2021高考物理鲁科版一轮复习教师用书：第十三章第1节　分子动理论　内能

第十三章　热学 2018级福建省普通高中教学指导意见与2021年选择考预测内容标准1.认识分子动理论的基本观点,知道其实验依据.知道阿伏伽德罗常数的意义.2.了解分子运动速率的统计分布规律.认识温度是分子平均动能的标志.理解内能的概念.3.用分子动理论和统计观点解释气体压强.4.通过调查,了解日常生活中表现统计规律的事例.5.通过实验,了解气体实验定律,知道理想气体模型.用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律.6.通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程.体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义.7.认识热力学第一定律.理解能量守恒定律.用能量守恒观点解释自然现象.体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.8.通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律.实验:用油膜法估测分子的大小选择考预测根据《福建省普通高中物理学科教学指导意见》,本章调整较大.在往年的全国卷及福建卷中都作为二选一的选考题出现,只有一部分人选做.选修33考查2个题目,在全国卷中都是(1小1大,即一题选择、一题计算),而在福建卷中则两题都是选择题,为了33和34的等值评价,福建卷的两个选择题属于容易题,难度都在0.5以上.2021年选择性考试改为福建本省自主命题且实行单科考试后,考试时长和试题题量均会相应增加,选修33和34 都变成必考题.预计2021年的考试中,分子动理论、气体实验定律、气体状态变化的图象及热力学第一定律等知识,必定出现在试题中,题型一般以选择题形式出现,通常一个题目中同时考查多个知识点,考查的知识面较大,但难度小.而气体实验定律中“气缸模型”“液柱模型”“充(放)气模型”等,有可能与物体平衡问题结合出现在计算题中.实验“油膜法估测分子的大小”可不做深入挖掘.[全国卷考情分析]——供老师参考考点内容要求高考(全国卷)三年命题情况对照分析201720182019分子动理论的基本观点和实验依据ⅠⅠ卷T33(1):气体热现象的微观解释T33(2):活塞封闭的两部分气体的状态变化Ⅱ卷T33(1):内能、热力学第一定律T33(2):热气球的受力平衡Ⅲ卷T33(1):pV图象、热力学第一定律T33(2):水银封闭气体的状态变化Ⅰ卷T33(1):TV图象、内能、热力学第一定律T33(2):玻意耳定律、关联气体的状态变化Ⅱ卷T33(1):实际气体的内能T33(2):活塞与气缸封闭气体的等容、等压变化Ⅲ卷T33(1):pV图象、热力学定律T33(2):水银柱封闭关联气体的等温变化Ⅰ卷T33(1):热力学第一定律T33(2):变质量问题Ⅱ卷T33(1):理想气体状态方程、pV图象T33(2):气缸内气体的动态变化与平衡问题Ⅲ卷T33(1):用油膜法估测分子大小T33(2):理想气体状态方程应用阿伏伽德罗常数Ⅰ气体分子运动速率的统计分布Ⅰ温度、内能Ⅰ气体实验定律Ⅱ理想气体Ⅰ热力学第一定律Ⅰ能量守恒定律Ⅰ热力学第二定律Ⅰ中学物理中涉及的国际单位制的基本单位和其他单位,例如摄氏度、标准大气压(说明:知道国际单位制中规定的单位符号)Ⅰ实验:用油膜法估测分子的大小 第1节　分子动理论　内能一、分子动理论的基本内容1.物体是由大量分子组成的(1)分子很小①分子直径的数量级为10-10 m. ②质量数量级为10-27~10-25 kg.(2)阿伏伽德罗常数①1 mol的任何物质都含有相同的粒子数,通常可取NA=6.02×1023mol-1.②阿伏伽德罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁.2.分子的热运动(1)扩散现象并不是外界作用引起的,也不是化学反应的结果,而是由物质分子的无规则运动产生的.温度越高,扩散越快.(2)布朗运动①布朗运动是固体颗粒的运动,反映了液体内部分子的无规则运动.②微粒越小,布朗运动越明显;温度越高,布朗运动越剧烈.(3)热运动:分子永不停息的无规则运动叫做热运动.分子的无规则运动和温度有关,温度越高,分子无规则运动越剧烈.3.分子间的相互作用力(1)引力和斥力同时存在,都随距离的增大而减小,斥力变化更快.(2)分子力的特点①r=r0时(r0的数量级为10-10 m),f引=f斥,分子力f=0; ②r<r0时,f引<f斥,分子力f表现为斥力;③r>r0时,f引>f斥,分子力f表现为引力;④r>10r0时,分子力很弱,可以忽略不计.二、温度和物体的内能1.温度一切达到热平衡的系统都具有相同的温度.2.两种温标:摄氏温标和热力学温标.关系:T=t+273K.3.分子的动能(1)分子热运动的平均动能是所有分子的动能的平均值,温度是分子热运动的平均动能的标志.(2)分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和.4.分子的势能(1)意义:由于分子间存在着分子力,所以分子具有由它们的相对位置决定的能.(2)分子势能的决定因素①微观上:决定于分子间距离.②宏观上:决定于体积.5.物体的内能(1)概念理解:物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和,是状态量.(2)决定因素:对于给定的物体,其内能大小由物体的温度和体积决定,即由物体内部状态决定.(3)影响因素:物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关.(4)改变物体内能的两种方式:做功和热传递.1.思考判断(1)布朗运动是液体分子的无规则运动.(　×　)(2)1 g水含的水分子数与1 g水蒸气含的水分子数相等.(　√　)(3)分子间的引力和斥力都随分子间距的增大而增大.(　×　)(4)分子动能指的是由于分子定向移动具有的能.(　×　)(5)分子间存在分子势能,随着分子间距离增大分子势能增大.(　×　)(6)内能相同的物体,它们的分子平均动能一定相同.(　×　)2.根据分子动理论,下列说法正确的是(　D　)A.一个气体分子的体积等于气体的摩尔体积与阿伏伽德罗常数之比B.显微镜下观察到的墨水中的小碳粒所做的不停的无规则运动,就是分子的运动C.分子间的相互作用力一定随分子间距离的增大而减小D.分子势能随着分子间距离的增大,可能先减小后增大解析:由于气体分子的间距大于分子直径,故气体分子的体积小于气体的摩尔体积与阿伏伽德罗常数之比,故A错误;显微镜下观察到的墨水中的小碳粒所做的不停的无规则运动,是布朗运动,它是分子无规则运动的体现,但不是分子的运动,故B错误;若分子间距离从平衡位置开始增大,则引力与斥力的合力先增大后减小,故C错误;若分子间距是从小于平衡距离开始变化,则分子力先做正功再做负功,故分子势能先减小后增大,故D正确.3.(2019·北京延庆一模)飞机从地面由静止起飞,随后在高空飞行,乘客小明随身携带了一个茶杯,以下说法中正确的是(　D　)A.飞机飞行的速度越大,组成茶杯的分子平均动能越大B.飞机飞行的高度越高,组成茶杯的分子势能越大C.倒入热水后的茶杯温度升高,组成茶杯的每个分子速率都会增大D.倒入热水后的茶杯温度越高,组成茶杯的分子热运动越剧烈解析:飞机飞行速度大,高度高,机械能大,而微观粒子的分子动能和分子势能与宏观物体的机械能无关,选项A,B错误;温度是分子平均动能的标志,倒入热水后的茶杯温度升高,组成茶杯的分子平均速率会增大,但并非每个分子的速率都增大,选项C错误;温度高,分子热运动剧烈,选项D正确.4.(2019·上海奉贤一模)下列现象能说明分子间存在斥力的是(　A　)A.液体难以压缩B.破碎的玻璃通过压紧不能粘合C.压缩气体要用力D.用斧子花很大的力气才能把柴劈开解析:液体难被压缩,是由于分子间存在斥力,故A正确;将破碎的玻璃用力挤在一起,却不能将它们粘合在一起,是由于分子之间的距离较大,引力比较小,不能说明分子之间存在斥力,故B错误;气体压缩要用力,是由于气体压强的原因,不能说明分子间存在斥力,故C错误;用斧子花很大的力气才能把柴劈开,说明分子间存在引力而不是斥力,故D错误.考点一　微观量的估算1.微观量分子体积V0、分子直径d、分子质量m0.2.宏观量物体的体积V、摩尔体积Vmol、物体的质量m、摩尔质量M、物质的密度ρ.3.宏观量与微观量的转换(1)一个分子的质量:m0=.(2)一个分子的体积:V0==,对于气体,分子间的距离比较大,V0表示气体分子占据的空间.(3)物质含有的分子数:N=NA=NA.4.两种分子模型(1)固体和液体:固体、液体分子一个一个紧密排列,可将分子看成球体或立方体,如图所示.分子间距等于球体的直径或立方体的棱长,球体分子模型直径d=,立方体分子模型棱长d=.(2)气体:气体分子不是一个一个紧密排列的,它们之间的距离很大,所以利用d=算出的不是分子直径,而是气体分子间的平均距离.[例1] 很多轿车中设有安全气囊以保障驾乘人员的安全.轿车在发生一定强度的碰撞时,利用叠氮化钠(NaN3)爆炸产生的气体(假设都是N2)充入气囊.若氮气充入后安全气囊的容积V=56 L,囊中氮气密度ρ=2.5 kg/m3,已知氮气摩尔质量M=0.028 kg/mol,阿伏伽德罗常数NA=6×1023 mol-1.试估算:(1)囊中氮气分子的总个数N;(2)囊中氮气分子间的平均距离.(结果保留一位有效数字)　解析:(1)设N2的物质的量为n,则n=氮气分子的总个数N=n·NA=NA代入数据得N=3×1024(个).(2)每个分子所占的空间V0=设分子间平均距离为a,则有V0=a3,即a==代入数据得a≈0.3×10-10 m.答案:(1)3×1024个　(2)0.3×10-10 m微观量估算注意事项(1)微观量的估算应利用阿伏伽德罗常数,依据分子数N与物质的量n之间的关系N=n·NA,并结合密度公式进行分析计算.(2)对液体、固体物质可忽略分子之间的间隙;对气体物质分子之间的距离远大于分子大小,气体的体积与分子数比值不等于气体分子的体积,仅表示一个气体分子平均占据的空间大小.题组训练1.(2016·上海卷,17)(多选)某气体的摩尔质量为M,分子质量为m.若1摩尔该气体的体积为Vm,密度为ρ,则该气体单位体积分子数为(阿伏伽德罗常数为NA)(　ABC　)A. B.C. D.解析:1摩尔该气体的体积为Vm,则单位体积分子数为n=,气体的摩尔质量为M,分子质量为m,则1 mol气体的分子数为NA=,可得n=,单位体积的质量等于单位体积乘以密度,质量除以摩尔质量等于摩尔数,则有n=,故D错误,A,B,C正确.2.(多选)钻石是首饰和高强度钻头、刻刀等工具中的主要材料,设钻石的密度为ρ(单位为kg/m3),摩尔质量为M(单位为g/mol),阿伏伽德罗常数为NA.已知1克拉=0.2克,则(　AC　)A.a克拉钻石所含有的分子数为B.a克拉钻石所含有的分子数为C.每个钻石分子直径的表达式为(单位为m)　D.每个钻石分子直径的表达式为(单位为m)解析:a克拉钻石物质的量为n=,所含分子数为N=nNA=,选项A正确,B错误;钻石的摩尔体积V=(单位为m3/mol),每个钻石分子的体积为V0==,设钻石分子的直径为d,则V0=,联立解得d=(单位为m),选项C正确,D错误.考点二　布朗运动与分子热运动扩散现象、布朗运动与热运动的比较 扩散现象布朗运动热运动活动主体分子固体微小颗粒分子区别是分子的运动,发生在固体、液体、气体任何两种物质之间是比分子大得多的颗粒的运动,只能在液体、气体中发生是分子的运动,不能通过光学显微镜直接观察到共同点(1)都是无规则运动;(2)都随温度的升高而变得更加剧烈联系扩散现象、布朗运动都反映了分子做无规则的热运动[例2] (2019·福建福州模拟改编)如图所示,是关于布朗运动的实验,下列说法正确的是(　D　)A.图中记录的是分子无规则运动的情况B.图中记录的是微粒做布朗运动的轨迹C.实验中可以看到,微粒越大,布朗运动越明显D.实验中可以看到,温度越高,布朗运动越剧烈解析:图中记录的是每隔若干时间微粒位置的连线,不是微粒的运动轨迹,也不是分子无规则运动的情况,且在此段时间内微粒的运动情况不得而知,虽然图示所反映的不是微粒的轨迹,但却可以看出其运动的无规则性,做布朗运动的微粒都很小,微粒做布朗运动的根本原因是各个方向的液体分子对它的碰撞不平衡,因此,只有微粒越小、温度越高时液体分子对它的碰撞越不平衡,布朗运动才越剧烈,选项D正确.扩散现象与布朗运动的本质区别(1)扩散现象直接反映了分子的无规则运动,并且可以发生在固体、液体和气体任何两种物质之间.(2)布朗运动不是分子的运动,也不能直接观察分子的无规则运动,而是用悬浮的固体小颗粒的无规则运动来反映液体分子的无规则运动.[针对训练] (2015·全国Ⅱ卷,33,改编)(多选)关于扩散现象,下列说法正确的是(　ACD　)A.温度越高,扩散进行得越快B.扩散现象是不同物质间的一种化学反应C.扩散现象是由物质分子无规则运动产生的D.扩散现象在气体、液体和固体中都能发生解析:扩散现象是分子无规则热运动的反映,C正确;温度越高,分子热运动越剧烈,扩散越快,A正确;气体、液体、固体的分子都在不停地进行着热运动,扩散现象在气体、液体和固体中都能发生,D正确;在扩散现象中,分子本身结构没有发生变化,不属于化学反应,B错误.考点三　分子力、分子势能与分子间距离的关系分子力及分子势能比较 分子力f分子势能Ep图象随分子间距离的变化情况r<r0f随r增大而减小,表现为斥力r增大,f做正功,Ep减小r>r0r增大,f先增大后减小,表现为引力r增大,f做负功,Ep增大r=r0f引=f斥,f=0Ep最小,但不为零r>10r0引力和斥力都很微弱,f=0Ep=0 [例3] (2019·山西晋城模拟)(多选)将一个分子P固定在O点,另一个分子Q从图中的A点由静止释放,两分子之间的作用力与间距关系的图象如图所示,则下列说法正确的是(　BCD　)A.分子Q由A运动到C的过程中,先加速再减速B.分子Q在C点时分子势能最小C.分子Q在C点时加速度大小为零D.分子Q由A点释放后运动到C点左侧的过程中,加速度先增大后减小再增大解析:分子Q由A运动到C的过程中,一直受引力作用,速度一直增大,动能增加,分子势能减少,在C点的分子势能最小,选项A错误,B正确;分子Q在C点时受到的分子力为零,故在C点时的加速度大小为零,选项C正确;分子Q由A点释放后运动到C点过程中,受到先增大后减小的引力,然后再向C点左侧运动时则受到逐渐增大的斥力,故加速度先增大后减小再增大,选项D正确.(1)分子势能在平衡位置有最小值,无论分子间距离如何变化,靠近平衡位置,分子势能减小,反之增大.(2)判断分子势能的变化有两种方法①看分子力的做功情况.②直接由分子势能与分子间距离的关系图线判断,但要注意其和分子力与分子间距离的关系图线的区别.题组训练1.由于分子间存在着分子力,而分子力做功与路径无关,因此分子间存在与其相对距离有关的分子势能.如图所示为分子势能Ep随分子间距离r变化的图象,取r趋近于无穷大时Ep为零.通过功能关系可以从分子势能的图象中得到有关分子力的信息,则下列说法正确的是(　D　)A.假设将两个分子从间距为r=r2处释放,它们将相互远离B.假设将两个分子从间距为r=r2处释放,它们将相互靠近C.假设将两个分子从间距为r=r1处释放,它们的加速度先增大后减小D.假设将两个分子从间距为r=r1处释放,当r=r2时它们的速度最大解析:由图可知,两个分子从间距为r=r2处的分子势能最小,则分子之间的距离为平衡距离,分子之间的作用力恰好为0.结合分子之间的作用力的特点可知,当分子间距离等于平衡距离时,分子力为零,分子势能最小,所以假设将两个分子从间距为r=r2处释放,它们既不会相互远离,也不会相互靠近,故A,B错误;由于r1<r2,可知分子在间距为r=r1处时分子之间的作用力表现为斥力,释放后分子之间的距离将增大,分子力减小,加速度减小,分子力做正功,分子的速度增大;当分子之间的距离大于r2时,分子之间的作用力表现为引力,随距离的增大,分子力做负功,分子的速度减小,所以当间距为r=r2时它们的速度最大,故C错误,D正确.2.(2019·福建宁德质检改编)(多选)分子力F与分子间距离r的关系如图所示,曲线与横轴交点的坐标为r0,两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动,直至不能再靠近.在此过程中,下列说法正确的是(　AC　)A.r=r0时,分子动能最大B.r=r0时,分子势能最大C.r>r0阶段,F做正功,分子动能增加,分子势能减小D.r<r0阶段,F做负功,分子动能减小,分子势能减小解析:r>r0阶段,分子力表现为引力,且由图象可知,在两分子相互靠近的过程中,F先增大后减小;在两分子相互靠近的过程中,分子力做正功,分子动能增加,分子势能减小;在r<r0阶段,分子力表现为斥力,在两分子相互靠近的过程中,分子力做负功,分子动能减小,分子势能增加;在r=r0时,分子势能最小,分子动能最大.故A,C正确,B,D错误. 考点四　物体的内能1.内能与机械能的比较 内能机械能定义物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和物体的动能、重力势能和弹性势能的统称决定因素与物体的温度、体积、物态和物质的量有关跟宏观运动状态、参考系和零势能点的选取有关大小任何物体都有内能,恒不为零可以为零测量无法测量,其变化量可由做功和热传递来量度可测量本质微观分子的运动和相互作用的结果宏观物体的运动和相互作用的结果运动形式热运动机械运动联系在一定条件下可以相互转化2.内能和热量的比较 内能热量区别是状态量,状态确定则系统的内能随之确定.一个物体在不同的状态下有不同的内能是过程量,它表示由于热传递而引起的内能变化过程中转移的能量联系在只有热传递改变物体内能的情况下,物体内能的改变量在数值上等于物体吸收或放出的热量[例4] (2018·全国Ⅱ卷,33,改编)(多选)对于实际的气体,下列说法正确的是(　BCD　)A.气体的内能包括气体分子的重力势能B.气体的内能包括分子之间相互作用的势能C.气体的体积变化时,其内能可能不变D.气体的内能包括气体分子热运动的动能解析:气体的内能不考虑气体自身重力的影响,故气体的内能不包括气体分子的重力势能,选项A错误;实际气体的内能包括气体的分子动能和分子势能两部分,选项B,D正确;气体体积变化时,分子势能发生变化,气体温度也可能发生变化,但分子势能和分子动能的和可能不变,选项C正确.[针对训练] (2019·重庆六校联考改编)关于内能,下列说法正确的是(　D　)A.若把氢气和氧气看成理想气体,则具有相同体积、相同质量和相同温度的氢气和氧气内能相等B.相同质量的0 ℃水的分子势能比0 ℃冰的分子势能小C.物体吸收热量后,内能一定增加D.一定质量的100 ℃的水吸收热量后变成100 ℃的水蒸气,则吸收的热量大于增加的内能解析:具有相同体积、相同质量和相同温度的氢气和氧气,分子的平均动能相等,氢气分子数较多,内能较大,选项A错误;相同质量的0 ℃的水和0 ℃的冰的温度相同,分子平均动能相同,由于0 ℃的冰需要吸收热量才能融化为0 ℃的水,根据能量守恒定律,一定质量的 0 ℃ 的水的分子势能比0 ℃的冰的分子势能大,选项B错误;根据热力学第一定律,物体吸收热量,若同时对外做功,其内能不一定增加,选项C错误;一定质量的100 ℃ 的水吸收热量后变成100 ℃的水蒸气,由于体积增大,对外做功,根据热力学第一定律,吸收的热量等于气体对外做的功和增加的内能,所以吸收的热量大于增加的内能,选项D正确.1.(2017·北京卷,13)以下关于热运动的说法正确的是(　C　)A.水流速度越大,水分子的热运动越剧烈B.水凝结成冰后,水分子的热运动停止C.水的温度越高,水分子的热运动越剧烈D.水的温度升高,每一个水分子的运动速率都会增大解析:温度是分子平均动能的标志,温度越高,分子的平均动能越大,分子运动越剧烈,但并不是每个分子的运动速率都会增大,故选项C正确,D错误;水分子的热运动剧烈程度只与温度有关,与水流速度无关,选项A错误;分子永不停息地做无规则运动,选项B错误.2.(2018·北京卷,14)关于分子动理论,下列说法正确的是(　C　)A.气体扩散的快慢与温度无关B.布朗运动是液体分子的无规则运动C.分子间同时存在着引力和斥力D.分子间的引力总是随分子间距增大而增大解析:在其他条件不变的情况下,温度越高,气体扩散得越快,选项A错误;布朗运动是颗粒的运动,从侧面反映了液体分子的无规则运动,选项B错误;分子间同时存在着引力和斥力,选项C正确;分子间的引力总是随着分子间距的增大而减小,选项D错误.3.(2012·福建卷,29)关于热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是(　D　)A.一定量气体吸收热量,其内能一定增大B.不可能使热量由低温物体传递到高温物体C.若两分子间距离增大,分子势能一定增大D.若两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大解析:改变内能的方式有热传递和做功,如果吸热比对外做功要少得话,物体的内能会减小,所以A错误;在引起变化的条件下,热量可以从低温物体传给高温物体,如空调等,所以B错误;在分子力为斥力时距离增大,分子势能减小,C错误;D正确.4.(2013·福建卷,29)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(　B　)解析:当r<r0时,分子力表现为斥力,随分子间距离r增大,分子势能Ep减小.当r>r0时,分子力表现为引力,随分子间距离r增大,分子势能Ep增大.当r=r0时,分子力为零,此时分子势能最小.故选项B正确.