【同步讲义】（人教版2019）高中物理选修第三册--1.4 分子动能和分子势能 讲义

1.4分子动能和分子势能

基础导学

要点一、分子动能

1、分子动能：由于分子永不停息地做无规则运动而具有的能量．

2、单个分子的动能

(1)定义：组成物体的每个分子都在不停地做无规则运动，因此分子具有动能．

(2)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可能是不同的，所以单个分子的动能没有意义．

3、分子的平均动能

(1)定义：物体内所有分子的动能的平均值．

(2)决定因素：物体的温度是分子热运动的平均动能的标志．温度升高的物体，分子的平均动能增大，但不是每个分子的动能都增大，个别分子的动能可能减小或不变，但总体上所有分子的动能之和一定是增加的．

4．物体内分子的总动能

物体内分子运动的总动能是指所有分子热运动的动能总和，它等于分子热运动的平均动能与分子数的乘积．物体内分子的总动能与物体的温度和所含分子总数有关．

要点二、分子势能

1．分子力、分子势能与分子间距离的关系(如图所示)

2.分子势能的特点

由分子间的相对位置决定，随分子间距离的变化而变化．分子势能是标量，正、负表示的是大小，具体的值与零势能点的选取有关．

3．分子势能的影响因素

(1)宏观上：分子势能跟物体的体积有关．

(2)微观上：分子势能跟分子间距离r有关，分子势能与r的关系不是单调变化的．

要点三、内能的理解

（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，与物体宏观运动状态无关，它取决于物质的量、温度、体积及物态。

（2）研究热现象时，一般不考虑机械能，在机械运动中有摩擦时，有可能发生机械能转化为内能。

（3）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。

（4）组成任何物体的分子都在做无规则的热运动，所以任何物体都具有内能。

要点突破

突破一：分子动能与温度的关系

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的平均速率不一定相同．

【特别提醒】　物体温度升高，分子热运动加剧．分子的平均动能增大，但并不是每一个分子的动能都变大．

突破二：影响分子势能大小的因素

随着分子间距离的变化，分子力做功，分子势能发生变化，分子势能的变化微观上决定于分子间的距离，宏观上与物体的体积有关．

1.分子势能为零和分子势能最小的含义不同，前者与选择的零势能点有关，而后者的位置确定在r＝r0处．

2．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对应于宏观的物体体积变化．但不能理解为物体体积越大，分子势能就越大，因为分子势能除了与物体的体积有关外，还与物态有关．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＜r0范围内)．例如，0 ℃的水结成0 ℃的冰后，体积变大，但分子势能却减小了．

突破三：对物体内能的理解

1．内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义．

2．物体的内能跟物体的机械运动状态无关．

3．决定因素

(1)在微观上，物体的内能取决于物体所含分子的总数、分子的平均动能和分子间的距离；

(2)在宏观上，物体的内能取决于物体所含物质的多少、温度和体积．

4．内能与机械能的区别和联系

突破四：温度、内能、热量、热能这几个热学概念的区别

1．温度：温度的概念在前边已经具体地学过，其高低直接反映了物体内部分子热运动的情况，所以在热学中温度是描述物体热运动状态的基本参量之一．温度是大量分子热运动的集体表现．是含有统计意义的，对于单个分子来说，温度是没有意义的．

2．内能：物体内所有分子的动能和势能的总和．内能和机械能是截然不同的，内能是由大量分子的热运动和分子之间相对位置所决定的能量，机械能是物体做机械运动和物体的相对位置及形变所决定的能量，内能和机械能之间可以相互转化．

3．热量：是指热传递过程中内能的改变量．热量用来量度热传递过程中内能转移的数量．一个物体的内能是无法测定的，而在某种过程中物体内能的变化却是可以测定的，热量就是用来测定内能变化的一个物理量．

4．热能：是内能通俗的而不甚确切的说法．

典例精析

题型一：分子力做功与分子势能的关系

例一．（多选）设r＝r0时分子间的作用力为零，则一个分子在从远处以某一动能向另一个固定的分子靠近的过程中，下列说法正确的是(不考虑其他分子的影响)(　　)

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＜r0时，分子力做负功，动能减小，势能增大

D．以上说法都不对

变式迁移1：（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时为斥力，F＜0时为引力．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．乙分子从a到b做加速运动，由b到c做减速运动

B．乙分子从a到c做加速运动，到达c时速度最大

C．乙分子从a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减少

D．乙分子从b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增加

题型二：物体的内能及有关因素

例二．关于物体的内能，下列说法中正确的是(　　)

A．水分子的内能比冰分子的内能大

B．物体所处的位置越高，分子势能就越大，内能越大

C．一定质量的0 ℃的水结成的0 ℃的冰，内能一定减少

D．相同质量的两个同种物体，运动物体的内能一定大于静止物体的内能

变式迁移2：（多选）关于质量和温度均相同的一杯水和一个钢球，下列说法正确的是(　　)

A．它们的内能一定相等

B．它们的分子平均动能一定相等

C．它们的分子的平均速率一定相等

D．把钢球置于水中，它们各自的内能一定不变

强化训练

一、选择题

1、有甲、乙两分子，甲分子固定在坐标原点，乙分子只在相互间分子力作用下，由远处沿轴向甲靠近，两分子的分子势能与两分子间距离的关系如图所示，设乙分子在移动过程中所具有的总能量为0，则下列说法正确的是（　　）

A．乙分子在点时处于平衡状态

B．乙分子在点时加速度为0

C．乙分子由到的过程中分子力做正功

D．乙分子由到过程中分子势能一直减小

2、关于物体的内能，下列叙述中正确的应是（　　）

A．温度高的物体比温度低的物体内能大

B．物体的内能不可能为零

C．内能相同的物体，它们的分子平均动能一定相同

D．内能不相同的物体，它们的分子平均动能一定不相同

3、下列说法中正确的是（　　）

A．一定质量的理想气体压强不变时，气体分子单位时间内对器壁单位面积的平均碰撞次数随着温度升高而增大

B．温度相同的氢气和氧气，氢气分子和氧气分子的平均速率相同

C．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规律的

D．可看作理想气体的质量相等的氢气和氧气，温度相同时氧气的内能小

4、研究表明，两个邻近的分子之间同时存在着引力和斥力，其大小随分子间距离的变化如图中虚线所示，当r=r0时，分子间的引力等于斥力。关于分子间的作用力和分子势能，下列说法正确的是（　　）

A．r<r0时，分子间作用力随着r的增大而增大

B．r>r0时，分子间作用力随着r的增大而增大

C．r<r0时，两个分子的势能随着r的增大而减小

D．r>r0时，两个分子的势能随着r的增大而减小

5、一定质量的乙醚液体全部蒸发，变为同温度的乙醚气体，在这一过程中（　　）

A．分子引力增大，分子斥力减小 B．分子势能增加

C．乙醚的内能不变 D．分子平均动能增加

6．分子动理论较好地解释了物质的宏观热力学性质．据此可判断下列说法中错误的是

A．显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停的作无规则运动，这反映了液体分子运动的无规则性

B．分子间的相互作用力随着分子间距离的增大，一定先减小后增大

C．分子势能随着分子间距离的增大，可能先减小后增大

D．在真空、高温条件下，可以利用分子扩散向半导体材料掺入其它元素

7．下列有关分子动理论和物质结构的认识，其中正确的是（ ）

A．分子间距离减小时分子势能一定减小

B．温度越高，物体中分子无规则运动越剧烈

C．物体内热运动速率大的分子数占总分子数比例与温度无关

D．非晶体的物理性质各向同性而晶体的物理性质都是各向异性

8、分子间作用力与分子间距离的关系如图所示，图线与轴的交点对应的分子间距离为、最低点对应的分子间距离为。关于对图线的理解，下列说法中正确的是（　　）

A．分子距离增大，分子间斥力减小、引力增大

B．分子距离等于时，分子势能最小

C．分子距离等于时，分子间作用力最小

D．分子距离小于时，减小分子距离分子势能一定增大

9、两分子之间的分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图甲、乙两条曲线所示（取无穷远处分子势能Ep=0）。下列说法正确的是（　　）

A．甲图线为分子势能与分子间距离的关系图线

B．当r=r0时，分子势能为零

C．两分子在相互靠近的过程中，在r>r0阶段，F做正功，分子动能增大，分子势能减小

D．两分子从相距r=r0开始随着分子间距离的增大，分子力先减小后一直增大

10、下列说法中正确的是（　　）

A．若两个分子只受到它们间的分子作用力，在两分子间距离增大的过程中，分子势能定增大

B．用表示阿伏伽德罗常数，表示铜的摩尔质量，表示铜的密度，那么一个铜原子所占空间的体积可表示为

C．布朗运动就是液体分子的运动

D．容器中的气体对器壁的压强是由气体分子间有排斥力而产生

11、分子间存在着分子力，并且分子力做功与路径无关，因此分子间存在与其相对距离有关的分子势能。如图所示为分子势能E随分子间距离r变化的图像，取r趋近于无穷大时Ep为零。通过功能关系可以从此图像中得到有关分子力的信息，若仅考虑这两个分子间的作用，下列说法中正确的是（　　）

A．图中r1是分子间引力和斥力平衡的位置

B．假设将两个分子从r=r2处释放，它们将相互靠近

C．假设将两个分子从r=r1处释放，当r=r2时它们的速度最大

D．假设将两个分子从r=r1处释放，当r=r2时它们的加速度最大

12、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。为斥力为引力。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，下列关于乙分子的说法正确的是（　　）

A．由a到b做加速运动，由b到d做减速运动

B．由a到c做加速运动，到达c时速度最大

C．由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直增大

D．由b到d的过程中，分子动能一直增大