1.4分子动能和分子势能（教学设计）

1.4分子动能和分子势能
一、教材分析
本课的内容分为三部分，通过前三节学习的分子动理论，让学生从能量的角度进一步思考，建立分子动能、分子势能和内能的概念。一种运动形式对应一种能量，通过与机械能进行类比，逐步得出分子动能和分子势能的概念以及各自的影响因素，最终汇集到内能上来，懂得宏观物理量的微观含义。本节内容是后续学习热力学的基础。
二、教学目标与核心素养
物理观念∶通过类比宏观斯特林发动机，得出分子动能、分子平均动能、分子势能、内能的概念。
科学思维∶分析理解分子平均动能随温度的变化关系，分子势能和分子间距离的关系，得出内能的决定因素。
科学探究：运用弹簧连接两小球模拟分子，探究分子势能的大小。
科学态度与责任∶学习好影响内能的因素，培养学生能够通过宏观与微观两种方面来看物理问题的思想。
三、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。
四、教学准备
多媒体课件、酒精灯、试管、铁架台、弹簧、斯特林发动机、小球（两个）等。
五、教学过程
（一）新课引入
1765年瓦特改良蒸汽机，极大的提高了生产效率，解放了生产力，推动了工业化进程。蒸汽机的应用是人类认识和利用自然能量的一个突破，是人类历史上第一次技术革命。
展示图片：蒸汽机 斯特林发动机
分析：蒸汽机工作的原理
提出问题：观察斯特林发动机的运动，结合前三节学习的相关知识，尝试解释 什么样的原因使机械发生了运动？
（二） 新课教学
分子动能
1.分子动能的概念
展示：分子热运动动态图。
之前在学习扩散现象和布朗运动，就已经知道分子在永不停息的无规则运动，像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能，这就是分子动能。
2.分子热运动的平均动能
展示：分子热运动速率分布图
物体中分子热运动的速率大小不一，所以各个分子的动能也有大有小，而且在不断改变。在热现象的研究中，我们关心的是组成系统的大量分子整体表现出来的热学性质，因而，这里重要的不是系统中某个分子的动能大小，而是所有分子的动能的平均值，这个平均值叫作分子热运动的平均动能。
注意：这里的分子指的是大量分子， 因为平均动能是大量分子的一个统计概念，对于一个分子或几个分子的动能是没有实际意义的。
3.温度
①宏观角度
观察：图片展示，分别向10℃和50℃的水中滴入一滴蓝墨水，观察哪杯水中蓝墨水扩散的快？哪杯水中分子的平均动能大？影响分子平均的因素是什么？
②微观角度
温度升高时，分子的热运动加剧，那就能推断出，对于同种分子而言，温度越高分子平均速率越大，分子平均动能也越大。温度越低，分子热运动的平均动能越小。因此可以得出结论∶物体温度升高时，分子热运动的平均动能增加。即
温度是它的分子热运动的平均动能的标志。
注意：
第一，这里的分子指的是大量分子， 因为温度是大量分子的一个统计概念，对于一个分子或几个分子而言，温度是没有实际意义的。
第二，对温度相同的物体，可以说分子平均动能相同，但不能说分子平均速率相同。
第三，分子平均动能与物体的热力学温度成正比，而不是与摄氏温度成正比。
第四，影响分子动能的因素出来温度外还有分子数或分子的摩尔质量。
分子势能
1.分子势能的概念
实验演示：
将装有100℃水的，用橡胶塞塞紧的试管继续加热，过一段时间之后，观察实验现象。
思考与讨论
分子与分子之间存在作用力，橡胶塞被推出试管，说明了什么？
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，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。
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。
两个分子相距无穷远是指它们之间几乎没有相互作用时的距离。
物体的内能
1.内能的概念
内能=分子动能+分子势能
分子在永不停息的无规则运动，于是分子都具有动能，因此所有物体就都具有内能，且不为零。
2.内能的影响因素
把分子动能和分子势能的影响因素综合一下就可以了。分子动能，它是分子数和分子平均动能的乘积，其中分子平均动能与温度有关，所以说分子动能与分子数和物体的温度有关。分子势能，首先它也和分子数有关。其次，还与分子间距有关，在宏观上体现为物体的体积。
微观因素：分子的平均动能、分子距离、分子个数。
②宏观因素：温度、体积、质量
3.如何判断物体内能的变化
一般讨论的都是温度变化带来的影响。即，同一个物体温度升高时内能增大，温度降低时内能减小。
典型的错误：
①内能增大时温度升高，是错的。因为冰融化成水，物质状态改变，内能增大，但温度不变。
②反过来内能减小时，温度降低也是错的。由水在凝固成冰物质状态改变，内能减小，但温度还是不变。也就是说，你可以从温度的变化去判断内能的变化，但反过来就不靠谱。
③温度高的物体内能大，也是错误的。因为没有强调是同一个物体。如一杯热水和一桶冰水，内能就是无法比较的。
4.判断气体的内能
对压强不太大的气体，分子间距很大，所以分子间作用力可以忽略不计，那就可以认为分子势能为零。因此，以后你在判断气体的内能时，如果没有特殊说明就可以不考虑分子势能，那内能就等于分子动能之和气体温度与分子数有关。
思考与讨论
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竖直向下的落体运动。再如，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，还共同参与水平地面上的运动。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
5.内能和机械能的比较
内能 机械能
对应的运动形式 与热运动对应 与机械运动对应
常见的能量形式 分子动能和分子势能 动能、重力势能、弹性势能
影响因素 温度、质量、体积 质量、速度、高度、形变量
联系 内能和机械能的物理本质是一样的。机械能是宏观的物体运动，内能是组成物体的分子热运动的总和。
课堂练习
例1：下列四幅图中，能正确反映分子间作用力f和分子势能Ep 随分子间距离r变化关系的图线是(　　)
解析 ：分子间作用力f 的特点是：rr0时，f 为引力。分子势能Ep的特点是：r＝r0时，Ep最小。因此只有B项正确。
例2：两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______(填入正确选项前的字母)。
A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小
B．在rC．在r＝r0时，分子势能最小，动能最大
D．在r＝r0时，分子势能为零
E．分子动能和势能之和在整个过程中不变
例3：在一个密闭容器内有一滴15 ℃的水，过一段时间后，水滴蒸发变成了水蒸气，温度还是15℃。它的内能是否发生了变化 为什么
答：内能变化了，因为分子总数（质量）不变，温度不变，但是体积变化了。
例4： 以下说法正确的是(　　 )
A.机械能为零、内能不为零是可能的
B.温度相同，质量相同的物体具有相同的内能
C.物体的速度增大时，物体的内能可能减小
D.分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能
E.物体的速度增大时，物体的内能增大
解析：分子做永不停息的热运动，所以分子动能不为零，则内能也不可能为零，A对。影响内能的因素有分子总数（质量），分子热运动的距离程度（温度），分子间距（体积），体积有可能变化，B错。物体的速度增大时，物体的温度可能会降低，C对，E错。分子动能、势能、内能都是针对大量分子而言，D错。
六、板书设计
1.4分子动能和分子势能
分子动能 分子势能 内能
定义 分子无规则运动的动能 分子间有作用力，由分子间相对位置决定的势能 物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和
影响因素 微观 分子热运动的剧烈程度 分子距离 分子热运动剧烈程度 分子距离 分子个数
宏观 温度 体积 温度 体积 质量
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