1.4 分子动能和分子势能&分子动理论 本章知识网络构建（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册同步学案（人教版）

本讲义聚焦分子动能、分子势能及内能核心知识点，先阐述分子动能与温度的关系，再分析分子势能随分子间距及体积的变化，进而整合为内能概念，最后区分内能与机械能，构建递进式学习支架。 通过问题探究（如红墨水扩散实验）和例题训练，融合物理观念（能量观念）与科学思维（科学推理），课中助力教师引导学生建构概念，课后通过自我诊断和针对训练帮助学生巩固知识，查漏补缺。

1．4　分子动能和分子势能 学习 目标 1.知道温度是分子热运动平均动能的标志。 2．知道什么是分子势能，知道分子势能与分子间距离有关。 3．知道什么是内能，知道物体的内能与温度和体积有关。 4．能够区别内能和机械能。 一、分子动能 1．分子动能：由于分子永不停息地做无规则运动而具有的能量。 2．分子的平均动能 所有分子热运动动能的平均值。 3．物体的温度是它的分子热运动的平均动能的标志。 二、分子势能 1．分子势能： (1)由分子间的相对位置决定的能。 (2)分子势能Ep随分子间距离r变化的情况如图所示。 当r＝r0时，分子势能最小。 2．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。 三、物体的内能 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．相关因素 (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。 故物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定，同时受物态变化的影响。 [自我诊断] 1．判断下列说法的正误 (1)物体的温度升高时，物体每个分子的动能都增大。(×) (2)当分子力做正功时，分子势能一定减小。(√) (3)当分子间距离为r<r0时，分子力为斥力，这时减小分子间的距离，分子势能增大。(√) (4)物体的温度和体积变化时，内能一般会发生改变。(√) (5)物体没有机械能时，肯定没有内能。(×) (6)内能可以等于零。(×) 2．(1)1千克10 ℃的水比10千克2 ℃的铁的分子的平均动能__________。 (2)质量和体积一定的同种气体，温度高时气体的内能__________。 答案：(1)大　(2)大 一、分子动能 [问题探究] 　如图所示，分别向10 ℃和50 ℃的水中滴入一滴红墨水，请问： (1)哪杯水中红墨水扩散得快？ (2)哪杯水中分子的平均动能大？ (3)影响分子平均动能的因素是什么？ 答案：(1)50 ℃的水　(2)50 ℃的水 (3)温度 [知识深化] 1．单个分子的动能 (1)定义：组成物体的每个分子都在不停地做无规则运动，因此分子具有动能。 (2)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，就是同一个分子，在不同时刻的动能也可能是不同的，所以单个分子的动能没有意义。 2．分子的平均动能 (1)定义：物体内所有分子的动能的平均值。 (2)决定因素：物体的温度是分子热运动的平均动能的标志。温度升高的物体，分子的平均动能增大，但不是每个分子的动能都增大，个别分子的动能可能减小或不变，但总体上所有分子的动能之和一定是增加的。 3．物体内分子的总动能 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。物体内分子的总动能与物体的温度和所含分子总数有关。 　下列说法正确的是(　　) 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定向移动具有的动能 C.100个分子动能和势能的总和就是这100个分子的内能 D．温度高的物体分子平均速率小于温度低的同种物质组成的物体分子平均速率 解析：选A　温度是分子平均动能的标志，温度相同，则物体分子的平均动能相同，A项正确；分子动能是分子做无规则运动而具有的动能，B项错误；物体内能是对大量分子而言的，对于100个分子而言毫无意义，C项错误；若组成物体的物质相同，温度高的物体分子平均速率大，D项错误。 　(多选)当氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法中正确的是(　　) 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 解析：选AB　因温度是气体分子平均动能的标志，故A项正确；因为氢气分子和氧气分子的质量不同，且m(H)<m(O)，平均动能又相等，所以分子质量大的平均速率小，故D项错误，B项正确；虽然气体质量和分子平均动能都相等，但由于气体摩尔质量不同，分子数目就不等，故C项错误。 由于不同物质的分子质量一般不同，所以同一温度下，不同物质的分子热运动的平均动能相同，但平均速率一般不同。　　 二、分子势能 [问题探究] 　分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图所示(取无穷远处分子势能Ep＝0)。 (1)当r>r0时，分子间表现为什么力？若r增大，分子力做什么功？分子势能怎么变化？ (2)当r<r0时，分子间表现为什么力？若r减小，分子力做什么功？分子势能怎么变化？ (3)当r＝r0时，分子势能有什么特点？ 答案：(1)分子力为引力，若r增大，分子力做负功，分子势能增大。 (2)分子力为斥力，若r减小，分子力做负功，分子势能增大。 (3)分子势能最小。 [知识深化] 1．分子势能的零势能点 由分子间的相对位置决定，随分子间距离的变化而变化。分子势能是标量，具体的值与零势能点的选择有关。一般取分子间距离为无穷远时分子势能为零，两分子间距离r>10r0时，分子势能均视为零。 2．分子势能与分子力做功的关系 (1)分子力做正功时，分子势能减小，分子力做负功时，分子势能增大。 (2)根据分子力做功与分子间距离变化的关系可知分子势能的变化特点(类比重力做功与重力势能变化的关系)。 3．分子势能与分子间距离的关系 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，分子势能都增大。 r>r0 分子力表现为引力，随着r的增大，分子势能增大。 r>10r0 分子势能均视为零。 4.分子势能与体积的关系 由于物体分子间距离变化的宏观表现为物体的体积变化，所以微观的分子势能变化对应于宏观的物体体积变化。例如，同样是物体体积增大，有时体现为分子势能增加(在r>r0范围内)；有时体现为分子势能减少(在r<r0范围内)；一般我们说，物体体积变化了，其对应的分子势能也变化了。但分析与判定的关键要看体积变化过程中分子力是做正功，还是做负功。 　　　(多选)如图所示，甲分子固定于坐标原点O，乙分子位于横轴上，甲、乙两分子间引力、斥力及分子势能的大小变化情况分别如图中三条曲线所示，A、B、C、D为横轴上四个特殊的位置；E为两虚线a、b的交点，现把乙分子从A处由静止释放，则由图像可知(　　) A．虚线a为分子间斥力变化图线，交点E的横坐标代表乙分子到达该点时分子力为零 B．虚线b为分子间引力变化图线，表明分子间引力随距离增大而减小 C．实线c为分子势能的变化图线，乙分子到达C点时分子势能最小 D．乙分子从A到C的运动过程中一直做加速运动 解析：选AB　分子间的引力和斥力都随分子间距离r的增大而减小，随分子间距离r的减小而增大，但斥力变化得快，故虚线a为分子间斥力变化图线，虚线b为分子间引力变化图线，交点E说明分子间的引力、斥力大小相等，分子力为零，选项A、B正确；实线c为分子势能的变化图线，乙分子到达B点时分子势能最小，为负值，选项C错误；乙分子从A到C的运动过程中，分子力先表现为引力，到达B点后表现为斥力，所以乙分子先做加速运动，后做减速运动，选项D错误。 　　 (1)不论物质是否相同，只要温度相同，分子的平均动能就相同。 (2)温度升高，分子的平均动能增大，但并不是所有分子的动能都增大，个别分子的动能可能不变，也可能减小。 (3)温度是分子平均动能的标志，或者说是量度，温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应。　　 [针对训练] 1．两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是(　　) A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小 B．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能减小 C．在r<r0阶段，F做正功，分子动能减小，势能减小 D．在r＝r0时，分子势能为零 解析：选A　r0为分子间的平衡距离，在r>r0阶段，分子力表现为引力，相互靠近时F做正功，分子动能增加，势能减小，故A正确；当r<r0时，分子间的作用力表现为斥力，F做负功，分子动能减小，势能增大，故B、C错误；在r＝r0时，分子势能最小，小于零，故D错误。 三、内能 [问题探究] 小孩从滑梯上滑下来，感觉屁股热。 试探究：(1)小孩为什么有这种感觉？ (2)从能量转化和转移的角度解释一下？ 答案：(1)小孩的臀部，内能增加，温度升高，感觉热。 (2)机械能转化为内能。 [知识深化] 1．内能的决定因素 (1)从宏观上看：物体内能的大小由物体的物质的量、温度和体积三个因素决定。 (2)从微观上看：物体的内能由组成物体的分子总数、分子热运动的平均动能和分子势能三个因素决定。 2．温度、内能和热量的比较 (1)温度宏观上表示物体的冷热程度，是分子平均动能的标志。 (2)内能是物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。 (3)热量指在传热过程中，物体吸收或放出热的多少。 3．内能与机械能的区别和联系 类别 内能 机械能 对应的运 动形式 微观分子的热运动 宏观物体的机械运动 能量常 见形式 分子平均动能、分子势能 物体的动能、重力势能或弹性势能 续表 能量存在 的原因 物体内大量分子的热运动和分子间的相互作用 物体做机械运动、被举高或发生形变 影响因素 物质的量、物体的温度、物体的体积及物态 物体的质量、机械运动的速度、离地高度(或相对于零势能面的高度)或弹性形变程度 是否为零 永远不可能等于零 一定条件下可以等于零 联系 在一定条件下可以相互转化 　　　下列关于物体内能的说法正确的是(　　) A．一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能 B．物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和叫作物体的内能 C．当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化 D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大 解析：选B　内能是物体中所有分子热运动动能分子势能的总和，A错误，B正确；机械能与内能是两种不同形式的能，物体的机械能发生变化，内能不一定变化，C错误；温度高的物体比温度低的物体的分子平均动能大。但内能不一定大，D错误。 1．质量是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，分子的平均动能相同 B．它们的分子数目相同，分子的平均动能不相同，氧气的分子质量大，所以平均动能大 C．它们的分子数目相同，由于水蒸气比水多吸收了热，所以水蒸气分子的平均动能大于水分子的平均动能 D．它们的分子数目不相同，氧气分子的平均速率大于水蒸气分子的平均速率 解析：选A　18 g的水，18 g的水蒸气，32 g的氧气的物质的量都是1 mol，分子数相同；分子平均动能是由温度决定的，温度都一样，其分子的平均动能也相同，在平均动能相同的情况下，氧气分子的质量大，所以平均速率小，故A正确，B、C、D错误。 2．如图所示，用F表示两分子间的作用力，Ep表示分子间的分子势能，在两个分子之间的距离由10r0变为r0的过程中(　　) A．F不断增大 B．F先增大后减小 C．F对分子一直负功 D．Ep先增大后减小 解析：选B　分子间的作用力是矢量，其正负不表示大小；分子势能是标量，其正负表示大小。由题图可知，两分子之间的距离由10r0变为r0的过程中，F先增大后减小至0，EP则不断减小，故B正确，A、D错误；该过程中，分子力始终为引力，做正功，故C错误。 3．(多选)如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲、乙两分子间作用力与距离关系的函数图像如图，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加速，从r2到r1减速 C．乙分子从r3到r1过程中，其加速度先变大后变小 D．乙分子从r3到r1过程中，两分子间的分子势能一直减小 解析：选ACD　在r＞r1时，分子力表现为引力，当r＜r1时，分子力表现为斥力，故从r3到r1做加速运动，故A正确，B错误。乙分子从r3到r1的过程中，分子力先增大后减小，故加速度先增大后减小，故C正确，从r3到r1，分子力一直做正功，分子势能一直减小，故D正确。故选ACD。 4．(多选)关于内能和机械能的下列说法，正确的是(　　) A．物体的机械能增大，其内能一定增大 B．物体的机械能损失时，内能却可能增加 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零，内能不可以为零 解析：选BD　内能和机械能是两种不同形式的能，内能由物体分子状态决定，而机械能由物体的质量、宏观速度、相对地面高度或弹性形变程度决定，二者决定因素是不同的。物体被举高，机械能增大，若温度降低，内能可能减小，故A错误；物体克服空气阻力匀速下降，机械能减小，而摩擦生热，物体温度升高，内能会增大，故B正确；物体静止时，温度降低，内能减小，而物体的机械能不变，故C错误；物体内分子永不停息地做无规则运动，内能不可能为零，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $