新教材高中物理第一章分子動(dòng)理論第4節(jié)分子動(dòng)能和分子勢(shì)能學(xué)案新人教版選擇性必修第三冊(cè)

PAGEPAGE11第4節(jié)分子動(dòng)能和分子勢(shì)能課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.知道物體是由大量分子組成的,知道阿伏加德羅常數(shù),會(huì)用它進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算或估算。2.了解擴(kuò)散現(xiàn)象，觀察并能解釋布朗運(yùn)動(dòng),理解擴(kuò)散現(xiàn)象及布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因。知道什么是分子的熱運(yùn)動(dòng),理解分子熱運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系。3.知道分子間存在著空隙和相互作用力。通過(guò)圖像知道分子力與分子間距離的關(guān)系。4.了解分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。1.物理觀念：知道擴(kuò)散、布朗運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)及分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2.科學(xué)思維：理解物體是由大量分子組成的，理解擴(kuò)散現(xiàn)象與布朗運(yùn)動(dòng)的成因；培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；能用F-r圖像解釋分子力。3.科學(xué)探究：通過(guò)對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的探究，學(xué)會(huì)通過(guò)觀察物理現(xiàn)象，揭示其本質(zhì)，得出結(jié)論。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)會(huì)堅(jiān)持實(shí)事求是的態(tài)度，用實(shí)驗(yàn)方法探究問(wèn)題，培養(yǎng)探索科學(xué)的興趣。自主學(xué)習(xí)·必備知識(shí)教材研習(xí)教材原句要點(diǎn)一分子勢(shì)能分子間存在著相互作用力，可以證明分子間的作用力所做的功與路徑無(wú)關(guān)①，分子組成的系統(tǒng)具有分子勢(shì)能。要點(diǎn)二物體的內(nèi)能物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能②與分子勢(shì)能的總和，叫作物體的內(nèi)能。一般來(lái)說(shuō)，物體的溫度③和體積④變化時(shí)它的內(nèi)能都會(huì)隨之改變。自主思考①分子力做功與以前學(xué)過(guò)的哪種力相似，分子勢(shì)能又與哪種能量具有相似的特點(diǎn)？答案：提示分子力做功與重力、電場(chǎng)力做功相似，均與路徑無(wú)關(guān)，分子勢(shì)能同重力勢(shì)能、電勢(shì)能相似。②物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，其分子的熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能也越大嗎？答案：提示不是，分子的平均動(dòng)能與宏觀物體運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)。③如圖，一小孩從滑梯上滑下來(lái)，感覺(jué)屁股熱，這種現(xiàn)象怎么解釋？答案：提示小孩的臀部?jī)?nèi)能增加，溫度升高，感覺(jué)熱。④在一個(gè)恒溫的容器中，一個(gè)物體自由下落，它的內(nèi)能改變了嗎？答案：提示物體下落過(guò)程中，物體的體積沒(méi)有發(fā)生變化，所以分子勢(shì)能保持不變，內(nèi)能不變。名師點(diǎn)睛1.分子勢(shì)能的理解（1）由分子間的相對(duì)位置決定，隨分子間距離的變化而變化。（2）分子勢(shì)能是標(biāo)量，正、負(fù)表示的是大小，具體的值與零勢(shì)能點(diǎn)的選取有關(guān)。2.內(nèi)能的理解（1）內(nèi)能是一種與分子熱運(yùn)動(dòng)及分子間相互作用相關(guān)的能量形式，與物體宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，它取決于物質(zhì)的量、溫度、體積及物態(tài)。（2）研究熱現(xiàn)象時(shí)，一般不考慮機(jī)械能，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中有摩擦?xí)r，有可能發(fā)生機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。（3）物體溫度升高，內(nèi)能不一定增加；溫度不變，內(nèi)能可能改變；溫度降低，內(nèi)能可能增加。（4）組成任何物體的分子都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，所以任何物體都具有內(nèi)能?；?dòng)探究·關(guān)鍵能力探究點(diǎn)一分子動(dòng)能情境探究1.為什么研究分子動(dòng)能的時(shí)候主要關(guān)心大量分子的平均動(dòng)能？答案：提示分子動(dòng)能是指單個(gè)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，但分子是無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的，因此各個(gè)分子的動(dòng)能以及一個(gè)分子在不同時(shí)刻的動(dòng)能都不盡相同，所以研究單個(gè)分子的動(dòng)能沒(méi)有意義，我們主要關(guān)心的是大量分子的平均動(dòng)能。2.相同溫度的氧氣和氫氣，哪一個(gè)平均動(dòng)能大？哪一個(gè)平均速率大？答案：提示溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志，溫度相同，任何物體分子的平均動(dòng)能都相等。由Ek探究歸納1.單個(gè)分子的動(dòng)能（1）物體由大量分子組成，每個(gè)分子都有分子動(dòng)能且不為零。（2）分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，每個(gè)分子動(dòng)能大小不同并且時(shí)刻在變化。（3）熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)個(gè)別分子的動(dòng)能沒(méi)有實(shí)際意義。2.分子的平均動(dòng)能（1）溫度是大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，具有統(tǒng)計(jì)意義。溫度升高，分子平均動(dòng)能增大，但不是每一個(gè)分子的動(dòng)能都增大。個(gè)別分子動(dòng)能可能增大也可能減小，個(gè)別分子甚至幾萬(wàn)個(gè)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大小不受溫度影響，但總體上所有分子的動(dòng)能之和一定是增加的。（2）只要溫度相同，任何分子的平均動(dòng)能都相同。由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不一定相同，所以同一溫度下，不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的平均速率一般不相同。3.物體內(nèi)分子的總動(dòng)能分子的總動(dòng)能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和,它等于分子的平均動(dòng)能與分子數(shù)的乘積,即它與物體的溫度和所含的分子數(shù)目有關(guān)。探究應(yīng)用例（多選）關(guān)于分子的動(dòng)能，下列說(shuō)法中正確的是()A.只要溫度相同，任何物體分子的平均動(dòng)能都相同B.分子動(dòng)能指的是由于分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而具有的能C.物體中10個(gè)分子的動(dòng)能很大，這10個(gè)分子的溫度很高D.溫度低的物體中的每一個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率一定小于溫度高的物體中的每一個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率答案：A;B解析：溫度相同，任何物體分子的平均動(dòng)能都相同，故A項(xiàng)正確；分子動(dòng)能指的是由于分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而具有的能，故B項(xiàng)正確；物體溫度是對(duì)大量分子而言，對(duì)于10個(gè)這樣少數(shù)的分子無(wú)意義，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；溫度低的物體分子的平均速率?。ㄏ嗤镔|(zhì)），但具體到每一個(gè)分子的速率是不確定的，可能大于平均速率，也可能小于平均速率，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。解題感悟理解分子動(dòng)能的三點(diǎn)注意（1）溫度是分子平均動(dòng)能的“標(biāo)志”或者說(shuō)“量度”，溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)意義上的平均動(dòng)能相對(duì)應(yīng)，與單個(gè)分子的動(dòng)能沒(méi)有關(guān)系。（2）每個(gè)分子都有分子動(dòng)能且不為零，熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)個(gè)別分子動(dòng)能沒(méi)有實(shí)際意義。（3）溫度高的物體，分子的平均速率不一定大，還與分子質(zhì)量有關(guān)。遷移應(yīng)用1.對(duì)不同的物體而言，下列說(shuō)法中正確的是()A.高溫物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能一定比低溫物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能大B.高溫物體內(nèi)每一個(gè)分子的動(dòng)能一定大于低溫物體內(nèi)每一個(gè)分子的動(dòng)能C.高溫物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的平均速率一定比低溫物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的平均速率大D.高溫物體內(nèi)每一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速率一定大于低溫物體內(nèi)每一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速率答案：A解析：溫度高的物體，分子的平均動(dòng)能一定大，但分子的平均速率不一定大，因?yàn)椴煌镔|(zhì)分子的質(zhì)量不同；對(duì)單個(gè)分子的速率、動(dòng)能討論溫度是沒(méi)有意義的。探究點(diǎn)二分子勢(shì)能情境探究分子力F、分子勢(shì)能Ep與分子間距離r的關(guān)系圖線如圖所示（取無(wú)窮遠(yuǎn)處分子勢(shì)能E（1）當(dāng)r>r0時(shí)，分子間表現(xiàn)為什么力？若（2）當(dāng)r<r0時(shí)，分子間表現(xiàn)為什么力？若（3）當(dāng)r=r答案：提示（1）分子力為引力，若r增大，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大。（2）分子力為斥力，若r減小，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大。（3）當(dāng)r=r0時(shí)，分子勢(shì)能最小。當(dāng)分子間距離小于r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大。如果分子間距離大于r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢(shì)能隨分子間距離的增大而增大。從以上兩種情況綜合分析，分子間距離以探究歸納1.分子力做功與分子勢(shì)能的關(guān)系分子力做正功，分子勢(shì)能減少，分子力做了多少正功，分子勢(shì)能就減少多少；分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，克服分子力做了多少功，分子勢(shì)能就增加多少。2.分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系分子間距離r=r>r0，r<r0，分子力等于零表現(xiàn)為引力表現(xiàn)為斥力分子力做功—分子力做負(fù)功分子力做負(fù)功分子勢(shì)能最小隨分子間距離的增大而增大隨分子間距離的減小而增大3.分子勢(shì)能曲線分子勢(shì)能曲線如圖所示，規(guī)定無(wú)窮遠(yuǎn)處分子勢(shì)能為零。分子間距離從無(wú)窮遠(yuǎn)逐漸減小至r0的過(guò)程，分子間的合力為引力，合力做正功，分子勢(shì)能不斷減小，其數(shù)值將比零還小，為負(fù)值。當(dāng)分子間距離到達(dá)r0以后再繼續(xù)減小，分子間的合力為斥力，在分子間距離減小過(guò)程中，合力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大，其數(shù)值將從負(fù)值逐漸變大至零，甚至為正值，故從曲線上可看出：（1）在r<r0處，曲線比較陡，這是因?yàn)榉肿娱g的斥力隨分子間距的減小而增加得快，分子勢(shì)能的增加也就快。（2）在r>r0處，曲線比較緩，這是因?yàn)榉肿娱g的引力隨分子間距的增大而變化得慢，分子勢(shì)能的增加也就變慢。（3）在4.影響分子勢(shì)能的因素（1）宏觀上：分子勢(shì)能的大小與體積有關(guān)。一般體積變化，勢(shì)能就變化，但不能說(shuō)體積變大，勢(shì)能就變大。（2）微觀上：分子勢(shì)能與分子間的距離有關(guān)。5.分子勢(shì)能與體積的關(guān)系由于物體分子間距離變化的宏觀表現(xiàn)為物體的體積變化，所以微觀的分子勢(shì)能變化對(duì)應(yīng)宏觀的物體體積變化。例如，同樣是物體體積增大，有時(shí)體現(xiàn)為分子勢(shì)能增加（在r>r0范圍內(nèi)）；有時(shí)體現(xiàn)為分子勢(shì)能減?。ㄔ谔骄繎?yīng)用例（2021福建永安第一中學(xué)高三開(kāi)學(xué)考試）如圖所示，甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O，只在兩分子間的作用力作用下，乙分子沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，兩分子間的分子勢(shì)能Ep與兩分子間距離xA.乙分子在P點(diǎn)時(shí)加速度最大B.乙分子在Q點(diǎn)時(shí)分子勢(shì)能最小C.乙分子在Q點(diǎn)時(shí)處于平衡狀態(tài)D.乙分子在P點(diǎn)時(shí)分子動(dòng)能最大答案：D解析：由圖像可知，乙分子在P點(diǎn)(x=x2)時(shí)，分子勢(shì)能最小，此時(shí)分子處于平衡位置，分子引力與分子斥力大小相等，合力為零，加速度為零，速率最大，動(dòng)能最大，A項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確；由圖像可知，乙分子在Q點(diǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零，大于分子在P點(diǎn)的分子勢(shì)能，因此乙分子在Q點(diǎn)時(shí)分子勢(shì)能不是最小，B項(xiàng)錯(cuò)誤；乙分子在Q點(diǎn)(x=x1解題感悟分子勢(shì)能圖像問(wèn)題的解題技巧（1）首先要明確分子勢(shì)能、分子力與分子間距離關(guān)系圖像中拐點(diǎn)意義的不同。分子勢(shì)能圖像的最低點(diǎn)（最小值）對(duì)應(yīng)的距離是分子平衡距離r0，而分子力圖像的最低點(diǎn)（引力最大值）對(duì)應(yīng)的距離大于r0。分子勢(shì)能圖像與r軸交點(diǎn)的距離小于r0，分子力圖像與r（2）其次要把圖像上的信息轉(zhuǎn)化為分子間距離，再求解其他問(wèn)題。遷移應(yīng)用1.（多選）關(guān)于分子勢(shì)能，下列說(shuō)法正確的是()A.分子間作用力表現(xiàn)為引力時(shí)，分子間距離越小，分子勢(shì)能越小B.分子間作用力表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子間距離越小，分子勢(shì)能越小C.物體在熱脹冷縮時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化D.物體在做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子勢(shì)能越來(lái)越小答案：A;C解析：分子間的作用力表現(xiàn)為引力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做正功，分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而減小，A項(xiàng)正確；分子間作用力表現(xiàn)為斥力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大，B項(xiàng)錯(cuò)誤；物體在熱脹冷縮時(shí)，物體體積發(fā)生變化，說(shuō)明分子勢(shì)能發(fā)生變化，C項(xiàng)正確；物體在做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體重力勢(shì)能減小，但分子勢(shì)能與重力勢(shì)能無(wú)關(guān)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。2.如圖所示，甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O，乙分子位于x軸上，甲、乙兩分子間的作用力與兩分子間距離的關(guān)系如圖中曲線所示，F(xiàn)>0為斥力，F(xiàn)<0為引力。a、b、c、d為x軸上四個(gè)特定的位置，現(xiàn)將乙分子從a移動(dòng)到d的過(guò)程中，兩分子間的分子力和分子勢(shì)能同時(shí)都增大的階段是()A.從a到bB.從b到cC.從b至dD.從c到d答案：D解析：根據(jù)分子力做功與分子勢(shì)能的關(guān)系，分子力做正功，分子勢(shì)能減??；分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，可確定出所選階段。探究點(diǎn)三內(nèi)能情境探究1.如圖所示為某實(shí)驗(yàn)器材的結(jié)構(gòu)示意圖，金屬內(nèi)筒和隔熱外筒間封閉一定體積的氣體，內(nèi)筒中有水，在水加熱升溫的過(guò)程中(忽略液體和氣體的體積變化）。（1）氣體分子間引力、斥力怎樣變化？（2）是不是所有氣體分子運(yùn)動(dòng)速率都增大了？（3）氣體的內(nèi)能怎樣變化？答案：（1）封閉氣體分子數(shù)與體積不變，所以分子間平均距離不變，所以分子間斥力與引力都不變，分子勢(shì)能也不變。（2）不是。封閉氣體溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能增大，分子熱運(yùn)動(dòng)平均速率增大，并不是所有分子速率都增大。（3）氣體的分子勢(shì)能沒(méi)有變，平均動(dòng)能增大，所以氣體的內(nèi)能增大。2.飛機(jī)從地面起飛，隨后在高空高速航行，有人說(shuō)：“在這段時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)中乘客的勢(shì)能、動(dòng)能都增大了，他們身上所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能也都增大了，因此乘客的內(nèi)能也增大了?！边@種說(shuō)法對(duì)嗎？為什么？答案：這種說(shuō)法不對(duì)。因?yàn)樵撜f(shuō)法將機(jī)械能和內(nèi)能兩個(gè)概念混淆了，物體的內(nèi)能是由物體內(nèi)分子的數(shù)目、物體的溫度和體積決定的，與機(jī)械運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度的變化以及豎直高度的變化僅改變乘客的機(jī)械能，不能以此判斷其內(nèi)能的變化情況。探究歸納1.內(nèi)能的決定因素（1）從宏觀上看：物體內(nèi)能的大小由物體的物質(zhì)的量、溫度和體積三個(gè)因素決定。（2）從微觀上看：物體的內(nèi)能由組成物體的分子總數(shù)、分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能和分子勢(shì)能三個(gè)因素決定。2.內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別和聯(lián)系項(xiàng)目?jī)?nèi)能機(jī)械能對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形式微觀分子熱運(yùn)動(dòng)宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量常見(jiàn)形式分子動(dòng)能、分子勢(shì)能物體動(dòng)能、重力勢(shì)能或彈性勢(shì)能能量存在的原因物體內(nèi)大量分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間存在相互作用力由于物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體發(fā)生彈性形變或被舉高影響因素物質(zhì)的量、物體的溫度和體積物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、離地高度(或相對(duì)于參考平面的高度）或彈性形變量能否為零永遠(yuǎn)不能等于零一定條件下可以等于零聯(lián)系在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化3.物態(tài)變化對(duì)內(nèi)能的影響一些物質(zhì)在物態(tài)發(fā)生變化時(shí)，例如冰的熔化、水在沸騰時(shí)變?yōu)樗魵猓瑴囟炔蛔?，此過(guò)程中分子的平均動(dòng)能不變，由于分子間的距離變化，分子勢(shì)能變化，所以物體的內(nèi)能變化。探究應(yīng)用例下列敘述正確的是()A.分子的動(dòng)能與分子的勢(shì)能之和，叫作這個(gè)分子的內(nèi)能B.物體的內(nèi)能由物體的動(dòng)能和勢(shì)能決定C.物體做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)能也一定增大D.物體的動(dòng)能減小時(shí)，其溫度可能升高答案：D解析：內(nèi)能是大量分子組成的物體具有的，單個(gè)分子無(wú)內(nèi)能可言，A項(xiàng)錯(cuò)誤，物體的內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，由物體的溫度、體積決定，與整個(gè)物體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能無(wú)關(guān)，物體做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能增大，但內(nèi)能不一定增大，故B、C項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能減小時(shí)，其溫度可能升高，如物體在粗糙的水平面上滑行，因摩擦生熱，動(dòng)能減小，溫度升高，故D項(xiàng)正確。遷移應(yīng)用1.（多選）下列有關(guān)溫度與分子動(dòng)能、物體內(nèi)能的說(shuō)法中正確的是()A.溫度升高，每個(gè)分子的動(dòng)能一定都變