2020-2021学年新教材物理人教版选择性必修三学案1.4分子动能和分子势能.pdf

4.分子动能和分子势能 教学设计高端引领 新课导入 人造地球卫星从近地点向远地点运动时,其动能逐渐减小,重力势能逐渐增大,那么组成卫星的物质的分子动能和分子势能怎样变化呢?教学建议 本节课从微观角度认识分子动能和分子势能。(1)这节课中要让学生建立:分子动能、分子平均动能、分子势能、物体内能等四个以上物理概念,又要让学生理解两个物理规律:分子平均动能与温度的关系,分子势能与分子间距离的关系。(2)了解分子由于热运动而具有的动能,认识到温度是大量分子热运动的宏观表现,是分子平均动能的标志。在分子平均动能与温度关系的讲授中,渗透统计的方法。(3)类比两小球的弹簧模型,加深对分子势能与分子力以及分子力做功的关系,在分子势能与分子间距离的关系上要渗透归纳推理方法。(4)通过对物体内能的理解,加深对分子的平均动能、势能的认识,了解物体的内能与物体的体积和温度的联系。课 程 标 准 素 养 目 标 1.了解分子动能、分 1.了解温度是分子热运动平均动能的标志,是微 子势能和内能概念。2.了解内能和机械能的区别。观粒子热运动的宏观表现。(物理观念)2.了解什么是分子势能。(物理观念)3.知道什么是物体的内能,了解内能和机械能的区别。(物理观念)4.理解分子力做功的特点。(科学思维)5.理解物体的内能与哪个宏观量有关。(科学思维)6.探究分子力做功与分子势能变化的关系。(科学探究)必备知识素养奠基 一、分子动能 1.分子动能:分子不停地做无规则运动,做热运动的分子也具有动能。2.平均动能:所有分子的动能的平均值。温度越高,分子热运动的平均动能越大;温度越低,分子热运动的平均动能越小。二、分子势能 1.分子势能:由于分子间存在着相互作用力,所以分子具有由它们的相对位置决定的势能,这就是分子势能。2.分子势能与分子间距离的关系:(1)当分子间距离r大于r0时,分子间的相互作用力表现为引力,要增大分子间的距离,必须克服引力做功,因此分子势能随着分子间距离的增大而增大。(2)当分子间距离r小于r0时,分子间的相互作用力表现为斥力,要减小 分子间的距离,必须克服斥力做功,因此分子势能随分子间距离的减小而增大。3.物体的体积变化时,分子间距离发生变化,分子势能随着发生变化,可见分子势能跟物体的体积有关。4.下列关于分子势能与分子间距离关系的说法中正确的是。两分子间距为 r0时分子势能最小。分子势能随着分子间距的增大而增大。分子势能随着分子间距的增大而减小。分子势能可以为正值、负值、零。三、内能 思考 在水平地面上滚动的足球,球内的气体分子在做无规则热运动的同时,还共同参与水平地面上的机械运动。当足球静止在地面上时足球内的气体还具有什么形式的能呢?提示:足球内的气体具有内能。1.物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和,叫作物体的内能,对于给定的某种物体,其内能大小跟物体的质量、温度和体积有关。2.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,它是由物体的机械运动决定的。3.下列关于内能的说法正确的是。物体的温度越高,内能越大。机械能越大的物体内能越大。气体的内能不为 0(分子间距在 10r0左右)。物体的体积越大,内能就越大。关键能力素养形成 一 分子动能和分子势能的理解 1.单个分子的动能: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,即使是同一个分子,在不同时刻的动能也是不同的,所以单个分子的动能没有意义。2.分子热运动的平均动能:(1)热现象研究的是大量分子运动的宏观表现,有意义的是物体内所有分子热运动的平均动能。(2)温度是分子热运动的平均动能的标志,分子动理论使我们懂得了温度的微观意义,在相同温度下,各种物质分子热运动的平均动能都相同,由于不同物质分子的质量不一定相同,因此相同温度时不同物质分子热运动的平均速率不一定相同。3.分子势能:(1)组成物质的分子间存在相互作用力,分子间具有由它们的相对位置决定的势能,这种势能叫作分子势能。(2)分子势能的特点:由分子间相对位置决定的能量,随分子间距的变化而变化,分子势能是标量,分子势能的正负号表示大小。4.分子势能的大小和分子间距离的关系:(1)如果取两个分子间相距无穷远时(此时分子间作用力可忽略不计)的分子势能为零,分子势能Ep与分子间距离r的关系可用如图所示的曲线表示,从图线上可看出,当 r=r0时,分子势能最小。(2)当分子间的距离 rr0时,分子间的作用力表现为引力,分子间的距离增大时,分子力做负功,因此分子势能随分子间距离的增大而增大。(3)当分子间的距离 rr0范围内),有时体现为分子势能减小(在 rr0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。【典例示范】(2020全国卷)分子间作用力 F 与分子间距 r 的关系如图所示,r=r1时,F=0。分子间势能由 r 决定,规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零。若一分子固定于原点 O,另一分子从距 O 点很远处向 O 点运动,在两分子间距减小到 r2的过程中,势能_(选填“减小”“不变”或“增大”);在间距由 r2减小到 r1的过程中,势能_(选填“减 小”“不 变”或“增 大”);在 间 距 等 于 r1处,势 能_(选填“大于”“等于”或“小于”)零。【解析】从距 O 点很远处向 O 点运动,两分子间距减小到 r2的过程中,分子间体现引力,引力做正功,分子势能减小;由 r2减小到 r1的过程中,分子间仍然体现引力,引力做正功,分子势能减小;在间距等于 r1之前,分子势能一直减小,取无穷远处分子间势能为零,则在 r1处分子势能小于零。答案:减小 减小 小于【误区警示】分子力做功与分子势能变化关系的理解 (1)分子力做功是分子势能变化的唯一原因。(2)势能的大小与物体间距离的关系有一个共同的规律:不论是重力势能、弹性势能、电势能、还是分子势能,当它们之间的距离发生变化时,它们之间的相互作用力如果是做正功,势能都要减小;如果是做负功,势能都要增大。(3)分子势能最小与分子势能为零绝不是一回事,分子势能的正、负代表大小,如 Ep=-10 J 小于 Ep=5 J。【素养训练】1.(多选)如图所示,甲分子固定在坐标原点 O,乙分子沿 x 轴运动,两分子间的分子势能 Ep与两分子间距离的变化关系如图中曲线所示,图中分子势能的最小值为-E0。若两分子所具有的总能量为 0,则下列说法中正确的是()A.乙分子在 P 点(x=x2)时,其动能为 E0 B.乙分子在 P 点(x=x2)时,加速度最大 C.乙分子在 Q 点(x=x1)时,处于平衡状态 D.乙分子的运动范围为 xx1【解析】选 A、D。两分子所具有的总能量为 0,乙分子在 P 点时,分子势能为-E0,故分子动能为 E0,故 A 正确;乙分子在 P 点时,分子力为零,故加速度为零、最小,故 B 错误;乙分子在 Q 点时分子势能为零,但此时受分子力不为零,故不是平衡状态,故C错误;当乙分子运动至Q点(x=x1)时,其分子势能为零,故其分子动能也为零,分子间距最小,而后向分子间距变大的方向运动,故乙分子的运动范围为 xx1,故 D 正确。2.关于物体的温度与分子动能的关系,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【解析】选 C。某种物体温度是 0,物体中分子的平均动能并不为零,A项错误;因为分子在永不停息地运动,从微观上讲,分子运动快慢是有差别的,各个分子运动的快慢无法跟踪测量,而温度的概念是建立在统计规律的基础上的,在一定温度下,分子速率大小按一定的统计规律分布,当温度升高时,说明分子运动激烈,分子平均动能增大,速率小的分子数目减小,速率大的分子数目增多,但并不是所有分子的动能都增大,故 B 错误,C 正确;物体的运动速度越大,说明物体的动能越大,这并不能代表物体内部分子的热运动越剧烈,则物体的温度不一定高,选项 D错误。【补偿训练】(多选)关于分子势能与分子间距离之间的关系,下列判断正确的是()A.当 rr0时,r 越小,则分子势能 Ep越大 C.当 r=r0时,分子势能 Ep最小 D.当 r时,分子势能 Ep最小 【解析】选 A、C。当 rr0时,分子力表现为引力,r 减小时分子力做正功,分子势能减小,B 错误;当 r=r0时,分子力减小为零,分子势能也减小到最小,C正确;当r时,分子力做负功,分子势能逐渐增大,D错误。二 内能和机械能的区别和联系 1.内能是对大量分子而言的,对单个分子来说无意义。2.物体内能的决定因素:(1)从宏观上看,物体内能的大小由物体的质量、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。3.内能与机械能的区别和联系: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 能量常见的形式 分子动能、分子势能 物体的动能、重力势能或弹性势能 能量的决定因素 由物体内大量分子的无规则热运动和分子间相对位置决定 由物体做机械运动、与地球相对位置或物体形变决定 影响因素 物质的量、物体的温 物体做机械运动的速度、离地 度和体积 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【思考讨论】一架飞机在空中以某一速度飞行,由于飞机中所有分子都具有飞机的速度,所以分子具有动能,又由于飞机在空中,飞机中所有分子都离地面有一定高度,以地面为零势能面,所以分子具有势能,上述动能和势能的总和就是飞机的内能,当飞机停在地上时,飞机的内能为零,以上说法是否正确?为什么?提示:不正确,飞机的内能不是飞机的机械能,它是飞机中所有分子做无规则热运动和由于分子之间的相互作用而具有的势能的总和,与飞机的高度和飞机速度无关。【典例示范】关于物体的内能,下列说法中正确的是()A.相同质量的两种物质,升高相同的温度,内能增量一定相同 B.一定质量 0 的水结成 0 的冰,内能一定减小 C.静止的物体内能一定为零 D.相同质量的两个同种物体,运动物体的内能一定大于静止物体的内能【解析】选 B。质量相同的两种物质,升高相同的温度时,分子总数和体积变化情况不一定相同,故选项 A 错;水结成冰要对外放热,因此 0 的 水结成 0 的冰,水的内能一定大于冰的内能,选项 B 正确;内能是物体所有分子动能和势能的总和,没有内能为零的物体存在,故C错误;内能和机械能无关,是两个不相干的量,选项 D 错。【误区警示】内能和机械能与运动状态的关系(1)影响物体内能的因素有温度、体积和物质的量。(2)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。(3)研究热现象时,一般不考虑机械能,但在机械运动中有摩擦时,存在内能与机械能的相互转化,这时要考虑机械能。【素养训练】1.(多选)下列说法正确的是()A.分子的动能与分子的势能的和叫作这个分子的内能 B.物体的分子势能由物体的温度和体积决定 C.物体的速度增大时,物体的内能可能减小 D.物体做减速运动时,其温度可能增加【解析】选 C、D。内能是物体中所有分子热运动平均动能与分子势能的总和,A 错误;宏观上,物体的分子势能与物体的体积有关,与物体的温度无关,B 错误;物体的内能与其速度无关,所以物体的速度增大,内能可能增大,也可能减小,速度减小,其温度可能升高,也可能降低,C、D正确。2.(多选)下列说法正确的是()A.橡皮筋被拉伸时,分子间势能增加 B.1 kg 0 的水内能比 1 kg 0 的冰内能大 C.静止的物体其分子的平均动能为零 D.A、B 两物体温度相同,内能可能不同,分子的平均动能也可能不同【解析】选 A、B。橡皮筋被拉伸时,要克服分子力做功,故其分子势能增加,A 正确;1 kg 0 的水变成 0 的冰要放出热量,故 1 kg 0 的水内能大,B 正确;静止的物体动能为零,但分子在永不停息地运动,其平均动能不为零,同理被举高的物体,势能增加,但其体积不变,分子势能不变,故 C 错;温度是分子热运动的平均动能的标志,不同物体,温度相同,分子的平均动能相同,故 D 错。【拓展例题】考查内容:内能和机械能的关系与转化【典例】关于内能和机械能的关系与转化,以下说法正确的是()A.机械能是内能的宏观反映 B.内能是机械能的微观表现 C.在一定条件下内能和机械能可以相互转化 D.机械能可以转化为内能,但内能不能转化为机械能【解析】选 C。机械能是宏观物体的做功本领的反映,是由于宏观物体的运动以及相互作用而存在的能量,内能是组成宏观物体的微观粒子由于运动和相互作用而具有的能量,它们没有 A、B 选项描述的这种联系;机械能通过摩擦或做功可以转化为内能,内能也可以通过热机转化为机械能,C 正确,D 错误。【课堂回眸】课堂检测素养达标 1.关于温度的概念,下列说法中正确的是()A.温度是分子平均动能的标志,物体的温度高,则分子的平均动能大 B.温度是分子平均动能的标志,温度升高,则物体的每一个分子的动能都增大 C.某物体当其内能增大时,则该物体的温度一定升高 D.甲物体的温度比乙物体高,则甲物体分子的平均速率比乙物体分子的平均速率大【解析】选 A。温度是分子平均动能的标志,温度升高,分子的平均动能增大,但有些分子的动能可能减小,A 正确,B 错误;内能增大,温度不一定升高,因为增加内能可以只通过改变分子势能,C 错误;不同种类的分子,分子质量不一定相等,因此无法比较分子的平均速率大小,D 错误。2.下列四幅图中,能正确反映分子间作用力F和分子势能Ep随分子间距离 r 变化关系的图线是()【解析】选 B。当 r=r0时引力与斥力的合力为零,即分子力为零,A、D 两项错误;当分子间的距离趋于 r0时,分子力做正功,分子势能减少,r=r0时分子势能最小,B 项正确,C 项错误。3.下列关于温度、内能和热量的说法正确的是()A.物体的温度越高,所含热量越多 B.物体的内能越大,所含热量越多 C.物体的温度越高,它的分子热运动的平均动能越大 D.物体的温度不变,其内能也不变【解析】选 C。物体的内能是一个状态量,而热量是一个过程量,物体之间只发生热传递时内能的改变量等于热量,故选项 A、B 均错误;温度越高,分子的平均动能越大,选项 C 正确;物体的内能由物质的量、温度、体积等因素共同决定,温度不变时,内能可能改变,故选项 D 错误。4.足球内充入2个标准大气压的气体,下列关于足球内能的说法中正确的是()A.在草地上足球的速度减小,其内能也减小 B.足球的容积不变,内部气体的温度降低,则内部气体的内能将减小 C.当足球高度发生变化时,足球内气体的分子势能也会发生变化 D.在 0 的环境内,足球内气体没有内能【解题指南】解答本题应注意以下两点:(1)因为温度是分子平均动能的唯一标志,0 的物体中分子的平均动能也有一定值,并不为零。(2)区分物体内分子做无规则热运动的速度和物体做机械运动的速度。【解析】选 B。物体的内能与物体的机械运动无关,故 A 错误。当气体 的体积不变而温度降低时,气体的分子势能不变,分子的平均动能减小,气体的内能减小,故 B 正确。分子势能与空间位置无关,故 C 错误;任何物体都有内能,故 D 错误。情境: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。F0 为斥力,Fr0范围内,分子力表现为引力,当分子间距离减小时分子力先增大后减小,根据牛顿第二定律,加速度也先增大后减小。(2)只有分子力做功时,分子的动能和分子势能的总和恒定吗?提示:分子力同重力的特点一样,只有分子力做功时分子势能和分子动能的总和保持不变。