4. 分子动能和分子势能（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第一章 分子动理论 选择性必修三•人教版 4. 分子动能和分子势能 本章将揭开物质最深邃的密码：从花粉颗粒的“布朗之舞”，到分子间引力的牵绊与斥力的对抗，我们将探寻“分子动理论”的三大基石——物质由大量微粒构成、微粒永不停息地无规则运动、微粒间存在复杂相互作用。这些原理如同交响乐的谱线，将微观粒子的混沌运动编织成宏观世界的秩序。当你透过实验与推演凝视这个活跃的微观宇宙，便会发现：每一粒尘埃都承载着星辰般的壮阔，每一寸寂静都暗藏永恒的沸腾。 导入新课 地面附近的物体所受的重力是G，由于重力做功具有跟路径无关的特点，所以存在重力势能。重力势能由地球和物体的相对位置决定。分子间的作用力做功是否也具有这一特点呢？ 物理观念 知道温度是分子热运动平均动能的标志。 科学思维 知道什么是分子势能，会分析分子力做功和分子势能变化的关系，分子势能与分子间距离关系。 科学探究 知道什么是内能，知道物体的内能与温度和体积有关，能够区别内能和机械能。 科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。 学习目标 重点难点 重点 1.温度与分子平均动能的关系。 2.分子势能随分子间距的变化规律 难点 分子势能与分子间作用力、间距的关联推导 一、分子动能 4. 分子动能和分子势能 一、分子动能 分子有势能吗？ 一、分子动能 1．分子动能：组成物体的分子由于热运动而具有的能叫做分子动能． 2．平均动能：物体里所有分子动能的平均值叫做分子热运动的平均动能 ． 一、分子动能 1.温度的宏观含义：温度是表示物体的冷热程度． 2.温度的微观含义（即从分子动理论的观点来看）:温度是物体分子热运动的平均动能的标志，温度越高，物体分子热运动的平均动能越大． 一、分子动能 【典例1】 (多选)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 一、分子动能 【解析】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同，故选项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，故选项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，故选项C错误。 二、分子势能 4. 分子动能和分子势能 二、分子势能 2.温度反映的是大量分子平均动能的大小，不能反映个别分子的动能大小，同一温度下，各个分子的动能不尽相同． 1.同一温度下，不同物质分子的平均动能都相同．但由于不同物质的分子质量不一定相同．所以分子热运动的平均速率也不一定相同． 二、分子势能 所有分子热运动的动能总和 等于分子的平均动能与分子数的乘积。 与分子的总个数和平均动能有关 与物质的量和温度有关 ①微观上看： ②宏观上看： 分子的总动能 二、分子势能 分子势能：分子间存在着相互作用力，分子间凭借相对位置所决定的能量叫分子势能。 设两个分子相距无穷远，我们可以规定它们的分子势能为0。让一个分子A不动，另一个分子B从无穷远处逐渐靠近A。在这个过程中，分子间的作用力做功，分子势能的大小发生改变。 二、分子势能 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，正、负表示的是大小，具体的值与零势能点的选取有关。 分子势能的影响因素 ①宏观上：分子势能跟物体的体积有关。 ②微观上：分子势能跟分子间距离r有关，分子势能与r 的关系不是单调变化的。 二、分子势能 （1）r＞r0时，当两分子间距离逐渐减小到r0过程中， ①分子力对分子做正功还是负功？ ②分子势能如何变化？ 分子势能减小 正功 二、分子势能 （2）r＜r0时，当两分子间距离由r0逐渐减小过程中， ①分子力对分子做正功还是负功？ ②分子势能如何变化？ 负功 分子势能增加 二、分子势能 （3）分子势能最小的位置 ①当两分子间距离r＝r0时，分子势能最小，但不为零 ②一般选取两分子间距离很大（ r＞10r0 ）时，分子势能为零． （4）分子势能与两分子之间的距离关系图 二、分子势能 【典例2】(2025·连云港市高二期中)半导体掺杂过程中，一个硅基分子固定于原点O，一个掺杂分子从很远处向O点靠近，分子间作用力F与分子间距r的关系如图所示。则掺杂分子 A.由远处到r1的过程中，分子间斥力先减小后增大 B.由远处到r1的过程中，分子间势能先减小后增大 C.由远处到r2时，分子间的势能最小 D.由r2到r1过程中，分子力与分子势能都在减小 二、分子势能 【解析】由远处到r1的过程中，分子间斥力一直增大，故A错误； 由远处到r1的过程中，分子力表现为引力，则分子力一直做正功，则分子间势能一直减小；分子距离小于r1时，分子力表现为斥力，则当分子距离从r1减小时，分子力做负功，分子势能增加，可知由远处到r1时，分子间的势能最小，故B、C错误； 由以上分析可知，由r2到r1过程中，分子力与分子势能都在减小，故D正确。 三、物体的内能 4. 分子动能和分子势能 三、物体的内能 1．物体的内能：物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能．也叫做物体的热力学能． 2．任何物体都具有内能．因为一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子所组成． 3．决定物体内能的因素 　（1）从宏观上看：物体内能的大小由物体的摩尔数、温度和体积三个因素决定． 　（2）从微观上看：物体内能的大小由组成物体的分子总数，分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定． 三、物体的内能 思考与讨论：物体下落的时候，物体中的分子在做无规则热运动的同时还共同参与竖直向下的落体运动。再如，地面上滚动的足球，球内的气体分子在做无规则热运动的同时，还共同参与水平面上的运动。当足球静止再地面上时，其中的气体分子是否具有能量呢？ 三、物体的内能 应当指出，组成物体的分子在做无规则的热运动，具有热运动的动能，它是内能的一部分；同时物体还可能做整体的运动，因此，还会具有动能，这是机械能的一部分。后者是由物体的机械运动决定的，它对物体的内能没有贡献。 三、物体的内能 物体的内能跟机械能的区别 比较对象 内能 机械能 对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体的机械运动 能量常见形式 分子动能、分子势能 物体动能、重力势能、弹性势能 能量存在的原因 物体内大量分子的热运动和分子间存在相互作用力 由于物体做机械运动和物体发生弹性形变或被举高 三、物体的内能 比较对象 内能 机械能 影响因素 物质的量、物体的温度和体积 物体的机械运动的速度、离地高度(或相对于参考平面的高度)、形变量 能否为零 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 4.物体的内能跟机械能的区别 三、物体的内能 项目 分子动理论观点 表达方式 存在形式 关系 温度 物体分子热运动平均动能的标志 只能说升高、降低、是多少；不能说传递转移 状态量 ①温度不变，内能不一定不変 ②内能增加，不一定升温 ③内能减小，不一定降温。 ④内能增加，不一定吸热 内能 所有分子，其分子动能和分子势能的和 具有；含有 状态量 热量 在热传递过程中能量转移的数量 不能说具有，含有、所含多少能量。要说吸收，放出多少能量 过程量 四、课堂总结 4. 分子动能和分子势能 分子动能 分子势能 内能 定义 分子无规则运动的动能 分子间有作用力，由分子间相对位置决定的势能 物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和 影响因素 微观 分子热运动的剧烈程度 分子距离 分子热运动剧烈程度 分子距离 分子个数 宏观 温度 体积 温度 体积 质量 五、练习与应用 4. 分子动能和分子势能 五、练习与应用 1.关于分子动能，正确的说法是(　　) A．某种物体的温度是0 ℃，说明物体中分子的平均动能为零 B．物体温度升高时，每个分子的动能都增大 C．物体温度升高时速率小的分子数目减少，速率大的分子数目增多 D．物体的运动速度越大，则物体的温度越高 五、练习与应用 【答案】C 【解析】温度是分子平均动能的标志，分子在永不停息地做无规则运动，物体中分子的平均动能不可能为零，A错误；物体温度升高时，分子平均动能增大，但对于单个分子，其动能可能减小，也可能增大，B错误；物体温度升高时，分子的平均动能增大，即速率大的分子数增多，速率小的分子数减少，C正确；物体运动速度的变化改变的是机械能，与分子的热运动无关，D错误． 五、练习与应用 2.(2023年海南卷)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．分子间距离小于r0且减小时，分子势能在减小 五、练习与应用 【答案】C 【解析】分子间距离大于r0，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处过程中，引力做正功，分子势能减小，则在r0处分子势能最小；继续减小距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大． 五、练习与应用 3.关于物体的内能，以下说法正确的是(　　) A．一架飞机以某一速度在空中飞行，由于组成飞机的所有分子都具有这一速度，所以分子具有动能，又由于所有分子都在高处，所有分子具有势能，所以上述分子的动能与势能的总和就是物体的内能 B．当物体的机械能为零时，其内能一定不为零 C．温度是物体内能的标志 D．内能指某个分子的动能和势能之和 五、练习与应用 【答案】B 【解析】飞机在高空飞行，具有动能和重力势能，即具有机械能，但飞机的内能与宏观的机械能无关，分子的动能和分子势能与宏观的动能和重力势能完全不同，A错误；因为一切物体都有内能，所以物体的机械能为零时，内能一定不为零，B正确；温度是分子平均动能的标志，不是物体内能的标志，C错误；内能是物体内部所有分子无规则运动的动能和分子势能的和，D错误． 六、提升训练 4. 分子动能和分子势能 六、提升训练 1.　(2025年宁波光华学校调研)在一个真空的钟罩中，用不导热的细线悬吊一个铁块，中午时铁块的温度是28 ℃，晚上铁块的温度是23 ℃.则铁块的内能(　　) A．变大 B．变小 C．不变 D．无法判断 六、提升训练 【答案】B 【解析】因为物体的内能与温度有关，当铁块的温度降低，其内能随之减小，故B正确． 六、提升训练 2．(2025年上海模拟)两个分子间的作用力随分子间距离的变化如图所示，当分子间距从r2变为r1的过程中 (　　) A．分子势能一直减小 B．分子势能先减小后增大 C．分子势能一直增大 D．分子势能先增大后减小 六、提升训练 【答案】B 【解析】由题图可知，当分子间距从r2变为r1的过程中，分子力体现为先引力，后斥力，所以分子力先做正功，后做负功，则分子势能先减小后增大，B正确． 六、提升训练 3．如图所示，将甲分子固定于坐标原点，乙分子从a处由静止释放(仅考虑分子间作用力)，下列说法正确的是(　　) A．乙分子从a到b分子势能增加 B．乙分子从b到c分子间作用力减小 C．乙分子位于b处时，速度最大 D．乙分子可以b为平衡位置在a、c间做往复运动 六、提升训练 【答案】C 【解析】两分子处于平衡位置r0处时分子势能最小．由图像可知，乙分子从a到b分子势能减小，A错误；乙分子从b到c分子间作用力先增大后减小，B错误；从a到b甲分子对乙分子力的合力为斥力，做正功，动能增大，速度增大，从b到c，甲分子对乙分子力的合力为引力，做负功，动能减小，速度减小，乙分子位于b处时，速度最大，C正确；乙分子到达无限远时速度为零，乙分子不会以b为平衡位置在a、c间做往复运动，D错误． $