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物理選修3－3(人教版) 2019-2020年高中物理 第七章 第五節(jié) 內(nèi)能學(xué)案 新人教版選修3-3 1．知道分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能跟溫度有關(guān)．知道溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志．滲透統(tǒng)計(jì)的方法． 2．知道什么是分子勢(shì)能，改變分子間的距離必須克服分子力做功．知道分子勢(shì)能跟物體體積有關(guān)． 3．知道什么是內(nèi)能，知道物體的內(nèi)能跟溫度和體積有關(guān)． 4．能夠區(qū)別內(nèi)能和機(jī)械能． 1．在熱現(xiàn)象的研究中，重要的不是系統(tǒng)中某個(gè)分子的動(dòng)能大小，而是所有分子的動(dòng)能的平均值，并把它叫做分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能． 2．物質(zhì)的溫度是它的分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志． 3．物體分子勢(shì)能的大小由分子間的相互位置決定，與物體的體積有關(guān)． 4．物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和，叫做物體的內(nèi)能，任何物體都具有內(nèi)能． 5．一般來(lái)說(shuō)，物體的溫度和體積變化時(shí)它的內(nèi)能要隨之變化． 6．分子由于無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而具有的動(dòng)能是內(nèi)能的一部分，物體做整體運(yùn)動(dòng)而具有的動(dòng)能是機(jī)械能的一部分，在熱現(xiàn)象的研究中，一般不考慮物體的機(jī)械能． 1．分子由于永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而具有的動(dòng)能叫做分子動(dòng)能．由于分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)則性，在某一時(shí)刻，物體內(nèi)部各分子的動(dòng)能大小不一，就是同一分子，在不同的時(shí)刻的動(dòng)能也是不相同的．物體由大量分子組成，若想研究其中某一分子的動(dòng)能是非常困難的，也是沒(méi)有必要的．熱現(xiàn)象研究的是大量分子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，所以，有意義的是所有分子的動(dòng)能的平均值，即分子平均動(dòng)能． 2．設(shè)質(zhì)量為m的n個(gè)分子，其速度大小分別為v1、v2、v3、…、vn，則其動(dòng)能的平均值為： Ek＝. 3．物體溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子平均動(dòng)能增大；反之，物體溫度降低時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)減弱，分子平均動(dòng)能減少．物體的每一溫度值都對(duì)應(yīng)著一定的分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能值，因此我們說(shuō)：“溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志．” 注：(1)溫度是大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)的意義，對(duì)于個(gè)別分子，溫度是沒(méi)有意義的． (2)同一溫度下，不同物質(zhì)(如鐵、銅、水、木……)的分子平均動(dòng)能都相同，但由于不同物質(zhì)分子的質(zhì)量不盡相同，所以分子運(yùn)動(dòng)的平均速度大小不盡相同． ?嘗試應(yīng)用 1．(多選)下列關(guān)于分子動(dòng)能的說(shuō)法，正確的是(BD) A．物體的溫度升高，每個(gè)分子的動(dòng)能都增加 B．物體的溫度升高，分子的總動(dòng)能增加 C．如果分子的質(zhì)量為m，平均速率為v，則平均動(dòng)能為mv2 D．分子的平均動(dòng)能等于物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能之和與所有分子的總數(shù)之比 解析：溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，溫度升高，分子的平均動(dòng)能增加，但是其中個(gè)別分子的動(dòng)能卻有可能減小，A錯(cuò)、B對(duì)；分子的平均動(dòng)能等于物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能之和與所有分子總數(shù)的比值，所以C錯(cuò)、D對(duì)． 地球上的物體和地球之間發(fā)生相互作用而具有重力勢(shì)能，分子間由于存在著相互作用力，所以分子間也有相互作用的勢(shì)能． 1．分子勢(shì)能． 組成物質(zhì)的分子間存在相互作用力，分子間具有由它們的相對(duì)位置決定的勢(shì)能，這種勢(shì)能叫做分子勢(shì)能． 2．影響分子勢(shì)能大小的因素． 分子勢(shì)能的大小與分子間的距離有關(guān)，即與物體的體積有關(guān)．分子勢(shì)能的變化與分子間的距離發(fā)生變化時(shí)分子力做正功還是做負(fù)功有關(guān)． (1)當(dāng)分子間的距離r＞r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，分子間的距離增大時(shí)，分子力做負(fù)功，因此分子勢(shì)能隨分子間的距離增大而增大． (2)當(dāng)分子間的距離r＜r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做負(fù)功，因此分子勢(shì)能隨分子間的距離的減小而增大． (3)如果取兩個(gè)分子間相距無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)(此時(shí)分子間作用力可忽略不計(jì))的分子勢(shì)能為零，則分子勢(shì)能Ep與分子間距離r的關(guān)系可用上圖所示的曲線表示．從圖線上看出，當(dāng)r＝r0時(shí)，分子勢(shì)能最?。? 注：(1)勢(shì)能的大小與物體間距離的關(guān)系有一個(gè)共同的規(guī)律：不論是重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、分子勢(shì)能，還是電勢(shì)能，當(dāng)它們之間的距離發(fā)生變化時(shí)，它們之間的相互作用力如果是做正功，勢(shì)能都要減??；如果是做負(fù)功，勢(shì)能都要增大． (2)由于物體分子距離變化的宏觀表現(xiàn)為物體的體積變化，所以微觀的分子勢(shì)能變化對(duì)應(yīng)于宏觀的物體體積變化．例如，同樣是物體體積增大，有時(shí)體現(xiàn)為分子勢(shì)能增大(在r＞r0范圍內(nèi))；有時(shí)體現(xiàn)為分子勢(shì)能減小(在r＜r0范圍內(nèi))．一般我們說(shuō)，物體體積變化了，其對(duì)應(yīng)的分子勢(shì)能也變化了． (3)分子勢(shì)能最小與分子勢(shì)能為零絕不是一回事． ?嘗試應(yīng)用 2．如果選取分子相距無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零，那么關(guān)于分子勢(shì)能，下列說(shuō)法正確的是(B) A．當(dāng)分子間距離為平衡距離時(shí)，分子勢(shì)能最大 B．當(dāng)分子間距離為平衡距離時(shí)，分子勢(shì)能最小，但不為零 C．當(dāng)分子間距離為平衡距離時(shí)，因?yàn)榉肿恿榱?，所以分子?shì)能為零 D．在相互靠近到不能再靠近的過(guò)程中，分子勢(shì)能逐漸增大 解析：根據(jù)分子勢(shì)能與分子間距的關(guān)系可知，兩分子距離不斷減小時(shí)，分子勢(shì)能先減小，當(dāng)分子間距離為平衡距離時(shí)，分子勢(shì)能最小且為負(fù)值(此時(shí)分子間距離為r0)，接著分子勢(shì)能再增大．分子勢(shì)能是標(biāo)量，在圖象中比較勢(shì)能時(shí)要看正負(fù)號(hào)，正負(fù)號(hào)能反映大小，正值一定大于負(fù)值．故選B. 物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和叫做物體的熱力學(xué)能，也叫內(nèi)能． 1．內(nèi)能的決定因素． 物體的內(nèi)能跟物體的溫度和體積有關(guān)．溫度發(fā)生變化，分子的平均動(dòng)能發(fā)生變化；物體的體積發(fā)生變化，分子勢(shì)能發(fā)生變化．還要注意，物體的內(nèi)能還與物體所含的分子數(shù)有關(guān)，因?yàn)閮?nèi)能是物體所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和． 2．內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別． 內(nèi)能與機(jī)械能是兩個(gè)不同的物理概念．內(nèi)能是由大量分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相對(duì)位置所決定的能；機(jī)械能是物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體形變所決定的能．物體具有內(nèi)能的同時(shí)又具有機(jī)械能． 物體的機(jī)械能在一定的條件下可以等于零，但物體的內(nèi)能不可能等于零，這是因?yàn)榻M成物體的分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，分子之間彼此有相互作用． 3．內(nèi)能與熱量的區(qū)別． 內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量，一個(gè)物體在不同的狀態(tài)下有不同的內(nèi)能，而熱量是一個(gè)過(guò)程量，它表示由于熱傳遞而引起的內(nèi)能變化過(guò)程中轉(zhuǎn)移的能量，即內(nèi)能的改變量．如果沒(méi)有熱傳遞，就無(wú)所謂熱量，但此時(shí)物體仍有一定的內(nèi)能．例如，我們可以說(shuō)“某物體在某溫度時(shí)具有多少內(nèi)能”而不能說(shuō)“某物體在某溫度時(shí)具有多少熱量”． 4．溫度、內(nèi)能、熱量、熱能這幾個(gè)熱學(xué)概念的不同含義． (1)溫度：溫度的概念在前邊已經(jīng)具體地學(xué)過(guò)，其高低直接反映了物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的情況，所以在熱學(xué)中溫度是描述物體熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本參量之一．溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，是具有統(tǒng)計(jì)意義的，對(duì)于單個(gè)分子來(lái)說(shuō)，溫度是沒(méi)有意義的． (2)內(nèi)能是物體內(nèi)所有做熱運(yùn)動(dòng)的分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和．物體的內(nèi)能與溫度、分子數(shù)和體積有關(guān)．內(nèi)能與溫度一樣，不能說(shuō)某一個(gè)分子的溫度是多少、某一個(gè)分子的內(nèi)能是多大，這樣的提法毫無(wú)意義．內(nèi)能不能為零，但溫度可以為0 ℃.物體內(nèi)能的多少無(wú)法判定，但溫度高低可直接測(cè)定，內(nèi)能的變化可用功的數(shù)值和吸放熱量的多少來(lái)度量．內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量． (3)熱量是物體(系統(tǒng))在熱傳遞過(guò)程中吸熱或放熱的多少，它是在熱傳遞過(guò)程中量度內(nèi)能變化的物理量，它是過(guò)程量，不是狀態(tài)量．雖然熱量的單位和內(nèi)能的單位相同，也是焦耳(J)，但是如果沒(méi)有發(fā)生熱傳遞過(guò)程，就不存在什么“熱量”．因此，“物體的內(nèi)能大，含的熱量就多”的說(shuō)法是錯(cuò)誤的．還要指出的是，雖然發(fā)生熱傳遞的條件是要有溫差，但是熱傳遞過(guò)程中傳遞的是能量，不是傳遞的溫度． (4)熱能：是內(nèi)能通俗的而不甚確切的說(shuō)法． ?嘗試應(yīng)用 3．關(guān)于物體的內(nèi)能，下列敘述中正確的是(D) A．溫度高的物體比溫度低的物體內(nèi)能大 B．物體體積增大時(shí)，內(nèi)能也增大 C．內(nèi)能相同的物體，它們的分子平均動(dòng)能一定相同 D．內(nèi)能不相同的物體，它們的分子平均動(dòng)能可能相同 解析：溫度高的物體與溫度低的物體相比較，溫度低的物體分子平均動(dòng)能小，但所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和不一定小，即物體的內(nèi)能不一定小，選項(xiàng)A錯(cuò)誤．物體的體積增大時(shí)，分子間的距離增大，分子勢(shì)能發(fā)生變化，但不能確定分子勢(shì)能是增大還是減?。患词狗肿觿?shì)能增大，而分子的平均動(dòng)能不能確定是否變化，也不能說(shuō)明內(nèi)能增大，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．內(nèi)能相同的物體只是指物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和相同，而它們的分子平均動(dòng)能卻不一定相同，因而選項(xiàng)C錯(cuò)誤．內(nèi)能不同的物體，它們的溫度卻可能相同，即它們的分子平均動(dòng)能可能相同，選項(xiàng)D正確．故選D. 1．關(guān)于溫度，下列說(shuō)法正確的是(D) A．溫度越高，分子動(dòng)能越大 B．物體運(yùn)動(dòng)速度越大，分子總動(dòng)能越大，因而物體溫度也越高 C．一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速率越大，該分子的溫度越高 D．溫度是大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志 解析：溫度升高，分子的平均動(dòng)能變大，而不是每個(gè)分子的動(dòng)能都變大，A錯(cuò)誤．物體宏觀運(yùn)動(dòng)的速度對(duì)應(yīng)的是機(jī)械能(動(dòng)能)，與分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能無(wú)關(guān)，與物體的溫度無(wú)關(guān)，B錯(cuò)誤；溫度是對(duì)大量分子集體(物體)而言的，是統(tǒng)計(jì)、平均的概念，對(duì)單個(gè)分子無(wú)意義，C錯(cuò)誤．故選D. 2．(多選)兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的分子僅在分子力作用下由靜止開始運(yùn)動(dòng)，直至不再靠近．在此過(guò)程中，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(AD) A．分子力先增大，后一直減小 B．分子力先做正功，后做負(fù)功 C．分子動(dòng)能先增大，后減小 D．分子勢(shì)能先增大，后減小 E．分子勢(shì)能和動(dòng)能之和不變 解析：當(dāng)分子間距大于平衡間距時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力時(shí)，隨著距離的減小，分子間的作用力先增大，后減小，平衡位置時(shí)作用力為零；而小于平衡位置時(shí)，分子間為斥力，分子力一直增大；故A錯(cuò)誤；兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的分子僅在分子力作用下由靜止開始運(yùn)動(dòng)，直至不再靠近的過(guò)程中，分子力先是引力后是斥力，故先做正功后做負(fù)功，故B正確；只有分子力做功，先做正功后做負(fù)功，根據(jù)動(dòng)能定理，動(dòng)能先增加后減小，故C正確；分子力先做正功后做負(fù)功；分子力做功等于分子勢(shì)能的減小量；故分子勢(shì)能先減小后增加，故D錯(cuò)誤；分子勢(shì)能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化，分子勢(shì)能和動(dòng)能之和不變；E選項(xiàng)正確． 3．下列物理量與物體的內(nèi)能無(wú)關(guān)的是(D) A．物體的溫度 B．物體的體積 C．質(zhì)量 D．物體的運(yùn)動(dòng)速度 解析：物體的內(nèi)能與溫度、體積以及所含的分子數(shù)有關(guān)，與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以D選項(xiàng)符合題意． 4．對(duì)于溫度跟物體的內(nèi)能、平均速率、平均動(dòng)能等的關(guān)系，下列說(shuō)法正確的是(D) A．溫度低的物體內(nèi)能小 B．溫度低的物體分子運(yùn)動(dòng)的平均速率小 C．物體做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度越大，物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能也越大 D．物體體積改變，內(nèi)能可能不變 解析：內(nèi)能是指物體內(nèi)部所有分子平均動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，故溫度低的物體內(nèi)能不一定小，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；溫度低的物體分子平均動(dòng)能小，但由于不同物質(zhì)分子質(zhì)量不同，所以溫度低的物體分子平均速率不一定小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；物體做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，速率增大，機(jī)械能中的動(dòng)能增大，但分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與機(jī)械能無(wú)關(guān)，而與溫度有關(guān)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；物體體積改變，分子勢(shì)能改變，但內(nèi)能不一定改變，選項(xiàng)D正確． 5．下列說(shuō)法中正確的是(B) A．物體溫度降低，其分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大 B．物體溫度升高，其分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大 C．物體溫度降低，其內(nèi)能一定增大 D．物體溫度不變，其內(nèi)能一定不變 解析：溫度是分子熱平均動(dòng)能的標(biāo)志，物體溫度降低，其分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減小，相反，溫度升高，其分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大，故A錯(cuò)誤，B正確；物體的內(nèi)能與物體的體積、溫度、摩爾數(shù)等因素都有關(guān)，所以溫度降低，其內(nèi)能不一定增大；溫度不變，其內(nèi)能不一定不變．故C、D錯(cuò)誤． 6．關(guān)于分子勢(shì)能，下列說(shuō)法正確的是(C) A．分子間表現(xiàn)為引力時(shí)，分子間距離越小，分子勢(shì)能越大 B．分子間表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子間距離越小，分子勢(shì)能越小 C．物體在熱脹冷縮時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化 D．物體在做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子勢(shì)能越來(lái)越小 解析：分子間的作用力表現(xiàn)為引力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做正功，因此分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而減小，所以A錯(cuò)誤；分子力為斥力，分子間的距離減小時(shí)，分子力做負(fù)功，因此分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大，所以B錯(cuò)誤；物體在熱脹冷縮時(shí)，體積發(fā)生變化，說(shuō)明分子勢(shì)能發(fā)生變化，所以C正確；物體在做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體重力勢(shì)能減小，分子勢(shì)能與重力勢(shì)能無(wú)關(guān)，所以D錯(cuò)誤． 7．一定質(zhì)量的0 ℃的冰，全部變成0 ℃的水的過(guò)程中(C) A．分子的平均動(dòng)能增大，吸收熱量，內(nèi)能不變 B．分子的平均動(dòng)能減小，放出熱量，內(nèi)能增大 C．分子的平均動(dòng)能不變，吸收熱量，內(nèi)能增大 D．分子的平均動(dòng)能不變，放出熱量，內(nèi)能減小 解析：一定質(zhì)量的0 ℃的冰在熔化成0 ℃的水的過(guò)程中，溫度保持不變，故分子平均動(dòng)能不變，分子個(gè)數(shù)保持不變，但溶化過(guò)程要吸熱，所以內(nèi)能增大，體積增大，分子勢(shì)能增大．故A、B、D錯(cuò)誤，C正確． 8．下列關(guān)于內(nèi)能和機(jī)械能的說(shuō)法中，不正確的是(A) A．物體的機(jī)械能越大，它的內(nèi)能也越大 B．物體的內(nèi)能的大小與機(jī)械能大小無(wú)關(guān) C．物體的溫度升高時(shí)，內(nèi)能增大，機(jī)械能也可能增大 D．物體的運(yùn)動(dòng)速度減小時(shí)，機(jī)械能減小，內(nèi)能可能不變 解析：例如一個(gè)物體在水平面上運(yùn)動(dòng)速度越大，機(jī)械能越大，但是物體的溫度、質(zhì)量、狀態(tài)都不變，內(nèi)能不變．機(jī)械能和內(nèi)能沒(méi)有必然的聯(lián)系．A項(xiàng)錯(cuò)誤，符合題意；內(nèi)能和機(jī)械能之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，所以物體的內(nèi)能的大小與機(jī)械能大小無(wú)關(guān)．B項(xiàng)正確，不符合題意；一個(gè)物體的溫度升高，物體的內(nèi)能增大，但是物體的速度、高度、彈性形變可能變化，所以機(jī)械能可能變化．C項(xiàng)正確，不符合題意；物體的運(yùn)動(dòng)速度減小時(shí)，機(jī)械能減小，物體的質(zhì)量、溫度、狀態(tài)不變時(shí)，內(nèi)能不變，如果有一者變化，內(nèi)能就發(fā)生變化．D項(xiàng)正確，不符合題意． 9．(多選)兩分子間的斥力和引力的合力F與分子間距離r的關(guān)系如圖中曲線所示，曲線與r軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為r0.相距很遠(yuǎn)的兩分子在分子力作用下，由靜止開始相互接近．若兩分子相距無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零，下列說(shuō)法正確的是(ACE) A．在r>r0階段，F(xiàn)做正功，分子動(dòng)能增加，勢(shì)能減小 B．在rr0階段，當(dāng)r減小時(shí)F做正功，分子勢(shì)能減小，分子動(dòng)能增加，故選項(xiàng)A正確；在r0表示斥力，F(xiàn)<0表示引力，A、B、C、D為x軸上四個(gè)特定的位置，現(xiàn)把乙分子從A處由靜止釋放，則下列選項(xiàng)中的圖分別表示乙分子的速度、加速度、勢(shì)能、動(dòng)能與兩分子間距離的關(guān)系，其中大致正確的是(BC) 解析：乙分子從A處釋放后先是分子引力做正功，分子勢(shì)能減小，乙分子的動(dòng)能增加；至B點(diǎn)處，乙分子所受分子引力最大，則此處乙分子加速度最大，B點(diǎn)至C點(diǎn)過(guò)程，分子引力繼續(xù)做正功，分子動(dòng)能繼續(xù)增加，分子勢(shì)能繼續(xù)減小，至C點(diǎn)分子動(dòng)能最大，分子勢(shì)能最?。籆點(diǎn)至D點(diǎn)過(guò)程，分子斥力做負(fù)功，分子動(dòng)能減小，分子勢(shì)能增加．綜合上述分析知B、C正確，A、D錯(cuò)誤．