高中物理 第1章 分子动理论 第3节 温度与内能教师用书 鲁科版选修3-3

第3节温度与内能学 习 目 标知 识 脉 络1.了解分子的动能、平均动能，认识温度是分子平均动能的标志(重点)2知道分子势能跟物体的体积有关，了解分子势能随分子间距离变化而变化的定性规律(难点)3理解内能的概念，了解物体的内能与哪些宏观量有关，知道改变内能的两种方式(难点)温 度 与 分 子 平 均 动 能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1温度是分子平均动能的标志()2温度升高时，物体的每个分子的动能都将增大()3分子的平均动能的大小与物质的种类有关()为什么研究分子动能时主要关心平均动能？【提示】分子动能是指单个分子热运动的动能，但分子是无规则运动的，因此各个分子的动能以及一个分子在不同时刻的动能也不尽相同，所以研究单个分子的动能没有意义，我们主要关心的是大量分子的平均动能探讨1：做热运动的分子具有动能，各个分子的动能相同吗？【提示】不相同因为物体中分子热运动的速率大小不一，各个分子的动能有大有小，所以不相同探讨2：物体分子运动的总动能为所有分子热运动动能的总和，试从微观和宏观两个角度分析分子的总动能与哪些因素有关【提示】微观上：与分子的平均动能和分子数有关宏观上：由于温度是分子平均动能的标志，所以与物体的温度和物质的量有关1温度的微观含义温度是分子平均动能的标志，因不同的分子具有的速率一般不同，且不同时刻同一分子的速率一般也不相同，故单个分子的动能无意义温度是物体内大量分子热运动的集体表现只要温度相同，分子的平均动能就相同，但分子平均速率不一定相同2分子热运动的平均动能(1)分子的平均动能永远不可能为零，因为分子无规则运动是永不停息的(2)平均动能与平均速率的关系可简单地理解为：Ekmv2，m为该物质分子的质量(通常提到的分子速率一般是指分子的平均速率，单个分子的速率无意义)(3)分子的动能与宏观物体的运动无关，也就是分子热运动的平均动能与宏观物体运动的动能无关3温度与分子动能、分子平均动能的关系在宏观上温度是表示物体冷热程度的物理量在微观上温度是物体中分子热运动的平均动能的标志在相同温度下，各种物质分子的平均动能都相同，温度升高，分子平均动能增加；温度降低，分子平均动能减少在同一温度下，虽然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不一定相同1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()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氢气分子的平均动能大于氧气分子的平均动能D两种气体分子热运动的总动能不相等E两种气体分子热运动的平均速率相等【解析】温度相同，两种气体分子的平均动能相等，A对，C错；因两种气体分子的质量不同，平均动能又相等，所以分子质量大的(氧气)分子平均速率小，故B对，E错；由于两种气体的摩尔质量不同，物质的量不同(质量相同)，分子数目就不等，故总动能不相等，选项D对【答案】ABD2关于物体的温度与分子动能的关系，正确的说法是() 【导学号：30110011】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，某个分子的动能可能减小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E物体的温度与物体的速度无关【解析】某种物体温度是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，说明分子运动剧烈，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，这并不表示物体内部分子的热运动加剧，则物体的温度不一定高，所以BCE正确【答案】BCE关于温度的两个注意事项1因为温度是分子平均动能的唯一标志，所以会误认为0 的物体中分子的平均动能也为零，要正确理解0 的意义2温度是物体分子平均动能的标志，而不是物体分子动能的标志分 子 势 能1定义：由于分子间存在分子力，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若rr0，当r增大时，分子势能增加若rr0，当r减小时，分子势能增加若rr0，分子势能最小1分子势能与体积有关()2当rr0时，分子势能最小为0.()3分子势能与重力势能类似可以取负值()物体的体积增大时，其分子势能一定增大吗？【提示】不一定当分子间距离rr0时，分子间作用力表现为引力，物体的体积增大，分子间距离增大，分子力做负功，分子势能增大；当rr0rr0时，分子势能是负的Err1时，分子间的作用力表现为引力B当rr1时，分子间的作用力表现为斥力C当rr2时，分子间的作用力为零D在r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做负功E当rr1时，随着r的减小，分子势能增大，分子间相互作用的引力和斥力也增大【解析】当rr2时，分子力为零，分子势能最小，则当r大于r2时，分子间的作用力表现为引力，故A错误，C正确；当rr1r2时，分子间的作用力表现为斥力，故B正确；Ep在r由r1变到r2的过程中，分子力是斥力，则分子力做正功，故D错误；当r109 m)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rr0时，分子势能减小到最小，为负值，故B正确；分子力为引力时，体积越大，分子间距越大，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，体积越大，分子间距越大，分子间斥力做正功，分子势能减小，故A、D错误，E正确【答案】BCE5关于物体内能，下列说法中正确的是()A每一个分子的动能与分子势能的和叫物体的内能B物体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，与它的机械能的多少无关E在一定条件下内能和机械能可以相互转化【解析】物体内所有分子的动能与势能总和叫物体的内能，物体的内能对单个分子而言无意义物体的内能与其所含分子的动能与势能有关，与物体的动能和势能即机械能无关故B、D正确，A、C错误，内能和机械能可以转化，E正确【答案】BDE6如果取分子间距离rr0(r01010 m)时为分子势能的零势能点，则rr0时，分子势能为_值(填“正”“负”或“零”)按规定的零势能点，试着在图133上画出Epr的图象图133【解析】当rr0时，分子势能最小，所以若规定此时分子势能为零，则无论rr0，分子势能均为正值【答案】正正如图所示7甲、乙两名同学对0 的水和0 的冰进行了如下争论：甲说：“冰和水的温度相同，所以分子平均动能相同质量相同时，冰的体积大，因此冰的分子势能大，所以说冰的内能大于水的内能”乙说：“0 的水变成0 的冰需要向外界放出热量，在质量相同的情况下，水的内能大于冰的内能”请你判断一下甲、乙两名同学谁的说法是正确的【解析】乙同学的说法正确甲同学认为冰的体积大，分子势能大，这是错误的(冰的体积大的主要原因在于宏观的冰晶粒间空隙大)分子势能大小与体积有关，但体积大，分子势能不一定大.0 的冰变成0 的水需吸热，故水内能大，它们相同的是分子平均动能，不同的是分子势能，显然水的分子势能大【答案】见解析能力提升8对于相同质量、体积、温度的氧气和氢气，在温度不太低、压强不太大时，下列说法正确的是() 【导学号：30110013】A两种气体分子的平均动能相同B两种气体的内能相同C两种气体的内能不同D两种气体分子热运动的平均速率不同E若氢气的温度升高，则每个氢气分子的动能都增大【解析】温度相等，即分子平均动能相等，选项A对但是氧气分子的质量大于氢气分子质量，所以氧气分子平均速率小于氢气分子平均速率，选项D对单个分子平均动能相同，质量相同的氧气和氢气，氢气分子数量多，所以氢气分子总动能大，气体一般不考虑分子势能，所以氢气分子内能大，选项C对、B错若氢气温度升高，则氢气分子平均动能大，从概率来讲，是平均动能大的分子数目增加，但不是每个氢气分子动能都增大，选项E错【答案】ACD9质量是18 g的水，18 g的水蒸气，32 g的氧气，在它们的温度是100 时()A它们的分子数目相同，分子的平均动能相同B它们的分子数目相同，分子的平均动能不相同，氧气的分子平均动能大C它们的分子数目相同，它们的内能不相同，水蒸气的内能比水的大D它们的分子数目不相同，分子的平均动能相同E它们的分子数目相同，分子的总动能相同【解析】18 g的水，18 g的水蒸气，32 g的氧气，它们物质的量都是1 mol，因此它们的分子数是相同的，故D错；温度是分子平均动能的唯一标志，故三者分子的平均动能相同，故B错，A、E对；尽管三种物质的分子数和分子的平均动能都相等，但是分子的势能关系不确定，因此它们的内能不相同，水变成水蒸气，体积变大，分子间的距离变大，分子力表现为引力，分子力做负功，分子间的势能增加，故水蒸气的内能比水的大，C正确【答案】ACE10一架飞机在空中以某一速率飞行，由于飞机中所有分子都具有飞机的速度，所以分子具有动能又由于飞机在空中，飞机中所有分子都离地面有一定高度，以地面为零势能位置，所以分子具有势能上述动能和势能的总和就是飞机的内能，当飞机停在地上时，飞机的内能为零以上说法是否正确？为什么？【解析】不正确分子动能和势能是与分子的热运动相对应的，与飞机的机械运动无关飞机的内能应是飞机中所有分子做无规则热运动的动能和由于分子间的相互作用而具有的势能的总和分子热运动是永不停息的，因此飞机的内能永远不可能为零而飞机的机械能与飞机的速率、质量和飞行高度有关，当飞机停在地上时，机械能为零综上分析可知，题中的说法均是错误的【答案】见解析11分子势能随分子间距离r的变化情况可以在如图134所示的图象中表现出来，就图象回答： 【导学号：30110014】图134(1)从图中看到分子间距离在r0处时分子势能最小，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，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？【解析】(1)如果分子间距离约为1010 m数量级时，分子的作用力的合力为零，此距离为r0.当分子距离小于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，分子势能随分子间距离的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，r不论减小或增大，分子势能都增大所以说，在平衡位置处是分子势能最低点(2)由题图可知，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，据题图也可以看出：在这种情况下分子势能可以大于零，也可以小于零，可以等于零(3)因为分子在平衡位置处是分子势能最低点，最低点的分子势能为零，所以此种情况的特点为分子势能总大于等于零【答案】见解析