分子動(dòng)能和分子勢(shì)能 教案 高中物理新人教版選擇性必修第三冊(cè)（2022年）

1、1.4分子動(dòng)能和分子勢(shì)能本課的內(nèi)容分為三部分，通過(guò)前面學(xué)習(xí)的分子動(dòng)理論和機(jī)械能的知識(shí)進(jìn)一步建立了內(nèi)能的概念。通過(guò)與機(jī)械的類比，逐步得出分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的概念已經(jīng)各自的影響因素。最終匯集到內(nèi)能上來(lái)，不過(guò)要注意區(qū)分好宏觀喝微觀的因素。本節(jié)內(nèi)容是后續(xù)學(xué)習(xí)熱力學(xué)的基礎(chǔ)。物理觀念通過(guò)類比宏觀物體的動(dòng)能、勢(shì)能，得出分子動(dòng)能、分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、內(nèi)能的概念?？茖W(xué)思維分析理解分子平均動(dòng)能隨溫度的變化關(guān)系，分子勢(shì)能和分子間距離的關(guān)系，內(nèi)能及決定因素?？茖W(xué)探究：運(yùn)用彈簧連接兩小球模擬分子，探究分子勢(shì)能的大小。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任學(xué)習(xí)好影響內(nèi)能的因素，培養(yǎng)學(xué)生能夠通過(guò)宏觀與微觀兩種方面來(lái)看物理問題的思想。教學(xué)重點(diǎn)：

2、分子動(dòng)能，分子勢(shì)能，物體內(nèi)能。教學(xué)難點(diǎn)：分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度的關(guān)系，分子間距和分子勢(shì)能的關(guān)系以及影響內(nèi)能的因素。多媒體課件、彈簧、小球（兩個(gè)）等。一、新課引入地面附近的物體所受的重力是G，由于重力做功具有跟路徑無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，所以存在重力勢(shì)能。重力勢(shì)能由地球和物體的相對(duì)位置決定。分子間的作用力做功是否也具有這一特點(diǎn)呢?展示圖片：地球上物體分析：物體的受力，以及重力做功情況。提出問題：分子間的作用力做功是否也具有這一特點(diǎn)呢?二、新課教學(xué)（一）分子動(dòng)能1.分子動(dòng)能的概念展示：分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)圖。之前在學(xué)習(xí)擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)，就已經(jīng)知道分子在永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以肯定就有動(dòng)能，稱之為分子動(dòng)能。即

3、，分子由于熱運(yùn)動(dòng)而具有的能量。2.分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能展示：分子熱運(yùn)動(dòng)速率分布圖物體中分子熱運(yùn)動(dòng)的速率大小不一，所以各個(gè)分子的動(dòng)能也有大有小，而且在不斷改變。所以要研究的是大量分子整體表現(xiàn)出來(lái)的熱學(xué)性質(zhì)，即所有分子的動(dòng)能的平均值，這個(gè)平均值叫作分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。注意：這里的分子指的是大量分子， 因?yàn)槠骄鶆?dòng)能是大量分子的一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，對(duì)于一個(gè)分子或幾個(gè)分子而言，平均動(dòng)能是沒有實(shí)際意義的。3.溫度宏觀角度如圖，分別感受水的溫度，在初中從宏觀角度上來(lái)說(shuō)，溫度是描述物體冷熱程度的物理量。微觀角度溫度升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，那就能推斷出，對(duì)于同種分子而言，溫度越高分子平均速率越大，分子平均動(dòng)能也越

4、大。溫度越低，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越小。因此可以得出結(jié)論物體溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增加。即溫度是它的分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。注意：第一，這里的分子指的是大量分子， 因?yàn)闇囟仁谴罅糠肿拥囊粋€(gè)統(tǒng)計(jì)概念，對(duì)于一個(gè)分子或幾個(gè)分子而言，溫度是沒有實(shí)際意義的。第二，對(duì)溫度相同的物體，可以說(shuō)分子平均動(dòng)能相同，但不能說(shuō)分子平均速率相同。第三，點(diǎn)分子平均動(dòng)能與物體的熱力學(xué)溫度成正比，而不是與攝氏溫度成正比。第四，影響分子動(dòng)能的因素出來(lái)溫度外還有，分子數(shù)，即物體的質(zhì)量。（二）分子勢(shì)能1.分子勢(shì)能的概念展示圖片：類比：地面上的物體，由于地球的吸引，物體具有重力勢(shì)能。發(fā)生彈性形變的彈簧，具有彈性勢(shì)能。重

5、力勢(shì)能和彈性勢(shì)能，他們的共同特點(diǎn)是物體之間存在著一種力，做功與路徑無(wú)關(guān)與首末位置有關(guān)，比如這里的重力還有彈簧的彈力，因?yàn)檫@種力的存在，系統(tǒng)內(nèi)部就有了做功的本領(lǐng)，換句話說(shuō)就是具有勢(shì)能。分子間也存在著相互作用力，可以證明分子間的作用力所做的功與路徑無(wú)關(guān)，分子組成的系統(tǒng)具有分子勢(shì)能。思考與討論分子勢(shì)能的大小由分子間的相對(duì)位置決定，這說(shuō)明分子勢(shì)能Ep與分子間距離r是有關(guān)系的。那么，它們之間存在怎樣的一種關(guān)系呢?2.分子勢(shì)能的大小設(shè)兩個(gè)分子相距無(wú)窮遠(yuǎn)中，我們可以規(guī)定它們的分子勢(shì)能為0。讓一個(gè)分子A不動(dòng)，另一個(gè)分子B從無(wú)窮遠(yuǎn)處逐漸靠近A。在這個(gè)過(guò)程中，分子間的作用力做功，分子勢(shì)能的大小發(fā)生改變。復(fù)習(xí)回顧：

6、力做功與勢(shì)能變化的關(guān)系如果分子力做正功，分子勢(shì)能就減?。蝗绻肿恿ψ鲐?fù)功，分子勢(shì)能就增大。另外要規(guī)定某點(diǎn)分子勢(shì)能為零，這樣通過(guò)比較就能計(jì)算其他位置的分子勢(shì)能。規(guī)定當(dāng)兩個(gè)分子的距離無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，分子勢(shì)能為零。之前學(xué)過(guò)，當(dāng)分子間距離較大時(shí)，分子力的合力表現(xiàn)為引力，也就是要把這個(gè)分子吸過(guò)去。此時(shí)分子力的方向就與分子的運(yùn)動(dòng)方向相同，所以分子力做正功，那相應(yīng)的分子勢(shì)能減小。即當(dāng)rr0時(shí)，分子力做正功，分子勢(shì)能減小。問題：它會(huì)一直這樣下去嗎？分析：如圖所示，分子力的曲線圖，其中有個(gè)平衡位置r0，此時(shí)分子力的合力為零，對(duì)應(yīng)到上圖中就是分子從無(wú)窮遠(yuǎn)處移動(dòng)到r0之間呢這一段距離，分子勢(shì)能減小。那再靠近呢？分子力的合

7、力就表現(xiàn)為斥力，和分子的運(yùn)動(dòng)方向相反。那顯然此時(shí)分子力做負(fù)功分子勢(shì)能增大。即當(dāng)rr0時(shí)，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大?？偟膩?lái)說(shuō)隨著分子間距的減小，分子勢(shì)能先減小后增大，其中r0剛好是從減小到增大的臨界點(diǎn)，所以此時(shí)分子勢(shì)能最小，即當(dāng)rr0時(shí)，分子勢(shì)能最小。從這里可以看出分子勢(shì)能的大小是由分子間的相對(duì)位置決定的。和前面的重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能是一樣的。把分子勢(shì)能的變化也畫成曲線圖，無(wú)窮遠(yuǎn)處為0，隨著分子間距的減小，分子勢(shì)能先減小后增大，最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是r0，分子勢(shì)能最小明白了吧。注意：和分子力的曲線圖對(duì)比一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的形狀還挺像的，但你一定要分清的是處于平衡位置r0時(shí)等于分子力來(lái)說(shuō)是合力為零，但對(duì)分

8、子勢(shì)能來(lái)說(shuō)是最低點(diǎn)。思考問題：為什么分子勢(shì)能在很大范圍內(nèi)都是負(fù)值呢？這也是因?yàn)樵垡?guī)定了無(wú)窮遠(yuǎn)處分子勢(shì)能為零造成的并沒有差特別的含義，不過(guò)你可以認(rèn)為當(dāng)分子間距處于這個(gè)范圍時(shí)分子勢(shì)能是低于無(wú)窮遠(yuǎn)處的勢(shì)能。只有當(dāng)兩個(gè)分子距離較近時(shí)分子勢(shì)能才大于無(wú)窮遠(yuǎn)處的分子勢(shì)能。（三）物體的內(nèi)能1.內(nèi)能的概念內(nèi)能=分子動(dòng)能+分子勢(shì)能分子在永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，于是分子都具有動(dòng)能，因此所有物體就都具有內(nèi)能，且不為零。2.內(nèi)能的影響因素把分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的影響因素綜合一下就可以了。分子動(dòng)能，它是分子數(shù)和分子平均動(dòng)能的乘積，其中分子平均動(dòng)能與溫度有關(guān)，所以說(shuō)分子動(dòng)能與分子數(shù)和物體的溫度有關(guān)。分子勢(shì)能，首先它也和分子數(shù)有

9、關(guān)，也就是質(zhì)量。其次，還與分子間距有關(guān)，在宏觀上體現(xiàn)為物體的體積。微觀因素：分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度、分子距離、分子個(gè)數(shù)。宏觀因素：溫度、體積、質(zhì)量3.如何判斷物體內(nèi)能的變化一般討論的都是溫度變化帶來(lái)的影響。即，同一個(gè)物體溫度升高時(shí)內(nèi)能增大，溫度降低時(shí)內(nèi)能減小。典型的錯(cuò)誤：內(nèi)能增大時(shí)溫度升高，是錯(cuò)的。因?yàn)楸诨伤镔|(zhì)狀態(tài)改變，內(nèi)能增大，但溫度不變。反過(guò)來(lái)內(nèi)能減小時(shí)，溫度降低也是錯(cuò)的。由水在凝固成冰物質(zhì)狀態(tài)改變，內(nèi)能減小，但溫度還是不變。也就是說(shuō)，你可以從溫度的變化去判斷內(nèi)能的變化，但反過(guò)來(lái)就不靠譜。溫度高的物體內(nèi)能大，也是錯(cuò)誤的。因?yàn)闆]有強(qiáng)調(diào)是同一個(gè)物體。如一杯熱水和一桶冰水，內(nèi)能就是無(wú)法比較的

10、。4.判斷氣體的內(nèi)能對(duì)壓強(qiáng)不太大的氣體，分子間距很大，所以分子間作用力可以忽略不計(jì)，那就可以認(rèn)為分子勢(shì)能為零。因此，以后你在判斷氣體的內(nèi)能時(shí)，如果沒有特殊說(shuō)明就可以不考慮分子勢(shì)能，那內(nèi)能就等于分子動(dòng)能之和氣體溫度與分子數(shù)有關(guān)。思考與討論物體下落的時(shí)候，物體中的分子在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還共同參與豎直向下的落體運(yùn)動(dòng)。再如，地面上滾動(dòng)的足球，球內(nèi)的氣體分子在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還共同參與水平地面上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)足球靜止在地面上時(shí)，其中的氣體分子是否還具有能量呢?5.內(nèi)能和機(jī)械能的比較內(nèi)能機(jī)械能對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形式與熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)常見的能量形式分子動(dòng)能和分子勢(shì)能動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能影響因素溫度

11、、質(zhì)量、體積質(zhì)量、速度、高度、形變量聯(lián)系內(nèi)能和機(jī)械能的物理本質(zhì)是一樣的。機(jī)械能是宏觀的物體運(yùn)動(dòng)，內(nèi)能是組成物體的分子熱運(yùn)動(dòng)的總和。例1：下列四幅圖中，能正確反映分子間作用力f和分子勢(shì)能Ep 隨分子間距離r變化關(guān)系的圖線是() 解析：分子間作用力f 的特點(diǎn)是：rr0時(shí)，f 為引力。分子勢(shì)能Ep的特點(diǎn)是：rr0時(shí)，Ep最小。因此只有B項(xiàng)正確。例2：兩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_(填入正確選項(xiàng)前的字母)。 A在rr0階段，F(xiàn)做正功，分

12、子動(dòng)能增加，勢(shì)能減小 B在rr0階段，F(xiàn)做負(fù)功，分子動(dòng)能減小，勢(shì)能也減小 C在rr0時(shí)，分子勢(shì)能最小，動(dòng)能最大 D在rr0時(shí)，分子勢(shì)能為零 E分子動(dòng)能和勢(shì)能之和在整個(gè)過(guò)程中不變例3：在一個(gè)密閉容器內(nèi)有一滴15 的水，過(guò)一段時(shí)間后，水滴蒸發(fā)變成了水蒸氣，溫度還是15。它的內(nèi)能是否發(fā)生了變化?為什么?答：內(nèi)能變化了，因?yàn)榉肿涌倲?shù)（質(zhì)量）不變，溫度不變，但是體積變化了。例4： 以下說(shuō)法正確的是( )A.機(jī)械能為零、內(nèi)能不為零是可能的B.溫度相同，質(zhì)量相同的物體具有相同的內(nèi)能 C.物體的速度增大時(shí)，物體的內(nèi)能可能減小 D.分子的動(dòng)能與分子的勢(shì)能的和叫做這個(gè)分子的內(nèi)能E.物體的速度增大時(shí)，物體的內(nèi)能增大解析：分子做永不停息的熱運(yùn)動(dòng)，所以分子動(dòng)能不為零，則內(nèi)能也不可能為零，A對(duì)。影響內(nèi)能的因素有分子總數(shù)（質(zhì)量），分子熱運(yùn)動(dòng)的距離程度（溫度），分子間距（體積），體積有可能變化，B錯(cuò)。物體的速度增大時(shí)，物體的溫度可能會(huì)降低，C對(duì)，E錯(cuò)。分子動(dòng)能、勢(shì)能、內(nèi)能都是針對(duì)大量分子而言，D錯(cuò)。1.4分子動(dòng)能和分子勢(shì)能分子動(dòng)能分子勢(shì)能內(nèi)能定義分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能分子間有作用力，由分子間相對(duì)位置決定的勢(shì)能物體中所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和影響因素微觀分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度分子距離分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度分子距離分子個(gè)數(shù)宏觀溫度體積溫度體積質(zhì)量本課內(nèi)容非常抽象，分子動(dòng)能和實(shí)際物體的動(dòng)能有