学年高中物理分子动理论第3节温度与内能教学案鲁科版.docx
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学年高中物理分子动理论第3节温度与内能教学案鲁科版
第3节温度与内能
1.温度是分子平均动能的标志,温度越高,分了的平均动能越大,温度对单个分子的动能无意义。
2.分子势能的变化根据分子间作用力做功判断,做正功,分子势能减少,做负功,分子势能增加;分子间距等于r0时,分子势能最小。
3.分子势能和物体的体积有关,物体体积变化时,分子间距会变化,分子势能也会变化。
4.所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫物体的内能,做功和热传递是改变内能的两种方式。
其大小与质量、温度和体积有关。
温度与分子平均动能
[自读教材·抓基础]
1.分子动能
分子由于做热运动所具有的动能。
2.平均动能
大量分子动能的平均值。
3.温度与平均动能的关系
(1)温度升高,分子的平均动能增大;温度降低,分子的平均动能减小。
(2)分子热运动的平均动能与物体的热力学温度成正比。
(3)温度的微观本质:
温度是物体内分子热运动平均动能的标志。
[跟随名师·解疑难]
1.温度的物理含义
(1)宏观上:
温度表示物体的冷热程度。
(2)微观上:
标志物体分子热运动的激烈程度,它是物体分子平均动能的标志。
(3)温度是一个“统计”概念,它仅对物体,即大量的分子有意义,对单个分子来说,温度是没有意义的,故“分子的温度”这种说法是不科学的。
(4)温度与物体的宏观运动状态无关。
2.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不相同。
所以研究单个分子的动能没有意义。
3.分子的平均动能
只要温度相同,一切物体分子的平均动能就一定相同。
与物质种类、质量、压强、体积无关。
[特别提醒] 在温度相同时,一切物体分子的平均动能相同,平均速率一般不相同。
因为
k=
m
2,而不同物质的分子质量一般不同。
例如,氧气和氢气在温度相同时,
kO=
kH,即
mO
2=
mH
2,因为mO>mH,所以
O<
H。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
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.物体的运动速度越大,则物体的分子动能也越大
解析:
选C 某种物体的温度是0℃,物体中分子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,说明分子运动激烈,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,所以选C。
分子势能
[自读教材·抓基础]
1.定义
分子具有的由分子间的相对位置决定的势能。
2.分子势能的决定因素
(1)宏观上:
与物体的体积有关。
(2)微观上:
与分子间的距离有关。
①若r>r0,当r增大时,分子势能增加。
②若r ③若r=r0,分子势能最小。 [跟随名师·解疑难] 1.影响分子势能大小的因素 如图131所示,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。 图131 分子间距离 r=r0 r>r0 r 分子力 等于零 表现为引力 表现为斥力 分子力做功 分子间距增大时,分子力做负功 分子间距减小时,分子力做负功 分子势能 最小 随分子间距的增大而增大 随分子间距的减小而增大 [特别提醒] (1)分子力做功是分子势能变化的量度。 (2)物体体积改变,分子势能必定发生改变。 大多数物质是体积越大,分子势能越大;也有少数反常物质(如冰、铸铁)体积越大,分子势能反而越小。 (3)当r=r0时,分子力为零,分子势能为最小值,分子势能最小值和分子势能为零不是一回事。 [学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 关于分子势能,下列说法中正确的是( ) A.分子势能只由分子引力决定 B.分子势能跟物体的体积有关 C.物体体积增大时,分子势能一定增加 D.物体体积减小时,分子势能一定减小 解析: 选B 物体体积发生变化时,分子势能将发生变化,但没有确定关系。 当分子间距离r 物体的内能 [自读教材·抓基础] 1.定义 物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和。 2.普遍性 物体中的分子永不停息地做无规则运动、分子间有相互作用力,所以任何物体都具有内能。 3.相关因素 (1)物体含有的分子数目与物体的质量有关。 (2)分子热运动的平均动能与温度有关。 (3)分子势能与体积有关。 4.改变内能的方式 改变内能的方式有做功和热传递。 (1)做功改变内能时,可以使其他形式的能与内能发生转化,内能的变化量可用做功的多少来量度。 (2)通过热传递改变物体内能时,内能的变化量由热量来量度,热量和内能变化的过程相联系,热量是过程量。 [跟随名师·解疑难] 1.对内能的理解 (1)内能是对大量分子而言的,对单个分子来说无意义。 (2)物体内能的决定因素: ①从宏观上看,物体内能的大小由物体的质量、温度和体积三个因素决定。 ②从微观上看,物体内能的大小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.改变内能的两种方式及其区别 做功 热传递 特征 有力参与做功 存在温度差 本质 内能与其他形式的能转化 内能的转移 量度 功 热量 举例 摩擦、压缩等 不同温度的物体接触 3.内能与机械能的区别和联系 项目 内能 机械能 对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体机械运动 能量常 见形式 分子动能、分子势能 物体动能、重力势能和弹性势能 能量存 在原因 由物体内大量分子的热运动和分子间相对位置决定 由于物体做机械运动或物体形变或被举高而具有 影响因素 物质的量、物体的温度和体积及物态 物体的机械运动的速度、离地高度或相对于零势能面的高度或弹性形变程度 是否为零 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 [学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 关于物体的内能,以下说法正确的是( ) A.不同物体温度相等,内能也相等 B.所有分子的势能增大,内能也增大 C.做功和热传递都能改变物体的内能,但二者本质不同 D.只要两物体的质量、温度、体积相等,两物体的内能一定相等 解析: 选C 物体的内能包括所有分子动能和分子势能之和,A、B均错;通过做功改变内能,是其他形式的能与内能的转化,而通过热传递改变内能,则是内能在物体间的转移,二者有本质的不同,C项正确;两物体质量相同,但种类不一定相同,分子总数就不一定相等,即使温度、体积相等,内能也不一定相等,D项错。 对分子势能的考查 [典题例析] 1.(多选)(海南高考)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132中曲线所示,曲线与r轴交点的横坐标为r0,相距很远的两分子在分子力作用下,由静止开始相互接近。 若两分子相距无穷远时分子势能为零,下列说法正确的是( ) 图132 A.在r>r0阶段,F做正功,分子动能增加,势能减小 B.在r<r0阶段,F做负功,分子动能减小,势能也减小 C.在r=r0时,分子势能最小,动能最大 D.在r=r0时,分子势能为零 E.分子动能和势能之和在整个过程中不变 [思路点拨] (1)分子间作用力何时表现为引力,何时表现为斥力? 提示: r>r0时,引力;r (2)分子力做正功时,分子势能如何变化? 分子动能如何变化? 提示: 分子势能减少,分子动能增加。 解析: 在r>r0阶段,当r减小时F做正功,分子势能减小,分子动能增加,故选项A正确; 在r<r0阶段,当r减小时F做负功,分子势能增加,分子动能减小,故选项B错误; 在r=r0时,分子势能最小,动能最大,故选项C正确; 在r=r0时,分子势能最小,但不为零,故选项D错误; 在整个相互接近的过程中分子动能和势能之和保持不变,故选项E正确。 答案: ACE [探规寻律] 分子势能图像问题的解题技巧 (1)明确分子势能、分子力与分子间距离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)分子势能图像与r轴交点表示的距离小于r0,分子力图像与r轴交点表示平衡距离r0,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。 [跟踪演练] 下列关于分子力和分子势能的说法中,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 解析: 选C 分子间作用力表现为引力时,随分子间距离增大,要克服分子引力做功,分子势能增大,但分子间作用力可能先增大后减小,也可能一直减小;分子间作用力表现为斥力时,随分子间距离减小,分子间作用力增大,克服斥力做功,分子势能增大,C正确。 对物体内能的考查 [典题例析] 2.下列关于内能的说法中,正确的是( ) A.不同的物体,若温度相等,则内能也相等 B.物体速度增大,则分子动能增大,内能也增大 C.对物体做功或向物体传热,都可能改变物体的内能 D.冰融化成水,温度不变,则内能也不变 [思路点拨] (1)物体内能的决定因素是什么? 提示: 质量、温度和体积。 (2)内能与机械能有什么关系? 提示: 没有必然的联系。 (3)改变物体内能的方式有哪些? 提示: 做功和热传递。 解析: 不同的物体,温度相同,只是分子的平均动能相同,但物质的量和分子势能两个因素不确定,故内能不一定相等,A错;物体的速度是宏观量,物体的速度增大,分子热运动的动能不一定增大,内能不一定增大,B错;改变物体内能的方式有两种即做功和热传递,对物体做功或向物体传热,都可能改变物体的内能,C对;冰融化成水,温度不变,分子的平均动能不变,体积变小,分子间距变小,分子势能增加,故内能增加,D错。 答案: C [探规寻律] 影响物体内能的因素有温度、体积和物体的质量(或所包含分子的个数),且内能与机械能无关。 [跟踪演练] (四川高考)物体由大量分子组成,下列说法正确的是( ) A.分子热运动越剧烈,物体内每个分子的动能越大 B.分子间引力总是随着分子间的距离减小而减小 C.物体的内能跟物体的温度和体积有关 D.只有外界对物体做功才能增加物体的内能 解析: 选C 分子运动的剧烈程度是针对大量分子的统计规律而言,并不能说明每一个分子的运动情况,故A选项错误;根据分子间的引力大小与分子间的距离之间的关系(分子间的引力大小随分子间的距离的减小而增大)可知,B选项错误;从宏观角度看,物体的内能与物体的温度和体积有关,故C选项正确;改变物体内能的方式有两种: 做功和热传递,故D选项错误。 [课堂双基落实] 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,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高,则甲物体分子的平均速率比乙物体分子的平均速率大 解析: 选A 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,但有些分子的动能可能减小,A正确,B错误;内能增大,温度不一定升高,因为增加的内能可以只改变分子势能,C错误;不同种类的分子,分子质量不一定相等,因此无法比较分子的平均速率大小,D错误。 2.分子间距离增大时,分子势能将( ) A.增加 B.减小 C.不变D.不能确定 解析: 选D 分子势能的变化与分子力做功紧密联系。 当分子力做正功时,分子势能减小;当分子力做负功时,分子势能增大。 当r>r0时,r增大,分子力做负功,分子势能增大;当r 由此可知选项D正确。 3.下列说法正确的是( ) A.分子的动能与分子的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 解析: 选D 内能是对物体内所有分子而言的,单个分子无内能可言,选项A是错误的;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,所以选项B也是错误的;物体的内能与物体做宏观的机械运动的速度无关,故选项C也是错误的;物体的温度决定分子的平均动能,与物体宏观运动的动能无关,因此选项D是正确的。 4.如果取分子间距离r=r0(r0=10-10m)时为分子势能的零势能点,则r 按规定的零势能点,试着在图133上画出Epr的图像。 图133 解析: 当r=r0时,分子势能最小,所以若规定此时分子势能为零,则无论r 答案: 正 正 如图所示 [课下综合检测] 一、选择题 1.关于热量、内能、温度的关系,下面说法中不正确的是( ) A.温度是物体内能的标志 B.热量是热传递过程中物体内能转移量的量度 C.内能少的物体也可能将其部分内能转移到内能多的物体 D.内能总是从分子平均动能大的物体转移到分子平均动能小的物体上 解析: 选A 温度是分子平均动能的标志,而不是物体内能多少的标志,因为决定内能的因素还有质量、体积等因素。 可见选项A是错误的。 选项B符合热量的定义,因此是正确的。 内能少的物体若温度较高,而内能多的物体其温度较低,则根据热传递的条件和规律,知选项C正确。 分子平均动能大的物体就是温度高的物体,根据热传递的条件和规律,知选项D正确。 2.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,机械能必然减少 D.物体的内能为零时,机械能可以不为零 解析: 选B 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,B对;因为物体分子总在不停地做无规则运动,故内能不可能为零,D错。 3.(福建高考)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( ) 图1 解析: 选B 本题考查分子间作用力以及分子势能随分子间距离变化关系,意在考查考生对该部分知识的了解情况。 当r=r0时,分子间作用力f=0,分子势能Ep最小,排除A、C、D,选B。 4.对于物体的“热胀冷缩”现象,下列说法中正确的是( ) A.物体受热后温度升高,分子的平均动能增大;温度降低后,分子的平均动能减小,分子势能没有变化 B.受热后物体膨胀,体积增大,分子势能增大;遇冷收缩后,体积减小,分子势能减小,分子的平均动能不会改变 C.受热膨胀,温度升高,分子的平均动能增大,体积增大,分子势能也增大;遇冷收缩,温度降低,分子的平均动能减小,体积减小,分子势能也减小 D.受热膨胀,分子的平均动能增大,分子势能也增大;遇冷收缩,分子的平均动能减小,但分子势能增大 解析: 选C 物体受热后温度升高,分子平均动能增大,物体膨胀,体积增大,分子势能增大,遇冷后温度降低,体积减小,分子平均动能和分子势能都减小。 5.(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 解析: 选AB 因为温度是分子平均动能的标志,现在氢气和氧气温度相同,所以二者分子的平均动能相等,故A选项正确;因为氢气分子的质量较小,而氢气和氧气分子的平均动能相等,所以氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率,故B选项正确,D选项错误;因为两种气体的质量未知,所以二者的分子数目未知,故C选项错误。 6.(北京高考)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 解析: 选B 根据温度是分子平均动能的标志知,温度升高,分子热运动的平均动能增大;温度降低,分子热运动的平均动能减小,选项A错误,B正确。 理想气体的温度升高,内能增大;温度降低,内能减小,选项C错误。 晶体熔化或凝固时温度不变,但是内能变化,熔化时吸收热量,内能增大;凝固时放出热量,内能减小,选项D错误。 7.(多选)(新课标全国卷Ⅰ)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 解析: 选BCE 本题考查分子力、分子力做功和分子势能的概念,意在考查考生对分子力、分子力做功与分子势能关系的掌握情况。 分子力应先增大,后减小,再增大,所以A选项错;分子力先为引力,做正功,再为斥力,做负功,B选项正确;根据动能定理可知分子动能先增大后减小,分子势能先减小后增大,分子动能和分子势能之和保持不变,所以C、E选项正确,D错误。 二、非选择题 8.(江苏高考)密闭在钢瓶中的理想气体,温度升高时压强增大。 从分子动理论的角度分析,这是由于分子热运动的________增大了。 该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图像如图2所示,则T1________(选填“大于”或“小于”)T2。 图2 解析: 密闭在钢瓶中的理想气体的体积不变,当温度升高时,分子的平均动能增大,单位面积受到撞击的分子数不变,但每次撞击的作用力变大,所以压强增大;当温度升高时,气体分子的平均速率会增大,大多数分子的速率都增大,所以波峰应向速率大的方向移动,即T2>T1。 答案: 平均动能 小于 9.1g100℃的水和1g100℃的水蒸气相比较,下列说法是否正确? (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。 解析: (1)温度相同,分子的平均动能就相同,又因为质量同为1g且都由水分子组成,所以分子的总动能也相同,故该说法正确。 (2)当100℃的水变成100℃的水蒸气时,该过程吸收热量,内能增加,所以1g100℃的水的内能小于1g100℃的水蒸气的内能,故该说法错误。 答案: 见解析 10.用质量为0.5kg的铁锤去打击质量为50g的铁钉,已知铁锤打击铁钉时的速度为12m/s,且每次打击后铁锤不再弹起。 如果在打击时有80%的能量变成内能,并且这些能量有50%被铁钉吸收,现要使铁钉温度升高10℃,问要打多少次铁钉? [不计铁钉的体积变化,铁的比热容为460J/(kg·℃)] 解析: 这是一个铁锤对铁钉做功使铁钉内能增加的过程,由于不计铁钉的体积变化,所以铁钉的内能增加将完全表现为铁钉分子动能的变化,即反映在铁钉的温度变化上。 铁锤每次打击铁钉后不再弹起,表明其全部的机械能Ek= m1v2将完全损失,其中有η1=80%将变为内能,并有η2=50%被铁钉吸收。 设铁钉温度升高Δt=10℃需要打击n次,则有 n×η1×η2× m1v2=cm2Δt 代入已知数据可解得打击次数为 n= ≈16次。 答案: 16次
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