鲁科版物理选修3-3新素养讲义第1章第3节温度与内能Word版含答案

第3节温度与内能1.理解分子势能随分子间距离的变化关系．(重点)2.影响内能的因素和改变内能的两种方式．(重点)3．理解内能和机械能的区别．(难点)一、温度与分子平均动能1．分子动能是分子做无规则运动所具有的能．2．分子热运动的平均动能是所有分子动能的平均值，温度是分子平均动能的标志．二、分子势能由于分子间存在着分子力，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．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；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．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系．1．(1)两分子间距为r0时分子势能最小．()(2)分子势能随着分子间距的增大而增大．()(3)分子势能随着分子间距的增大而减小．()(4)分子势能可以为正值、负值、零值．()提示：(1)√(2)×(3)×(4)√三、物体的内能1．所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能，对于给定的物体，其内能大小跟物体的质量、温度和体积有关．2．改变物体内能的两种途径：做功和热传递．(1)做功可以改变物体的内能．做功改变物体内能，是内能和其他形式的能的转化，内能的变化量可以用做功的多少来量度．外力对物体做了多少功，物体的内能就增加多少；反之，物体对外做了多少功，物体内能就减少多少．(2)热传递可以改变物体的内能．热传递改变物体的内能，是物体间或同一物体不同部分间内能的转移，内能的变化可用热量来量度，物体吸收热量，内能增加，物体放出热量，内能要减小．2．(1)物体的温度越高，内能越大．()(2)机械能越大的物体内能越大．()(3)物体的内能永远不等于零．()提示：(1)×(2)×(3)√温度与分子平均动能在热现象的研究中，由于分子运动的无规则性，单个分子的动能没有实际意义，重要的是物体里所有分子做热运动的平均动能．温度是分子热运动平均动能的标志．温度越高，分子的平均动能越大；温度相同，分子的平均动能相同．(1)组成物体的每个分子由于不停地运动都具有动能．(2)在相同的状态下，每个分子的动能Ek并不相同，人们所关心的是物体内所有分子动能的平均值——分子的平均动能．大量分子动能的平均值叫做分子热运动的平均动能．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[思路点拨]牢牢把握温度是分子平均动能的标志．[解析]某种物体温度是0℃，物体中分子的平均动能并不为零，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，但并不是所有分子的动能都增大；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，所以选C项．[答案]C(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)由于没有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，而错选D.(3)与初中温度的定义(温度是表示物体冷热程度的物理量)进行对比，加深理解．1.关于温度的理解，下列说法正确的是()A．温度越高，分子动能越大B．物体的运动速度越大，分子总动能越大，因而物体温度也越高C．一个分子运动的速率越大，该分子的温度越高D．温度是大量分子无规则热运动平均动能的量度解析：选D.温度高，分子平均动能大，但并不是每个分子的动能都大，故A错．温度是分子平均动能的标志，与物体运动的速度无关，故B错．温度是大量分子热运动的集体表现，对单个分子无意义，故C项错，D项对．分子势能1．分子势能：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，这种势能叫做分子势能．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．3．变化分析依据：由于分子间既存在引力，又存在斥力，分子间距离变化时，既要考虑引力做功，又要考虑斥力做功，为简化起见，用分子间的合力做功分析势能变化，W>0，势能减少，W<0，势能增加．4．分子势能的大小和分子间距离的关系(1)当分子间的距离r>r0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．(2)当分子间的距离r<r0时，分子间的作用力表现为斥力，分子间的距离减小时，分子力做负功，因此分子势能随分子间距离的减小而增大．(3)如果取两个分子间相距无限远时(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．命题视角1分子势能与分子距离的关系(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E0B．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x≥x1[解析]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x≥x1，故D正确．[答案]AD命题视角2分子力做功与分子势能变化的关系(多选)设r＝r0时分子间的作用力为零，则一个分子从远处以某一动能向另一个固定的分子靠近的过程中，下列说法中正确的是()A．r>r0时，分子力做正功，动能不断增大，势能减小B．r＝r0时，动能最大，势能最小C．r<r0时，分子力做负功，动能减小，势能增大D．以上说法不对[思路点拨]分子势能是相互作用的分子间由相对位置决定的能，从微观上讲与分子间距有关，从宏观上讲与物体体积有关．[解析]两个分子从远处开始靠近的过程中，r>r0时两者之间先是引力，引力对分子做正功，分子势能减小，由动能定理可知，分子动能增大，故A项正确．当r<r0时两者之间是斥力，对分子做负功，分子势能增大，由动能定理可知，分子动能减小，故C项正确．由以上两种情况分析可知，当r＝r0时，分子的动能最大，分子势能最小，B项也正确．[答案]ABC本题主要考查分子力做功与分子势能变化的关系．由上面的解答也可以更好地理解Ep－r的关系图，当然本题也可以由Ep－r的关系图直接得出结论．2.(多选)如图所示为物体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r<r0时，r越小，则分子势能Ep越大B．当r>r0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AC.当r<r0时，分子力表现为斥力，r减小时，分子力做负功，分子势能增大；当r>r0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；当r＝r0时，分子力由引力减小为零，分子势能也减小到最小；当r→∞时，引力做负功，分子势能逐渐增大．物体的内能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．改变内能的两种方式及其区别做功热传递特征有力参与做功存在温度差本质内能与其他形式的能转化内能的转移量度功热量举例摩擦、压缩等不同温度的物体接触4．内能与机械能的区别和联系内能机械能对应的运动形式热运动机械运动决定因素物质的量、物体的温度和体积及物态物体的机械运动的速度、离地高度(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(1)物体的内能跟物体的机械运动状态无关．(2)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．(多选)下列说法正确的是()A．内能是物体中所有分子的热运动的动能和分子势能的总和B．做功和热传递都可以改变物体的内能C．物体的速度增大时，物体的内能增大D．物体的动能减小时，物体的温度可能增加[思路点拨](1)单个分子无内能可言．(2)内能与宏观的机械能无关．(3)温度与宏观运动的动能无关．[解析]由内能定义知，A正确．改变物体的内能有两种途径：做功和热传递，选项B正确．物体的内能与物体做宏观的机械运动的速度无关，故选项C也是错误的．物体的温度由分子的平均动能决定，与物体宏观运动的动能无关，因此选项D是正确的．[答案]ABD物体的内能是本节的重点与难点，除了注意内能的微观因素与宏观因素之外，一定不能对单个分子谈内能.3.当物体的内能增大时，下列说法正确的是()A．物体一定吸收了热量B．外界一定对物体做了功C．物体不可能放出热量D．物体有可能对外界做功解析：选D.改变物体内能有两条途径：做功和热传递．具体到本题，已知物体的内能是增大的，存在五种可能性：一是只吸收热量，没有做功；二是外界对物体做功，没有热传递；三是物体吸收了热量，同时外界对物体做功；四是物体吸收热量使内能增加，同时物体对外界做功使内能有所减少，但吸收的热量比对外做的功多；五是物体放出热量使内能减少，但同时外界对物体做的功使内能增加，且外界对物体做功比物体放出的热量多．这五种可能的最终结果都使物体的内能增大，可见选项A、B、C都是错误的.对内能理解的四个误区1．误认为分子间距离越大，分子势能越大产生误区的原因是没有正确认识分子势能与分子间距离的关系．若r<r0，则r越大，分子势能越小；若r>r0，则r越大，分子势能越大．2．误认为温度越高，分子平均速率越大产生误区的原因是没弄清温度与分子平均动能、分子平均速率的关系．不同的物体分子质量不同，温度相同时，分子平均动能相同，但分子平均速率不同．不同的物质，温度高的其分子的平均速率可能要小．3．误认为温度高的物体内能大这是由于没弄清影响内能大小的因素．温度越高，分子平均动能越大，但比较两个物体内能时，还要考虑分子个数和分子势能．在宏观上，物体的内能由温度、体积和物质的量共同决定．4．误认为机械能越大的物体内能越大产生该错误的原因是没有正确区分机械能和内能．影响机械能和内能的因素不同，机械能变化时，内能不一定变化，反之亦然．(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做这个分子的内能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]内能是物体中所有分子热运动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．[答案]CD4.下列关于内能的说法中正确的是()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．对物体做功或向物体传热，都可能改变物体的内能D．冰熔化成水，温度不变，则内能也不变解析：选C.内能是物体中所有分子的热运动的动能与分子势能的总和，温度相同，只是分子的平均动能相同，A错误；分子动能与分子的热运动有关，与物体的速度没有关系，B错误；对物体做功可以把其他形式的能转化为内能，传热可以向物体转移内能，所以都可以改变物体的内能，C正确；冰熔化成水，温度不变，分子平均动能不变，物态发生变化，分子势能变化，该过程吸热，内能增大，D错误．[随堂检测]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．(多选)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的距离的关系如图中曲线所示．F>0为斥力，F<0为引力．a、b、c、d为x轴上四个特定的位置．现把乙分子从a处由静止释放，则()A．乙分子由a到b做加速运动，由b到c做减速运动B．乙分子由a到c做加速运动，到达c时速度最大C．乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减小D．乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增大解析：选BC.乙分子由a运动到c的过程，一直受到甲分子的引力作用而做加速运动，到c时速度达到最大而后受甲的斥力做减速运动，A错误，B正确；乙分子由a到b的过程所受引力做正功，分子势能一直减小，C正确；而乙分子从b到d的过程，先是引力做正功，分子势能减少，后来克服斥力做功，分子势能增加，D错误．3．(多选)氧气分子在0℃和100℃温度下单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化分别如图中两条曲线所示．下列说法正确的是()A．图中两条曲线下面积相等B．图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形C．图中实线对应于氧气分子在100℃时的情形D．图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目E．与0℃时相比，100℃时氧气分子速率出现在0～400m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较大解析：选ABC.根据气体分子单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化曲线的意义可知，题图中两条曲线下面积相等，选项A正确；题图中虚线占百分比较大的分子速率较小，所以对应于氧气分子平均动能较小的情形，选项B正确；题图中实线占百分比较大的分子速率较大，分子平均动能较大，根据温度是分子平均动能的标志，可知实线对应于氧气分子在100℃时的情形，选项C正确；根据分子速率分布图可知，题图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目占总分子数的百分比，不能得出任意速率区间的氧气分子数目，选项D错误；由分子速率分布图可知，与0℃时相比，100℃时氧气分子速率出现在0～400m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较小，选项E错误．4．(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸．待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法正确的是()A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析：选ABD.抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做正功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误．5．甲、乙两名同学对0℃的水和0℃的冰进行了如下争论：甲说：“冰和水的温度相同，所以分子平均动能相等，质量相同时，冰的体积大，因此冰的分子势能大，所以说冰的内能大于水的内能．”乙说：“0℃的水变成0℃的冰需要向外界放出热量，在质量相同的情况下，水的内能大于冰的内能．”请你判断一下甲、乙两名同学谁的说法是正确的？解析：乙同学的说法正确．甲同学认为冰的体积大，分子势能大，这是错误的说法(冰的体积大的主要原因在于宏观的冰晶粒间空隙大)．分子势能大小与体积有关，但体积大，分子势能不一定大.0℃的冰变为0℃的水需吸热，故水的内能大，它们相同的物理量是分子平均动能，不同的物理量是分子势能，显然水的分子势能大．答案：见解析[课时作业]一、单项选择题1．关于温度，以下说法不正确的是()A．温度是表示物体冷热程度的物理量B．温度是物体内大量分子平均速率的标志C．温度是物体内大量分子平均动能的标志D．一切达到热平衡的系统都具有相同的温度解析：选B.在宏观上，温度表示物体的冷热程度，在微观上，温度是分子平均动能的标志，A、C正确，B错误；达到热平衡的系统一定具有相同的温度，D正确．2．氢气和氧气的质量、温度都相同，在不计分子势能的情况下，下列说法正确的是()A．氧气的内能较大 B．氢气的内能较大C．两者的内能相等 D．氢气分子的平均速率较小解析：选B.氢气与氧气的温度相同，分子的平均动能相同，由于氧分子质量比氢分子质量大，所以氢分子的平均速率更大．又因为两种气体的总质量相等，氢分子质量比氧分子质量小，所以氢分子数大于氧分子数，氢气的分子动能总和大于氧气的分子动能总和，由于不计分子势能，所以氢气的内能更大．3．当某物质处于状态1，分子间距离为r0时，分子力为零；当它处于状态2，分子间距离为r，r＞10r0时分子力也为零．则()A．状态1和状态2分子间相互作用情况完全一样B．两个状态分子势能相同，且都为零C．从状态1变化到状态2，分子的平均动能一定增大D．从状态1变化到状态2，分子的势能一定增大解析：选D.分子间距离为r0时，分子力为零，是指引力和斥力的合力为0；处于状态2，即分子间距离r＞10r0时分子力也为零，是指分子间相互作用力很小，可以忽略，故二者不同，则A错误．分子间距离为r0时分子势能是最小的，所以从此位置到其他任意位置，分子势能都增大，故B错误、D正确．平均动能由温度决定，由于状态1变化到状态2过程中温度变化未知，故平均动能无法确定，则C错误．4．如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲、乙两分子间的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示，F＞0为斥力，F＜0为引力．a、b、c、d为x轴上四个特定的位置，现将乙分子从a移动到d的过程中，两分子间的分子力和分子势能同时都减小的阶段是()A．从a到b B．从b到cC．从c到d D．从b到d解析：选B.从a到b的过程中，两分子间的分子力为引力且正在增大，A错误；从b到c的过程中，两分子间的分子力为引力且在减小，随着分子距离的减小，分子力做正功，分子势能也在减小，B正确；从c到d的过程中，两分子间的分子力为斥力且在增大，所以选项C、D错误．5．有关分子的热运动和内能，下列说法不正确的是()A．一定质量的气体，温度不变，分子的平均动能不变B．物体的温度越高，分子热运动越剧烈C．物体的内能是物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和D．布朗运动是由悬浮在液体中的微粒之间的相互碰撞引起的解析：选D.布朗运动的原因是液体分子对固体微粒的不平衡碰撞产生的，故选D.6．一块10℃的铁与一块10℃的铝相比较，以下说法正确的是()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．以上说法均不正确解析：选D.一块铁与一块铝温度相等，说明它们的分子平均动能相等．本题并没有说明铁与铝的质量，只有当它们的分子数相等时，分子总动能才相等，所以A错．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，因此不能说每个分子的动能相等，因此B错．尽管铁与铝的平均动能相等，但它们的分子质量不等，因此分子的平均速率也不会相等，故C也错，正确的选项是D.7．一定质量的0℃的冰融化成0℃的水，其总的分子动能Ek、分子势能Ep及内能E的变化是()A．Ek、Ep、E均变大B．Ek、Ep、E均变小C．Ek不变、Ep变大、E变大D．Ek不变、Ep变小、E变小解析：选C.温度是分子平均动能的标志，温度不变，冰在融化过程中平均动能不变．融化过程要吸收热量，分子势能增加，相应的内能也增加．二、多项选择题8．当氢气和氧气温度相同时，下列说法中正确的是()A．两种气体分子的平均动能相等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解析：选AB.因温度是分子平均动能大小的标志，现在氢气和氧气温度相同，所以二者分子的平均动能相等，A选项正确；因氢气分子的质量较小，氢气和氧气分子的平均动能相等，由eq\o(E,\s\up6(－))k＝eq\f(1,2)meq\o(v,\s\up6(－))2可得，B选项正确，D选项错误；因两种气体的质量未知，所以二者的分子数目未知，故C选项错误．9．下列说法正确的是()A．在10℃时，一个氧气分子的分子动能为Ek，当温度升高到20℃时，这个分子的分子动能为Ek′，则Ek′<EkB．在10℃时，每一个氧气分子的温度都是10℃C．在10℃时，氧气分子的平均速率为eq\o(v1,\s\up6(－))，氢气分子的平均速率为eq\o(v2,\s\up6(－))，则eq\o(v1,\s\up6(－))<eq