课堂新坐标2016_2017学年高中物理第1章分子动理论第3节温度与内能

第3节温度与内能[先填空]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．[再判断]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．(×)[后思考]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．[合作探讨]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．[核心点击]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：E k ＝12mv 2，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．[先填空]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．①若r＞r0，当r增大时，分子势能增加．②若r＜r0，当r减小时，分子势能增加．③若r＝r0，分子势能最小．[再判断]1．分子势能与体积有关．(√)2．当r＝r0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．(√)[后思考]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r>r0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r<r0时，分子间作用力表现为斥力，物体的体积增大，分子间距离增大，分子力做正功，分子势能减小．[合作探讨]探讨1：分子势能最小的位置在哪儿？最小等于零吗？【提示】当分子位于平衡位置时，分子势能最小；由于分子势能有相对性，所以分子势能最小时不一定等于零．探讨2：分子势能的正负能表示分子势能的大小吗？【提示】能．正的分子势能总比负的分子势能大．[核心点击]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1­3­13．设r＝r0时分子间的作用力为零，则一个分子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＜r0时，分子力做负功，动能减小，势能增大D．r>r0时，分子势能是负的E．r<r0时，分子势能是正的【解析】当两个分子从远处开始靠近的过程中，r＞r0时两者之间是引力，引力对分子做正功，分子势能减小，由动能定理可知，分子动能增大，故A项正确．当r＜r0时两者之间是斥力，对分子做负功，分子势能增大，由动能定理可知，分子动能减小，故C项正确．由上两种情况分析可知，当r＝r0时，分子的动能最大，分子势能最小，B项正确．因没有说明分子零势能的位置，故D、E中的分子势能正、负不好确定，D、E错误．【答案】ABC4．如图1­3­2为两分子系统的势能E P与两分子间距离r的关系曲线，下列说法正确的是( )【导学号：30110012】图1­3­2A．当r>r1时，分子间的作用力表现为引力B．当r<r1时，分子间的作用力表现为斥力C．当r＝r2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r<r1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r＝r2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r<r1<r2时，分子间的作用力表现为斥力，故B正确；E p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r<r1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，E正确．【答案】BCE分子势能图象问题的两点提醒(1)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；(2)分子势能图象与r轴交点表示的距离小于r0，分子力图象与r轴交点表示平衡距离r0.[先填空]1．定义物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和．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．所以，物体的内能与物体的质量、温度和体积有关．4．改变内能的方式：做功和热传递．(1)通过做功改变物体的内能时，内能的变化量可用做功的多少来量度．(2)通过热传递而改变物体内能时，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．[再判断]1．任何物体都具有内能．(√)2．物体内能只与温度有关．(×)3．做功和热传递改变内能时，本质是相同的．(×)[后思考]温度升高，物体的内能一定增大吗？【提示】不一定．温度升高，物体内分子的平均动能增大．而分子势能与分子之间的距离有关，分子势能如何变化不确定，而物体的内能等于分子动能和分子势能之和，故温度升高，物体的内能不一定增大．[合作探讨]探讨：做功和热传递都能改变物体的内能．做功和热传递在改变物体内能上的本质是否相同？【提示】 本质不同．做功改变物体的内能是其他形式的能和内能之间的转化，而热传递改变物体的内能是物体之间能量的转移．[核心点击]1．内能的决定因素(1)宏观因素：物体内能的大小由物体的质量、温度和体积三个因素决定，同时也受物态变化的影响．(2)微观因素：物体内能的大小由物体所含的分子总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定．2．内能与机械能的比较水蒸气，温度不变．此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化．5．有关分子的热运动和内能，下列说法正确的是( )A ．一定质量的气体，温度不变，分子的平均动能不变B ．物体的温度越高，分子热运动越剧烈C ．物体的内能是物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和D ．布朗运动是由悬浮在液体中的微粒之间的相互碰撞引起的E ．外界对物体做功，物体的内能必定增加【解析】 温度是分子平均动能的标志，所以温度不变，分子的平均动能不变，A 正确；物体的温度越高，分子热运动越剧烈，B正确；物体的内能就是物体内部所有分子的动能和分子势能的总和，C正确；布朗运动是由液体分子的无规则运动引起的，D错误；改变内能的方式有做功和热传递，外界对物体做功，物体的内能不一定增加，E错误；故选ABC【答案】ABC6．1 g 100 ℃的水和1 g 100 ℃的水蒸气相比较，下述说法是否正确？(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)正确.1 g水与1 g水蒸气的分子数一样多，两者的温度都是100 ℃，因温度是分子平均动能的标志，故两者分子的平均动能和分子的总动能都相同．(2)不正确．水变为水蒸气时要吸收热量，吸收的热量转化为水蒸气的内能，因此 1 g 100 ℃的水蒸气要比1 g 100 ℃的水的内能大．【答案】(1)正确(2)错误学业分层测评(三)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．关于温度的理解，下列说法错误的是( )A．温度越高，分子平均动能越大B．温度升高，所有分子的动能都变大C．物体的运动速度越大，分子总动能越大，因而物体温度也越高D．一个分子运动的速率越大，该分子的温度越高E．温度是大量分子无规则热运动平均动能的标志【解析】温度高，分子平均动能大，但并不是每个分子的动能都大，故A对，B错；温度是分子平均动能的标志，与物体运动的速度无关，故C错；温度是大量分子热运动的集体表现，对单个分子无意义，故D项错，E项对．因选错误的，故选BCD.【答案】BCD2．下列说法正确的是( )A．分子的动能与分子势能的和叫做这个分子的内能B．物体的分子势能由分子间的距离决定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E．物体的内能由温度、体积、质量决定【解析】内能是指整个物体的，单个分子无内能可言，选项A是错误的，E正确．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正确．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．物体的温度由分子的平均动能决定，与物体宏观运动的动能无关，因此选项D是正确的．【答案】BDE3．关于温度，以下说法正确的是( )A．温度是表示物体冷热程度的物理量B．温度是物体内大量分子平均速率的标志C．温度是物体内大量分子平均动能的标志D．一切具有相同的温度的物体其分子平均动能也相等E．不同的物质、温度相同、分子的总动能相同【解析】在宏观上，温度表示物体的冷热程度，在微观上，温度是分子平均动能的标志，A、C、D正确，B、E错误．【答案】ACD4．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，所以分子势能最小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E．当分子间作用力为斥力时，体积越小，分子势能越大【解析】设想两个分子相距无穷远(r>10－9m)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r＝r0(r0＝10－10m)时为分子势能的零势能点，则r<r0时，分子势能为___________________________值；r>r0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E p­r的图象．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<r0，还是r>r0，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10－10m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。