高中物理选修三 题库 第一章 第4节　分子动能和分子势能

第4节分子动能和分子势能学习目标要求核心素养和关键能力1.知道分子动能和分子热运动的平均动能的概念。了解温度是分子热运动平均动能的标志。2.了解分子势能的概念，知道分子势能与分子力做功的关系，分子势能与分子间的距离的关系。3.知道什么是物体的内能，知道物体的内能跟哪些宏观量有关。1.科学推理(1)采用类比方法分析分子力做功和分子势能变化的关系。(2)从做功角度分析分子势能的变化。2.关键能力利用功能关系分析问题的能力。一、分子动能1.分子动能(1)定义：由于分子永不停息地做无规则运动而具有的能。(2)分子的平均动能：所有分子的热运动动能的平均值。①温度是物体的分子热运动的平均动能的标志，温度升高，分子热运动的平均动能增大。②虽然同一温度下，不同物体的分子热运动的平均动能相同，但由于不同物体的分子质量不尽相同，平均速率大小一般不相同。2.温度的意义(1)宏观：描述物体的冷热程度。(2)微观：分子热运动的平均动能的标志。【判一判】(1)温度反映了每个分子热运动的剧烈程度。(×)(2)温度是分子平均动能的标志。(√)(3)温度升高时物体的每个分子的动能都将增大。(×)二、分子势能1.分子势能的定义：由分子间的相对位置决定的能。2.分子势能与分子间距离的关系(1)当r＞r0时，分子力表现为引力，若r增大，需克服引力做功，分子势能增大。(2)当r＜r0时，分子力表现为斥力，若r减小，需克服斥力做功，分子势能增大。(3)当r＝r0时，分子力为零，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：分子势能与分子之间的距离有关。【判一判】(1)当分子间距离r＝r0时，分子间合力为0，所以分子势能为0。(×)(2)当r→∞时，分子势能最小，且为0。(×)(3)当分子间距离由0逐渐增大到∞时，分子势能先减小后增大。(√)(4)当分子力表现为引力时，分子势能随分子间距离的增大而增大。(√)三、物体的内能1.内能定义：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。2.内能普遍性：组成任何物体的分子都在做着无规则的热运动，所以任何物体都具有内能。3.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由温度决定。(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。探究1分子动能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.物体内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。【例1】关于温度与分子动能的关系，下列说法正确的是()A.某物体的温度为0℃，说明物体中分子的平均动能为零B.温度是分子热运动平均动能的标志C.温度较高的物体，其分子平均动能较大，则分子的平均速率也较大D.物体的运动速度越大，则物体的温度越高答案B解析某物体温度是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做无规则运动，A错误；温度是分子热运动平均动能的标志，温度越高的物体，分子的平均动能越大，但由于分子的质量不一定相同，则分子平均速率不一定大，B正确，C错误；物体内分子无规则热运动的速度与机械运动的速度无关，物体的运动速度越大，不能代表物体内部分子的热运动越激烈，所以物体的温度不一定高，D错误。【例2】当氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法正确的是()A．两种气体分子的平均动能相等B．两种气体分子的总数量相等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A解析因为温度是分子平均动能的标志，温度相同，则分子平均动能相同，故选项A正确；因为氢气分子的质量小于氧气分子的质量，而分子平均动能又相等，所以氢气分子的平均速率大，故选项D错误；虽然气体质量和分子平均动能(温度)都相等，但由于气体摩尔质量不同，分子数目就不相等，故选项B、C错误。探究2分子势能1.分子力、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分子力F等于零表现为引力表现为斥力分子力做功W分子间距增大时，分子力做负功分子间距减小时，分子力做负功分子势能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。【例3】两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不再靠近。在此过程中，下列说法正确的是()A.分子力先增大，后一直减小，分子力先做正功，后做负功B.分子动能先增大，后减小，分子势能先增大，后减小C.两个分子的速度大小始终相等，方向相反D.两个分子系统分子势能和分子动能之和不变，动量守恒答案D解析当分子间距大于平衡间距时，分子力表现为引力时，随着距离的减小，分子间的作用力先增大，后减小；平衡位置时作用力为零；而小于平衡位置时，分子间为斥力，分子力一直增大；两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不再靠近的过程中，分子力先是引力后是斥力，故先做正功后做负功，故选项A错误；只有分子力做功，先做正功后做负功，根据能量守恒定律，动能先增加后减小，故分子势能先减小后增大，故选项B错误；因为分子质量关系未知，所以速度大小关系也未知，故选项C错误；系统外力为零，两个分子系统分子势能和动能之和不变，动量守恒，故选项D正确。【针对训练1】分子间存在着相互作用的引力和斥力，分子间实际表现出的作用力是引力与斥力的合力。图甲是分子引力、分子斥力随分子间距离r的变化图像，图乙是实际分子力F随分子间距离r的变化图像(斥力以正值表示，引力以负值表示)。将两分子从相距r＝r2处由静止释放，仅考虑这两个分子间的作用力，下列说法错误的是()A.从r＝r2到r＝r1分子间引力、斥力都在增大B.从r＝r2到r＝r1分子间引力减小，斥力增大C.当r＜r0时，分子间的作用力表现为斥力D.从r＝r2到r＝r0分子间的作用力一直做正功答案B解析由图甲可知，随分子间距离减小，分子间的引力和斥力都在增大，故A正确，B错误；由图乙可知，当r＜r0时，分子间的作用力为正，即表现为斥力，故C正确；从r＝r2到r＝r0过程中，分子间的作用力表现为引力，故随距离的减小，分子力一直做正功，动能增大，分子势能一直减小，故D正确。探究3物体的内能1.内能的决定因素(1)宏观因素：物体内能的大小由物质的量、温度和体积三个因素决定，同时也受物态变化的影响。(2)微观因素：物体内能的大小由物体所含的分子总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定。2.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。3.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4.物态变化对内能的影响一些物体在物态发生变化时，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。【例4】关于内能，下列说法正确的是()A．质量一定时物体的内能保持不变B．做加速运动的物体，由于速度越来越大，因此物体分子的平均动能越来越大C．内能不同的物体，它们分子热运动的平均动能可能相同D．物体温度改变时，物体分子的平均动能不一定改变答案C解析物体的内能跟物质的量、温度、体积等都有关系，故A错误；做加速运动的物体，其宏观动能逐渐增大，但是物体的温度未必升高，所以分子的平均动能变化情况不能确定，故B错误；内能不同的物体，只要温度相同，它们分子热运动的平均动能就相同，故C正确；温度是分子平均动能的标志，物体温度改变时，物体分子的平均动能一定改变，故D错误。【针对训练2】一辆运输瓶装氧气的汽车，由于某种原因，司机紧急刹车，最后停下来，则下列说法正确的是()A．汽车机械能减小，氧气内能增加B．汽车机械能减小，氧气内能减小C．汽车机械能减小，氧气内能不变D．汽车机械能增大，汽车(轮胎)内能增加答案C解析氧气温度不变，体积没变，内能不变，A、B错误，C正确；汽车机械能减小，转化为内能，D错误。1．(分子动能的理解)下列关于分子动能的说法正确的是()A．物体的温度升高，每个分子的动能都增加B．物体的温度升高，分子的平均动能增加，内能也增加C．如果分子的质量为m，平均速率为v，则平均动能为eq\f(1,2)mv2D．分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子的总数之比答案D解析温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能增加，但是其中个别分子的动能却有可能减小，A错误；内能跟物质的量、温度、体积等因素都有关系，B错误；分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子总数的比值，所以C错误，D正确。2.(分子势能)关于分子势能，下列说法正确的是()A.分子间表现为引力时，分子间距离越小，分子势能越大B.分子间表现为斥力时，分子间距离越小，分子势能越小C.物体在热胀冷缩时，分子势能发生变化D.物体在做自由落体运动时，分子势能越来越小答案C解析分子间的作用力表现为引力，分子间的距离减小时，分子力做正功，分子势能随分子间距离的减小而减小，A错误；分子力为斥力，分子间的距离减小时，分子力做负功，分子势能随分子间距离的减小而增大，B错误；物体在热胀冷缩时，物体体积发生变化，说明分子势能发生变化，C正确；物体在做自由落体运动时，物体重力势能减小，但分子势能与重力势能无关，D错误。3.(分子势能)甲、乙两图分别表示两个分子之间分子力和分子势能随分子间距离变化的图像。由图像判断以下说法中正确的是()A.当分子间距离为r0时，分子力和分子势能均最小且为零B.当分子间距离r＞r0时，分子力随分子间距离的增大而增大C.当分子间距离r＞r0时，分子势能随分子间距离的增大而减小D.当分子间距离r＜r0时，分子间距离逐渐减小，分子力和分子势能都增加答案D解析当分子间距离为r0时，分子力为0，分子势能最小但不为0，所以A错误；当分子间距离r＞r0时，由图像可知随分子间距离的增大，分子力先增大后减小，所以B错误；当分子间距离r＞r0时，分子力为引力，分子间距离增大时，分子引力做负功，则分子势能随分子间距离的增大而增大，所以C错误；当分子间距离r＜r0时，分子间距离逐渐减小，分子力越来越大，分子斥力做负功，则分子势能增加，所以D正确。4．(物体内能的理解)关于内能和机械能，下列说法正确的是()A．物体的机械能损失时，内能必然会减少B．物体的内能损失时，机械能必然会减少C．物体内能为零时，机械能可以不为零D．物体的机械能为零时，内能不为零答案D解析在空中下降的物体由于克服空气阻力做功，机械能损失，因摩擦物体的温度升高，内能增加，A错误；物体静止时，温度降低，内能减少，而机械能可能不变，B错误；分子运动永不停息而且分子间有相互作用，内能不可能为零，但机械能可以为零，C错误，D正确。课时定时训练(限时30分钟)1.有关“温度”的概念下列说法中正确的是()A.温度反映了每个分子热运动的剧烈程度B.温度是分子平均动能的标志C.一定质量的某种物质，内能增加，温度一定升高D.温度升高时物体的每个分子的动能都将增大答案B解析温度是分子平均动能大小的标志，而对某个确定的分子来说，其热运动的情况无法确定，不能用温度反映，故A、D错误，B正确；温度不升高而仅使分子的势能增加，也可以使物体内能增加，冰熔化为同温度的水就是一个例证，故C错误。2.下列说法正确的是()A.只要温度相同，任何物体分子的平均动能都相同B.分子动能指的是由于分子定向移动具有的动能C.100个分子的动能和分子势能的总和就是这100个分子的内能D.温度高的物体中每一个分子的运动速率大于温度低的物体中每一个分子的运动速率答案A解析温度相同，物体分子的平均动能相同，A正确；分子动能是由于分子无规则运动而具有的动能，B错误；物体内能是对大量分子而言，对100个分子毫无意义，C错误；相同物质，温度高的物体分子平均速率大，温度是分子平均动能的标志，对单个分子没有意义，D错误。3．对于20℃的水和20℃的水银，下列说法正确的是()A．两者的分子平均动能相同B．水银的分子平均动能比水的大C．两者的分子平均速率相同D．两者的内能相同答案A解析温度相同的任何物体，分子平均动能都相等，所以A正确，B错误；分子平均动能相同，平均速率不一定相同，还与分子质量有关，水银的分子质量大，平均速率小，所以C错误；内能跟物质的量、温度、体积等因素都有关系，D错误。4.关于物体的内能，下列叙述中正确的应是()A.温度高的物体比温度低的物体内能大B.物体的内能不可能为零C.内能相同的物体，它们的分子平均动能一定相同D.物体的内能与物体的温度、体积、物态和分子数都无关答案B解析温度高低反映分子平均动能的大小，但由于物体不同，分子数目不同，所处状态不同，无法反映内能大小，故A错误；由于分子都在做永不停息的无规则运动，因此，任何物体内能不可能为零，故B正确；内能相同的物体，它们的分子平均动能不一定相同，故C错误；物体的内能与物体的温度、体积、物态和分子数有关，故D错误。5．下列有关温度与分子动能、物体内能的说法中正确的是()A．温度升高，每个分子的动能一定都变大B．温度升高，每个分子的内能一定都变大C．温度升高时，分子的平均动能一定变大D．温度降低，物体的内能必然变小答案C解析温度升高时，分子的平均动能一定变大，即平均速率增大，但每个分子的动能不一定变大，故A错误，C正确；决定物体内能的是组成物体的分子总数、温度和体积等因素。单个分子没有内能可言，温度降低，物体的内能可能减小，还有可能不变，甚至增加，故B、D错误。6.下列说法中正确的是()A.物体的内能变化时，它的温度一定发生变化B.气体的体积增大时，分子势能一定增大C.分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小D.用阿伏伽德罗常数和某种气体的密度，就一定可以求出该种气体的分子质量答案C解析物体的内能变化时，它的温度不一定发生变化，例如0℃的冰熔化成同温度的水，选项A错误；气体分子之间的距离比较大，所以气体分子的势能忽略不计，气体的体积增大时，分子势能不变，故B错误；分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，选项C正确；用阿伏伽德罗常数加气体的摩尔质量，才能求出该种气体的分子质量，故D错误。7.关于分子动理论和物体的内能，下列说法正确的是()A.某种物体的温度为0℃，说明该物体中分子的平均动能为零B.当分子间的距离增大时，分子间的引力和斥力都增大，但引力增大的更快，所以分子力表现为引力C.悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了花粉分子的热运动D.物体的温度升高时，分子的平均动能一定增大，但内能不一定增大答案D解析某种物体的温度是0℃，不是物体中分子的平均动能为零，分子做永不停息的无规则热运动，故A错误；当分子间的距离增大时，分子间的引力和斥力都减小但斥力减小得更快，所以分子力表现为引力，故B错误；花粉是由花粉颗粒组成的，布朗运动是花粉颗粒的运动，不是花粉分子的热运动，是液体分子热运动的反映，故C错误；温度从微观角度看表示了大量分子无规则运动的剧烈程度，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，分子的平均动能一定增大，但内能不一定增大，故D正确。8.在某变化过程中，两个分子间相互作用的势能在增大，则()A.两个分子之间的距离可能保持不变B.两个分子之间的距离一定在增大C.两个分子之间的距离一定在减小D.两个分子之间的距离可能在增大也可能在减小答案D解析分子间分子势能与距离的关系如图所示从图可以看出，分子势能增大，分子间距可能增加，也可能减小；若分子间距小于平衡间距，分子间距减小，分子势能增大；若分子间距大于平衡间距，分子间距增大，分子势能增大，故A、B、C错误，D正确。9.两分子间的斥力和引力的合力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，相距很远的两分子仅在分子力作用下，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，分子间作用力先变小后变大B.在r＞r0阶段，F做正功，分子动能增加，分子势能减小C.在r＜r0阶段，F做负功，分子动能减小，分子势能也减小D．在r＝r0时，分子势能最大，动能最小答案B解析当两分子逐渐靠近时，在r＞r0阶段，分子间作用力先变大后变小，选项A错误；在r＞r0阶段，分子力表现为引力，则当两分子逐渐靠近时，F做正功，分子动能增加，分子势能减小，选项B正确；在r＜r0阶段，分子力表现为斥力，当两分子逐渐靠近时，F做负功，分子动能减小，分子势能增加，选项C错误；在r＝r0时，分子势能最小，动能最大，选项D错误。10.在两个分子间的距离由r0(平衡位置)变为10r0的过程中，关于分子间的作用力F和分子间的势能Ep的说法正确的是()A.F不断减小，Ep不断减小B.F先增大后减小，Ep不断增大C.F不断增大，Ep先减小后增大D.F、Ep都是先减小后增大答案B解析分子间距r＝r0时，分子力F＝0；随r的增大，分子力表现为引力，F先增大后减小。在分子间距由r0至10r0的过程中，始终克服分子引力做功，所以分子势能一直增大，所以选项B正确。11．关于分子间的作用力，下列说法正确的是()A．分子之间的斥力和引力同时存在B．分子之间的引力随分子间距离的增大而增大，斥力则减小，所以在大于平衡距离时，分子力表现为引力C．分子之间的距离减小时，分子力一直做正功D．分子之间的距离增大时，分子势能一定减少答案A解析分子间既存在引力，也存在斥力，引力和斥力都随分子间距离的减小而增大，随分子间距离的增大而减小，只是斥力变化的快，所以当分子间距离大于r0时分子力表现为引力，小于r0时表现为斥力，故A正确，B错误；当分子力表现为引力，相互靠近时分子力做正功，当分子力表现为斥力，相互靠近时分子力做负功，故C错误；当分子力表现为引力，分子之间的距离增大时分子力做负功，分子势能增加，故D错误。12.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)，如图所示。将两分子从相距r处由静止释放，仅考虑这两个分子间的作用，则下列说法正确的是()A.当r＝r2时，释放两个分子，它们将开始远离B.当r＝r2时，释放两个分子，它们将相互靠近C.当r＝r1时，释放两个分子，r＝r2时它们的速度最大D.当r＝r1时，释放两个分子，它们的加速度先增大后减小答案C解析由图可知，两个分子在r＝r2处分子势能最小，则分子之间的距离为平衡距离，分子之间的作用力恰好为0。结合分子之间的作用力的特点可知，当分子间距离等于平衡距离时，分子力为零，所以假设将两个分子从r＝r2处释放，它们既不会相互远离，也不会相互靠近，故A、B错误；由于r1＜r2，可知分子在r＝r1处分子之间的作用力表现为斥力，分子之间的距离将增大，分子力做正功，分子的速度增大；当分子之间的距离大于r2时，分子之间的作用力表现为引力，随距离的增大，分子力做负功，分子