第1章 第4节 分子间的相互作用力-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(鲁科版)

第4节　分子间的相互作用力 1．知道分子间存在相互作用力，并理解分子力与分子间距的关系。　2.掌握分子势能的概念，理解分子力做功对应分子势能的变化。知道分子势能跟物体体积有关。　3.理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线。　4.知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关。　 一、分子间存在相互作用力 分子之间存在引力，正是分子之间引力的作用，使大量分子在一定条件下聚集在一起形成固体或液体；但分子间有________，却难以被压缩，这种情况下，分子之间的作用力表现为________。 二、分子间作用力与距离的关系 1．设想有两个分子，一个分子位于O点，另一个分子位于距离第一个分子r的地方。当r<r0时，分子间作用力表现为________；当r>r0时，分子间作用力表现为________；当r＝r0时，处于________位置，两分子间相互作用力表现为零，如图所示(r0的数量级为10－10 m)。 2．固体、液体分子间的距离通常在r0附近，多数情况下，液体分子间的距离比固体分子间的距离略大。气体分子间的距离更大，一般达到10r0以上，所以气体分子间的作用力很小，通常可以忽略不计。 三、内能 1．分子势能：两个分子之间有引力或斥力的作用，它们组成的系统也具有势能。我们把分子系统具有的势能叫作______________。分子势能的大小由分子间的相对位置决定。 2．内能：一切分子都在永不停息地做无规则的热运动，物体中________________的热运动的动能和分子势能的总和，称为物体的________________，也称物体的内能。 3．影响内能的因素 ________反映了分子平均动能的大小；而________________又跟分子间的距离有关。因此，物体的内能与其所处的状态(如温度、体积等)有关。 4．内能与机械能的区别 内能是大量分子热运动的动能与分子势能的总和，用________、________等宏观物理量来表征。机械能是物体做______________________具有的能量，是物体做宏观运动的动能与势能的总和，与________无关。在热现象研究中，一般不考虑物体的机械能。 四、分子动理论 1．内容：物体是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规则运动；分子间存在着引力、斥力。 2．意义：分子动理论是热力学的基础，用分子动理论可以解释很多热现象和物质的性质。 判断下列说法是否正确。 (1)当r＝r0时，分子间的相互作用力为零。(　　) (2)当r<r0时，分子间只有斥力，没有引力。(　　) (3)分子势能可以为正值、负值、零。(　　) (4)一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能。(　　) (5)当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)× [答案自填] 间隙　斥力　斥力　引力　平衡　分子势能　所有分子　热力学能　温度 分子势能　温度　体积　宏观运动　温度 知识点一　分子间的相互作用力 1.如图所示，把一块洗净的玻璃板吊在弹簧测力计下面，使玻璃板水平地接触水面，若想使玻璃板离开水面，在拉出玻璃板时，弹簧测力计的示数与玻璃板所受的重力相等吗？为什么？ 2．分子间存在着相互作用力，有时表现为引力，有时表现为斥力。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吗？ [提示]　1.不相等。此时玻璃板和液面分子间的作用力表现为引力，所以在拉玻璃板离开水面时弹簧测力计的示数要大于玻璃板所受的重力。 2．不是。虽然两物体紧靠在一起，但绝大部分分子间距离仍很大，远达不到分子斥力起作用的距离。　 1．对分子间作用力的理解 分子间的作用力是分子引力和分子斥力的合力，且分子引力和分子斥力是同时存在的。 2．分子力与分子间距离变化的关系 (1)r0的意义 分子间距离r＝r0时，分子间引力与斥力大小相等，分子力为0，所以分子间距离等于r0(数量级为10－10m)的位置叫作平衡位置。 (2)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(如图所示)。 ①当r＝r0时，F引＝F斥，F＝0； ②当r＜r 0时，F斥＞F引，分子力F表现为斥力； ③当r＞r 0时，F斥＜F引，分子力F表现为引力； ④当r≥10r0(10－9m)时，F引和F斥都十分微弱，可认为分子间无相互作用力，所以分子力F＝0。 (3)当r＜r0时，分子力随距离的增大而减小，当r＞r0时，分子力随距离的增大先增大后减小。 　(多选)如图所示，甲分子固定于坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲、乙两分子间的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示，F>0表示斥力，F<0表示引力。a、b、c、d为x轴上四个特定的位置，现将乙分子从a点由静止释放，在其从a点移动到d的过程中，下列说法正确的是(　　) A.从a到c过程中，分子力表现为引力 B．在c点处，乙分子的速度最大 C．在c点处，乙分子的加速度最大 D．从b到c过程中，两分子间的分子力逐渐增大 [解析]　由题图可知，从a到c过程中，F<0，分子力表现为引力，乙分子做加速运动；从c到d过程，分子力表现为斥力，乙分子做减速运动，故在c点处，乙分子的速度最大，A、B正确。由题图可知，在c点处，乙分子受到的分子力为零，乙分子的加速度为零，C错误；从b到c过程中，两分子间的分子力逐渐减小，D错误。 [答案]　AB 知识点二　分子势能 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，分子间作用力表现为什么力？若r增大，分子力做什么功？分子势能怎么变化？ (2)当r＜r0时，分子间作用力表现为什么力？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？ [提示]　(1)分子间作用力表现为引力，若r增大，分子力做负功，分子势能增加。 (2)分子间作用力表现为斥力，若r减小，分子力做负功，分子势能增加。 (3)分子势能最小。　 1．分子势能的变化规律 分子力做正功，分子势能减少，分子力做了多少正功，分子势能就减少多少；分子力做负功，分子势能增加，克服分子力做了多少功，分子势能就增加多少。 (1)r>r0时，r增大，分子势能增加，反之，减少。 (2)r<r0时，r增大，分子势能减少，反之，增加。 (3)r＝r0时，分子势能最小。 2．分子势能曲线 分子势能曲线如图所示，规定无穷远处分子势能为零。分子间距离从无穷远逐渐减小至r0的过程，分子间的合力为引力，合力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小，为负值。当分子间距离到达r0以后再继续减小，分子间合力为斥力，在分子间距离减小过程中，合力做负功，分子势能增大，其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正值，故r＝r0时分子势能最小。 从曲线上可看出：①在r<r0处，曲线比较陡，这是因为分子间的斥力随分子间距的减小而增加得快，分子势能的增加也就快。②在r>r0处，曲线比较缓，这是因为分子间的引力随分子间距的增大而变化得慢，分子势能的增加也就变慢。③在r＝r0处，分子势能最小，但不一定为零，因为零势能的位置是任意选定的。一般取无穷远处分子势能为零，分子势能最小位置是在r＝r0处，且为负值，故分子势能最小与分子势能为零绝不是一回事。 3．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宏观的物体体积变化。 角度1　对分子势能的理解 　如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子从位置x3处由静止释放后仅在分子间相互作用力下沿x轴运动，两分子间的分子势能Ep与两分子间距离x的变化关系如图中曲线所示。已知图中分子势能最小值为－E0，下列说法正确的是(　　) A．乙分子在位置x2时，加速度为0 B．乙分子在位置x1时，其动能最大 C．乙分子在位置x2时，动能等于E0 D．甲、乙分子的最小距离等于x1 [解析]　乙分子在 x2 时，分子势能最小，分子间距离为平衡距离，分子力为零，故加速度为零，此时速度最大，动能最大，由于从 x3 处(分子势能不为零)静止释放后仅在分子间相互作用力下沿x轴运动，故分子势能和动能之和不变，为负值，因在x2处分子势能为－E0，则此时(x2处)的动能小于 E0 ，故A正确，B、C错误；由于分子势能和动能之和不变，为负值，当乙分子运动到 x2 左侧某位置分子势能与 x3 处相等时，其分子动能为零，此时两分子间的距离最小，而后向分子间距变大的方向运动，因此甲、乙分子的最小距离一定大于 x1 ，故D错误。 [答案]　A 角度2　分子力和分子势能 　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，则下列说法正确的是(　　) A．在r＝r0时，分子势能最小，动能为零 B．在r＝r0时，分子势能为零 C.在r>r0阶段，F做正功，分子动能增大，势能减小 D．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小 [解析]　从无穷远处到r＝r0过程中，分子力做正功，分子势能一直减小，分子势能达到最小，而动能在不断增大，直至最大，则分子动能不为零，故A错误，C正确；由A项分析可知，r＝r0处的分子势能小于无穷远处的分子势能，而无穷远处分子势能为零，故B错误；在r<r0阶段，分子力做负功，分子势能增大，分子动能减小，故D错误。 [答案]　C 　如图所示，下列有关分子力和分子势能曲线的说法正确的是(　　) A．当r ＝ r0时，分子力为零，分子势能最小也为零 B．当r > r0时，分子力和分子势能都随距离的增大而增大 C．在两分子由无穷远逐渐靠近直至距离最小的过程中分子力先做正功后做负功 D．在两分子由无穷远逐渐靠近直至距离最小的过程中分子势能先增大，后减小，最后又增大 [解析]　由题图知，当r＝r0时，分子间作用力为零，此时分子势能不一定为零，A错误。由题图可知，当分子间距离r>r0时，分子力随分子间距离的增大先增大后减小，B错误。当r>r0时，分子力表现为引力；当r<r0时，分子力表现为斥力；则在两分子由无穷远逐渐靠近直到距离最小的过程中分子力先做正功再做负功，分子势能先减小后增大，C正确，D错误。 [答案]　C 知识点三　物体的内能 1．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，讨论某个分子的内能毫无意义。 ②任何物体的分子都在做无规则的热运动，分子间都有相互作用，所以任何物体都有内能，或者说任何物体的内能都不为零。 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)影响物体内能的因素 ①微观决定因素：分子的势能、分子的平均动能、分子的个数。 ②宏观决定因素：物体的体积、温度、物质的量。 2．内能与机械能的区别和联系 比较项目 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 能量常 见形式 分子动能、分子势能 物体动能、重力势能或弹性势能 能量存 在原因 由物体内大量分子的热运动和分子间相对位置决定 物体做机械运动和物体形变或被举高 影响 因素 物质的量、物体的温度和体积及物态 物体的机械运动的速度、离地高度(或相对于零势能面的高度)或弹性形变 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 角度1　对物体内能的理解 　关于物体的内能，下列叙述正确的是(　　) A．温度高的物体比温度低的物体内能大 B．物体的体积增大时，内能也增大 C．内能相同的物体，它们的分子平均动能一定相同 D．内能不相同的物体，它们的分子平均动能可能相同 [解析]　温度高的物体比温度低的物体分子的平均动能大，但分子数不一定多，分子势能不一定大，即物体的内能不一定大，故A错误；物体的体积增大时，分子势能改变，但不知道分子动能如何变化，故内能不一定增大，故B错误；内能相同的物体，说明分子势能和分子动能之和相等，它们的分子平均动能不一定相同，故C错误；内能不相同的物体，它们的温度可能相同，即它们的分子平均动能可能相同，故D正确。 [答案]　D 角度2　物体内能和机械能 　关于机械能和内能，下列说法正确的是(　　) A．机械能大的物体，其内能一定很大 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，机械能必然减小 D．物体的内能为零时，机械能可以不为零 [解析]　机械能和内能是两种不同形式的能，机械能包括物体的动能、重力势能和弹性势能，而内能是指所有分子动能和分子势能之和，与物体的温度、体积和物质的量有关。机械能大的物体其内能不一定大，机械能损失时，其内能可能增大、不变或减小，故A错误，B正确；物体具有机械能的大小与物体内能的大小无直接关系，物体的内能损失时，机械能可能增大、不变或减小，故C错误；由分子动理论知，物体的内能不能为零，机械能可以为零也可以不为零，故D错误。 [答案]　B 1．(分子间的相互作用力)(多选)下列说法正确的是(　　) A．水的体积很难被压缩，这是分子间存在斥力的宏观表现 B．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 C．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，这是分子间存在引力的宏观表现 D．用力拉铁棒而铁棒没断，是因为分子间存在引力 解析：选AD。水的体积很难被压缩，因为水分子间距离较小，分子间作用力表现为斥力，故A正确；气体总是很容易充满容器，这是分子热运动的结果，故B错误；马德堡半球用力很难拉开是大气压强作用的结果，故C错误；铁棒属于固体，固体分子间距较小，用力拉伸而没有断，说明分子间存在引力，故D正确。 2．(分子力、分子势能与内能)(2024·海南省直辖县级单位月考)关于分子间的作用力、分子势能以及内能的理解，下列说法正确的是(　　) A．随着分子间的距离减小，分子间的作用力一定增大 B．随着分子间的距离减小，分子势能一定增大 C．物体的内能越大，温度一定越高 D．温度越高，物体分子热运动的平均动能一定越大 解析：选D。当分子间距离r>r0时，分子间作用力表现为引力，随着分子间的距离减小，分子间的作用力可能先增大后减小，可能一直减小，分子力做正功，分子势能一定减小，故A、B错误；内能是物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和，内能除了与物体的温度有关，还与物体的质量、状态有关，所以内能越大，温度不一定越高，故C错误；温度越高，物体分子热运动的平均动能一定越大，故D正确。 3．(分子力、分子势能与内能)(2024·上海普陀期中)一定质量的乙醚液体全部蒸发，变为同温度的乙醚气体，在这一过程中(　　) A．分子间作用力增大 B．分子引力、分子斥力均变大 C．分子平均动能增大 D．分子势能增加 解析：选D。乙醚液体在蒸发过程中，分子间的距离变大，分子引力和分子斥力都会减小，但分子间的作用力先增大，后减小，故A、B错误；由于温度是分子平均动能的标志，乙醚液体在蒸发变为乙醚气体时，温度不变，所以分子平均动能不变，故C错误；乙醚液体蒸发过程中，乙醚分子要克服分子间的引力做功，分子势能增加，故D正确。 4．(物体的内能)关于物体的内能，下列说法正确的是(　　) A．机械能可以为零，但内能永远不为零 B．温度相同、质量相同的物体具有相同的内能 C．温度越高，物体的内能越大 D．0 ℃的冰的内能与等质量的0 ℃的水的内能相等 解析：选A。机械能是宏观能量，可以为零，而物体内的分子在永不停息地做无规则运动，且存在相互作用力，所以物体的内能永不为零，A正确；物体的内能与物质的量、温度和体积及物态有关，B、C、D错误。 5．(分子力与分子势能)(多选)(2024·北京四中期末)如图甲所示，让A分子不动，B分子从无穷远处逐渐靠近A。两个分子间的作用力F随r的变化关系如图乙所示，取无穷远处分子势能Ep＝0。在这个过程中，关于分子间作用力和分子势能的说法正确的是(　　) A．当分子间距离r>r0时，分子间的作用力表现为引力 B．当分子间距离r>r0时，分子间的作用力做正功，分子势能减小 C.当分子间距离r＝r0时，分子间的作用力为零，分子势能也为零 D．当分子间距离r<r0时，分子间的作用力做负功，分子势能增大 解析：选ABD。可以根据分子力做功判断分子势能的变化，分子力做正功，分子势能减小，分子力做负功，分子势能增加；r>r0，分子力表现为引力，r<r0，分子力表现为斥力；当r从无穷大开始减小，分子力做正功，分子势能减小，当r减小到r0继续减小，分子力做负功，分子势能增大，所以在r0处有最小势能，分子势能小于零。 学科网（北京）股份有限公司 $