高中物理第七章分子动理论第5节内能问题导学案新人教版选修3-31

高中物理第七章分子动理论第5节内能问题导学案新人教版选修3-31

第 5 节 内能 课堂合作探究 问题导学 一、分子动能与温度的关系 活动与探究 1 1．为什么研究分子动能的时候主要关心平均动能？ 2．温度与分子平均动能的关系是怎样的？ 3．物体内分子运动的总动能由哪两个因素决定？ 迁移与应用 1 关于物体的温度与分子动能的关系，正确的说法是（ ） A．某物体的温度是 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 温度与分子动能、分子平均动能的关系 在宏观上，温度是表示物体冷热程度的物理量。在微观上，温度是物体中分子热运动的 平均动能的标志。 在相同温度下，各种物质分子的平均动能都相同，温度升高，分子平均动能增加，温度 降低，分子平均动能减少。 在同一温度下，虽然不同物质分子的平均动能都相同，但由于不同物质的分子质量不一 定相同，所以分子热运动的平均速率不一定相同。 温度是物体分子平均动能的标志，而不是物体分子动能的标志。 二、分子势能与分子间距离的关系 活动与探究 2 1．为什么会存在分子势能？ 2．分子势能与分子间的距离变化存在怎样的关系？ 3．为什么分子势能与体积有关？ 迁移与应用 2 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．乙分子从 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少 D．乙分子由 b 到 d 的过程中，两分子间的分子势能一直增加 1．分子势能的变化规律：①分子力做正功，分子势能减少；分子力做了多少正功，分 子势能就减少多少。分子力做负功，分子势能增加；克服分子力做了多少功，分子势能就增 加多少。 2．分子势能与物体体积有关，但不能简单理解成物体体积越大，分子势能就越大；体 积越小，分子势能就越小。如 0 ℃的水变成 0 ℃的冰后，体积变大，但分子势能减少。所 以一般来说，物体体积变化了，其对应的分子势能也将发生变化。具体怎么变化，关键要看 在变化过程中分子力做正功还是负功。 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。从图线上看出，当 r＝r0 时， 分子势能最小。 三、物体的内能的影响因素 活动与探究 3 飞机从地面起飞，随后在高空做高速航行，有人说：“在这段时间内，飞机中乘客的势 能、动能都增大了，他们身上所有分子的动能和势能也都增大了，因此乘客的内能也增大了”。 这种说法对吗？为什么？ 迁移与应用 3 以下说法正确的是（ ） A．温度相等的两块铁（固体），其内能一定相等 B．温度不等的物体，其内能一定不等 C．两物体的内能相等，其分子平均动能一定相等 D．两个由同种物质组成的物体（固体），质量相等，温度相同，内能一样大 1．内能的决定因素 （1）从宏观上看：物体内能的大小由物体的物质的量、温度和体积三个因素决定。 （2）从微观上看：物体的内能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。 2．内能与机械能的区别和联系 项目 内能 机械能 对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体的机械运动 能量常见形式 分子动能、分子势能 物体动能、重力势能或弹性势能 能量存在的原因 物体内大量分子的热运动和分 子间存在相互作用力 由于物体做机械运动和物体发 生弹性形变或被举高 影响因素 物质的量、物体的温度和体积 物体的机械运动的速度、离地高 度（或相对于参考平面的高度） 或弹性形变 能否为零 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 当堂检测 1．对温度的描述，正确的是（ ） A．温度的高低是由人的感觉决定的 B．物体的内能越大，则温度越高 C．分子平均速率大的物体的温度比分子平均速率小的物体的温度高 D．分子的平均动能越大，物体的温度越高 2．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 3．关于物体内能，下列说法中正确的是（ ） A．每一个分子的动能与分子势能的和叫物体的内能 B．物体所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能 C．一个物体，当它的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化 D．一个物体内能的多少与它的机械能多少无关 4．当氢气和氧气的质量和温度都相同时，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 5．设 r＝r0 时分子间作用力为零，则在一个分子从远处以某一动能向另一个分子靠近 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．以上均不对 答案： 课堂·合作探究 【问题导学】 活动与探究 1： 1．答案：分子动能是指单个分子热运动的动能，但分子是无规则运动的，因此各个分 子的动能以及一个分子在不同时刻的动能也不尽相同，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．答案：分子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，在 相同温度下，各种物质分子的平均动能都相同。 3．答案：物体内分子运动的总动能是所有分子热运动的动能总和。它等于分子的平均 动能与分子数的乘积，即它与物体的温度和所含的分子数目有关。 迁移与应用 1：C 解析：物体的温度是 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，分子运动加剧，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，物体的动能越大，这并不代表物体内部分子的热运动加快， 所以物体的温度不一定高。 活动与探究 2： 1．答案：如果物体之间存在引力或斥力，它们组成的系统就具有势能。组成物质的分 子之间也存在引力和斥力，因此，存在分子势能。 2．答案：（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）当分子间的距离 r＝r0 时，分子势能最小。 3．答案：分子势能是由分子力和分子间距离所决定的，当分子间距离发生变化时，分 子力做功，分子势能将发生变化。由于分子间距离的变化在宏观上可表现为物体体积的变化， 所以分子势能在宏观上与物体体积有关。 迁移与应用 2： BC 解析：乙分子从 a 到 b 再到 c 的过程中，分子间的作用力一直表现为引力（F＜0）， 所以该过程由于分子力的作用会使乙分子做加速运动，分子力做正功、分子势能减少；乙分 子到达 c 处时分子力为零，加速度为零，此时分子的动能最大、分子势能最小；乙分子再从 c 到 d 的过程中，分子力表现为斥力，由于分子力的作用会使乙分子做减速运动，直至速度 减为零，该过程分子力做负功、分子势能增加、分子动能减少。 活动与探究 3：答案：这种说法不对。因为该说法将机械能和内能两个概念混淆了，物 体的内能是由物体内分子的数目、物体的温度和体积决定的，与机械运动无关，机械运动速 度的改变以及竖直高度的变化仅改变的是乘客的机械能，不能因此判断其内能的变化情况。 迁移与应用 3：D 解析：温度相等的两块铁，因不知道它们的质量是否相等，那么其 内能不一定相等，所以 A 错；而对于温度不等的两物体，分子平均动能不一样大，但由于分 子势能、质量等因素，就有可能使内能一样大，因此 B 错；同样的道理 C 也是错误的。故正 确选项为 D。 【当堂检测】 1．D 解析：温度不是人的感觉，是客观存在的物理量，故 A 错。物体的内能是由物质 的量、温度和体积来决定的，仅由温度是无法确定的，故 B 错。温度决定于分子的平均动能， 而非分子的平均速率，所以 C 错，D 对。 2．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，因此 分子势能随分子间距离的减小而减小，所以 A 错误；分子力为斥力，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，所以 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，所以 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，所以 D 错误。 3．BD 解析：物体内所有分子的动能与势能的总和叫物体的内能，物体的内能对单个 分子而言无意义。物体的内能与其所含分子的动能与势能有关，与物体的动能和势能、机械 能无关。故本题选 B、D。 4．AB 解析：温度相同，两种气体平均动能相等，A 对。因两种气体分子的质量不同， 平均动能又相等，所以分子质量大的（氧气）分子平均速率小，故 B 对，D 错。由于两种气 体的摩尔质量不同，物质的量不同（质量相同），分子数目就不等。选项 C 错。 5．ABC 解析：本题考查分子势能改变与分子力做功的特点。一个分子从远处向另一个 分子靠近时，它们间的作用力先为引力后为斥力，故先做正功后做负功，那么分子势能先减 小后增大，而动能正好相反，先增大后减小；当 r＝r0 时，势能最小，动能最大。