2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册1.4分子动能和分子势能教案

1.4分子动能和分子势能 教案
【教材分析】
（一）教材分析
本课的内容分为三部分，通过前面学习的分子动理论和机械能的知识进一步建立了内能的概念。通过与机械的类比，逐步得出分子动能和分子势能的概念已经各自的影响因素。最终汇集到内能上来，不过要注意区分好宏观和微观的因素。本节内容是后续学习热力学的基础。
【学情分析】
（一）学情分析
知识层面，学生知道分子间作用力本质上是电磁相互作用，静电力做功和路径无关。学生已经学习重力做功和重力势能变化关系、电场力做功和电势能变化关系，并了解从研究做功分析势能的解决问题方法。教学时类比这些知识的学习，用类似方法从分子力和距离关系得到分子势能和距离变化图像。机械运动物体具有的动能不属于分子内能，教学可以从具体实例分析，帮助学生理解内能和机械能的关系。
【教学目标】
（一）教学目标
1.学生知道温度是分子热运动平均动能的标志。
2.学生知道什么是分子势能，知道分子势能与分子间距离有关。
3.学生知道内能的含义，知道物体的内能与温度和体积有关。
4.学生能够区别内能和机械能。
【教学重难点】
（一）教学重难点
教学重点：分子动能，分子势能，物体内能。
教学难点：分子热运动的平均动能与温度的关系，分子间距和分子势能的关系以及影响内能的因素。
【新课导入】
（一）新课导入
1．分子动理论
（1）物体是有大量分子组成。
（2）分子在做永不停息的无规则热运动。
（3）分子间存在着相互作用的引力和斥力。
2．气体压强的微观解释
气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的。
我们知道做机械运动的物体具有机械能，那么热现象发生过程中，也有相应的能量变化。另一方面，我们又知道热现象是大量分子做无规律热运动产生的。那么热运动的能量与大量的无规律运动有什么关系呢？这是今天学习的问题。
【新课讲解】
（一）分子动能
分子势能
1.分子势能的概念
展示图片：
类比：地面上的物体，由于地球的吸引，物体具有重力势能。发生弹性形变的弹簧，具有弹性势能。重力势能和弹性势能，他们的共同特点是物体之间存在着一种力，做功与路径无关与首末位置有关，比如这里的重力还有弹簧的弹力，因为这种力的存在，系统内部就有了做功的本领，换句话说就是具有势能。
分子间也存在着相互作用力，可以证明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。
思考与讨论
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Ep与分子间距离r是有关系的。那么，它们之间存在怎样的一种关系呢
2.分子势能的大小
设两个分子相距无穷远中，我们可以规定它们的分子势能为0。让一个分子A不动，另一个分子B从无穷远处逐渐靠近A。在这个过程中，分子间的作用力做功，分子势能的大小发生改变。
复习回顾：力做功与势能变化的关系
如果分子力做正功，分子势能就减小；如果分子力做负功，分子势能就增大。另外要规定某点分子势能为零，这样通过比较就能计算其他位置的分子势能。
规定当两个分子的距离无穷远时，分子势能为零。之前学过，当分子间距离较大时，分子力的合力表现为引力，也就是要把这个分子吸过去。此时分子力的方向就与分子的运动方向相同，所以分子力做正功，那相应的分子势能减小。即
①当r>r0时，分子力做正功，分子势能减小。
问题：它会一直这样下去吗？
分析：如图所示，分子力的曲线图，其中有个平衡位置r0，此时分子力的合力为零，对应到上图中就是分子从无穷远处移动到r0之间呢这一段距离，分子势能减小。那再靠近呢？分子力的合力就表现为斥力，和分子的运动方向相反。那显然此时分子力做负功分子势能增大。即
②当r总的来说随着分子间距的减小，分子势能先减小后增大，其中r0刚好是从减小到增大的临界点，所以此时分子势能最小，即
③当r＝r0时，分子势能最小。
从这里可以看出分子势能的大小是由分子间的相对位置决定的。和前面的重力势能、弹性势能是一样的。
把分子势能的变化也画成曲线图，无穷远处为0，随着分子间距的减小，分子势能先减小后增大，最低点对应的就是r0，分子势能最小明白了吧。
注意：和分子力的曲线图对比一下，会发现它们的形状还挺像的，但你一定要分清的是处于平衡位置r0时等于分子力来说是合力为零，但对分子势能来说是最低点。
思考问题：为什么分子势能在很大范围内都是负值呢？
这也是因为咱规定了无穷远处分子势能为零造成的并没有差特别的含义，不过你可以认为当分子间距处于这个范围时分子势能是低于无穷远处的势能。只有当两个分子距离较近时分子势能才大于无穷远处的分子势能。
（一）分子势能
分子势能
师：分子间作用力属于电磁相互作用，做功和路径无关，可引入势能的概念，这个势能叫分子势能。分子势能和重力势能、电势能具有一些共同的特点。
分子势能属于组成物体的所有分子系统所共有。
分子势能具有相对性。选择的参考零点不同，分子势能具体数值不同。通常选取分子相距无穷远（大约是分子大小的10倍），规定分子势能是零。
分子势能变化的绝对性。
思考与讨论：分子A固定在坐标原点O，分子B从很远处向A靠近。沿着AB分子连线建立坐标轴。
问题1-1：B分子从很远处到r1位置，分子间是斥力还是引力？分子力做正功还是负功？分子势能如何变化？
问题1-2：从r1到r0，分子力做什么功？分子势能如何变化？
问题1-3：B分子从r0继续向A分子运动，分子力是斥力还是引力？做什么功？分子势能如何变化？
问题1-4：选择很远处作为分子势能零点，试画出分子势能Ep-r图像，并标出关键的坐标位置。
从无穷远到r0，分子力做正功，分子势能一直减小，r0位置分子势能最小
从r0到坐标原点，分子力做负功，势能增加
EP-r图像斜率表示分子间作用力
分子间距发生变化，即物体体积变化，分子势能改变。分子势能与物体的体积有关.
问题1-5：若物体体积减小，分子势能如何变化？
生：若r r0，物体体积减小，分子势能减小.
问题1-6：气体分子间距较大，分子间作用力忽略不计。气体分子势能是多少？
（气体分子势能不变，规定势能为零。）
活动二：分子动能
师：分子不停地做无规则热运动，具有分子动能。根据分子运动论，分子动能具有如下特点。
不同分子的分子动能不同，有大有小
分子作不停地热运动，速度改变，同一分子的分子动能随时间改变
对于大量分子，分子热运动动能平均值和温度有关。温度越高，分子热运动越剧烈，热运动动能平均值越大。温度是分子热运动动能的标志。大量分子才具有“温度”的概念。
思考与讨论：北方冬季寒风怒吼，风大表示空气分子的运动速度大，寒冷表示空气的温度低，即空气分子的平均动能小。二者是否矛盾？如何理解该现象？
（分子动能是指分子的热运动具有的动能，风大是指空气分子定向运动的速度大，此动能不属于分子动能，属于机械能。物体定向运动具有的动能和分子动能含义不同。物体静止在地面上，但分子依然不停地做无规则热运动，分子动能不是零。）
（一）物体的内能
物体的内能
问题3-1：什么是物体的内能？
问题3-2：内能与哪些因素有关？
问题3-3：两个完全相同的木块，一个静止在地面上，另一个沿地面做匀速直线运动。地面光滑，两木块的内能相同吗？
问题3-4：理想气体的内能与气体体积有关吗？为什么？
物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。
任何物体都具有内能.
物体内能与温度、体积均有关.
理想气体内能等于分子动能，只由温度决定，和体积无关。
【板书】
（一）板书
§ 4 分子动能和分子势能
一、分子势能
系统性
相对性
变化的绝对性
二、分子动能
热运动动能平均值由温度决定
三、内能
1.含义
2.影响因素：体积、温度
3.理想气体内能只由温度决定，和体积无关。
【课后反思】
（一）课后反思
教材的分子势能和距离图像是两个分子间的势能，向学生特别指明这一点。从分子间作用力特点和分子力做功和分子势能变化关系出发，学生应能画出分子势能和距离图像，教师要发挥好引导作用，让学生自己分析图像并作图。
内能和机械能的区别学生容易混淆，通过举例帮助学生理解。