1.4 分子动能和分子势能（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第一章 分子动理论
第4节 分子动能和分子势能
教学设计
问题与目标
1.知道分子的动能和温度的微观含义。
2.知道分子的势能跟物体的体积有关，知道分子势能随分子间距离的变化而变化的定性规律。
3.知道什么是物体的内能，知道物体的内能与哪个宏观量有关，能区别物体的内能和机械能。
重点与难点
重点
了解分子动能和分子势能。
难点
分子势能与分子间距离大小之间的关系。
教学准备
教师要求
多媒体课件、冰、清水、热水器、红墨水、量筒等。
学生要求
课前预习本节课的内容，查阅相关资料。
教学过程
一、导入新课
问题引入：地面附近的物体所受的重力是G，由于重力做功具有跟路径无关的特点，所以存在重力势能。重力势能由地球和物体的相对位置决定。
分子间也存在相互作用力，那么，分子间是否存在势能呢 如果存在，有什么特点呢 这节课，我们就一起来学习一下有关分子动能和分子势能的知识。
二、新课教学
任务一：了解分子动能。
问题情境：演示实验——分别向0℃和100℃的水中
滴入一滴红墨水，观察红墨水扩散的情况。
问题1：哪杯水中的红墨水扩散得快
学生通过观察能够得出：向100℃的水中滴入的红墨水扩散得快。
问题2：哪杯水中的分子平均动能大
学生通过思考能够知道：
(1)物体由大量分子组成，每个分子都有动能。
(2)分子在永不停息地做无规则运动，每个分子的动能大小不同并且时刻在变化。
(3)热现象是大量分子无规则运动的结果，个别分子的动能没有意义。
由此可以判断出：100℃的水中的分子平均动能大。
问题3：物体温度升高时，物体内每个分子的动能都增大吗
(1)学生能够说出：温度是大量分子无规则热运动的
集体表现，具有统计意义，对于个别分子，温度是没有意义的。
(2)学生能够根据分子速率的分布规律说出：物体温度升高时，个别分子的动能可能减小，也可能不变。
问题4：温度的宏观含义和微观含义分别是什么
学生通过讨论能够得出：
(1)在宏观上，温度是物体冷热程度的标志。
(2)在微观上，温度是物体分子热运动的平均动能的标志。
(3)温度越高，分子的平均动能越大，但个别分子的动能可能减小，也可能不变。
问题5：物体运动的速度越大，其分子的平均动能也越大吗？
学生通过思考能够判断出：
(1)分子的平均动能取决于物体的温度。
(2)分子的平均动能与宏观上物体的运动速度无关。
问题6：影响分子平均动能的因素是什么
学生通过讨论能够得出：
(1)温度是大量分子无规则热运动的宏观表现，具有统计规律。温度升高，分子平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大。存在个别分子的动能反而减小的可能，个别分子或几十个、几百个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的。
(2)理想气体的分子平均动能大小只由温度决定，与物质的种类、质量、压强、体积无关。也就是说，只要是同一温度下，任何分子的平均动能都相同。由于不同物质分子的质量不尽相同，所以，在同一温度下，不同物质分子运动的平均速率的大小一般不相同。
任务二：了解分子势能。
问题情境：地面附近的物体所受的重力是G，由于重力做功具有跟路径无关的特点，所以存在重力势能。重力势能由地球和物体的相对位置决定。
问题1：分子间的作用力做功是否与路径无关 分子组成的系统是否具有分子势能
(1)学生通过查阅资料了解到：分子力做功与重力做功的特点类似，即与路径无关。
(2）学生通过思考可以得出：分子组成的系统具有分子势能，其大小由分子间的相对位置决定。
问题2：分子势能的大小由分子间的相对位置决定，这说明分子势能E，与分子间距离r是有关系的。如图所示，设两个分子相距无穷远时的分子势能为0。让一个分子A不动，另一个分子B从无穷远处逐渐靠近分子A的过程中，分子间的作用力是如何做功的 分子势能的大小是如何变化的
学生自主分析后得出：
(1)当分子B靠近A时，分子间距离r>r0，分子间表现为引力，力的方向与分子的位移方向相同，分子间的作用力做正功，分子势能减小。
(2)当分子间距离r减小到r0时，分子间的作用力为0，分子势能减小到最小。
(3)当分子B继续靠近分子A时，分子间距离r(4)分子势能与分子间距离有关，即分子势能与物体的体积有关。
问题3:根据分子势能的大小随分子间距离变化的关系和分子力随分子间距离变化的图像，能画出分子势能随分子间距离变化的图像吗
(1)学生能够自主画出Ep-r图像。(如图所示)
(2)学生能够知道：分子间距离为r0时，分子势能最小。
任务三：了解物体的内能。
问题情境：物体下落的时候，物体中的分子在做无规则热运动的同时，还共同参与了竖直向下的落体运动。地面上滚动的足球，球内的气体分子在做无规则热运动的同时，还共同参与了在水平地面上的运动。
问题1：什么是内能 当足球静止在地面上时，其中的气体分子是否还具有能量呢
学生通过思考能够得出：
(1)物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和，叫作物体的内能。
(2)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)当足球静止在地面上时，其中的气体分子具有内能。
问题2：结合影响分子动能和分子势能的因素，从微观和宏观的角度讨论一下，影响内能的因素有哪些
学生通过谈论能够了解：
(1)分子热运动的平均动能与温度有关，分子势能与物体的体积有关。因此，一般说来，物体的温度和体积变化时它的内能都会随之改变。
(2)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。
(3)宏观上，物体的内能取决于物体所含物质的量、温度和体积及物态。
(4)组成物体的分子在做无规则的热运动，具有热运动的动能，它是内能的一部分；同时物体还可能做整体的运动，因此，还会具有动能，这是机械能的一部分。后者是由物体的机械运动决定的，它对物体的内能没有贡献。
三、课堂小结
本节课我们主要学习了：
1.分子动能
(1)分子的平均动能
(2)温度是物体分子热运动的平均动能的标志。
2.分子势能
设两个分子相距无穷远时的分子势能为0。让一个分子A不动、另一个分子B从无穷远处逐渐靠近分子A，在此过程中：
(1)当分子间距离r>r0，表现为引力，分子力做正功，分子势能减小。
(2)当分子间距离r减小到r0时，作用力为0，分子势能最小。
(3)当分子间距离r3.内能
(1)定义：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。
(2)影响内能大小的因素：
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。
②宏观上，物体的内能取决于物体所含物质的量、温度和体积及物态。
(3)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。
四、作业设计
完成课本第16页练习题
课堂练习
1.如图所示，甲分子固定在坐标原点O上，乙分子位于r轴上距原点r3的位置。虚线分别表示分子间斥力F斥和引力F引的变化情况，实线表示分子间的斥力和引力的合力变化情况。若把乙分子由静止释放，则乙分子( )
A．从r3到r1，分子势能先减小后增加
B．从r3到r2做加速运动，从r2向r1做减速运动
C．从r3到r1做加速运动，从r1向O做减速运动
D．从r3到r1，分子势能先增加后减小
2.下列关于分子力和分子势能的说法中,正确的是( )
A.当分子力表现为引力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而增大
B.当分子力表现为引力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而减小
C.当分子力表现为斥力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大
D.当分子力表现为斥力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而减小
3.一定质量的0 ℃的冰熔化成0 ℃的水时,其分子的动能之和和分子的势能之和的变化情况为( )
A.变大,变大 B.变小,变小 C.不变,变大 D.变大,变小
4.如图所示为分子势能随分子间距离变化的图线,从图中分析可得到( )
A.处为平衡位置
B.处为平衡位置
C.处,分子势能为最小值,分子间无相互作用力
D.若越小,分子势能越大,分子间仅有斥力存在
答案以及解析
13.答案：C
解析：从r3到r1，分子力做正功，则分子势能减小，选项AD错误；在r>r1时，分子力表现为引力，当r14.答案：C
解析：当分子力表现为引力时,分子间距离增大,分子力减小,分子力做负功,分子势能增加,所以A、B不正确;当分子力表现为斥力时,分子间距离减小时,分子力增大,分子力做负功,分子势能增大,所以C正确,D不正确.
15.答案：C
解析：一定质量的0 ℃的冰熔化成0 ℃的水时，温度不变，分子的平均动能不变，故A、B、D错误.0 ℃的冰熔化成0 ℃的水时，需要吸收热量，所以其内能一定增加，而其分子总动能不变，所以分子的势能增大，故C正确.
16.答案：B
解析：当分子处于平衡位置时,分子间作用力为零,分子势能最小,故A、C错误,B正确;若越小,分子势能越大,分子间的引力和斥力都存在,且都在变大,故D错误。
板书设计
第4节分子动能和分子势能
1.分子动能
(1)分子的平均动能
(2)温度的微观含义
2.分子势能
(1)分子间的作用力所做的功与路径无关，分子组成的系统具有分子势能。
(2)如果选定分子间距离r为无穷远时的分子势能Ep为0，则分子势能Ep随分子间距离r变化的情况如图所示。
(3)当分子间距离r减小到r0时，分子势能最小。
3.内能
(1)定义：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。
(2)影响内能大小的因素：
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。
②宏观上，物体的内能取决于物体所含物质的量、温度和体积及物态。
(3)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。
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