子间距减小到r1时，分子势能等于零 D．在两分子间距由r2减为r1过程中，分子力与分子势能都在减小 答案　D 解析　在两分子间距减小到r1的过程中，分子力表现为引力，分子力先增大后减小，分子力做正功，分子势能减小，无穷远处分子势能为零，间距减小到r1时，分子势能小于零，故A、B、C错误；在间距由r2减小到r1的过程中，分子力表现为引力，分子力做正功，分子势能减小，分子力也减小，故D正确。 5．(多选)用r表示两分子间的距离，Ep表示分子势能，当r＝r0时引力等于斥力，设两分子相距大于10倍的r0时，Ep＝0，则(　　) A．当r＞r0时，Ep随r的增大而增大 B．当r＜r0时，Ep随r的减小而增大 C．当r＜r0时，Ep不随r的变化而变化 D．当r＞r0时，Ep＝0 答案　AB 解析　当r＞r0时，分子间作用力表现为引力，当r增大时，分子间作用力做负功，Ep增大，故A正确；当r＜r0时，分子间作用力表现为斥力，当r减小时，分子间作用力做负功，则Ep增大，故B正确，C错误；因两分子相距大于10倍的r0时，Ep＝0，当r＞r0时，随r的减小，分子势能减小，则当r＞r0时，Ep<0，故D错误。 6．(多选)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 C．如果分子的质量为m，平均速率为v，则平均动能为mv2 D．一块10 ℃的铁与一块10 ℃的铅相比，分子的平均动能相等 答案　BD 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，但是其中个别分子的动能却有可能减小或不变，A错，B对；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；温度相同的物体，分子的平均动能相等，D对。 7．(2022·黑龙江齐齐哈尔市高二期中)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，则分子的动能增加，内能也一定增加 B．物体温度不变，内能可能变大 C．物体的内能与温度有关，与物体的体积无关 D．把物体举得越高，分子势能越大 答案　B 解析　物体的速度增大，是物体的动能增大，增加的是物体的机械能，分子动能的变化只与物体的温度有关，故A错误；物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫作物体的内能，分子热运动的平均动能由温度决定，分子势能与物体的体积有关，当发生物态变化时，物体的温度不变，只是分子的平均动能不变，但分子势能可能变大，物体的内能可能增大，故B正确；物体的内能由物体的物质的量、温度、物体的体积共同决定，同时会受物态变化的影响，故C错误；把物体举得越高，增加的是物体的重力势能，故D错误。 8．(多选)关于内能，下列说法正确的是(　　) A．质量、温度、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、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。 9．(多选)(2023·福建连城县第一中学高二检测)关于分子动理论和物体的内能，下列说法正确的是(　　) A．温度越高，液体中悬浮微粒的布朗运动就越明显 B．分子间的引力和斥力都随着分子间距离的增大而减小 C．分子间的引力和斥力相等时，分子势能一定为零 D．气体体积变化时，其内能也一定变化 答案　AB 解析　布朗运动是液体分子碰撞的不平衡性造成的，液体温度越高，固体颗粒越小，液体中悬浮微粒的布朗运动就越明显，故A正确；分子间的引力和斥力都随着分子间距离的增大而减小，但斥力减小更快，故B正确；分子间的引力和斥力相等时，分子力的合力为零，分子势能最小，但可以不为零，分子势能的零点是人为规定的，故C错误；气体的内能包括分子势能和分子动能，当气体体积变化时影响的是气体的分子势能，若气体温度也变化，则分子势能与分子动能的和可能不变，则内能不变，故D错误。 10．(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　水和水蒸气的相对分子质量相同，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，故分子热运动的平均动能相同，但水蒸气的分子势能更大，内能包括分子势能和分子热运动动能，故内能不相同，水蒸气的内能比水大，B、C正确，A、D错误。 11.(2023·福建龙岩第一中学阶段检测)分子间引力和斥力大小随分子间距离变化的图像如图所示。两图像交点e的横坐标为r1，下列表述正确的是(　　) A．曲线cd表示引力随分子距离变化的图线 B．压缩气体时气体会表现出抗拒压缩的力，这是气体分子间的平均距离小于r1导致的 C．当分子间距离由r1逐渐变为r2的过程中，分子势能增加 D．物体的体积变化不会影响分子间距离，可见分子势能与物体的体积无关 答案　C 解析　分子间引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，且斥力减小得更快，则曲线cd表示斥力随分子距离变化的图线，故A错误； 气体分子间距离较大，超过10r1，分子间作用力可以忽略不计。压缩气体时气体会表现出抗拒压缩的力，这是气体压强导致的，故B错误； 分子间距为r1时，斥力等于引力，为平衡位置。当分子间距离由r1逐渐变为r2的过程中，分子间表现为引力，距离增大，分子力做负功，则分子势能增加，故C正确，D错误。 12.(多选)(2022·福建大同中学高二阶段检测)如图为两分子系统的势能Ep与两分子间距离r的关系曲线。下列说法正确的是(　　) A．当r大于r1时，分子间的作用力表现为引力 B．当r小于r1时，分子间的作用力表现为斥力 C．当r等于r2时，分子间的作用力为零 D．在r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做负功 答案　BC 解析　因为当分子间相互作用力为零时，分子势能最小，从题图中可得分子势能最小时，分子间的距离为r2，故当r等于r2时分子间作用力为零；当r小于r1时，此时随着距离的减小，分子间作用力表现为斥力，分子势能增大；当r大于r1而小于r2时分子力为斥力，当r大于r2时分子力表现为引力，A错误，B、C正确；当r大于r1而小于r2时分子力为斥力，所以在由r1变到r2的过程中分子间的作用力做正功，D错误。 13．(2022·福建福州第八中学高二期中)分子势能Ep随分子间距离r变化的图像(取r趋近于无穷大时Ep为零)，如图所示。将两分子从相距r处由静止释放，仅考虑这两个分子间的作用，则下列说法正确的是(　　) A．当r＝r2时，释放两个分子，它们将开始远离 B．当r＝r2时，释放两个分子，它们将相互靠近 C．当r＝r1时，释放两个分子，r＝r2时它们的速度最大 D．当r＝r1时，释放两个分子，它们的加速度先增大后减小 答案　C 解析　由题图可知，两个分子在r＝r2处分子势能最小，则分子之间的距离为平衡距离，分子之间的作用力恰好为0，所以假设将两个分子从r＝r2处释放，它们既不会相互远离，也不会相互靠近，故A、B错误；分子在r＝r1处分子之间的作用力表现为斥力，分子之间的距离将增大，分子力做正功，分子的速度增大；当分子之间的距离大于r2时，分子之间的作用力表现为引力，随距离的增大，分子力做负功，分子的速度减小，所以当r＝r2时它们的速度最大，故C正确；r1<r<r2的过程中，随分子之间的距离增大，分子力减小，当r>r2时，分子力先增大后减小，则加速度先减小后增大再减小，故D错误。 14.(2022·陕西渭南市高二月考)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，选项中四个图分别表示乙分子的速度、加速度、动能、势能与两分子间距离的关系，其中大致正确的是(　　) 答案　D 解析　在向甲分子靠近过程，乙分子的运动方向始终不变，A错误；加速度与力的大小成正比，方向与力相同，加速度等于0的是C点，故B错误；分子动能不可能为负值，故C错误；乙分子从A处由静止释放，分子势能先减小，到C点最小，后增大，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$