2019-2020年高中物理 第七章 分子動理論 第5講 內(nèi)能學(xué)案 新人教版選修3-3.doc

2019-2020年高中物理 第七章 分子動理論 第5講 內(nèi)能學(xué)案 新人教版選修3-3 [目標(biāo)定位]　1.知道溫度是分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志，滲透統(tǒng)計的方法.2.知道什么是分子勢能，分子勢能隨分子距離變化的關(guān)系．理解分子勢能與物體的體積有關(guān).3.知道什么是內(nèi)能，知道物體的內(nèi)能跟物體的物質(zhì)的量、溫度和體積有關(guān).4.能夠區(qū)別內(nèi)能和機(jī)械能． 一、分子動能 1．定義：由于分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動而具有的能． 2．分子的平均動能：所有分子的熱運(yùn)動動能的平均值． 3．溫度的微觀意義：溫度是分子熱運(yùn)動的平均動能的標(biāo)志． 二、分子勢能 1．定義：分子間由分子力和分子間的相對位置決定的勢能． 2．分子勢能的決定因素 (1)宏觀上：分子勢能的大小與物體的體積有關(guān)． (2)微觀上：分子勢能與分子之間的距離有關(guān)． 三、內(nèi)能 1．定義：物體中所有分子的熱運(yùn)動動能與分子勢能的總和． 2．決定因素：物體所含的分子總數(shù)由物質(zhì)的量決定，分子的熱運(yùn)動平均動能由溫度決定，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)變化的影響． 3．物體的內(nèi)能跟物體的機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)． 想一想　在高空中高速飛行的飛機(jī)中的物體，內(nèi)能一定大嗎？ 答案　不一定．內(nèi)能包括分子動能和分子勢能，分子動能取決于溫度，分子勢能取決于體積，物體的內(nèi)能與機(jī)械能是完全不同的概念．物體速度大，高度大，只是機(jī)械能大，內(nèi)能不一定大． 一、對分子動能的理解 1．單個分子的動能 由于分子運(yùn)動的無規(guī)則性，在某時刻物體內(nèi)部各個分子的動能大小不一，就是同一個分子，在不同時刻的動能也是不同的，所以單個分子的動能沒有意義． 2．分子的平均動能 (1)溫度是大量分子無規(guī)則熱運(yùn)動的客觀表現(xiàn)，具有統(tǒng)計意義，溫度升高，分子平均動能增大，但不是每個分子的動能都增大，有的分子動能甚至還減小，個別分子的動能大小與溫度沒有關(guān)系，但總體上所有分子動能的總和隨溫度的升高而增加． (2)分子的平均動能只由溫度決定，與物質(zhì)種類、質(zhì)量、壓強(qiáng)、體積無關(guān)，只要溫度相同，分子的平均動能就相等，由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不同，所以同一溫度下，不同物質(zhì)的分子運(yùn)動的平均速率一般不同． 3．溫度的意義 (1)宏觀：描述物體的冷熱程度． (2)微觀：分子平均動能的標(biāo)志． 例1　下列關(guān)于物體的溫度與分子動能的關(guān)系，正確的說法是(　　) A．某物體的溫度是0 ℃，說明物體中分子的平均動能為零 B．物體溫度升高時，每個分子的動能都增大 C．物體溫度升高時，分子平均動能增加 D．物體的運(yùn)動速度越大，則物體的溫度越高 答案　C 解析　某種氣體溫度是0 ℃，物體中分子的平均動能并不為零，因?yàn)榉肿釉谟啦煌Ｏ⒌剡\(yùn)動，A錯誤；當(dāng)溫度升高時，分子運(yùn)動加劇，平均動能增大，但并不是所有分子的動能都增大，B錯，C對；物體的運(yùn)動速度越大，物體的動能越大，這并不能代表物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動越劇烈，所以物體的溫度不一定高，D錯． 借題發(fā)揮　(1)雖然溫度是分子平均動能的標(biāo)志，但是零度(0 ℃)時物體中分子的平均動能卻不為零． (2)物體內(nèi)分子做無規(guī)則熱運(yùn)動的速度和物體做機(jī)械運(yùn)動的速度是完全不同的兩個概念． 針對訓(xùn)練　當(dāng)氫氣和氧氣的質(zhì)量和溫度都相同時，下列說法中正確的是(　　) A．兩種氣體分子的平均動能相等 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(yùn)動的總動能相等 D．兩種氣體分子熱運(yùn)動的平均速率相等 答案　AB 解析　因溫度是分子平均動能的標(biāo)志，所以選項(xiàng)A正確；因?yàn)闅錃夥肿雍脱鯕夥肿拥馁|(zhì)量不同，且mH2<mO2，平均動能又相等，所以分子質(zhì)量大的平均速率小，故選項(xiàng)D錯，選項(xiàng)B正確；雖然氣體質(zhì)量和分子平均動能都相等，但由于氣體摩爾質(zhì)量不同，所以分子數(shù)目也就不相等，因此選項(xiàng)C錯． 二、對分子勢能的深化理解 1．分子勢能 由分子間的相對位置決定的能叫分子勢能． 2．分子勢能的變化與分子間距離的關(guān)系 分子勢能是由分子間的相對位置決定的．當(dāng)分子間的距離發(fā)生變化時，分子力要做功．當(dāng)分子力做正功時，分子勢能減??；當(dāng)分子力做負(fù)功時，分子勢能增大．由分子間的作用力F與分子間的距離r之間的關(guān)系(如圖1所示)可知(取r→∞時分子勢能為零)： 圖1 (1)當(dāng)r?r0(r0表示兩分子間的平衡距離，下同)時，分子間的作用力小到可忽略不計，可以認(rèn)為分子間沒有相互作用力，這時的分子勢能為零(沒有分子勢能)． (2)當(dāng)r>r0時，分子力表現(xiàn)為引力．當(dāng)r增大時，分子力做負(fù)功，因此分子勢能隨分子間距離的增大而增大． (3)當(dāng)r<r0時，分子力表現(xiàn)為斥力．當(dāng)r減小時，分子力做負(fù)功，分子勢能增大，因此分子勢能隨分子間距離的減小而增大． (4)當(dāng)r＝r0時，分子力表現(xiàn)為零．當(dāng)r增大時，分子力做負(fù)功，分子勢能增大；當(dāng)r減小時，分子力做負(fù)功，分子勢能增大，因此r＝r0時分子勢能最?。? 分子勢能與分子間的距離的關(guān)系如圖2所示． 圖2 例2　甲、乙兩分子相距較遠(yuǎn)(此時它們之間的分子力可以忽略)，設(shè)甲固定不動，在乙逐漸向甲靠近直到不能再靠近的過程中，關(guān)于分子勢能的變化情況，下列說法正確的是(　　) A．分子勢能不斷增大 B．分子勢能不斷減小 C．分子勢能先增大后減小 D．分子勢能先減小后增大 答案　D 解析　r>r0時，靠近時引力做正功，Ep減??；r<r0時，靠近時斥力做負(fù)功，Ep增大． 借題發(fā)揮　(1)分子勢能的變化情況只與分子力做功相聯(lián)系．分子力做正功，分子勢能減??；分子力做負(fù)功，分子勢能增大．分子力做功的值等于分子勢能的變化量． (2)討論分子勢能變化時，絕不能簡單地由物體體積的增大、減小得出結(jié)論．導(dǎo)致分子勢能變化的原因是分子力做功． 針對訓(xùn)練　如圖3所示，甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O處，乙分子位于x軸上，甲分子對乙分子的作用力與兩分子間距離的關(guān)系如圖中曲線所示．F＞0為斥力，F(xiàn)＜0為引力，a、b、c、d為x軸上四個特定的位置，現(xiàn)把乙分子從a處由靜止釋放，則(　　) 圖3 A．乙分子由a到b做加速運(yùn)動，由b到c做減速運(yùn)動 B．乙分子由a到c做加速運(yùn)動，到達(dá)c時速度最大 C．乙分子由a到c的過程，動能先增大后減小 D．乙分子由b到d的過程，兩分子間的分子勢能一直增加 答案　B 解析　乙分子由a運(yùn)動到c的過程，一直受到甲分子的引力作用而做加速運(yùn)動，到c時速度達(dá)到最大，而后受到甲分子的斥力做減速運(yùn)動，A錯誤，B正確；乙分子由a到c的過程所受引力做正功，分子勢能一直減小，分子的動能一直增大，C錯誤；乙分子由b到d的過程中，先是引力做正功，分子勢能減小，后來克服斥力做功，分子勢能增加，D錯誤．三、對內(nèi)能的理解 1．因?yàn)橐磺形矬w都是由不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動且相互作用著的分子所組成的，所以任何物體都具有內(nèi)能． 2．物體的內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別和聯(lián)系 (1)物體的機(jī)械運(yùn)動對應(yīng)著機(jī)械能，熱運(yùn)動對應(yīng)著內(nèi)能．內(nèi)能和機(jī)械能是兩種不同形式的能量． (2)內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動的動能和分子間的相對位置決定的勢能的總和，而不是分子定向移動的動能，它與物體的溫度、體積等因素有關(guān)；而機(jī)械能是物體的動能及重力勢能和彈性勢能的總和，它是對宏觀物體來說的． (3)物體具有內(nèi)能的同時又可以具有機(jī)械能．當(dāng)物體的機(jī)械能增加時，內(nèi)能不一定增加，但機(jī)械能與內(nèi)能之間可以相互轉(zhuǎn)化． 例3　下列說法正確的是(　　) A．鐵塊熔化成鐵水的過程中，溫度不變，內(nèi)能也不變 B．物體運(yùn)動的速度增大，則物體中分子熱運(yùn)動的平均動能增大，物體的內(nèi)能增大 C．A、B兩物體接觸時有熱量從物體A傳到物體B，這說明物體A的內(nèi)能大于物體B的內(nèi)能 D．A、B兩物體的溫度相同時，A、B兩物體的內(nèi)能可能不同，分子的平均速率也可能不同 答案　D 解析　鐵塊熔化成鐵水的過程中要吸收熱量，所以內(nèi)能增加，故A錯；兩物體溫度相同，內(nèi)能可能不同，分子的平均動能相同，但由k＝m2知，平均速率可能不同，故D對；有熱量從A傳到B，只說明A的溫度高，內(nèi)能大小還要看它們的總分子數(shù)和分子勢能這些因素，故C錯；機(jī)械運(yùn)動的速度增大，動能增加，與分子熱運(yùn)動的平均動能無關(guān)系，內(nèi)能也不一定增加，故B錯． 分子動能與溫度 1．下列有關(guān)“溫度”的概念的說法中正確的是(　　) A．溫度反映了每個分子熱運(yùn)動的劇烈程度 B．溫度是分子平均動能的標(biāo)志 C．一定質(zhì)量的某種物質(zhì)，內(nèi)能增加，溫度一定升高 D．溫度升高時物體的每個分子的動能都將增大 答案　B 解析　溫度是分子平均動能的標(biāo)志，而對某個確定的分子來說，其熱運(yùn)動的情況無法確定，不能用溫度反映．故A、D錯，B對；溫度不升高而僅使分子的勢能增加，也可以使物體內(nèi)能增加，冰熔化為同溫度的水就是一個例證，故C錯． 分子勢能與分子力做功 2．兩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4中曲線所示，曲線與r軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為r0.相距很遠(yuǎn)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(yuǎn)時分子勢能為零，下列說法正確的是(　　) 圖4 A．在r>r0階段，F(xiàn)做正功，分子動能增加，勢能減小 B．在r<r0階段，F(xiàn)做負(fù)功，分子動能減小，勢能也減小 C．在r＝r0時，分子勢能最小，動能最大 D．在r＝r0時，分子勢能為零 E．分子動能和勢能之和在整個過程中不變 答案　ACE 解析　由圖可知：在r>r0階段，當(dāng)r減小時F做正功，分子勢能減小，分子動能增加，故選項(xiàng)A正確；在r<r0階段，當(dāng)r減小時F做負(fù)功，分子勢能增加，分子動能減小，故選項(xiàng)B錯誤；在r＝r0時，分子勢能最小，動能最大，故選項(xiàng)C正確；在r＝r0時，分子勢能最小，但不為零，故選項(xiàng)D錯誤；在整個相互接近的過程中，分子動能和勢能之和保持不變，故選項(xiàng)E正確．故正確答案為A、C、E. 3．下列關(guān)于分子力和分子勢能的說法正確的是(　　) A．當(dāng)分子力表現(xiàn)為引力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的增大而增大 B．當(dāng)分子力表現(xiàn)為引力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的增大而減小 C．當(dāng)分子力表現(xiàn)為斥力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的減小而增大 D．當(dāng)分子力表現(xiàn)為斥力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的減小而減小 答案　C 解析　當(dāng)分子力表現(xiàn)為引力時，分子間距離增大，分子力減小，分子力做負(fù)功，分子勢能增大，所以A、B不正確；當(dāng)分子力表現(xiàn)為斥力時，分子間距離減小，分子力增大，分子力做負(fù)功，分子勢能增大，所以C正確，D不正確． 物體的內(nèi)能與機(jī)械能 4．下列關(guān)于物體內(nèi)能的說法正確的是(　　) A．同一個物體，運(yùn)動時比靜止時的內(nèi)能大 B．1 kg 0 ℃的水的內(nèi)能比1 kg 0 ℃的冰的內(nèi)能大 C．靜止的物體的分子平均動能為零 D．物體被舉得越高，其分子勢能越大 答案　B 解析　物體的內(nèi)能與其宏觀運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)，A錯；1 kg 0 ℃的水變成1 kg 0 ℃的冰要放出熱量，故1 kg 0 ℃的水的內(nèi)能大，B對；靜止的物體的動能為零，但分子在永不停息地運(yùn)動，其分子平均動能不為零，同理被舉高的物體，勢能增加，但其體積不變，分子勢能不變，故C、D錯． (時間：60分鐘) 題組一　分子動能與溫度 1．下列關(guān)于物體的溫度、內(nèi)能和熱量的說法中正確的是(　　) A．物體的溫度越高，所含熱量越多 B．物體的內(nèi)能越大，所含熱量越多 C．物體的溫度越高，它的分子熱運(yùn)動的平均動能越大 D．物體的溫度不變，其內(nèi)能就不變 答案　C 解析　分子熱運(yùn)動的平均動能只與溫度有關(guān)，溫度越高，分子熱運(yùn)動的平均動能越大，內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度和體積共同決定，并且內(nèi)能是狀態(tài)量，而熱量是過程量，它表示由于熱傳遞而引起的內(nèi)能變化過程中轉(zhuǎn)移的能量． 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．氣體分子間的作用力增大 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　氣體在上升的過程中，溫度不變，分子的平均動能不變，平均速率不變，體積增大，分子間的作用力減小，氣體的分子勢能增大． 3．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，分子的總動能增加 C．如果分子的質(zhì)量為m，平均速率為v，則平均動能為mv2 D．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(biāo)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，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，所以C錯，D對． 題組二　分子勢能與分子力的功 4．分子間距增大時，分子勢能將(　　) A．增大 B．減小 C．不變 D．不能確定 答案　D 解析　分子勢能的變化與分子力做功緊密聯(lián)系．當(dāng)分子力做正功時，分子勢能減??；當(dāng)分子力做負(fù)功時，分子勢能增大． (1)當(dāng)r>r0時，分子間的作用力為引力，分子間距離增大時，分子力做負(fù)功，分子勢能增大． (2)當(dāng)r<r0時，分子間的作用力為斥力，分子間距離增大時，分子力做正功，分子勢能減?。? 經(jīng)以上分析可知D選項(xiàng)正確． 5．在兩個分子間的距離由r0(平衡位置)變?yōu)?0r0的過程中，關(guān)于分子間的作用力F和分子間的勢能Ep的說法中，正確的是(　　) A．F不斷減小，Ep不斷減小 B．F先增大后減小，Ep不斷增大 C．F不斷增大，Ep先減小后增大 D．F、Ep都是先減小后增大 答案　B 解析　分子間距r＝r0時，分子力F＝0；隨r的增大，分子力表現(xiàn)為引力，F(xiàn)≠0；當(dāng)r＝10r0時，F(xiàn)＝0，所以F先增大后減?。诜肿娱g距由r0至10r0的過程中，始終克服分子引力做功，所以分子勢能一直增大，所以選項(xiàng)B正確，其他選項(xiàng)錯誤． 6．如圖1所示，甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O，乙分子沿x軸運(yùn)動，兩分子間的分子勢能Ep與兩分子間距離的變化關(guān)系如圖中曲線所示．圖中分子勢能的最小值為－E0.若兩分子所具有的總能量為0，則下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．乙分子在P點(diǎn)(x＝x2)時，加速度最大 B．乙分子在P點(diǎn)(x＝x2)時，其動能為E0 C．乙分子在Q點(diǎn)(x＝x1)時，處于平衡狀態(tài) D．乙分子的運(yùn)動范圍為x≥x1 答案　BD 解析　分子勢能最小時，分子處于平衡位置，所以P點(diǎn)是分子的平衡位置．乙分子在P點(diǎn)的加速度為零，故選項(xiàng)A、C錯誤，選項(xiàng)B正確；由于兩分子所具有的總能量為零，而Q點(diǎn)的分子勢能為零，故選項(xiàng)D正確． 7．兩個相距較遠(yuǎn)的分子僅在分子力作用下由靜止開始運(yùn)動，直至不再靠近．在此過程中，下列說法正確的是(　　) A．分子力先增大，后一直減小 B．分子力先做正功，后做負(fù)功 C．分子動能先增大，后減小 D．分子勢能先增大，后減小 E．分子勢能和動能之和不變 答案　BCE 8．下列四幅圖中，能正確反映分子間作用力F和分子勢能Ep隨分子間距離r變化關(guān)系的圖線是(　　) 答案　B 解析　當(dāng)r<r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，隨分子間距離r增大，分子勢能Ep減??；當(dāng)r>r0時，分子力表現(xiàn)為引力，隨分子間距離r增大；分子勢能Ep增大；當(dāng)r＝r0時，分子力為零，此時分子勢能最?。蔬x項(xiàng)B正確． 題組三　物體的內(nèi)能與機(jī)械能 9．關(guān)于內(nèi)能和機(jī)械能，下列說法正確的是(　　) A．物體的機(jī)械能損失時，內(nèi)能卻可能增加 B．物體的內(nèi)能損失時，機(jī)械能必然會減小 C．物體內(nèi)能為零時，機(jī)械能可以不為零 D．物體的機(jī)械能為零時，內(nèi)能可以不為零 答案　AD 解析　在空中下降的物體由于克服空氣阻力做功，機(jī)械能損失，因摩擦物體的溫度升高，內(nèi)能增加，A正確；物體靜止時，溫度降低，內(nèi)能減少，而機(jī)械能可能不變，B錯；分子運(yùn)動永不停息而且分子間有相互作用，內(nèi)能不可能為零，但機(jī)械能可以為零，C錯，D正確． 10．關(guān)于物體的內(nèi)能，下列敘述中正確的是(　　) A．溫度高的物體比溫度低的物體內(nèi)能大 B．物體的體積增大時，內(nèi)能也增大 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可能相同 答案　D 解析　溫度高的物體與溫度低的物體相比較，溫度低的物體的分子平均動能小，但所有分子的熱運(yùn)動動能和分子勢能的總和不一定小，即物體的內(nèi)能不一定小，A錯；物體的體積增大時，分子間的距離增大，分子勢能發(fā)生變化，但不能確定分子勢能是增大還是減?。词狗肿觿菽茉龃蠖肿拥钠骄鶆幽懿荒艽_定是否變化，也不能說明內(nèi)能增大，B錯；內(nèi)能相同的物體是指物體內(nèi)所有分子的動能和分子勢能的總和相同，而它們的分子平均動能卻不一定相同，C錯；內(nèi)能不相同的物體，它們的溫度卻可能相同，即它們的分子平均動能可能相同，D正確． 11．關(guān)于物體的內(nèi)能，下列說法中正確的是(　　) A．水分子的內(nèi)能比冰分子的內(nèi)能大 B．物體所處的位置越高，分子勢能就越大，內(nèi)能越大 C．一定質(zhì)量的0 ℃的水結(jié)成0 ℃的冰，內(nèi)能一定減少 D．相同質(zhì)量的兩個同種物體，運(yùn)動物體的內(nèi)能一定大于靜止物體的內(nèi)能 答案　C 解析　因內(nèi)能是指組成物體的所有分子的熱運(yùn)動的動能與分子勢能的總和，說單個分子的內(nèi)能沒有意義，故選項(xiàng)A錯誤；內(nèi)能與機(jī)械能是兩種不同性質(zhì)的能，它們之間無直接聯(lián)系，內(nèi)能與“位置”高低、“運(yùn)動”還是“靜止”沒有關(guān)系，故選項(xiàng)B、D錯誤；一定質(zhì)量的0 ℃的水結(jié)成0 ℃的冰，放出熱量，使得內(nèi)能減少，故選項(xiàng)C正確．