第一章　4　分子动能和分子势能 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

4　分子动能和分子势能
[学习目标]　
1.理解分子动能，知道温度是分子平均动能的标志(重点)。
2.理解分子势能，明确分子势能与分子间距离的关系(重难点)。
3.理解内能的概念及其决定因素。
一、分子动能
1．分子动能：分子由于____________________而具有的能量。
2．分子的平均动能
(1)所有分子热运动动能的________。
(2)决定因素：物体的________是分子热运动的平均动能的标志。
3．物体内分子运动的总动能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________和所含分子总数有关。
(1)物体温度升高时，物体内每个分子的动能都增大。(　　)
(2)物体运动的速度越大，其分子的平均动能也越大。(　　)
(3)相同温度的不同物体，分子的平均动能相同。(　　)
(4)只要温度相同，任何物体分子的平均速率都相同。(　　)
(5)物体温度升高时，分子的平均动能增大。(　　)
例1　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．氧气分子的平均速率大于氢气分子的平均速率
B．两种气体分子热运动的平均速率相等
C．两种气体分子的平均动能相等
D．两种气体分子热运动的总动能相等
由于不同物质的分子质量一般不同，所以同一温度下，不同物质的分子热运动的平均动能相同，但平均速率一般不同。
二、分子势能
1．分子势能：由分子间的__________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____________，若r增大，需克服引力做功，分子势能________________________________________________________________________。
(2)当r(3)当r＝r0时，分子力为零，分子势能________即分子间距离等于平衡距离时分子势能____________。
3．决定因素
(1)宏观上：分子势能的大小与物体的________有关。
(2)微观上：分子势能的大小与分子之间的________有关。
(1)当两个分子从相距无穷远处逐渐靠近到不能再靠近的过程，分子势能如何变化？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(2)若选定分子间距离为无穷远时的分子势能为0，试定性的把两分子的分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图像画在坐标系中。
例2　(2022·泰州市高二月考)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，F做正功，分子动能增大，势能减小
B．在rC．在r＝r0时，分子势能最小，动能为零
D．在r＝r0时，分子势能为零
例3　(2022·南通市高二月考)当两分子间距变化时分子势能变小了，则可以判定在此过程(　　)
A．分子力一定做了正功
B．分子力一定增大
C．分子间距一定变大
D．分子力一定是引力
三、物体的内能
1．定义：物体中所有分子的热运动________与____________的总和。
2．内能普遍性：组成任何物体的分子都在做无规则的________，所以任何物体都具有内能。
3．影响内能的相关因素
(1)物体所含的分子总数：由____________决定；
(2)分子热运动的平均动能：与________有关；
(3)分子势能：与物体的________有关。
故物体的内能由____________、________、________共同决定，同时受物态的影响。
物体运动得越快，其内能就越大吗？静止在地面上的物体，内能为0吗？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
例4　(2022·徐州市高二期中)关于质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气，下列说法中正确的是(　　)
A．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能相同
B．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能相同
C．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能不相同
D．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能不相同
物态变化对内能的影响
一些物质在物态发生变化时，如冰的融化、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5　(2022·扬州市公道中学高二月考)下列关于内能和机械能的说法正确的是(　　)
A．机械能增大的物体，其内能一定增大
B．物体的机械能损失时，内能有可能增大
C．物体的内能损失时，机械能必然会减小
D．物体的机械能可能为0，内能也可能为0
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　分子动能和分子势能
[学习目标]　1.理解分子动能，知道温度是分子平均动能的标志(重点)。2.理解分子势能，明确分子势能与分子间距离的关系(重难点)。3.理解内能的概念及其决定因素。
一、分子动能
1．分子动能：分子由于不停地做无规则运动而具有的能量。
2．分子的平均动能
(1)所有分子热运动动能的平均值。
(2)决定因素：物体的温度是分子热运动的平均动能的标志。
3．物体内分子运动的总动能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。
(1)物体温度升高时，物体内每个分子的动能都增大。(　×　)
(2)物体运动的速度越大，其分子的平均动能也越大。(　×　)
(3)相同温度的不同物体，分子的平均动能相同。(　√　)
(4)只要温度相同，任何物体分子的平均速率都相同。(　×　)
(5)物体温度升高时，分子的平均动能增大。(　√　)
例1　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．氧气分子的平均速率大于氢气分子的平均速率
B．两种气体分子热运动的平均速率相等
C．两种气体分子的平均动能相等
D．两种气体分子热运动的总动能相等
答案　C
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C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A、B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，所以两种气体分子的总动能不相等，故选项D错误。
由于不同物质的分子质量一般不同，所以同一温度下，不同物质的分子热运动的平均动能相同，但平均速率一般不同。
二、分子势能
1．分子势能：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，分子势能增加。
(2)当r(3)当r＝r0时，分子力为零，分子势能最小，即分子间距离等于平衡距离时分子势能最小。
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：分子势能的大小与分子之间的距离有关。
(1)当两个分子从相距无穷远处逐渐靠近到不能再靠近的过程，分子势能如何变化？
(2)若选定分子间距离为无穷远时的分子势能为0，试定性的把两分子的分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图像画在坐标系中。
答案　(1)当r>r0时，分子间为引力，分子靠近过程中分子力做正功，分子势能减小；当r(2)
例2　(2022·泰州市高二月考)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，F做正功，分子动能增大，势能减小
B．在rC．在r＝r0时，分子势能最小，动能为零
D．在r＝r0时，分子势能为零
答案　A
解析　r0为分子间的平衡距离，在r>r0阶段，分子力表现为引力，相互靠近时F做正功，分子动能增加，势能减小，故A正确；在rr0阶段，相互靠近时F做正功，势能减小，故在r＝r0时，分子势能小于零，故D错误。
例3　(2022·南通市高二月考)当两分子间距变化时分子势能变小了，则可以判定在此过程(　　)
A．分子力一定做了正功
B．分子力一定增大
C．分子间距一定变大
D．分子力一定是引力
答案　A
解析　分子间分子势能与距离的关系如图所示，分子势能变小，说明分子力做了正功，A正确；若分子间距大于平衡间距，分子势能变小，分子间距变小，分子力可能增大也可能减小；若分子间距小于平衡间距，分子势能变小，分子间距变大，分子力减小，表现为斥力，故B、C、D错误。
三、物体的内能
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．内能普遍性：组成任何物体的分子都在做无规则的热运动，所以任何物体都具有内能。
3．影响内能的相关因素
(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：与温度有关；
(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，同时受物态的影响。
物体运动得越快，其内能就越大吗？静止在地面上的物体，内能为0吗？
答案　物体运动得越快，物体动能越大，但内能不一定越大，静止在地面上的物体，如果以地面作为零势能面，那么这个物体的机械能为0，但这个物体内的分子却始终处在永不停息的热运动中，物体的内能不为0。
例4　(2022·徐州市高二期中)关于质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气，下列说法中正确的是(　　)
A．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能相同
B．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能相同
C．分子平均动能相同，分子势能不相同，内能不相同
D．分子平均动能不相同，分子势能相同，内能不相同
答案　C
解析　质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气的分子数相同；温度是分子平均动能的标志，所以100 ℃的水分子平均动能等于100 ℃的水蒸气的分子平均动能。相同质量的水和水蒸气的体积不同，故分子势能不相同。同样温度的水变为同样温度的水蒸气要吸收热量，所以100 ℃的水的内能小于100 ℃相同质量的水蒸气的内能，故A、B、D错误，C正确。
物态变化对内能的影响
一些物质在物态发生变化时，如冰的融化、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5　(2022·扬州市公道中学高二月考)下列关于内能和机械能的说法正确的是(　　)
A．机械能增大的物体，其内能一定增大
B．物体的机械能损失时，内能有可能增大
C．物体的内能损失时，机械能必然会减小
D．物体的机械能可能为0，内能也可能为0
答案　B
解析　内能和机械能是两种不同形式的能，二者的决定因素不同，A错误；例如在物体克服空气阻力匀速下降过程中，机械能减小，而摩擦生热，物体温度升高，内能会增大，B正确；例如在物体静止时，温度降低，内能减小，而物体的机械能不变，C错误；物体内分子在永不停息的运动中，内能不可能为0，但机械能可以为0，D错误。
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