高中物理内能与能量守恒定律.docx
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高中物理内能与能量守恒定律
教师
日期
学生
课程编号
课型
复习
课题
内能气体状态参量
教学目标
1、理解物体的内能,理解影响内能的因素
2、理解气体的状态参量
教学重点
1、影响内能大小的因素
教学安排
版块
时长(分钟)
1
知识点回顾
5
2
知识点讲解
45
3
课堂练习
60
4
课堂总结
10
5
回家作业
40
内能气体状态参量
知识点回顾
一、分子动理论
1、布朗运动指________________________的无规则运动,运动的主体是宏观的________;布朗运动间接反映出液体内部_________的无规则性。
【答案】悬浮在液体中的固体微粒;微粒;分子运动
2、布朗运动的激烈程度与颗粒大小及温度有关,颗粒越快,温度越______,布朗运动越激烈,____________叫做热运动。
【答案】高;分子的无规则运动
3、物体的分子间既存在着引力,又存在着斥力,分子力是指分子间引力斥力的_______。
为了处理问题简单起见,可以认为当两个分子间距离为r0时,分子力F为零;当分子间距大于r0,分子间的斥力______分子间的引力,分子间的作用力表现为______;当分子间距小于r0,分子间的斥力
______分子间的引力、分子间的作用力表现为______力;当分子间距______时,可以认为分子力等于零,气体一般就是这种情况。
【答案】合力;小于;引;大于;斥力;足够大
二、分子的内能
1、分子势能是由___________决定的,分子势能的改变是通过_________来实现的,分子势能的大小与物体的_____有关。
【答案】分子间距离;分子力做功;体积
2、物体内所有分子热运动________和________的总和叫物体的内能。
物体的内能跟物体的________、
_________有关。
【答案】分子动能;分子势能;温度;体积
三、分子速度分布规律
气体分子运动的速度很大,常温下大多数气体分子的速率都可以达到数百米每秒,离开这个数值越______,分子数越少,表现___________的分布规律,这是对大量分子用统计方法得到的________。
【答案】远;中间多,两头少;统计规律
四、气体的状态参量
1、温度:
温度在宏观上表示物体的________________;在微观上是_________________的标志.
2、体积:
气体的体积宏观上等于_______________________,微观上则表示___________________
3、压强:
气体的压强在宏观上是___________________;微观上则是_________________产生的。
【答案】冷热程度;大量分子平均动能;盛装气体的容器的容积;气体分子所能到达的空间体积;器壁单位面积上受到的压力;大量分子频繁碰撞器壁;
知识点讲解
知识点一:
分子动理论内能
一、分子动理论
1、物体是由大量分子组成的
(1)分子的大小
①分子的直径(视为球模型):
数量级为10-10m
②分子的质量:
数量级为10-26kg
(2)阿伏加德罗常数
①1mol的任何物质都含有相同的粒子数。
通常可取NA=6.02×1023mol-1
②阿伏加德罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁
2、分子永不停息地做无规则运动
(1)扩散现象
①定义:
不同物质能够彼此进入对方的现象叫做扩散。
②实质:
扩散现象并不是外界作用引起的,也不是化学反应的结果,而是由物质分子的无规则运动产生的。
(2)布朗运动
①定义:
悬浮在液体中的小颗粒的永不停息地无规则运动叫做布朗运动。
②特点:
永不停息,无规则;颗粒越小,温度越高,布朗运动越显著;肉眼看不到
注意:
布朗运动是固体小颗粒的运动不是分子级的运动,但是间接反应分子热运动
(3)热运动
分子的无规则运动和温度有关,温度越高,分子运动越激烈。
分子永不停息地无规则运动叫做热运动。
3、分子间同时存在引力和斥力
(1)物质分子间存在空隙,分子间的引力和斥力是同时存在的,实际表现出的分子力是引力和斥力的合力
(2)分子力与分子间距离关系图线
由分子间的作用力与分子间距离关系图线(如图所示)可知:
当r=r0时,F引=F斥,分子力为0
当r>r0时,F引>F斥,分子力表现为引力
当r<时,F引 当分子间距离大于10r0(约为10-9m)时,分子力很弱,可以忽略不计。 二、物体的内能 1、分子动能 组成物体的分子由于热运动而具有的能叫做分子动能 平均动能: 物体里所有分子动能的平均值叫做分子热运动的平均动能 分子总动能的影响因素: 从微观上看与分子的个数和平均动能有关 从宏观上看与物体的质量,摩尔质量和温度有关。 注意: 同一温度下,不同物质分子的平均动能都相同.但由于不同物质的分子质量不一定相同,所以分子热运动的平均速率也不一定相同 温度反映的是大量分子平均动能的大小,不能反映个别分子的动能大小,同一温度下,各个分子的动能不尽相同 2、分子势能 由于分子间存在着相互作用力,分子间所具有的由它们的相对位置所决定的能 (1)特点: 分子间距离以r0为分界,r不论减小或增大,分子力都做负功,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。 分子总势能的影响因素 从宏观上看: 分子势能跟物体的体积有关 从微观上看: 分子势能跟分子间距离有关 一般选取两分子间距离很大(r>10r0)时,分子势能为零 ①在r>r0的条件下,分子力为引力,当两分子逐渐靠近至r0过程中,分子力做正功,分子势能减小 ②在r ③当两分子间距离r=r0时,分子势能最小 3、内能 物体的内能等于物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和 影响物体内能的因素: 物质的量、温度、体积 注意: 对于理想气体来说,由于不考虑分子间的相互作用力,即不考虑分子势能,所以理想气体的内能只跟理想气体的质量、温度有关 5.宏观量与微观量的相互关系 (1)微观量: 分子体积V0、分子直径d、分子质量m0 (2)宏观量: 物体的体积V、摩尔体积Vm,物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ。 (3)相互关系 ①一个分子的质量: = = ②一个分子的体积: = = (注: 对气体而言,V0为分子所占空间体积) ③物体所含的分子数: 或 ④单位质量中所含的分子数: 【例1】以下关于分子动理论的说法中正确的是()(多选) A.物质是由大量分子组成的 B.-2℃时水已经结为冰,部分水分子已经停止了热运动 C.分子势能随分子间距离的增大,可能先减小后增大 D.分子间的引力与斥力都随分子间距离的增大而减小 【难度】★ 【答案】ACD 【解析】物质是由大量分子组成的,A正确;分子是永不停息地做无规则运动的,B错误;在分子间距离增大时,如果先是分子力做正功,后是分子力做负功,则分子势能是先减小后增大的,C正确;分子间的引力与斥力都随分子间距离的增大而减小,但斥力变化得快,D正确。 【例2】下列说法正确的是()(多选) A.布朗运动就是液体分子的运动 B.两分子之间同时存在着引力和斥力,引力和斥力都随分子间的距离增大而减小,但斥力比引力减小得更快 C.热力学温标的最低温度为0K,它没有负值,它的单位是物理学的基本单位之一 D.气体的温度越高,每个气体分子的动能越大 【难度】★ 【答案】BC 布朗运动是固体微粒的运动,是液体分子无规则热运动的反应,故A错误;两分子之间同时存在着引力和斥力,引力和斥力都随分子间的距离增大而减小,但斥力比引力减小得更快,故B正确;热力学温标的最低温度为0K,它没有负值,它的单位是物理学的基本单位之一,故C正确;气体的温度越高,气体分子的平均动能越大,平均速率越高,满足气体分子的速率分布率,并非每个气体分子的动能越大,故D错误 【例3】两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止运动,直至不再靠近。 在此过程中,下列说法正确的是()(多选) 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 【难度】★ 【答案】BC 【解析】两个分子相距较远时表现为引力,相互靠近时分子力先增大后减小,减小到零后分子力变为斥力,分子减速至不再靠近,因此分子力经历了增大、减小再反向增大的过程,故A错误。 分子不断靠近,分子力先做正功后做负功,分子动能先增大后减小,B、C正确。 分子力做正功分子势能减小,分子力做负功分子势能增大,故D错误。 【例4】当氢气和氧气的质量和温度都相同时,下列说法中正确的是()(多选) 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 【难度】★★ 【答案】AB 【解析】由于不考虑分子间作用力,氢气和氧气只有分子动能,温度相同,它们的平均动能相同,而氢气分子摩尔质量小,质量相等时,氢气分子数多,所以氢气内能多.故A正确,C错误.氢气分子的质量比氧气的分子质量小,平均动能相同时,氢气分子平均速率大.故B正确D错误. 课堂练习 1、下列关于布朗运动的说法中正确的是() A.布朗运动是指在显微镜下观察到的组成悬浮颗粒的固体分子的无规则运动 B.布朗运动是指在显微镜下观察到的悬浮固体颗粒的无规则运动 C.布朗运动是指液体分子的无规则运动 D.布朗运动是指在显微镜下直接观察到的液体分子的无规则运动 【难度】★ 【答案】B 2、若把处于平衡状态时相邻分子间的距离记为r0,则下列关于分子间的相互作用力的说法中正确的是()(多选) A.当分子间距离小于r0时,分子间作用力表现为斥力 B.当分子间距离大于r0时,分子间作用力表现为引力 C.当分子间距离从r0逐渐增大时,分子间的引力增大 D.当分子间距离小于r0时,随着距离的增大分子力是减小的 【难度】★ 【答案】AB 3、分子甲和乙相距较远时,它们之间的分子力可忽略。 现让分子甲固定不动,将分子乙由较远处逐渐向甲靠近直到不能再靠近,在这一过程中() A.分子力总是对乙做正功; B.分子乙总是克服分子力做功; C.先是分子力对乙做正功,然后是分子乙克服分子力做功; D.分子力先对乙做正功,再对乙做负功,最后又对乙做正功。 【难度】★ 【答案】C 4、质量相同、温度相同的氢气和氧气,它们的() A.分子数相同B.内能相同 C.分子平均速度相同D.分子的平均动能相同 【难度】★★ 【答案】D 知识点二: 分子热运动速度分布规律 气体的大量分子做无规则运动,每个分子的速度大小(速率)是不同的。 对同一个分子而言,其速率也时大时小,每个分子具有多大的速率完全是偶然的,但大量分子的速率分布却有一定的规律。 研究表明,气体的大多数分子,其速率都在某个数值附近,离开这个数值越远,分子数越少,表现出“中间多两头少”的分布规律。 这种大量分子速率分布规律是一种统计规律。 如图所示 从图像可以看出,温度越高,速率大的分子所占比率越高。 (T2>T1) 【例1】某种气体在不同温度下的气体分子速率分布曲线如图所示,图中f(v)表示v处单位速率区间内的分子数百分率,所对应的温度分别为TⅠ、TⅡ、TⅢ,则() A.TⅠ>TⅡ>TⅢ B.TⅢ>TⅡ>TⅠ C.TⅡ>TⅠ,TⅡ>TⅢ D.TⅠ=TⅡ=TⅢ 【难度】★ 【答案】B 【例2】关于气体分子的速率,下列说法正确的是() A.气体温度升高时,每个气体分子的运动速率一定都增大 B.气体温度降低时,每个气体分子的运动速率一定都减小 C.气体温度升高时,气体分子运动的平均速率必定增大 D.气体温度降低时,气体分子运动的平均速率可能增大 【难度】★ 【答案】C 【解析】温度是所有分子热运动的平均动能的标志.温度升高,分子的平均动能增大.由 = m 2可知,分子的平均速率增大,同时由气体分子速率分布规律可知,温度升高时,气体分子速率大的分子所占的比率增大,速率小的分子所占的比率减小,故气体分子的平均速率一定增大,故选项C正确.而温度降低时则正好相反,故选项D错.每一个分子的运动速率在温度升高时不一定增大,在温度降低时也不一定减小,故选项A、B都错. 课堂练习 1.下列关于气体分子运动的特点,正确的说法是() A.气体分子运动的平均速率与温度有关 B.当温度升高时,气体分子的速率分布不再是“中间多,两头少” C.气体分子的运动速率可由牛顿运动定律求得 D.气体分子的平均速度随温度升高而增大 【难度】★ 【答案】A 【解析】气体分子的运动与温度有关,温度升高时,平均速率变大,但仍遵循“中间多,两头少”的统计规律,A对,B错.分子运动无规则,而且牛顿定律是宏观定律,不能用它来求微观分子的运动速率,C错.大量分子向各个方向运动的概率相等,所以稳定时,平均速度几乎为零,与温度无关,D错. 2、大量气体分子运动的特点是() A.分子除相互碰撞或跟容器壁碰撞外,可在空间里自由移动 B.分子的频繁碰撞致使它做杂乱无章的热运动 C.分子沿各个方向运动的机会相等 D.分子的速率分布毫无规律 【难度】★ 【答案】ABC 【解析】气体分子除碰撞外可以认为是在空间自由移动的,因气体分子沿各个方向运动的机会相等,碰撞使它做无规则运动,但气体分子速率按“中间多,两头少”的规律分布,所以A、B、C正确. 3、如图所示为一定质量的氧气分子在0℃和100℃两种不同情况下的速率分布情况,由图可以判断以下说法中正确的是()(多选) A.温度升高,所有分子的运动速率均变大 B.温度越高,分子的平均速率越小 C.0℃和100℃时氧气分子的速率都呈现“中间多,两头少”的分布特点 D.100℃的氧气与0℃的氧气相比,速率大的分子所占的比例较大 【难度】★★ 【答案】CD 【解析】温度升高,气体分子的平均动能增大,平均运动速率增大,但有些分子的运动速率可能减小,从图中可以看出温度高时,速率大的分子所占比例较大,A、B错误,C、D正确. 4、 (1)分子的运动杂乱无章,在某一时刻,向着________运动的分子都有,而且向各个方向运动的气体分子数目都______. (2)气体分子速率分布表现出“中间多,两头少”的分布规律.温度升高时,速率大的分子数目________,速率小的分子数目________,分子的平均速率________. 【难度】★★ 【答案】 (1)任何一个方向;相等 (2)增加;减少;增加 【解析】分子的运动是无规则的,由于分子的数量巨大,因此可以认为向任何一个方向运动的分子数量是相等的;气体分子速率表现出统计的规律,即“中间多,两头少”,温度升高时,气体分子的平均动能增加,即分子的平均速率增加,因此速率大的分子数目必然增加,速率小的分子数目必然减少. 知识点三: 气体的状态参量 在研究气体的热学性质时,是用体积、压力、温度等物理量来描述气体的状态。 这几个物理量叫做气体的状态参量。 1、体积 气体所充满的容器的体积,用符号V表示。 在国际单位制中体积的单位是m3 2、压强 单位面积上所受到的压力,表示为p= 。 在国际单位制中,压强的单位是Pa,实际应用中还常用标准大气压、厘米汞柱等,它们之间的关系是: 1标准大气压=76厘米汞柱=1.01325×105Pa; 3、温度 表示物体冷热的程度。 热力学温度是国际单位制的7个基本量之一,用符号T表示,单位是K 对于一定质量的气体来说,3个状态参量中有两个改变即表明气体的状态改变了,只有一个改变,而其他两个量都不变的情况是不会发生的。 【例1】从宏观上看,气体分子热运动的平均动能与分子间势能分别取决于气体的() A.体积和压强B.温度和体积C.温度和压强D.压强和温度 【难度】★ 【答案】B 【例2】一定质量的理想气体处于平衡状态Ⅰ,现设法使其温度降低而压强增大,达到平衡状态Ⅱ,则() A.状态Ⅰ时气体的密度比状态Ⅱ时的大 B.从状态Ⅰ到状态Ⅱ气体对外做功 C.状态Ⅰ时分子间的平均距离比状态Ⅱ时的大 D.状态Ⅰ时每个分子的动能都比状态Ⅱ时的分子平均动能大 【难度】★ 【答案】C 课堂练习 1、关于温度的概念,下列说法中正确的是() A.温度是分子平均动能的标志,物体温度高,则物体的分子平均动能大 B.物体温度高,则物体每一个分子的动能都大 C.某物体内能增大时,其温度一定升高 D.甲物体温度比乙物体温度高,则甲物体的分子平均速率比乙物体大 【难度】★ 【答案】A 2、下列说法中正确的是() A.一定质量的气体被压缩时,气体压强不一定增大 B.一定质量的气体温度不变压强增大时,其体积也增大 C.气体压强是由气体分子间的斥力产生的 D.在失重的情况下,密闭容器内的气体对器壁没有压强 【难度】★ 【答案】A 3、封闭在气缸内一定质量的气体,如果保持气体体积不变,当温度升高时,以下说法正确的是()(多选) A.气体的密度增大 B.气体的压强增大 C.气体分子的平均动能减小 D.每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多 【难度】★ 【答案】BD 4、关于气体的压强,下列说法正确的是()(多选) A.气体的压强是由气体分子间的斥力产生的 B.从微观角度看,气体压强的大小跟气体分子的平均动能和分子的密集程度有关 C.气体的压强在数值上等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力的大小 D.当某一容器自由下落时,容器中气体的压强将变为零 【难度】★ 【答案】BC 5、封闭在气缸内的一定质量的气体,如果保持气体体积不变,当温度从300K升高到600K时,以下说法正确的是()(多选) A.气体的密度增大一倍 B.气体分子的平均动能减小一半 C.气体的压强增大一倍 D.每秒撞击单位面积的器壁的分子数变大 【难度】★★ 【答案】CD 课堂总结 1、为什么说分子在平衡位置处是分子势能最低点? 请说明理由 2、气体压强产生的原因是什么? 如何从微观角度说明在温度和体积变化导致压强变化? 回家作业 1、下面的哪些实验事实说明分子在永不停息地运动? ()(多选) A.把金和铅两种金属表面磨光,压合在一起,经过相当长的时间,会发现两种金属彼此进入对方一定的厚度 B.一根下端封闭的长玻璃管,先灌入一半水,再灌入一半酒精,堵住上口,上下颠倒几次,看到总体积变小 C.用显微镜观察悬浮在液体中的花粉颗粒,发现花粉在永不停息地作无规则运动 D.糖块是甜的,糖溶化在水中仍是甜的 【难度】★ 【答案】AD 2、用显微镜观察液体中悬浮颗粒的布朗运动,所得到的结论正确的是()(多选) A.布朗运动是分子的运动 B.悬浮颗粒越大,布朗运动越激烈 C.液体温度越高,布朗运动越激烈 D.布朗运动是液体分子无规则运动的反映 【难度】★ 【答案】CD 3、下列有关温度、内能和热量的说法中正确的是()(多选) A.一个物体内能增加,其温度必上升 B.热量是热传递过程中,物体间内能的转移量 C.温度高的物体含有的热量多 D.热量可以从内能少的物体传给内能多的物体 【难度】★ 【答案】BD 4、分子间的相互作用力由引力F引和斥力F斥两部分组成,则() A.引力F引和斥力F斥同时存在 B.r>r0时,只有引力没有斥力;r C.分子之间距离越小,F引就越小,F斥就越大 D.分子间的距离越小,F引就越大,F斥就越小 【难度】★ 【答案】A 5、从下列哪一组数据可以算出阿伏加德罗常数()(多选) A.水的密度和水的摩尔质量B.水的摩尔质量和水分子的体积 C.水分子的体积和水分子的质量D.水分子的质量和水的摩尔质量 【难度】★ 【答案】BD 6、如图为两分子系统的势能Ep与两分子间距离r的关系曲线.下列说法正确的是()(多选) A.当r大于r1时,分子间的作用力表现为引力 B.当r小于r1时,分子间的作用力表现为斥力 C.当r等于r2时,分子间的作用力最大 D.在r由r1变到r2的过程中,分子间的作用力做负功 【难度】★ 【答案】AB 【解析】由图象可知: 分子间距离为r2时分子势能最小,此时分子间的距离为平衡距离;r2是分子的平衡距离,当0<r<r2时,分子力为斥力,当r>r2时分子力为引力,故A错误;当r小于r1时,分子间的作用力表现为斥力,故B正确;当r等于r2时,分子间的作用力为零,故C错误;在r由r1变到r2的过程中,分子力为斥力,分子间距离增大,分子间的作用力做正功,故D错误; 7、关于气体分子的运动情况,下列说法中正确的是()(多选) A.某一时刻具有任一速率的分子数目是相等的 B.某一时刻一个分子速度的大小和方向是偶然的 C.某一时刻向任意一个方向运动的分子数目基本相等 D.某一温度下每个气体分子的速率不会发生变化 【难度】★ 【答案】BC 8、已知水分子的直径约为4.0×10-10m,由此估算出阿伏伽德罗常数为______mol-1。 【难度】★★ 【答案】6×1023 9、某种物质1mol的质量是Mkg,密度是ρkg/m3。 若用NA表示阿伏伽德罗常数,则每个分子的质量是______kg;每立方米中这种物质所包含的分子数为______个;平均每个分子所占的空间是______m3。 【难度】★★ 【答案】 ; ; 10、风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上,设空气密度为ρ,假设风的动能有50%转化为风车的动能,风车带动水车将水提高h的高度,效率为80%,求单位时间内最多可提升水的质量是多少? 【难度】★★ 【答案】 【解析】设在t时间内吹在风车上的空气的质量为m1= ρπd2vt 风的动能Ek= m1v2= ρπd2v3t 根据题意: ρπd2v3t×50%×80%=mgh 则 = 11、在地球表面上横截面积为3×10-2m2的圆筒内装有0.6kg的水,太阳光垂直照射了2min,水温升高了1℃,设大气顶层的太阳能只有45%到达地面,试估算出太阳的全部辐射功率(设太阳与地球表面之间的平均距离为1.5×1011m) 【难度】★★ 【答案】4.4×1026W 【解析】水在2min内吸收的热量为Q=cmΔt=4.2×103×0.6×1=2.52×103J 在阳光直射下,地球表面每平方米每秒钟获得的能量为E= = =700J/(m2•s) 每平方米每秒钟射到大气顶层的太阳能总量为E0= 太阳辐射的功率为P=E0•4πr2 代入数据解得,P=4.4×1026W
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