1、4.分子动能和分子势能分子动能和分子势能 学习目标：学习目标：1物理观念物理观念知道分子动能、分子势能、物体内能的概念知道分子动能、分子势能、物体内能的概念，知道温度知道温度 是分子热运动平均动能的标志是分子热运动平均动能的标志，分子势能跟物体体积有关。分子势能跟物体体积有关。2.科学思维科学思维理解分子平理解分子平 均动能与温度的关系均动能与温度的关系，分子势能与物体体积关系分子势能与物体体积关系，并能解决相关的实际问题并能解决相关的实际问题。3.科学科学 探究探究学会探究两分子之间相互作用影响分子势能的变化学会探究两分子之间相互作用影响分子势能的变化，通过讨论通过讨论，学会与他人合作学会与
2、他人合作 交流交流，在探究中得出相应的结论。在探究中得出相应的结论。4.科学态度与责任科学态度与责任通过分子平均动能与温度、分通过分子平均动能与温度、分 子势能与体积的探索子势能与体积的探索，养成实事求是的科学态度养成实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣。激发学习科学的兴趣。 阅读本节教材阅读本节教材，回答第回答第 14 页页“问题问题”，并梳理必要知识点并梳理必要知识点。 教材教材 P14“问题问题”提示：提示：存在存在，分子间的作用力所做的功与路径无关分子间的作用力所做的功与路径无关，分子势能与分子势能与 分子间的相对位置有关分子间的相对位置有关。 一、分子动能一、分子动能 1分子动能分
3、子动能 做做热运动热运动的分子也具有动能的分子也具有动能，这就是分子动能这就是分子动能。 2分子的平均动能分子的平均动能 热现象研究的是大量分子运动的整体表现热现象研究的是大量分子运动的整体表现，重要的不是系统中某个分子的动能大重要的不是系统中某个分子的动能大 小小，而是所有分子的动能的平均值而是所有分子的动能的平均值，叫作分子热运动的叫作分子热运动的平均动能平均动能。 3温度的微观解释温度的微观解释 温度是物体分子热运动温度是物体分子热运动平均动能平均动能的标志的标志。 说明：说明：温度相同温度相同，分子平均动能相等分子平均动能相等，而不同种类的分子平均速率不相等。而不同种类的分子平均速率不
4、相等。 二、分子势能二、分子势能 1定义定义：分子间存在相互作用力分子间存在相互作用力，可以证明分子间的作用力所做的功与路径可以证明分子间的作用力所做的功与路径无关无关， 分子组成的系统具有分子组成的系统具有分子势能分子势能。 2决定因素决定因素 (1)宏观上：分子势能的大小与物体的宏观上：分子势能的大小与物体的体积体积有关有关。 (2)微观上：分子势能与分子间的微观上：分子势能与分子间的距离距离有关有关。 3分子势能与分子间距离的关系分子势能与分子间距离的关系 (1)当当 rr0时时，分子力表现为分子力表现为引力引力，若若 r 增大增大，需克服引力做功需克服引力做功，分子势能分子势能增加增加
5、。 (2)当当 rr0时时，分子力表现为分子力表现为斥力斥力，若若 r 减小减小，需克服斥力做功需克服斥力做功，分子势能分子势能增加增加。 (3)当当 rr0时时，分子力为零分子力为零，分子势能分子势能最小最小。 三、内能三、内能 1定义：定义：物体中所有分子的物体中所有分子的热运动动能热运动动能与与分子势能分子势能的总和的总和。 2内能的普遍性：内能的普遍性：组成任何物体的分子都在做组成任何物体的分子都在做无规则的热运动 无规则的热运动，所以任何物体都所以任何物体都 具有内能具有内能。 3决定因素决定因素 (1)物体所含的分子总数由物体所含的分子总数由物质的量物质的量决定决定。 (2)分子的
6、热运动平均动能由分子的热运动平均动能由温度温度决定决定。 (3)分子势能与物体的分子势能与物体的体积体积有关有关，故物体的内能由故物体的内能由物质的量物质的量、温度温度、体积体积共同决定共同决定， 同时受物态变化的影响同时受物态变化的影响。 注意：注意：物体的内能与机械能无关。物体的内能与机械能无关。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”，错误的打错误的打“”“”) (1)物体的温度升高时物体的温度升高时，物体每个分子的动能都物体每个分子的动能都增增大大。() (2)当分子力做正功时当分子力做正功时，分子势能一定减小分子势能一定减小。() (3)当分子间距离为当分子间距离为 rr0时时
7、， 分子间表现为什么力？若分子间表现为什么力？若 r 增大增大， 分子力做什么功？分子势能怎么变分子力做什么功？分子势能怎么变 化？化？ (2)当当 rr0时时，r 增大增大，分子势能增加分子势能增加，反之反之，减少减少。 (2)rr0时时，r 增大增大，分子势能减少分子势能减少，反之反之，增加增加。 (3)r时时，分子势能为零；分子势能为零；rr0时时，分子势能最小分子势能最小。 2分子势能的分子势能的“弹簧弹簧小球小球”模型模型 分子势能随分子间距离的变化类似于弹簧分子势能随分子间距离的变化类似于弹簧小球模型小球模型， 弹簧的原长相当于分子间的弹簧的原长相当于分子间的 距离距离 r0。弹簧
8、在原长的基础上无论拉伸还是压缩弹簧在原长的基础上无论拉伸还是压缩，势能都会增加势能都会增加。 3分子势能曲线分子势能曲线 分子势能曲线如图所示分子势能曲线如图所示，规定无穷远处分子势能为零规定无穷远处分子势能为零。分子间分子间 距离从无穷远逐渐减小至距离从无穷远逐渐减小至 r0的过程的过程，分子间的合力为引力分子间的合力为引力，合力做合力做 正功正功，分子势能不断减小分子势能不断减小，其数值将比零还小其数值将比零还小，为负值为负值。当当分子间分子间 距离到达距离到达 r0以后再继续减小以后再继续减小，分子作用的合力为斥力分子作用的合力为斥力，在分在分子间距子间距 离减小过程中离减小过程中，合力
9、做负功合力做负功，分子势能增大分子势能增大，其数值将从负值逐渐变大至零其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正甚至为正 值值，故故 rr0时分子势能最小时分子势能最小。 从曲线上可看出：从曲线上可看出：(1)在在 rr0处处，曲线比较缓曲线比较缓，这是因为分这是因为分 子间的引力随分子间距的增大而变化得慢子间的引力随分子间距的增大而变化得慢，分子势能的增加也就分子势能的增加也就变变慢慢。(3)在在 rr0处处， 分子势能最小分子势能最小，但不一定为零但不一定为零，因为零势能的位置是任意选定的因为零势能的位置是任意选定的。一般取无穷远处分子一般取无穷远处分子 势能为零势能为零，则分子势能最小位置是在
10、则分子势能最小位置是在 rr0处处，且为负值且为负值，故分子势能最小与分子势能故分子势能最小与分子势能 为零绝不是一回事为零绝不是一回事。 4分子势能与体积的关系分子势能与体积的关系 由于物体分子间距离变化的宏观表现为物体的体积变化由于物体分子间距离变化的宏观表现为物体的体积变化， 所以微观的分子势能变化所以微观的分子势能变化 对应于宏观的物体体积变化对应于宏观的物体体积变化。 例如例如， 同样是物体体积增大同样是物体体积增大， 有时体现为分子势能增加有时体现为分子势能增加(在在 rr0范围内范围内)； 有时体现为分子势能减少有时体现为分子势能减少(在在 rr0范围内范围内)； 一般我们说一般
11、我们说， 物体体积变化了物体体积变化了， 其对应的分子势能也变化了其对应的分子势能也变化了。但分析与判定的关键要看体积变化过程中分子力是做正但分析与判定的关键要看体积变化过程中分子力是做正 功功，还是做负功还是做负功。 【例【例 2】(多选多选)如图所示如图所示，甲分子固定在坐标原点甲分子固定在坐标原点 O，乙分子位于乙分子位于 x 轴上轴上，甲分甲分 子对乙分子的作用力与两分子间的距离的关系如图中曲线所示子对乙分子的作用力与两分子间的距离的关系如图中曲线所示。F0 为斥力为斥力，F0 为为 引力引力。a、b、c、d 为为 x 轴上四个特定的位置轴上四个特定的位置。现把乙分子从现把乙分子从 a
12、 处由静止释放处由静止释放，则则() A乙分子由乙分子由 a 到到 b 做加速运动做加速运动，由由 b 到到 c 做减速运动做减速运动 B乙分子由乙分子由 a 到到 c 做加速运动做加速运动，到达到达 c 时速度最大时速度最大 C乙分子由乙分子由 a 到到 b 的过程中的过程中，两分子间的分子势能一直减小两分子间的分子势能一直减小 D乙分子由乙分子由 b 到到 d 的过程中的过程中，两分子间的分子势能一直增大两分子间的分子势能一直增大 思路点拨：思路点拨：(1)分子在平衡位置时分子势能最小分子在平衡位置时分子势能最小，分子力为零分子力为零，分子加速度为零。分子加速度为零。 (2)根据分子力做功
13、的正负分析判断分子势能的变化。根据分子力做功的正负分析判断分子势能的变化。 BC乙分子由乙分子由 a 运动到运动到 c 的过程的过程，一直受到甲分子的引力作用而做加速运动一直受到甲分子的引力作用而做加速运动，到到 c 时速度达到最大时速度达到最大，而后受甲的斥力作用做减速运动而后受甲的斥力作用做减速运动，A 错误错误，B 正确；乙分子由正确；乙分子由 a 到到 b 的过程所受引力做正功的过程所受引力做正功，分子势能一直减小分子势能一直减小，C 正确正确；而乙分子从而乙分子从 b 到到 d 的过程的过程，先先 是引力做正功是引力做正功，分子势能减少分子势能减少，后克服斥力做功后克服斥力做功，分子
14、势能增加分子势能增加，D 错误。错误。 分子势能图像问题的解题技巧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 势能图像的最低点势能图像的最低点(最小值最小值)对应的距离是分子平衡距离对应的距离是分子平衡距离 r0， 而分子力图像的最低点而分子力图像的最低点(引力引力 最大值最大值)对应的距离大于对应的距离大于 r0。 分子势能图像与分子势能图像与 r 轴交点的距离小于轴交点的距离小于 r0，分子力图像与分子力图像与 r 轴交点表示平衡距离轴交点表示平衡距离 r0。 (
15、2)其次要把图像上的信息转化为分子间距离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。再求解其他问题。 跟进训练跟进训练 2(多选多选)如图为两分子系统的势能如图为两分子系统的势能 Ep与两分子间距离 与两分子间距离 r 的关系曲线的关系曲线。下列说法正下列说法正 确的是确的是() A当当 r 大于大于 r1时时，分子间的作用力表现为引力分子间的作用力表现为引力 B当当 r 小于小于 r1时时，分子间的作用力表现为斥力分子间的作用力表现为斥力 C当当 r 等于等于 r2时时，分子间的作用力为零分子间的作用力为零 D在在 r 由由 r1变到变到 r2的过程中的过程中，分子间的作用力做负功
16、分子间的作用力做负功 BC分子间距等于分子间距等于 r0时时，分子势能最小分子势能最小，即即 r2r0。当。当 r 小于小于 r1时时，分子力表现分子力表现 为斥力为斥力； 当当 r 大于大于 r1小于小于 r2时时， 分子力表现为斥力分子力表现为斥力； 当当 r 大于大于 r2时时， 分子力表现为引力分子力表现为引力， A 错误错误，B、C 正确；在正确；在 r 由由 r1变到变到 r2的过程中的过程中，分子斥力做正功分子斥力做正功，分子势能减小分子势能减小， ，D 错误。错误。 内能内能 (教师用书独具教师用书独具)教材教材 P16“思考与讨论思考与讨论”答案提示：足球静止时答案提示：足球
17、静止时，气体分子仍然有气体分子仍然有 能量能量，即有内能即有内能。 小孩从滑梯上滑下来小孩从滑梯上滑下来，感觉屁股热感觉屁股热。 试探究：试探究：(1)小孩为什么有这种感觉？小孩为什么有这种感觉？ (2)从能量转化和转移从能量转化和转移的的角度解释一下？角度解释一下？ 提示：提示：(1)小孩的臀部小孩的臀部，内能增加内能增加，温度升高温度升高，感觉热。感觉热。 (2)机械能转化为内能。机械能转化为内能。 1内能的决定因素内能的决定因素 (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温度和体积三个因素决定。 (2)从微观上看：物
18、体的内能由组成物体的分子总数从微观上看：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分子热运动的平均动能和分 子势能三个因素决定子势能三个因素决定。 2内能与机械能的区别和联系内能与机械能的区别和联系 项目项目内能内能机械能机械能 对应的运动对应的运动 形式形式 微观分子热运动微观分子热运动宏观物体的机械运动宏观物体的机械运动 能量常见形能量常见形 式式 分子动能分子动能、分子势能分子势能物体动能物体动能、重力势能或弹性势能重力势能或弹性势能 能量存在的能量存在的 原因原因 物体内大量分子的热运动和物体内大量分子的热运动和 分子间存在相互作用力分子间存在相互作用力 由于物体做机械运
19、动和物体发生弹由于物体做机械运动和物体发生弹 性形变或被举高性形变或被举高 影响因素影响因素 物质的量物质的量、物体的温度和体物体的温度和体 积积 物体的机械运动的速度物体的机械运动的速度、离地高度离地高度 (或相对于参考平面的高度或相对于参考平面的高度)或弹性或弹性 形变量形变量 能否为零能否为零永远不能等于零永远不能等于零一定条件下可以等于零一定条件下可以等于零 联系联系在一定条件下可以相互转化在一定条件下可以相互转化 3物态变化对内能的影响物态变化对内能的影响 一些物质在物态发生变化时一些物质在物态发生变化时，例如冰的熔化例如冰的熔化、水在沸腾时变为水蒸气水在沸腾时变为水蒸气，温度不变温
20、度不变， 此过程中分子的平均动能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由于分子间的距离变化，分子势能变化分子势能变化，所以物体的内所以物体的内 能变化能变化。 【例【例 3】(多选多选)下列有关温度与分子动能下列有关温度与分子动能、物体内能的说法中正确的是物体内能的说法中正确的是() A温度升高温度升高，每个分子的动能一定都变大每个分子的动能一定都变大 B温度升高温度升高，分子的平均速率一定变大分子的平均速率一定变大 C温度升高时温度升高时， 分子的平均动能一定变大分子的平均动能一定变大 D温度降低温度降低，物体的内能必然变小物体的内能必然变小 思路点拨：思路点拨：物体的内能由温
21、度、体积、物质的量及物态共同决定。物体的内能由温度、体积、物质的量及物态共同决定。 BC温度升高时温度升高时，分子的平均动能一定变大分子的平均动能一定变大，即平均速率增大即平均速率增大，但每个分子的动但每个分子的动 能不一定变大能不一定变大，故故 A 错误错误、B、C 正确正确；决定物体内能的是组成物体的分子总数决定物体内能的是组成物体的分子总数、温度温度 和体积三个因素。温度降低和体积三个因素。温度降低，内能可能减小内能可能减小，还有可能不变还有可能不变，甚至增加甚至增加，故故 D 错误。错误。 对内能的几点理解对内能的几点理解 (1)内能是一种与分子热运动及分子间相互作用相关的能量形式内能
22、是一种与分子热运动及分子间相互作用相关的能量形式，与物体宏观有序与物体宏观有序 运动状态无关运动状态无关，它取决于物质的量、温度、体积及物态。它取决于物质的量、温度、体积及物态。 (2)研究热现象时研究热现象时，一般不考虑机械能一般不考虑机械能， 在机械运动中有摩擦时在机械运动中有摩擦时，有可能发生机械有可能发生机械 能转化为内能。能转化为内能。 (3)物体温度升高物体温度升高，内能不一定增加；温度不变内能不一定增加；温度不变，内能可能改变；温度降低内能可能改变；温度降低，内能内能 可能增加。可能增加。 跟进训练跟进训练 3(多选多选)一辆运输瓶装氧气的货车一辆运输瓶装氧气的货车，由于某种原因
23、由于某种原因，司机紧急刹车司机紧急刹车，最后停下来最后停下来， 则下列说法不正确的是则下列说法不正确的是() A汽车机械能减小汽车机械能减小，氧气内能增加氧气内能增加 B汽车机械能减小汽车机械能减小，氧气内能减小氧气内能减小 C汽车机械能减小汽车机械能减小，氧气内能不变氧气内能不变 D汽车机械能减小汽车机械能减小，汽车汽车(轮胎轮胎)内能增加内能增加 AB氧气温度不变氧气温度不变，体积没变体积没变，内能不变内能不变，A、B 错误错误，C 正确；汽车轮胎与地正确；汽车轮胎与地 面摩擦机械能转化为内能面摩擦机械能转化为内能，D 正确。正确。 1物理观念：物理观念：分子平均动能分子平均动能、分子势能
24、分子势能、内能内能。 2科学思维：科学思维：运用分子平均动能与分子势能讨论内能的变化运用分子平均动能与分子势能讨论内能的变化。 3科学方法：科学方法：图像法图像法、平均值法平均值法、讨论法讨论法。 。 1(多选多选)关于分子动能关于分子动能，下列说法正确的是下列说法正确的是() A物体运动速度大物体运动速度大，物体内分子的动能一定大物体内分子的动能一定大 B物体的温度升高物体的温度升高，物体内每个分子的动能都增大物体内每个分子的动能都增大 C物体的温度降低物体的温度降低，物体内大量分子的平均动能一定减小物体内大量分子的平均动能一定减小 D物体内分子的平均动能与物体做机械运动的速度大小无关物体内
25、分子的平均动能与物体做机械运动的速度大小无关 CD分子的平均动能与机械运动的速度无关分子的平均动能与机械运动的速度无关；温度升高温度升高，分子的平均动能一定增分子的平均动能一定增 大大，但对单个分子而言但对单个分子而言，其动能可能增大也可能减小其动能可能增大也可能减小，A、B 错误错误，C、D 正确。正确。 2(多选多选)分子间有相互作用而具有势能分子间有相互作用而具有势能，规定两分子相距无穷远时两分子间的势规定两分子相距无穷远时两分子间的势 能为零能为零。设分子设分子 a 固定不动固定不动，分子分子 b 以某一初速度从无穷远处向以某一初速度从无穷远处向 a 运动运动，直至它们之间直至它们之间
26、 的距离最小的距离最小。此过程中的下列说法正确的是此过程中的下列说法正确的是() Aa、b 之间的势能先减小之间的势能先减小，后增大后增大，再减小再减小 Ba、b 之间的势能先增大之间的势能先增大，后减小后减小，再增大再增大 Ca、b 间的势能先减小间的势能先减小，后增大后增大 D分子分子 b 的加速度先增大的加速度先增大，后减小后减小，再增大再增大 CD此过程由两个阶段组成：相距无穷远到此过程由两个阶段组成：相距无穷远到 r0，r0到距离最小。第一阶段分子引到距离最小。第一阶段分子引 力先增大后减小力先增大后减小，则加速度先增大则加速度先增大，后减小后减小，引力对引力对 b 做正功做正功，a
27、、b 之间的势能减小之间的势能减小； 第二阶段分子斥力一直增大第二阶段分子斥力一直增大，分子分子 b 的加速度一直增大的加速度一直增大，斥力对斥力对 b 做负功做负功，a、b 之间之间 的势能增大。的势能增大。a、b 之间的势能先减小之间的势能先减小，后增大；分子后增大；分子 b 的加速度先增大的加速度先增大，后减小后减小，再再 增大。增大。A、B 错误错误，C、D 正确。正确。 3(多选多选)关于内能和机械能的下列说法关于内能和机械能的下列说法， ，正确的是正确的是() A物体的机械能增大物体的机械能增大，其内能一定增大其内能一定增大 B物体的机械能损失时物体的机械能损失时，内能却可能增加内
28、能却可能增加 C物体的内能损失时物体的内能损失时，机械能必然会减小机械能必然会减小 D物体的机械能可以为零物体的机械能可以为零，内能不可以为零内能不可以为零 BD内能和机械能是两种不同形式的能内能和机械能是两种不同形式的能，内能由物体分子状态决定内能由物体分子状态决定，而机械能由而机械能由 物体的质量、宏观速度、相对地面高度或弹性形变程度决定物体的质量、宏观速度、相对地面高度或弹性形变程度决定，二者决定因素是不同的二者决定因素是不同的。 物体被举高物体被举高，机械能增大机械能增大，若温度降低若温度降低，内能可能减小内能可能减小，故故 A 错误；物体克服空气阻错误；物体克服空气阻 力匀速下降力匀
29、速下降，机械能减小机械能减小，而摩擦生热而摩擦生热，物体温度升高物体温度升高，内能会增大内能会增大，故故 B 正确；物正确；物 体静止时体静止时，温度降低温度降低，内能减小内能减小，而物体的机械能不变而物体的机械能不变，故故 C 错误；物体内分子永不错误；物体内分子永不 停息地做无规则运动停息地做无规则运动，内能不可能为零内能不可能为零，故故 D 正确。正确。 4放在光滑水平面上的物体放在光滑水平面上的物体，受到一个水平方向的作用力而做匀加速直线运动受到一个水平方向的作用力而做匀加速直线运动， ， 有人说：有人说：“随着物体运动加快随着物体运动加快，物体内分子的运动也加快物体内分子的运动也加快
30、，因此分子的平均动能增大因此分子的平均动能增大， 物体的温度升高物体的温度升高。”这种说法是否正确？为什么？这种说法是否正确？为什么？ 解析解析这种说法是错误的。热运动是物体内分子的无规则运动这种说法是错误的。热运动是物体内分子的无规则运动，这种无规则运动这种无规则运动 是相对于物体本身的运动是相对于物体本身的运动。物体运动时物体运动时，物体内所有分子在无规则运动的基础上又叠加物体内所有分子在无规则运动的基础上又叠加 了一个了一个“整体有序整体有序”的运动的运动，这个这个“整体有序整体有序”的运动就是物体的机械运动的运动就是物体的机械运动。而物体的而物体的 无规则运动跟温度有关无规则运动跟温度
31、有关，物体的温度越高物体的温度越高，无规则运动越剧烈无规则运动越剧烈，所以把这种运动叫热运所以把这种运动叫热运 动动，物体的机械运动不会影响物体的温度物体的机械运动不会影响物体的温度，所以物体的温度不会因物体的运动速率增大所以物体的温度不会因物体的运动速率增大 而升高而升高。分子的热运动和物体的机械运动是两种不同形式的运动分子的热运动和物体的机械运动是两种不同形式的运动，简单说简单说，热运动是物热运动是物 体内大量分子的无序运动体内大量分子的无序运动，而机械运动则是由大量分子组成的整体的有序运动而机械运动则是由大量分子组成的整体的有序运动，这两种这两种 运动形式可以相互转化运动形式可以相互转化，这对应于与它们相联系的两种形式的能量之间的转化这对应于与它们相联系的两种形式的能量之间的转化，即内能即内能 和机械能之间的转化。和机械能之间的转化。 答案答案 见解析见解析
