2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊 第1章 4 分子動能和分子勢能

4分子動能和分子勢能[學(xué)習(xí)目標]1.理解分子動能，知道溫度是分子平均動能的標志(重點)。2.理解分子勢能，明確分子勢能與分子間距離的關(guān)系(重難點)。3.理解內(nèi)能的概念及其決定因素。一、分子動能1．分子動能：由于分子不停地做無規(guī)則運動而具有的能量。2．分子的平均動能(1)所有分子熱運動動能的平均值。(2)決定因素：物體的溫度是分子熱運動的平均動能的標志。3．物體內(nèi)分子運動的總動能等于分子熱運動的平均動能與分子數(shù)的乘積。物體內(nèi)分子的總動能與物體的溫度和所含分子總數(shù)有關(guān)。(1)物體溫度升高時，物體內(nèi)每個分子的動能都增大。(×)(2)物體運動的速度越大，其分子的平均動能也越大。(×)(3)相同溫度的不同物體，分子的平均動能相同。(√)(4)只要溫度相同，任何物體分子的平均速率都相同。(×)(5)物體溫度升高時，分子的平均動能增大。(√)例1(多選)當(dāng)氫氣和氧氣溫度相同時，下列說法中正確的是()A．兩種氣體的分子平均動能相等B．氫氣分子的平均速率大于氧氣分子的平均速率C．兩種氣體分子熱運動的總動能相等D．兩種氣體分子熱運動的平均速率相等答案AB解析因為溫度是分子平均動能的標志，溫度相同，兩種氣體的分子平均動能相同，故選項A正確；因為氫氣和氧氣的分子質(zhì)量不同，所以兩種氣體分子的平均速率不同，由Ek＝eq\f(1,2)mv2可知，分子質(zhì)量大的平均速率小，故選項B正確，D錯誤；雖然兩種氣體分子平均動能相等，由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量一般不同，所以同一溫度下，不同物質(zhì)的分子熱運動的平均動能相同，但平均速率一般不同。二、分子勢能1．分子勢能：由分子間的相對位置決定的能。2．分子勢能與分子間距離的關(guān)系(1)當(dāng)r>r0時，分子力表現(xiàn)為引力，若r增大，需克服引力做功，分子勢能增加。(2)當(dāng)r<r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，若r減小，需克服斥力做功，分子勢能增加。(3)當(dāng)r＝r0時，分子力為零，分子勢能最小，即分子間距離等于平衡距離時分子勢能最小。3．決定因素(1)宏觀上：分子勢能的大小與物體的體積有關(guān)。(2)微觀上：分子勢能的大小與分子之間的距離有關(guān)。(1)當(dāng)兩個分子從相距無窮遠處逐漸靠近到不能再靠近的過程，分子勢能如何變化？(2)若選定分子間距離為無窮遠時的分子勢能為0，試定性的把兩分子的分子力F、分子勢能Ep與分子間距離r的關(guān)系圖像畫在坐標系中。答案(1)當(dāng)r>r0時，分子間為引力，分子靠近過程中分子力做正功，分子勢能減??；當(dāng)r<r0(2)例2(多選)(2022·長春市高二期末)兩分子間的斥力和引力的合力F與分子間距離r的關(guān)系如圖中曲線所示，曲線與r軸交點的橫坐標為r0。相距很遠的兩分子在分子力作用下，由靜止開始相互接近。若兩分子相距無窮遠時分子勢能為零，下列說法正確的是()A．在r>r0階段，F(xiàn)做正功，分子動能增大，勢能減小B．在r<r0階段，F(xiàn)做負功，分子動能減小，勢能也減小C．在r＝r0時，分子勢能最小，動能為零D．在r＝r0時，分子勢能小于零答案AD解析r0為分子間的平衡距離，在r>r0階段，分子力表現(xiàn)為引力，相互靠近時F做正功，分子動能增加，勢能減小，故A正確；在r<r0階段，分子力表現(xiàn)為斥力，相互靠近時F做負功，分子動能減小，勢能增加，故B錯誤；由以上分析可知，當(dāng)在r＝r0時，分子勢能最小，動能最大，故C錯誤；由于兩分子相距無窮遠時分子勢能為零，在r>r0階段，相互靠近時F做正功，勢能減小，故在r＝r0時，分子勢能小于零，故D正確。例3A．一定是分子力做了正功B．兩個分子間的相互作用力可能變大C．兩個分子間的距離一定變大D．兩個分子間的相互作用力一定是引力答案AB解析分子勢能變小，說明分子力做正功，故A正確；如圖所示為Ep－r、F－r圖像，若分子間距大于平衡間距r0，分子勢能變小，分子間距變小，分子力可能變大也可能變小；若分子間距小于平衡間距r0，分子勢能變小，分子間距變大，分子力變小，表現(xiàn)為斥力，故B正確，C、D錯誤。三、物體的內(nèi)能1．定義：物體中所有分子的熱運動動能與分子勢能的總和。2．內(nèi)能普遍性：組成任何物體的分子都在做無規(guī)則的熱運動，所以任何物體都具有內(nèi)能。3．影響內(nèi)能的相關(guān)因素(1)物體所含的分子總數(shù)：由物質(zhì)的量決定；(2)分子熱運動的平均動能：與溫度有關(guān)；(3)分子勢能：與物體的體積有關(guān)。故物體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度、體積共同決定，同時受物態(tài)的影響。物體運動得越快，其內(nèi)能就越大嗎？靜止在地面上的物體，內(nèi)能為0嗎？答案物體運動得越快，物體動能越大，但內(nèi)能不一定越大，靜止在地面上的物體，如果以地面作為零勢能面，那么這個物體的機械能為0，但這個物體內(nèi)的分子卻始終處在永不停息的熱運動中，物體的內(nèi)能不為0。例4(2022·徐州市高二期中)關(guān)于質(zhì)量相同的100℃的水和100℃的水蒸氣，下列說法中正確的是()A．分子平均動能不相同，分子勢能相同，內(nèi)能相同B．分子平均動能相同，分子勢能不相同，內(nèi)能相同C．分子平均動能相同，分子勢能不相同，內(nèi)能不相同D．分子平均動能不相同，分子勢能相同，內(nèi)能不相同答案C解析質(zhì)量相同的100℃的水和100℃的水蒸氣的分子數(shù)相同；溫度是分子平均動能的標志，所以100℃的水分子平均動能等于100℃的水蒸氣的分子平均動能。相同質(zhì)量的水和水蒸氣的體積不同，故分子勢能不相同。同樣溫度的水變?yōu)橥瑯訙囟鹊乃魵庖諢崃?，所?00℃的水的內(nèi)能小于100℃相同質(zhì)量的水蒸氣的內(nèi)能，故A、B、D錯誤，C正確。物態(tài)變化對內(nèi)能的影響一些物質(zhì)在物態(tài)發(fā)生變化時，如冰的融化、水在沸騰時變?yōu)樗魵?，溫度不變，此過程中分子的平均動能不變，由于分子間的距離變化，分子勢能變化，所以物體的內(nèi)能變化。例5A．機械能增大的物體，其內(nèi)能一定增大B．物體的機械能損失時，內(nèi)能有可能增大C．物體的內(nèi)能損失時，機械能必然會減小D．物體的機械能可以為0，內(nèi)能不可以為0答案BD解析內(nèi)能和機械能是兩種不同形式的能，二者的決定因素不同，A錯誤；例如在物體克服空氣阻力勻速下降過程中，機械能減小，而摩擦生熱，物體溫度升高，內(nèi)能會增大，B正確；例如在物體靜止時，溫度降低，內(nèi)能減小，而物體的機械能不變，C錯誤；物體內(nèi)分子在永不停息的運動中，內(nèi)能不可能為0，但機械能可以為0，D正確。內(nèi)能和機械能的區(qū)別與聯(lián)系內(nèi)能機械能對應(yīng)的運動形式微觀分子熱運動宏觀物體機械運動常見的能量形式分子動能、分子勢能物體動能、重力勢能、彈性勢能影響因素物質(zhì)的量、物體的溫度、體積及物態(tài)物體的質(zhì)量、機械運動的速度、相對于零勢能面的高度、彈性形變量大小永遠不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)化課時對點練考點一分子動能1．(多選)下列關(guān)于分子動能的說法，正確的是()A．物體的溫度升高，每個分子的動能都增加B．物體的溫度升高，分子的平均動能增加C．如果分子的質(zhì)量為m，平均速率為v，則平均動能為eq\f(1,2)mv2D．分子的平均動能等于物體內(nèi)所有分子的動能之和與所有分子的總數(shù)之比答案BD解析溫度是分子平均動能的標志，溫度升高，分子的平均動能增加，但是其中個別分子的動能卻有可能減小或不變，A錯，B對；分子的平均動能等于物體內(nèi)所有分子的動能之和與所有分子總數(shù)的比值，C錯，D對。2．若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中，溫度保持不變，體積增大，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法中正確的是()A．氣體分子的平均速率減小B．氣體分子的平均速率增大C．氣體分子的平均動能減小D．氣體分子的平均動能不變答案D解析氣泡在上升的過程中，內(nèi)部氣體溫度不變，氣體分子的平均動能不變，平均速率不變，故D正確。3．(2022·鹽城市高二期末)一塊10℃的鐵與一塊10℃的鋁相比，以下說法正確的是()A．鐵的分子動能之和與鋁的分子動能之和相等B．鐵的每個分子動能與鋁的每個分子的動能相等C．鐵的分子平均速率與鋁的分子平均速率相等D．以上說法均不正確答案D考點二分子勢能4．(多選)用r表示兩分子間的距離，Ep表示分子勢能，當(dāng)r＝r0時引力等于斥力，設(shè)兩分子相距大于10倍的r0時，Ep＝0，則()A．當(dāng)r＞r0時，Ep隨r的增大而增大B．當(dāng)r＜r0時，Ep隨r的減小而增大C．當(dāng)r＜r0時，Ep不隨r的變化而變化D．當(dāng)r＞r0時，Ep＝0答案AB解析當(dāng)r＞r0時，分子間作用力表現(xiàn)為引力，當(dāng)r增大時，分子間作用力做負功，Ep增大，故A正確；當(dāng)r＜r0時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，當(dāng)r減小時，分子間作用力做負功，則Ep增大，故B正確，C錯誤；因兩分子相距大于10倍的r0時，Ep＝0，當(dāng)r＞r0時，隨r的減小，分子勢能減小，則當(dāng)r＞r0時，Ep<0，故D錯誤。5．分子甲和乙相距較遠(此時分子間作用力可以忽略)，設(shè)甲分子固定不動，乙分子逐漸向甲靠近直到不能再靠近，在這個過程中，下列說法正確的是()A．分子間作用力總對乙做正功，分子勢能不斷減小B．乙總是克服分子間作用力做功，分子勢能不斷增大C．乙先是克服分子間作用力做功，然后分子間作用力對乙做正功，分子勢能先增大后減小D．先是分子間作用力做正功，然后乙克服分子間作用力做功，分子勢能先減小后增大答案D解析甲和乙相距較遠時，此時分子間作用力為零，分子勢能為零，甲分子固定不動，乙向甲靠近直到r＝r0的過程中，由于r＞r0，分子間作用力為引力，分子間作用力做正功，分子勢能越來越小，且為負值，r＝r0時分子勢能最小，乙分子從r＝r0到不能再靠近甲的過程中，由于r＜r0，分子間作用力為斥力，分子間作用力做負功，分子勢能增加，所以先是分子間作用力對乙做正功，然后乙克服分子間作用力做功，分子勢能先減小后增大，選項D正確。6.(2022·北京市昌平區(qū)高二期末)分子勢能Ep隨分子間距離r變化的圖像如圖所示，取r趨于無窮大時Ep為零，若甲分子固定在坐標原點O處，乙分子從r3處由靜止釋放運動到r1的過程中，下列說法正確的是()A．當(dāng)r＝r1時，分子引力與分子斥力大小相等B．當(dāng)r＝r2時，分子引力大于分子斥力C．從r3到r2分子力對乙做正功，分子勢能減少D．從r2到r1分子力對乙做負功，分子勢能減少答案C解析r2為平衡位置，分子引力等于斥力，B錯誤；當(dāng)r＝r1時，分子力表現(xiàn)為斥力，分子斥力大于分子引力，A錯誤；從r3到r2，分子力為引力，分子力對乙做正功，分子勢能減小，C正確；從r2到r1，分子力為斥力，分子力對乙做負功，分子勢能增大，D錯誤。7.(2022·潮州市高二期中)分子力F隨分子間距離r的變化如圖所示。將兩分子從相距r＝r2處釋放，僅考慮這兩個分子間的作用，下列說法正確的是()A．從r＝r2到r＝r0分子間引力、斥力都在減小B．從r＝r2到r＝r1分子力的大小先減小后增大C．從r＝r2到r＝r0分子勢能先減小后增大D．從r＝r2到r＝r1分子動能先增大后減小答案D解析從r＝r2到r＝r0分子間引力、斥力都增大，但斥力增加得更快，故A錯誤；由題圖可知，在r＝r0時分子力為零，故從r＝r2到r＝r1分子力的大小先增大后減小再增大，故B錯誤；分子勢能在r＝r0時最小，故從r＝r2到r＝r0分子勢能一直減小，故C錯誤；從r＝r2到r＝r1分子勢能先減小后增大，故分子動能先增大后減小，故D正確。考點三物體的內(nèi)能8．(2022·上海師大附中期末)關(guān)于物體的內(nèi)能，下列敘述正確的是()A．溫度高的物體比溫度低的物體內(nèi)能大B．物體的內(nèi)能不可能為零C．內(nèi)能相同的物體，它們的分子平均動能一定相同D．內(nèi)能不相同的物體，它們的分子平均動能一定不相同答案B解析溫度高低只反映分子平均動能的大小，由于物體的內(nèi)能跟物體的質(zhì)量、體積、溫度和物態(tài)有關(guān)，所以溫度高的物體不一定比溫度低的物體內(nèi)能大，A錯誤；內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子無規(guī)則熱運動的動能和分子勢能的總和，分子在永不停息地做無規(guī)則運動，所以內(nèi)能永不為零，B正確；內(nèi)能相同的物體，它們的溫度可能不相同，所以它們的分子平均動能可能不相同，C錯誤；內(nèi)能不同的兩個物體，它們的溫度可以相同，即它們的分子平均動能可以相同，D錯誤。9．(2022·齊齊哈爾市高二期中)關(guān)于物體的內(nèi)能和分子勢能，下列說法中正確的是()A．物體的速度增大，則分子的動能增加，內(nèi)能也一定增加B．物體溫度不變，內(nèi)能可能變大C．物體的內(nèi)能與溫度有關(guān)，與物體的體積無關(guān)D．把物體舉得越高，分子勢能越大答案B解析物體的速度增大，是物體的動能增大，增加的是物體的機械能，分子動能的變化只與物體的溫度有關(guān)，故A錯誤；物體內(nèi)部所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和叫作物體的內(nèi)能，分子熱運動的平均動能由溫度決定，分子勢能與物體的體積有關(guān)，當(dāng)發(fā)生物態(tài)變化時，物體的溫度不變，只是分子的平均動能不變，但分子勢能可能變大，物體的內(nèi)能可能增大，故B正確；物體的內(nèi)能由物體的物質(zhì)的量、溫度、物體的體積共同決定，同時會受物態(tài)變化的影響，故C錯誤；分子勢能與物體的體積有關(guān)，把物體舉得越高，增加的是物體的重力勢能，故D錯誤。10．(多選)關(guān)于內(nèi)能，下列說法正確的是()A．質(zhì)量、溫度、體積都相等的物體的內(nèi)能一定相等B．內(nèi)能不同的物體，它們分子熱運動的平均動能可能相同C．一木塊被舉高，組成該木塊的所有分子的分子勢能都增大D．溫度高的物體內(nèi)能不一定大，但分子平均動能一定大答案BD解析物體的內(nèi)能與物質(zhì)的量、體積和溫度有關(guān)，質(zhì)量相等的不同種類的物體，物質(zhì)的量不一定相等，所以質(zhì)量、溫度、體積都相等的物體的內(nèi)能不一定相等，A錯誤；內(nèi)能與溫度、體積、物質(zhì)的量有關(guān)，內(nèi)能不同的物體，溫度可能相同，它們分子熱運動的平均動能可能相同，B正確；分子勢能與物體的機械運動無關(guān)，被舉高只是重力勢能增大，分子勢能不一定變化，C錯誤；溫度高則分子平均動能大，但內(nèi)能的大小不僅要看分子平均動能，還要看分子數(shù)目和分子勢能，所以內(nèi)能不一定大，D正確。11．(多選)18g的水，18g的水蒸氣，32g的氧氣，在它們的溫度都是100℃時()A．它們的分子數(shù)目相同，分子的平均動能不相同，氧氣的分子平均動能大B．它們的分子數(shù)目相同，分子的平均動能相同C．它們的分子數(shù)目相同，它們的內(nèi)能不相同，水蒸氣的內(nèi)能比水大D．它們的分子數(shù)目不相同，分子的平均動能相同答案BC解析水和水蒸氣的相對分子質(zhì)量相同，摩爾質(zhì)量相同，故分子數(shù)相同，為N1＝N2＝eq\f(18,18)×6.02×1023＝6.02×1023個，32g的氧氣分子數(shù)為N3＝eq\f(32,32)×6.02×1023＝6.02×1023個，故N1＝N2＝N3；溫度是分子熱運動平均動能的標志，故分子熱運動的平均動能相同，但水蒸氣的分子勢能更大，內(nèi)能包括分子勢能和分子熱運動動能，故內(nèi)能不相同，水蒸氣的內(nèi)能比水大，B、C正確，A、D錯誤。12.(多選)設(shè)有甲、乙兩分子，如圖，甲固定在O點，r0為其與平衡位置間的距離，現(xiàn)在使乙分子由靜止開始只在分子間的作用力作用下由距甲0.5r0處開始沿x軸正方向運動，則()A．乙分子的加速度一直減小B．乙分子到達r0處時速度最大C．分子間作用力對乙一直做正功，分子勢能減小D．乙分子在r0處時，分子勢能最小答案BD解析由分子間作用力隨分子間距離的變化規(guī)律可知0.5r0處到r0處，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，斥力減小，乙分子的加速度也就減小，從r0處到無窮遠處，分子間