金版教程物理选修33第七章第5节.docx
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金版教程物理选修33第七章第5节
第5节 内能
1.知道什么是分子动能,知道温度是分子热运动平均动能的标志。
2.知道什么是分子势能,知道分子势能与分子间距离和物体体积的关系。
3.知道什么是内能,知道决定物体内能大小的因素。
一、分子动能
1.定义:
分子由于
永不停息地做无规则运动而具有的能。
2.分子热运动的平均动能:
所有
分子的热运动的动能的
平均值。
3.温度的微观意义:
温度是
分子热运动的平均动能的标志。
二、分子势能
1.定义:
分子间由于存在
分子力,因此分子组成的系统具有由分子间的
相互位置决定的势能,这种势能叫做分子势能。
2.分子势能的决定因素
(1)微观上:
分子势能与分子之间的
距离有关。
(2)宏观上:
分子势能的大小与物体的
体积有关。
三、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.决定因素
(1)分子热运动的平均动能由
温度决定。
(2)分子的势能与物体的
体积有关。
(3)物体的内能由
物质的量、
温度、
体积共同决定。
判一判
(1)温度高的物体,分子的平均动能一定大。
( )
(2)分子势能可以为正值、负值、零值。
( )
(3)物体所处的位置越高,分子势能就越大,内能也越大。
( )
提示:
(1)√
(2)√ (3)×
课堂任务
对分子动能的理解
1.单个分子的动能
由于分子运动的无规则性,在某时刻物体内部各个分子的动能大小不一,就是同一个分子,在不同时刻的动能也是不同的,所以单个分子的动能没有意义。
2.分子热运动的平均动能
(1)热现象研究的是大量分子运动的宏观表现,有意义的是物体内所有分子热运动的平均动能。
(2)温度是分子热运动的平均动能的标志,这是温度的微观意义,在相同温度下,各种物质分子热运动的平均动能都相同,由于不同物质分子的质量不一定相同,因此相同温度时不同物质分子热运动的平均速率不一定相同。
物体温度升高,分子热运动加剧。
分子热运动的平均动能
增大,但并不是每一个分子的动能都变大。
例1 当物体的温度升高时,下列说法中正确的是( )
A.每个分子的温度都升高
B.每个分子的热运动都加剧
C.每个分子的动能都增大
D.物体分子的平均动能增大
[规范解答] 温度是分子平均动能的标志,温度升高,分子的平均动能增大。
温度对单个分子无意义。
物体
的温度升高,分子运动加剧,分子的平均动能增大,但不否认某些分子动能减小,故答案选D。
[完美答案] D
分子动能与温度的关系
温度是分子热运动的平均动能的标志。
温度是0℃,物体中分子热运动的平均动能并非为零,因为分子无规则运动不会停止;温度降低时分子热运动的平均动能减小,但并非每个分子动能都减小;物体温度升高时,分子热运动的平均动能增大,分子热运动的平均速率增大,速率小的分子数目减少,速率大的分子数目增多。
关于分子动能,下列说法正确的是( )
A.某种物体的温度是0℃,说明物体中分子热运动的平均动能为零
B.物体温度升高时,每个分子的动能都增大
C.物体温度升高时速率小的分子数目减少,速率大的分子数目增多
D.物体的运动速度越大,则物体的温度越高
答案 C
解析 某种物体温度是0℃,物体中分子热运动的平均动能并不为零,因为分子在永不停息地运动,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,而温度的概念是建立在统计规律的基础上的,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,分子热运动激烈,分子热运动的平均动能增大,但并不是所有分子的动能都增大;物体的运动速度越大,说明物体的动能越大,这并不能代表物体内部分子的热运动,则物体的温度不一定高,故C正确。
课堂任务
对分子势能的理解
1.分子势能与分子间距离有关
分子势能的大小随分子间距离的变化规律,在平衡位置(r=r0)两侧是有所不同的:
(1)当r>r0时,分子力表现为引力,随着r的增加,需不断克服分子引力做功,分子势能增大;
(2)当r (3)当r=r0时,分子力为零,分子势能为最小值。 分子势能随分子间距离的变化类似于弹簧,弹簧在原长的基础上无论拉伸还是压缩,势能都会增大。 分子势能曲线如图所示,规定: 无穷远(r→∞)处,分子势能为零。 从曲线上可看出,当r 2.分子势能与物体的体积有关 物体的体积发生变化时,分子间的相对位置也发生变化,因而分子势能也随着发生变化。 由于物体分子间距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对应于宏观的物体体积变化。 例如,同样是物体体积增大,有时体现为分子势能增大(在r>r0范围内),有时体现为分子势能减小(在r (1)分子力做功是分子势能变化的唯一原因。 (2)势能的大小与物体间距离的关系有一个共同的规律: 不论是重力势能、弹性势能、电势能、还是分子势能,当它们之间的距离发生变化时,它们之间的相互作用力如果是做正功,势能都要减小;如果是做负功,势能都要增大。 (3)分子势能最小与分子势能为零绝不是一回事,分子势能的正、负代表大小,如Ep=-10J小于Ep=5J。 例2 甲、乙两分子相距较远(此时它们之间的分子力可以忽略),设甲固定不动,在乙逐渐向甲靠近直到不能再靠近的过程中,关于分子势能的变化情况,下列说法正确的是( ) A.分子势能不断增大 B.分子势能不断减小 C.分子势能先增大后减小 D.分子势能先减小后增大 [规范解答] 此题可以从分子力做功的角度进行分析,也可以由分子势能与分子间距离的关系的图线进行分析。 从分子间的作用力与分子间的距离的关系知道,当分子间距离大于r0时,分子力表现为引力;当分子间距离小于r0时,分子力表现为斥力;当分子间距离大于10r0时,分子间的作用力十分小,可以忽略。 所以,当乙从较远处向甲逐渐靠近的过程中,分子力先是对乙做正功,而由做 功与分子势能变化的关系知道,分子力做正功,分子势能减小;后是分子力对乙做负功或者乙克服分子力做功,而由做功与分子势能变化的关系知道,分子力做负功,分子势能增加,因此在乙逐渐向甲靠近的过程中,分子势能是先减小后增大。 答案为D。 [完美答案] D 分子势能图象问题的解题技巧 首先要明确分子势能、分子力与分子间距离关系图象中拐点意义的不同。 分子势能图象的最低点(最小值)对应的距离是分子平衡距离r0,而分子力图象的最低点(引力最大值)对应的距离大于r0;分子势能图象与r轴交点的距离小于r0,分子力图象与r轴交点表示平衡距离r0。 其次要把图象上的信息转化为分子间距离,再求解其他问题。 (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的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轴上的四个特定的位置。 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 答案 BC 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,而后受甲的斥力作用做减速运动,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。 而乙分子从b到d的过程,先是引力做正功,分子势能减少,后来克服斥力做功,分子势能增加,故D错误。 课堂任务 物体的内能 1.热能是内能通俗而不确切的说法,热量是物体在热传递过程中内能转移的多少。 2.物体温度升高,内能不一定增加;温度不变,内能可能改变;温度降低,内能可能增加。 3.内能是物体内部所有分子无规则运动的动能和势能的总和。 机械能是指整个物体发生机械运动时具有的能量。 一个物体可以同时具有内能和机械能。 例3 下列说法正确的是( ) A.分子动能与分子势能的和叫做这个分子的内能 B.物体的分子势能由物体的温度和体积决定 C.物体的速度增大时,物体的内能增大 D.物体的动能减小时,物体的温度可能增加 [规范解答] 内能是针对物体中所有分子,单个分子无内能可言,A错误;物体的分子势能由分子间距离决定,宏观上反映为由物体的体积决定,故B错误;物体的内能与物体做宏观的机械运动的速度无关,故C错误;物体的温度由分子的平均动能决定,与物体宏观运动的动能无关,因此D正确。 [完美答案] D 1.分子热运动的(平均)动能、分子势能、物体的内能 2.内能和机械能的区别和联系 下列说法中正确的是( ) A.温度低的物体内能小 B.温度低的物体分子热运动的平均速率小 C.做加速运动的物体,由于速度越来越大,因此物体分子的平均动能越来越大 D.物体的体积改变,内能不一定改变 答案 D 解析 内能是物体内所有分子的动能和势能的总和,温度低只表示物体分子平均动能小,而不表示分子势能一定也小,也就是所有分子的动能和势能的总和不一定也小,所以A错误;温度低的物体,分子热运动的平均动能小,但不同物质的分子质量一般不同,而分子动能不仅与分子速率有关,也与分子质量有关,所以B错误;分子无规则运动的剧烈程度只与物体的温度有关,而与物体的宏观运动情况无关,故C错误;物体体积改变,分子势能改变,但内能不一定变,D正确。 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,机械能必然减少 D.物体的分子动能总和为零时,机械能可以不为零 答案 B 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热运动,故分子动能总和不可能为零,D错误。 A组: 合格性水平训练 1.(温度、分子动能)下列说法中正确的是( ) A.温度是分子平均动能的标志,物体的温度越高,则分子的平均动能越大 B.温度是分子平均动能的标志,物体的温度升高,则物体的每一个分子的动能都增大 C.某物体当其内能增大时,则该物体的温度一定升高 D.甲物体的温度比乙物体的温度高,则甲物体内分子的平均速率比乙物体内分子的平均速率大 答案 A 解析 温度是分子平均动能的标志,温度升高,分子的平均动能增大,有的分子动能可能减小,A正确,B错误;物体内能增大,也可能是分子势能增大,如果分子平均动能不变,这时温度不变,因而C错误;由于甲、乙两物体的分子质量无法确定,故D错误。 2.(温度、分子动能)(多选)当氢气和氧气温度相同时,下列说法中正确的是( ) A.两种气体分子的平均动能相等 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.两种气体分子热运动的平均速率相等 答案 AB 解析 因温度是分子平均动能大小的标志,现在氢气和氧气温度相同,所以二者分子的平均动能相等,A正确。 因为氢气和氧气的分子质量不同,平均动能又相等,由 k= mv2可得,两种气体分子的平均速率不同,分子质量大的平均速率小,故B正确,D错误。 虽然两种气体分子平均动能相等,但由于两种气体的质量不清楚,即分子数目关系不清楚,故C错误。 3.(温度、分子动能)(多选)有一块铜温度升高了,下列说法中正确的是( ) A.铜块内所有分子的动能都增大了 B.铜块内分子的平均动能增大了 C.铜块内某些分子的动能可能减小了 D.铜块内分子的平均速率增大了 答案 BCD 解析 温度是分子热运动平均动能的标志,温度升高,分子的平均动能增大,但并不能说明每个分子的动能都变大,再者研究单个分子动能变大是毫无意义的。 4.(分子力、分子势能)关于分子势能,下列说法中正确的是(设两分子相距无穷远时分子势能为零)( ) A.体积增大,分子势能增大,体积缩小,分子势能减小 B.当分子间距离r=r0时,分子间合力为零,所以分子势能为零 C.当分子间作用力为引力时,体积越大,分子势能越大 D.当分子间作用力为斥力时,体积越大,分子势能越大 答案 C 解析 设想两个分子相距无穷远,此时分子间势能为零,当两个分子越来越近时,分子间引力做正功,分子势能减小,当r=r0时,分子势能减小到最小为负值,故B错误;分子力为引力时,体积增大,分子间距增大,分子间引力做负功,分子势能增大,故C正确;分子力为斥力时,体积增大,分子间距增大,分子间斥力做正功,分子势能减小,故A、D错误。 5.(分子力、分子势能)下列关于分子力和分子间势能的说法中,正确的是( ) A.当分子力表现为引力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而增大 B.当分子力表现为引力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而减小 C.当分子力表现为斥力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大 D.当分子力表现为斥力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而减小 答案 C 解析 当分子间距离r>r0时,分子力表现为引力,距离增大,分子力先增大后减小,最后减小为零。 分子力一直做负功,分子势能一直增大,A、B错误。 当分子间距r<r0时,分子力表现为斥力,距离减小,分子力增大。 分子力一直做负功,分子势能一直增大,C正确,D错误。 6.(物体的内能)(多选)关于物体的内能,下述说法中正确的是( ) A.物体的内能只与物体内分子的动能有关 B.物体内所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能 C.一个物体,当它的机械能发生变化时,其内能也一定发生变化 D.一个物体内能的多少与它的机械能多少无关 答案 BD 解析 根据内能的定义,内能是物体内所有分子动能与分子势能的总和,A错误,B正确。 机械能变化时,内能不一定变化,二者没有必然联系,因而C错误,D正确。 7.(综合)下列关于物体的温度、内能和热量的说法中正确的是( ) A.物体的温度越高,所含热量越多 B.物体的内能越大,所含热量越多 C.物体的温度越高,它的分子热运动的平均动能越大 D.物体的动能越大,其内能越大 答案 C 解析 分子热运动的平均动能与温度有关,温度越高,分子热运动的平均动能越大,内能由物质的量、温度和体积共同决定,并且内能是状态量,而热量是过程量,它表示由于热传递而引起的内能变化过程中转移的能量。 故A、B错误,C正确。 内能的大小与物体的动能无关,D错误。 8.(分子势能)分子势能随分子间距离r的变化情况可以在如图所示的图象中表现出来,就图象回答: (1)从图中看到分子间距离在r0处,分子势能最小,试说明理由。 (2)图中分子势能为零的点选在什么位置,在这种情况下分子势能可以大于零,也可以小于零,也可以等于零,对吗? (3)如果选两个分子相距r0时分子势能为零,分子势能有什么特点? 答案 见解析 解析 (1)如果分子间作用力的合力为零,此距离为r0。 当分子间距离小于r0时,分子间的作用力表现为斥力,要减小分子间的距离必须克服斥力做功,因此,分子势能随分子间距离的减小而增大。 如果分子间距离大于r0时,分子间的相互作用表现为引力,要增大分子间的距离必须克服引力做功,因此,分子势能随分子间的距离增大而增大。 从以上两种情况综合分析,分子间距离以r0为数值基准,分子间距离不论减小或增大,分子势能都增大。 所以说,分子在平衡位置处是分子势能最低点。 (2)由图可知,分子势能为零的点选在了两个分子相距无穷远的位置。 因为分子在平衡位置处是分子势能最低点,据图也可以看出: 在这种情况下分子势能可以大于零,也可以小于零,也可以等于零是正确的。 (3)因为分子在平衡位置处是分子势能最低点,显然,选两个分子相距r0时分子势能为零,其他位置分子势能将大于零。 B组: 等级性水平训练 9.(温度、分子动能、内能)下列说法中正确的是( ) A.物体温度降低,其分子热运动的平均动能增大 B.物体温度升高,其分子热运动的平均动能增大 C.物体温度降低,其内能一定增大 D.物体温度不变,其内能一定不变 答案 B 解析 温度是物体分子平均动能的标志,温度升高则其分子平均动能增大,反之,则其分子平均动能减小,故A错误,B正确。 物体的内能是物体内所有分子动能和分子势能的总和,宏观上取决于物体的温度、体积和物质的量,故C、D错误。 10.(综合)(多选)两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动,直至不再靠近。 在此过程中,下列说法正确的是( ) A.分子力先增大,后一直减小 B.分子力先做正功,后做负功 C.分子动能先增大,后减小 D.分子势能先增大,后减小 E.分子势能和动能之和不变 答案 BCE 解析 分子力F与分子间距r的关系是: 当r 综上可知,当两分子由相距较远逐渐达到最近过程中分子力是先变大再变小后又变大,A错误。 分子间距离减小的过程中,分子力为引力时做正功,分子势能减小,分子力为斥力时做负功,分子势能增大,故B正确,D错误。 因仅有分子力作用,故只有分子动能与分子势能之间发生转化,即分子势能减小时分子动能增大,分子势能增大时分子动能减小,其总和不变,C、E正确。 11.(内能)关于物体的内能,以下说法正确的是( ) A.箱子运动的速度减小,其内能也减小 B.篮球的容积不变,内部气体的温度降低,则内部气体的内能将减小 C.物体的温度和体积均发生变化,其内能将一定变化 D.对于一些特殊的物体,可以没有内能 答案 B 解析 物体的内能与物体的机械运动无关,故A错误。 当气体的体积不变而温度降低时,气体的分子势能不变,分子的平均动能减小,气体的内能减小,故B正确。 物体的温度和体积均发生变化时,物体内的分子势能和分子的平均动能都发生变化,其内能可能不变,故C错误。 任何物体都有内能,故D错误。 12.(综合)(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,加速度最大 B.乙分子在P点(x=x2)时,其动能为E0 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 答案 BD 解析 当分子间距离为r0时,分子势能最小,即x2=r0,故在P点分子力为零,加速度为零,由于分子所具有的总能量为0,势能为-E0时,动能为E0,A、C错误,B正确;又由于动能不可能为负值,故势能最大为零,D正确。 13.(综合)(多选)设r=r0时分子间作用力为零,则在一个分子从远处以某一动能向另一个分子靠近的过程中,下列说法中正确的是( ) A.r>r0时,分子力做正功,动能不断增大,势能减小 B.r=r0时,动能最大,势能最小 C.r D.当r→∞时,分子势能最小 E.当r=r0时,分子动能和分子势能之和最小 答案 ABC 解析 r>r0时分子间的作用力为引力,分子力做正功,动能不断增大,分子势能减小,A正确;r 14.(内能、能量的转化)如图所示,小孩下滑过程中,从能量的转化和转移的角度可用下面三句话来概括 ①小孩克服摩擦做功,动能转化为内能 ②小孩从滑梯上滑下时,重力势能转化为动能 ③小孩的臀部吸热,内能增加,温度升高 以下排序正确的是( ) A.①②③B.②③①C.②①③D.③②① 答案 C 解析 小孩从高处由静止滑下,重力做功,重力势能转化为动能,在运动过程中,小孩要克服摩擦,消耗机械能(动能)转化为内能,部分被小孩臀部吸收,温度升高,故能量转化顺序为②①③,C正确,A、B、D错误。
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