分子动能和分子势能高二物理备课必备讲义（人教2019选择性必修）

12/1313/13/第一章分子动理论第4节分子动能和分子势能【核心素养目标】物理观念知道温度是分子平均动能的标志.科学思维明确分子势能与分子间距离的关系.科学探究理解内能的概念，探究内容的决定因素科学态度与责任通过分子动能和分子势能知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。知识点一分子动能【情境导入】(1)为什么研究分子动能的时候主要关心大量分子的平均动能？(2)物体温度升高时，物体内每个分子的动能都增大吗？(3)物体运动的速度越大，其分子的平均动能也越大吗？答案(1)分子动能是指单个分子热运动的动能，但分子的运动是无规则的，因此各个分子的动能以及一个分子在不同时刻的动能都不尽相同，所以研究单个分子的动能没有意义，我们主要关心的是大量分子的平均动能．(2)温度是大量分子无规则热运动的集体表现，含有统计的意义，对于个别分子，温度是没有意义的．所以物体温度升高时，大部分分子的动能增大，个别分子的动能可能减小，也可能不变．(3)不是．分子的平均动能与宏观物体运动的速度无关．【知识梳理】1．分子动能：由于分子不停地做无规则运动而具有的能量．2．分子的平均动能所有分子热运动动能的平均值．3．物体的温度是分子热运动的平均动能的标志．【重难诠释】1．单个分子的动能(1)定义：组成物体的每个分子都在不停地做无规则运动，因此分子具有动能．(2)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，就是同一个分子，在不同时刻的动能也可能是不同的，所以单个分子的动能没有意义．2．分子的平均动能(1)定义：物体内所有分子的动能的平均值．(2)决定因素：物体的温度是分子热运动的平均动能的标志．温度升高的物体，分子的平均动能增大，但不是每个分子的动能都增大，个别分子的动能可能减小或不变，但总体上所有分子的动能之和一定是增加的．3．分子的总动能物体内分子运动的总动能是指所有分子热运动的动能总和，它等于分子热运动的平均动能与分子数的乘积．物体内分子的总动能与物体的温度和所含分子总数有关．【典例精析】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【答案】AB【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，由Ek＝eq\f(1,2)mv2可知，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，【规律方法】由于不同物质的分子质量一般不同，所以同一温度下，不同物质的分子热运动的平均动能相同，但平均速率一般不同．知识点二分子势能【情境导入】(1)功是能量转化的量度，分子间的作用力做功对应什么形式的能量变化呢？(2)当两个分子从相距无穷远处逐渐靠近到不能再靠近的过程中，分子势能如何变化？答案(1)分子间的作用力做功对应分子势能的变化．(2)分子势能先减小后增大．【知识梳理】1．分子势能：由分子间的相对位置决定的能．2.分子势能Ep随分子间距离r变化的情况如图所示．当r＝r0时，分子势能最小．3．决定因素(1)宏观上：分子势能的大小与物体的体积有关．(2)微观上：分子势能的大小与分子之间的距离有关．【重难诠释】1．分子间作用力、分子势能与分子间距离的关系(如图所示)分子间距离rr＝r0r>r0r<r0分子间作用力F等于零表现为引力表现为斥力分子间作用力做功W分子间距增大时，分子间作用力做负功分子间距减小时，分子间作用力做负功分子势能Ep最小随分子间距的增大而增大随分子间距的减小而增大2．分子势能的特点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．3．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．【典例精析】例2．两分子间的斥力与引力的合力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F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，下列说法正确的是()A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能和分子势能均增大B．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，分子势能增大C．在r<r0阶段，分子势能先增大后减小D．在r＝r0时，分子势能为零，分子动能最大【答案】B【解析】在r>r0阶段，F为引力，相互接近过程中，F做正功，分子动能增大，分子势能减小，所以A错误；在r<r0阶段，F为斥力，相互接近过程中，F做负功，分子动能减小，分子势能增大，所以B正确，C错误；由于在r>r0阶段，分子势能减小，在r<r0阶段，分子势能增大，则在r＝r0时，分子势能最小，且一定小于0，动能最大，所以D错误．知识点三内能【情境导入】(1)结合影响分子动能和分子势能的因素，从微观和宏观角度讨论影响内能的因素有哪些？(2)物体的内能随机械能的变化而变化吗？内能可能为零吗？答案(1)微观上：物体的内能取决于物体所含分子的总数、分子的平均动能和分子间的距离．宏观上：物体的内能取决于物体所含物质的量、温度、体积及物态．(2)物体的机械能变化时其温度和体积不一定变化，因此其内能不一定变化，两者之间没有必然联系．组成物体的分子在做永不停息的无规则运动，因此物体的内能不可能为零．【知识梳理】1．物体的内能：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和．任何物体都具有内能．2．相关因素(1)物体所含的分子总数由物质的量决定．(2)分子热运动的平均动能与温度有关．(3)分子势能与物体的体积有关．故物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定，同时受物态变化的影响．【重难诠释】1．温度、内能和热量的比较(1)温度宏观上表示物体的冷热程度，是分子平均动能的标志．(2)内能是物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和．(3)热量指在热传递过程中，物体吸收或放出热的多少．2．内能和机械能的区别与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常见的能量形式分子动能、分子势能物体动能、重力势能、弹性势能影响因素物质的量、物体的温度、体积及物态物体的质量、机械运动的速度、相对于零势能面的高度、弹性形变量大小永远不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3.物态变化对内能的影响一些物质在物态发生变化时，如冰的熔化、水在沸腾时变为水蒸气，温度不变，此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化．【典例精析】例3．关于物体的内能下列说法中正确的是()A．物体的内能与物体的温度与体积都有关系B．体积相同的同种气体，它们的内能一定相等C．运动物体的速度增大，则分子动能增大，物体的内能也增大D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大【答案】A【解析】任何物体都具有内能，内能与物体的物质的量、温度、体积及物态有关，故A正确；体积相同的同种气体，若温度、压强不同，它们的内能不一定相等，故B错误；内能的大小与物体宏观的速度大小无关，故C错误；内能与物体的物质的量、温度、体积及物态有关，温度高的物体比温度低的物体的分子平均动能大，但内能不一定大，故D错误．针对训练一、单选题1．关于物体的内能，以下说法中正确的是（）A．不同的物体，若温度相等，则内能也相等B．物体速度增大，则分子动能增大，内能也增大C．体积相同的同种气体，它们的内能一定相等D．物体的内能与物体的质量、温度和体积都有关系【答案】D【解析】D．物体的内能是指组成物体的所有分子动能与分子势能的总和，分子平均动能取决于物体的温度，分子势能大小与分子间距离有关，从宏观角度来看就是与物体的体积有关，而对于一种物质来说，质量决定着分子数目的多少。故D正确；A．温度相同，只是分子的平均动能相同，不能说明内能也相等。故A错误；B．分子动能取决于分子的热运动，与物体的宏观运动速度无关。故B错误；C．体积相同的同种气体，既不知温度关系也不知密度关系，也就不能确定内能关系。故C错误。故选D。2．假设一团沙尘暴中所含物质种类及每种物质质量均不变，关于这团沙尘暴，以下说法正确的是（）A．该沙尘暴的内能是其中所有空气的气体分子的无规则运动的动能和势能以及其他物质颗粒无规则运动的动能和势能的总和B．沙尘暴中沙尘颗粒的分子之间存在着相互作用的引力和斥力C．该沙尘暴从温度较低的内蒙古高原吹到温度较高的黄淮地区，温度逐渐升高、风势逐渐减弱，则其内能逐渐减小D．沙尘暴中的所有沙尘颗粒所做的无规则运动是布朗运动【答案】B【解析】A．该沙尘暴的内能是其中所有空气的气体分子的无规则运动的分子动能和分子势能以及其他物质颗粒内分子无规则运动的分子动能和分子势能的总和，不包含物质颗粒运动的宏观的动能和势能，故A错误；B．根据分子力的特点可知，沙尘颗粒的分子之间存在着相互作用的引力和斥力，故B正确；C．该沙尘暴从温度较低的内蒙古高原吹到温度较高的黄淮地区，温度逐渐升高，则其内能逐渐增大，故C错误；D．沙尘暴中的所有沙尘颗粒所做的无规则运动是沙尘颗粒在风力和重力共同作用下的运动，不是布朗运动，故D错误。故选B。3．一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、分子斥力均减小C．分子平均动能增大 D．分子势能减小【答案】B【解析】A．乙醚液体在蒸发过程中，分子间的距离变大，分子间的作用力先增大，后减小，A错误；B．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，B正确；C．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，C错误；D．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。D错误。故选B。4．王亚平在“天宫课堂”中，将分别粘有水球的两块透明板慢慢靠近，直到两个水球融合在一起，再把两板慢慢拉开，水在两块板间形成了一座“水桥”。如图甲所示，为我们展示了微重力环境下液体表面张力的特性。“水桥”表面与空气接触的薄层叫表面层，已知分子间作用力F和分子间距r的关系如图乙。下列说法正确的是（）A．可以推断水和透明板是不浸润的B．王亚平把两板慢慢拉开形成“水桥”的过程，“水桥”表面层相邻水分子间的分子势能变小C．王亚平把两板慢慢拉开形成“水桥”的过程，“水桥”表面层相邻水分子间的分子力做负功D．王亚平放开双手两板吸引到一起，该过程表面层相邻水分子间的作用力与分子间的距离的关系与乙图的A到B过程相对应【答案】C【解析】A．由题意可知水和透明板是浸润的，故A错误；BC．分子间距离从r0左右增大到大于r0的过程中，分子力表现为引力，做负功，则分子势能增大，所以“水桥”表面层中两水分子间的分子势能与其内部水相比偏大，故B错误，C正确；D．王亚平放开双手两板吸引到一起，分子间作用力为引力，该过程水分子间的作用力与分子间的距离的关系与乙图的C到B过程相对应，故D错误。故选C。5．如图所示，将甲分子固定于坐标原点O处，乙分子放置于r轴上距离O点很远的r4处，r1、r2、r3为r轴上的三个特殊的位置，甲、乙两分子间的作用力F和分子势能Ep随两分子间距离r的变化关系分别如图中两条曲线所示，设两分子间距离很远时，Ep＝0。现把乙分子从r4处由静止释放，下列说法中正确的是（）A．实线为图线、虚线为图线B．当分子间距离时，甲、乙两分子间只有斥力，且斥力随r减小而增大C．乙分子从到做加速度先增大后减小的加速运动，从到做加速度增大的减速运动D．乙分子从到的过程中，分子势能先增大后减小，在位置时分子势能最小【答案】C【解析】A．由于分子间的距离等于平衡位置的距离时，分子势能最小，所以虚线为分子势能图线（图线），实线为分子间作用力图线（图线），A错误；B．无论两个分子之间的距离多大，分子之间既存在斥力，又存在引力，B错误；C．乙分子从到所受的分子力（表现为引力）先增大后减小，根据牛顿第二定律，乙分子做加速度先增大后减小的加速运动，乙分子从r2到r1所受的分子力（表现为斥力）一直增大，根据牛顿第二定律，乙分子做加速度增大的减速运动，C正确；D．根据分子势能图线可知，乙分子从到的过程中，分子势能一直减小，在位置时分子势能最小，D错误。故选C。6．下列说法正确的是（）A．气体温度升高，则每个气体分子的动能都将变大B．分子间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小C．用油膜法估测分子大小，如果油膜没有充分展开，测出来的分子直径将偏小D．温度相同，质量相同的理想气体具有相同的内能【答案】B【解析】A．气体温度升高，则分子的平均动能变大，并非每个气体分子的动能都将变大，选项A错误；B．分子间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小，选项B正确；C．用油膜法估测分子大小，如果油膜没有充分展开，则油膜面积偏小，根据可知测出来的分子直径将偏大，选项C错误；D．温度相同，理想气体的分子平均动能相同，由于质量相同的不同理想气体分子数不同，则具有的内能不相同，选项D错误。故选B。7．一块10℃的铁与一块10℃的铝相比，以下说法中正确的是（）A．铁的分子动能之和与铝的分子动能之和相等B．铁的每个分子动能与铝的每个分子的动能相等C．铁的分子平均速率与铝的分子平均速率相等D．以上说法均不正确【答案】D【解析】A．两物体温度相等，说明它们的分子平均动能相等，因为温度是分子热运动平均动能的标志；由于没有说明铁与铝的质量，只有当它们所含分子数目一样，分子总动能才相等，故A错误；B．分子平均动能相等，但对每个分子而言，它运动的速率是变化的，且每个分子的速率都是不同的，有快的也有慢的，所以每个分子的动能相等的说法不正确，故B错误；CD．虽然分子的平均动能相等，但铁分子、铝分子质量不等，因此分子平均速率不等，故C错误，D正确。故选D。8．由于分子间存在着分子力，而分子力做功与路径无关，因此分子间存在与其相对距离有关的分子势能。如图所示为分子势能Ep随分子间距离r变化的图像，取r趋近于无穷大时Ep为零。通过功能关系可以从分子势能的图像中得到有关分子力的信息，则下列说法正确的是（）A．图中r1是平衡位置B．假设将两个分子从它们相距r2时释放，它们将相互靠近C．当分子间的距离r=r3时，分子间的作用力表现为斥力D．当分子间的距离从r3减小到r2时，分子间的作用力表现为引力，且先增大后减小【答案】D【解析】AB．在平衡位置，分子势能最小，则图中r2是平衡位置，所以将两个分子从它们相距r2时释放，它们既不会相互远离，也不会相互靠近，选项A、B错误;C．当分子间的距离r=r3时，分子力表现为引力，选项C错误;D．当分子间的距离从r3减小到r2时，分子力表现为引力，Ep-r图像的斜率大小表示引力大小，可知引力先增大后减小，选项D正确。故选D。二、多选题9．如图所示，F表示两分子间的作用力，表示分子间的势能，图中两条图像分别表示分子间作用力和分子势能随分子间距离变化的规律，图中是分子势能为0时对应的距离，是分子间作用力为0时对应的距离，是分子间作用力随分子间距离变化的图像最低点对应的距离，是分子间作用力及分子势能均可视为0的足够远的某一距离。下列说法正确的是（????）A．对应着分子势能的最小值B．从到，先增大后减小C．从到，F一直减小D．从到，F先增大后减小，不断增大E．在仅受分子力的情况下，若将两个相距的分子由静止释放，分子间能达到距离【答案】ADE【解析】ABCD．根据图像可知，分子间距离小于时，表现为斥力，距离越小，越大；分子间距离大于时，表现为引力，随着距离增大，先增大后减小；分子间距离从0开始增大的过程，为斥力时做正功，为引力时做负功，故分子间距离等于时，最小，从到，先减小后增大，从到，F先减小后增大，从到，先增大后减小，不断增大，AD正确，BC错误；E．在仅受分子力的情况下，若将两个相距的分子由静止释放，两分子间先排斥后吸引，分子势能先减小后增大，分子动能先增大后减小，根据能量守恒，分子间能达到距离，E正确。故选ADE。10．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，关于分子间的作用力和分子势能说法正确的是（）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0，分子势能也为0D．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【答案】ABD【解析】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，分子势能增加，所以在r0处有最小势能，分子势能小于零；在r>r0时，r越大，分子势能越大，在r<r0时，r越小，分子势能越大。故选ABD。11．如图是分子间引力（或斥力）大小随分子间距离变化的图像，下列说法正确的是（）A．ab表示斥力图线，cd表示引力图线B．当分子间距离等于两曲线交点的横坐标时，分子势能为零C．当分子间距离等于两曲线交点的横坐标时，分子力为零D．当分子间距离小于两曲线交点横坐标时，分子力表现为斥力【答案】CD【解析】A．由图可知，随分子间距离r的增大，ab所示图线表示的力减小的慢，cd图线表示的力减小的快，则ab表示分子间的引力图线，cd表示斥力图线，A错误；BC．当分子间距离等于两曲线交点的横坐标时，分子间的引力与斥力相等，分子间的作用力为零，一般规定无穷远处分子势能为零，此时分子势能最小，小于零，B错误，C正确；D．由图可知，当分子间距离小于两曲线交点横坐标时，分子间的斥力大于分子间的引力，分子力表现为斥力，D正确。故选CD。12．下列与热现象有关的说法中正确的是（）A．扩散现象说明分子在永不停息地做无规则运动B．两个分子间距离减小时，分子间的引力减小，斥力增大C．沸水中的胡椒粉不断翻滚，说明温度越高布朗运动越激烈D．冰融化成水的过程中，水分子的平均动能不变，分子势能增大【答案】AD【解析】A．扩散现象说明分子在永不停息地做无规则运动，故A正确；B．两个分子间距离减小时，分子间的引力和斥力都增大，故B错误；C．布朗运动是由于液体分子对固体颗粒撞击的不平衡所致，沸水中的胡椒粉不断翻滚，是由于水的对流所致，此时胡椒粉的运动不是布朗运动，所以不能据此说明温度越高布朗运动越激烈，故C错误；D．冰融化成水的过程中，水的温度不变，水分子的平均动能不变，水吸收热量，内能增大，所以分