4.分子动能和分子势能
课后篇巩固提升
基础巩固
1.在研究热现象时,我们采用统计方法,这是因为( )
A.每个分子的运动速率随温度的变化是有规律的
B.个别分子的运动也具有规律性,只是它对整体效果的影响不明显罢了
C.在一定温度下,大量分子的速率分布是有规律的
D.在一定温度下,大量分子的速率分布也随时间而无规律变化
解析只有大量分子运动的速率分布是有规律的,即遵守统计规律,而个别分子的运动速率瞬息万变,没有一定规律,故C项正确。
答案C
2.关于分子运动,下列叙述正确的是( )
A.如果氢气的温度低于氧气的温度,则氢分子的平均速率一定小于氧分子的平均速率
B.同质量同温度的氦气和氩气的分子的总动能相等
C.同物质的量的氮气和氧气,当温度相同时,它们的分子的总动能相等
D.二氧化碳气体在60
℃时所有分子的运动速率都比它在50
℃时任何分子的运动速率大
解析氢气温度低于氧气温度,氢分子的平均动能小于氧分子的平均动能,由于氢分子质量小于氧分子的质量,故氢分子的平均速率不一定小于氧分子的平均速率,故A错误;同质量同温度的氦气、氩气比较,它们的分子的平均动能相等,但是物质的量不等,分子总数不等,它们的总动能不等,故B错误;同物质的量同温度的氮气与氧气相比,它们分子的平均动能相等,分子总数也相等,故它们的分子总动能一定相等,故C正确;高温下的二氧化碳气体比低温下的二氧化碳气体的平均动能大,但不是所有分子的动能都大,因此不能说60
℃的二氧化碳的所有分子的运动速率都比50
℃的二氧化碳的任何分子的运动速率都大,故D错误。
答案C
3.(多选)把一个物体竖直下抛,下列哪种情况是在下落的过程中发生的(不考虑空气阻力)( )
A.物体的动能增加,分子的平均动能不变
B.物体的重力势能减少,分子势能却增加
C.物体的机械能保持不变
D.物体的内能保持不变
解析物体下落的过程,不考虑空气阻力,只有系统内的重力做功,机械能不变;物体下落过程中,物体的温度和体积也没有发生变化,所以分子热运动的平均动能和分子势能都保持不变,因此,选项B错误,选项A、C、D正确。
答案ACD
4.当某物质处于状态1,分子间距离为r0时,分子力为零;当它处于状态2,分子间距离为r,r>10r0时,分子力也为零。则( )
A.状态1和状态2分子间相互作用情况完全一样
B.两个状态分子势能相同,且都为零
C.从状态1变化到状态2,分子的平均动能一定增大
D.从状态1变化到状态2,分子的势能一定增大
解析分子间距离为r0时,分子力为零,是指引力和斥力的合力为0,处于状态2,即分子间距离r>10r0时分子力为零,是指分子间相互作用力很小,可以忽略,故二者不同,则A错误;分子间距离为r0时分子势能最小,所以从此位置到其他任意位置,分子势能都增大,故B错误,D正确;平均动能由温度决定,由于状态1变化到状态2过程中温度变化未知,故平均动能无法确定,则C错误。
答案D
5.(多选)
如图所示,密闭容器内的氢气温度与外界空气的温度相同,现对该容器缓慢加热,当容器内的氢气温度高于外界空气的温度时,则( )
A.氢分子的平均动能增大
B.氢分子的势能增大
C.容器内氢气的内能增大
D.容器内氢气的内能可能不变
解析温度是分子热运动的平均动能的标志,氢气的温度升高,则分子的平均动能一定增大,故A正确;容器体积不变,气体分子势能不变,气体的内能由分子动能决定,氢气的分子动能增大,则内能增大,故C正确,B、D错误。
答案AC
能力提升
1.(多选)设有甲、乙两分子,甲固定在O点,r0为其平衡位置间的距离,今使乙分子由静止开始只在分子力作用下由距甲0.5r0处开始沿x方向运动,则( )
A.乙分子的加速度先减小,后增大
B.乙分子到达r0处时速度最大
C.分子力对乙一直做正功,分子势能减小
D.乙分子在r0处时,分子势能最小
解析
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。由图可知,乙分子受到的分子力先变小,位于平衡位置时,分子力为零,大于平衡位置时,分子力先变大再变小,故乙分子的加速度是先变小再反向变大,再变小,故A错误;当r小于r0时,分子间的作用力表现为斥力,F做正功,分子动能增加,势能减小,当r等于r0时,动能最大,势能最小,当r大于r0时,分子间作用力表现为引力,分子力做负功,动能减小,势能增加。故B、D正确,C错误。
答案BD
2.
如图所示,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,选项中四个图分别表示乙分子的速度、加速度、分子势能、分子动能与两分子间距离的关系。其中大致正确的是( )
解析乙分子由A到C速度一直增大,故A错误;加速度与力的大小成正比,方向与力相同,故B正确;乙分子从A处由静止释放,分子势能不可能增大到正值,故C错误;分子动能不可能为负值,故D错误。
答案B
3.(1)1
g
100
℃的水和1
g
100
℃的水蒸气相比较,下述说法是否正确?
①分子的平均动能和分子的总动能都相同。
②它们的内能相同。
(2)液体汽化时吸收的热量转化为哪种能量?(答“分子动能”或“分子势能”)
解析(1)①正确。1
g水与1
g水蒸气的分子数一样多,两者的温度都是100
℃。因温度是分子平均动能的标志,故两者分子的平均动能和分子的总动能都相同。
②不正确。水变为水蒸气时要吸收热量,吸收的热量转化为水蒸气的内能,因此1
g
100
℃的水蒸气要比1
g
100
℃的水的内能大。
(2)液体汽化时都要吸收一定的热量,吸收的热量并没有增大物体内分子的平均动能,而是使分子势能增大,从而使物体的内能增大。
答案(1)①正确 ②不正确 (2)分子势能(共40张PPT)
4.分子动能和分子势能
学习目标
1.了解温度是分子热运动平均动能的标志,是微观粒子热运动的宏观表现。
2.了解什么是分子势能,了解分子势能与分子间的距离、分子力做功的关系。
3.知道什么是物体的内能,知道物体的内能跟物体的温度和体积有关。
4.了解内能和机械能的区别。
思维导图
必备知识
自我检测
1.分子动能
(1)定义:由于分子永不停息地做无规则运动而具有的动能。
(2)分子热运动的平均动能:所有分子的动能的平均值。
①温度是物质分子热运动的平均动能的标志,温度升高,分子热运动的平均动能增大。
②虽然同一温度下,不同物质的分子热运动的平均动能相同,但由于不同物质的分子质量一般不相同,故平均速率一般不相同。
2.分子势能
(1)定义:分子间由分子力和分子间的相对位置决定的势能。
(2)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:分子势能与分子之间的距离有关。
必备知识
自我检测
3.分子力做功的规律
由于分子间存在着分子力,所以当分子间距离发生变化时,分子力做功。
(1)当r>r0时,分子力表现为引力,当r增大时,分子力做负功;当r减小时,分子力做正功。
(2)当r必备知识
自我检测
4.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)普遍性: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)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,同时受物态变化的影响。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(1)物体的温度降低时,物体每个分子的动能都减小。( )
(2)10
℃的水和10
℃的铜的分子平均动能相同。( )
(3)物体的体积越大,分子势能越大。( )
(4)当分子间距离r=r0时,分子间合力为0,所以分子势能为0。( )
(5)当分子间距离由0逐渐增大到∞时,分子势能先减小后增大。
( )
(6)物体运动得越慢,其内能一定越小。( )
(7)物体的温度和体积变化时,内能一般要发生改变。( )
答案(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)×
(7)√
必备知识
自我检测
2.(多选)下列关于分子动能的说法,正确的是( )
A.物体的温度升高,每个分子的动能都增加
B.物体的温度升高,分子的总动能增加
C.如果分子的质量为m,平均速率为v,则平均动能为
mv2
D.分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子的总数之比
解析温度是分子平均动能的标志,温度升高,分子的平均动能增加,但是其中个别分子的动能有可能减小,A错,B对;分子的平均动能等于物体内所有分子的动能之和与所有分子总数的比值,所以C错,D对。
答案BD
必备知识
自我检测
3.(多选)如图所示为物体分子势能与分子间距离之间的关系,下列判断正确的是( )
A.当rB.当r>r0时,r越小,则分子势能Ep越大
C.当r=r0时,分子势能Ep最小
D.当r→∞时,分子势能Ep最小
必备知识
自我检测
解析由图像可知:分子间距离为r0时分子势能最小,此时分子间的距离为平衡距离;另外,结合分子力的关系可知,当r大于r0时,分子间的作用力表现为引力,当r小于r0时,分子间的作用力表现为斥力;在r由比较大减小到r0的过程中,分子间的作用力表现为引力,做正功,分子势能减小,r小于r0时,分子间的作用力表现为斥力,距离减小的过程中做负功,分子势能增大,所以当r等于r0时,分子势能最小,故A、C正确,B、D错误。
答案AC
必备知识
自我检测
4.下列叙述正确的是( )
A.分子的动能与分子的势能之和,叫作这个分子的内能
B.物体的内能由物体的动能和势能决定
C.物体做加速运动时,其内能一定增大
D.物体的动能减少时,其分子的平均动能可能增大
解析内能是大量分子组成的物体所具有的,单个分子无内能可言,A错误;物体的内能是物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和,由物体的温度、体积决定,与整个物体宏观机械运动的动能和势能无关,故B错误;物体做加速运动时,其动能增大,但内能不一定增大,故C错误;当物体运动的动能减少时,其温度可能升高,温度升高,分子的平均动能增大,故D正确。
答案D
探究一
探究二
探究三
随堂检测
影响分子动能的因素
情境探究
如图,分别向10
℃和50
℃的水中滴入一滴红墨水,请问:
(1)哪杯水中红墨水扩散得快?
(2)哪杯水中分子的平均动能大?
(3)影响分子平均动能的因素是什么?
要点提示(1)50
℃的水
(2)50
℃的水
(3)温度
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
1.单个分子的动能
(1)物体由大量分子组成,每个分子都有分子动能且不为零。
(2)分子在永不停息地做无规则热运动,每个分子的动能在无规则变化。
(3)热现象是大量分子无规则运动的统计结果,个别分子的动能没有实际意义。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
2.分子的平均动能
(1)温度是大量分子无规则热运动的宏观表现,具有统计意义。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。个别分子动能可能增大也可能减小,但总体上所有分子的动能之和一定是增加的。
(2)只要温度相同,任何分子的平均动能都相同。但由于不同物质的分子质量一般不相同,故平均速率一般不相同。
3.物体内分子的总动能
分子的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和,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。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
实例引导
例1
关于分子动能,正确的说法是( )
A.某种物体的温度是0
℃,说明物体中分子的平均动能为零
B.物体温度升高时,所有分子的动能都增大
C.同种物体,温度高时分子的平均动能一定比温度低时的大
D.物体的运动速率越大,则物体的分子动能也越大
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析某种物体的温度是0
℃,物体中分子的平均动能并不为零;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,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,分子运动更激烈,平均动能增大,但并不是所有分子的动能都增大;物体的运动速率越大,说明物体的动能越大,这并不能代表物体内部分子热运动越激烈,则物体的分子动能不一定越大。所以选C项。
答案C
探究一
探究二
探究三
随堂检测
规律方法
理解分子动能的三要点
(1)温度是分子平均动能的“标志”或者说“量度”,温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应,与单个分子的动能没有关系。
(2)每个分子都有分子动能且不为零,热现象是大量分子无规则运动的统计结果,个别分子的动能没有实际意义。
(3)温度高的物体,分子的平均速率不一定大,还与分子质量有关。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
变式训练1(多选)质量相等的氢气和氧气在温度相同时,下列说法中正确的是( )
A.两种气体的分子平均动能相等
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.氢气分子热运动的总动能大
探究一
探究二
探究三
随堂检测
答案ABD
探究一
探究二
探究三
随堂检测
影响分子势能的因素
情境探究
(1)分子势能与以前学过的哪种能量具有相似的特点?
(2)功是能量转化的量度,哪种力做功对应着分子势能的能量变化呢?
(3)若分子力表现为斥力,分子力做功情况以及分子势能的变化情况又如何呢?
要点提示(1)分子势能同重力势能、电势能相似。
(2)分子力做功对应分子势能的变化。
(3)若分子力表现为斥力,分子间距离增大时,分子力做正功,分子势能减小;分子间距离减小时,分子力做负功,分子势能增大。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
1.分子势能与分子力做功的关系
(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。
(2)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。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
2.分子势能与分子间距的关系
(1)当r=r0时,F合=0,Ep最小(若以分子间距无限远处为零势能点,则此时Ep<0)。
(2)当r>r0时,F合<0,即为引力,所以此时增大r,克服分子力做功,Ep增大。
(3)当r0,即为斥力,所以此时减小r,
克服分子力做功,Ep增大。
(4)当r≥10r0(r数量级为10-9
m)时,分子间的
作用力可以忽略。分子势能与分子间距离
的关系如图所示。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
3.影响分子势能的因素
(1)宏观上:分子势能的大小与体积有关。一般体积变化,势能就变化(气体的分子势能一般视为不变),但不能说体积变大,势能就变大。
(2)微观上:分子势能与分子间的距离有关。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
实例引导
例2
(多选)如图所示,甲分子固定在坐标原点O,乙分子沿x轴运动,两分子间的分子势能Ep与两分子间距离的变化关系如图中曲线所示。图中分子势能的最小值为-E0。若两分子所具有的总能量为0,则下列说法中正确的是( )
A.乙分子在P点(x=x2)时,其动能为E0
B.乙分子在P点(x=x2)时,加速度最大
C.乙分子在Q点(x=x1)时,处于平衡状态
D.乙分子的运动范围为x≥x1
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析两分子所具有的总能量为0,乙分子在P点时,分子势能为-E0,故分子动能为E0,故A正确;乙分子在P点时,分子力为0,故加速度为0最小,故B错误;乙分子在Q点时分子势能为0,但此时所受分子力不为0,故不是平衡状态,故C错误;当乙分子运动至Q点(x=x1)时,其分子势能为0,故其分子动能也为0,分子间距离最小,而后向分子间距离变大的方向运动,故乙分子的运动范围为x≥x1,故D正确。
答案AD
规律方法
分子势能图像问题的解题技巧
(1)首先要明确分子势能、分子力与分子间距离关系图像中拐点意义的不同。分子势能图像的最低点(最小值)对应的距离是分子平衡距离r0,而分子力图像的最低点(引力最大值)对应的距离大于r0。
(2)其次要把图像上的信息转化为分子间距离,再求解其他问题。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
变式训练2(多选)
如图所示,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.乙分子由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小
D.乙分子由b到d的过程中,两分子间的分子势能一直增大
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析乙分子由a运动到c的过程,一直受到甲分子的引力作用而做加速运动,到c时速度达到最大而后受甲的斥力做减速运动,A错误,B正确;乙分子由a到b的过程所受引力做正功,分子势能一直减小,C正确;乙分子从b到d的过程,先是引力做正功,分子势能减小,后来克服斥力做功,分子势能增大,D错误。
答案BC
探究一
探究二
探究三
随堂检测
物体的内能
情境探究
飞机从地面起飞,随后在高空高速航行,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?
要点提示这种说法不对。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,机械运动速度的变化以及竖直高度的变化仅改变乘客的机械能,不能以此判断其内能的变化情况。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
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.物态变化对内能的影响:一些物质在物态发生变化时,如冰的熔化、水沸腾变为水蒸气,温度不变。此过程中分子的平均动能不变,但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。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
3.内能与机械能的区别和联系
比较对象
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、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)、形变量
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
探究一
探究二
探究三
随堂检测
实例引导
例3
关于物体的内能,下列说法中正确的是( )
A.机械能可以为零,但内能永远不为零
B.温度相同、质量相同的物体具有相同的内能
C.物体的温度越高,内能越大
D.0
℃的冰的内能与等质量的0
℃的水的内能相等
解析机械能可以为零,但内能永远不为零,选项A正确;物体的内能与物体的种类、温度、体积及状态都有关系,故温度相同、质量相同的物体不一定具有相同的内能,物体的温度越高,内能不一定越大,选项B、C错误;0
℃的冰的内能比等质量的0
℃的水的内能小,选项D错误。
答案A
探究一
探究二
探究三
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规律方法
判断物体内能大小及其改变的方法
在判断时,必须抓住物体内能的大小与分子总数、温度、物体的体积及物态等因素,结合能量守恒定律,综合进行分析。
(1)当物体质量m一定时(相同物质的摩尔质量M相等),物体所含分子数N就一定。
(2)当物体温度一定时,物体内部分子的平均动能就一定。
(3)当物体的体积不变时,物体内部分子间的相对位置一般不变,分子势能一般不变。
(4)当物体发生物态变化时,要吸收或放出热量,使物体的温度或体积发生改变,物体的内能也随之变化。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
变式训练3关于机械能和内能,下列说法中正确的是( )
A.机械能大的物体,其内能一定很大
B.物体的机械能损失时,内能却可以增加
C.物体的内能损失时,机械能必然减小
D.物体的内能可以为零,机械能不可以为零
解析内能和机械能是两种不同形式的能量,两者并不存在必然的联系,只有在系统的能量转化形式只发生在机械能与内能之间时,机械能的损失才等于内能的增加,故A、C错误,B正确;因为物质分子总在不停地做无规则运动,故内能不可能为零,D错误。故选B。
答案B
探究一
探究二
探究三
随堂检测
1.下列说法正确的是( )
A.铁块熔化成铁水的过程中,温度不变,内能也不变
B.物体运动的速度增大,则物体中分子热运动的平均动能增大,物体的内能增大
C.物体A的温度大于物体B的温度,这说明物体A的内能大于物体B的内能
D.A、B两物体的温度相同时,A、B两物体的内能可能不同,分子的平均速率也可能不同
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析温度是分子热运动的平均动能的标志,内能是所有分子动能和分子势能的总和,故温度不变时,内能可能变化,A错误;两物体温度相同,内能可能不同,分子的平均动能相同,由
知,平均速率
可能不同,D正确;内能大小不仅要看温度,还要看总分子数和分子势能这些因素,C错误;机械运动的速度增大与分子热运动的动能无关,B错误。
答案D
探究一
探究二
探究三
随堂检测
2.(多选)有温度和质量都相同的水、冰和水蒸气,则( )
A.它们的分子平均动能一样大
B.它们的分子势能一样大
C.它们的内能一样大
D.它们的分子数目一样多
解析温度相同,就是分子平均动能一样大。同种物质,质量相同,分子数一样多。题目中水、冰和水蒸气的分子势能不同,内能不同。故选A、D。
答案AD
探究一
探究二
探究三
随堂检测
3.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( )
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析当r=r0时引力与斥力的合力为零,即分子力为零,分子势能最小,故选B。
答案B
探究一
探究二
探究三
随堂检测
4.(多选)(2020湖南模拟)若取无穷远处分子势能为零,当两分子处于平衡状态即两分子间距离为r0时,下列说法正确的是( )
A.分子势能最小,且小于零
B.分子间作用力的合力为零
C.分子间引力和斥力大小相等
D.分子间引力和斥力均为零
E.分子势能大于零
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析如图所示为F-r图像和Ep-r图像,当两分子处于平衡状态即两分子间距离为r0时,分子势能最小,且小于零,故A正确,E错误;当两分子处于平衡状态即两分子间距离为r0时,分子间引力和斥力大小相等,它们的合力为零,故B、C正确;当两分子处于平衡状态即两分子间距离为r0时,分子间引力和斥力大小相等,并非分子间引力和斥力均为零,故D错误。
答案ABC
