高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 分子动能和分子势能教案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 分子动能和分子势能教案，共7页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练等内容，欢迎下载使用。

物理观念∶通过类比宏观物体的动能、势能，得出分子动能、分子平均动能、分子势能、内能的概念。
科学思维∶分析理解分子平均动能随温度的变化关系，分子势能和分子间距离的关系，内能及决定因素。
科学探究：运用弹簧连接两小球模拟分子，探究分子势能的大小。
科学态度与责任∶学习好影响内能的因素，培养学生能够通过宏观与微观两种方面来看物理问题的思想。
教学重难点
掌握三个概念（分子动能、分子势能、物体内能）。
教学过程
【新课引入】
1．分子动理论
（1）物体是有大量分子组成。
（2）分子在做永不停息的无规则热运动。
（3）分子间存在着相互作用的引力和斥力。
2．气体压强的微观解释
气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的。
我们知道做机械运动的物体具有机械能，那么热现象发生过程中，也有相应的能量变化。另一方面，我们又知道热现象是大量分子做无规律热运动产生的。那么热运动的能量与大量的无规律运动有什么关系呢？这是今天学习的问题。
【新知探究】
（一）分子动能
物体内大量分子不停息地做无规则热运动，对于每个分子来说都有无规则运动的动能。由于物体内各个分子的速率大小不同，因此，各个分子的动能大小不同。由于热现象是大量分子无规则运动的结果，所以研究个别分子运动的动能是没有意义的。而研究大量分子热运动的动能，需要将所有分子热运动动能的平均值求出来，这个平均值叫做分子热运动的平均动能。
1．分子动能：组成物体的分子由于热运动而具有的能叫做分子动能。
2．平均动能：物体里所有分子动能的平均值叫做分子热运动的平均动能。
实验：扩散快慢与温度的关系
结论：扩散的快慢受温度影响。温度越高，分子运动越快。
布朗运动和扩散现象都与温度有关系，温度越高，布朗运动越激烈，扩散也加快。
依照分子动理论，这说明温度升高后，分子无规则运动加剧。用上述分子热运动的平均动能来说明，就是温度升高，分子热运动的平均动能增大。如果温度降低，说明分子热运动的平均动能减小。因此从分子动理论观点来看，温度是物体分子热运动的平均动能的标志。“标志”的含义是指物体温度升高或降低，表示了物体内部大量分子热运动的平均动能增大或减小。温度不变，就表示了分子热运动的平均动能不变。其他宏观物理量如时间、质量、物质种类都不是分子热运动平均动能的标志。但是，温度不是直接等于分子的平均动能。
另一方面，温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应，对于个别分子或几十个、几百个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的。
我们知道，温度这个物理量在宏观上的意义是表示物体冷热程度，而它又是大量分子热运动平均动能大小的标志，这是温度的微观含义。
3．温度：
（1）宏观含义：温度是表示物体的冷热程度。
（2）微观含义（即从分子动理论的观点来看）：温度是物体分子热运动的平均动能的标志，温度越高，物体分子热运动的平均动能越大。
需要注意：
1．同一温度下，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也不一定相同。
2．温度反映的是大量分子平均动能的大小，不能反映个别分子的动能大小，同一温度下，各个分子的动能不尽相同。
例题1：有甲、乙两种气体，如果甲气体内分子平均速率比乙气体内平均速率大，则（ C ）
A．甲气体温度一定高于乙气体的温度
B．甲气体温度一定低于乙气体的温度
C．甲气体的温度可能高于也可能低于乙气体的温度
D．甲气体的每个分子运动都比乙气体每个分子运动的快
（二）分子势能
回顾我们学习的势能：
地面上的物体，由于与地球相互作用：重力势能
发生弹性形变的弹簧，相互作用：弹性势能
分子间存在着相互作用力，因此分子间具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能。
1．分子势能：分子间存在着相互作用力，因此分子间所具有的由它们的相对位置所决定的能。
重力势能与弹性势能都跟位置（距离）有关，那么分子势能与分子间距离有什么关系呢？
2．分子势能与分子间距离的关系
出示模型（类似弹簧与小球）
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。这种情形与弹簧被压缩时弹性势能增大是相似的。如弹簧压缩，弹性势能Ep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，分子势能随分子间的距离增大而增大。这种情况与弹簧被拉伸时弹性势能增大是相似的。如弹簧拉伸，Ep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，分子在平衡位置处是分子势能最低点。
如果分子间距离是无限远时，取分子势能为零值，分子间距离从无限远逐渐减少至r0以前过程，分子间的作用力表现为引力，而且距离减少，分子引力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小为负值。
当分子间距离到达r0以后再减小，分子作用力表现为斥力，在分子间距离减小过程中，克服斥力做功，使分子势能增大。其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正值。
分子势能随分子间距离r的变化情况可以在图的图象中表现出来。
既然分子势能的大小与分子间距离有关，那么在宏观上什么物理量能反映分子势能的大小变化情况呢？如果对于确定的物体，它的体积变化，直接反映了分子间的距离，也就反映了分子间的势能变化。所以分子势能的大小变化可通过宏观量体积来反映。
例题2：如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间的距离的关系如图中曲线所示。F>0为斥力，F<0为力。a、b、c、d为x轴上四个特定的位置。现把乙分子从a处由静止释放，则（ BC ）
A．乙分子由a到b做加速运动，由b到c做减速运动
B．乙分子由a到c做加速运动，到达c时速度最大
C．乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减小
D．乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增大
（三）物体的内能
1．物体的内能：物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。也叫做物体的热力学能。
2．任何物体都具有内能。因为一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子所组成。
提问学生：宏观量中哪些物理量是分子热运动的平均动能和分子势能的标志？
根据学生的回答，引导到一个确定的物体，分子总数是固定的，那么这物体的内能大小是由宏观量——温度和体积决定的。如果不是确定的物体，那么物体的内能大小是由质量、温度、体积和物态来决定。
3．决定物体内能的因素
（1）从宏观上看：物体内能的大小由物体的摩尔数、温度和体积三个因素决定。
（2）从微观上看：物体内能的大小由组成物体的分子总数，分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定。
课堂讨论：下列各个实例中，比较物体的内能大小，并说明理由。
①一块铁由15℃升高到55℃，比较内能。
②质量是1kg 50℃的铁块与质量是0.1kg 50℃的铁块，比较内能。
③质量是1kg 100℃的水与质量是1kg 100℃的水蒸气，比较内能。
物体机械运动对应着机械能，热运动对应着内能。任何物体都具有内能，同时还可以具有机械能。例如在空中飞行的炮弹，除了具有内能，还具有机械能——动能和重力势能。
提问学生：一辆汽车的车厢内有一气瓶氧气，当汽车以60km/h行驶起来后，气瓶内氧气的内能是否增加？
通过此问题，让学生认识内能是所有分子热运动动能和分子势能之总和，而不是分子定向移动的动能。另一方面，物体机械能增加，内能不一定增加。
4．物体的内能跟机械能的区别
【课堂小结】
【随堂演练】
1．有甲、乙两个分子，甲分子固定不动，乙分子由无穷远处逐渐向甲靠近，直到不再靠近为止，在这整个过程中，分子势能的变化情况是（ D ）
A．不断增大
B．不断减小
C．先增大后减小
D．先减小后增大
2．下列说法正确的是（ D ）
A．分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能
B．物体内分子势能由物体的温度和体积决定
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
3．氢气和氧气的质量、温度都相同，在不计分子势能的情况下，下列说法正确的是（ BD ）
A．氧气的内能较大B．氢气的内能较大
C．两者的内能相等D．氢气分子的平均速率较大
4．关于分子动能，正确的说法是（ C ）
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，每个分子的动能都增大
C．物体温度升高时，分子的平均动能增大
D．物体的运动速度越大，则物体的温度越高
5．对于20℃的水和20℃的水银，下列说法正确的是（ AD ）
A．两者的分子平均动能相同
B．水银的分子平均动能比水的大
C．两者的分子平均速率相同
D．水银分子的平均速率比水分子的平均速率小
6．下列关于物体内能的说法中正确的是（ D ）
A．0℃的水比0℃的冰的内能大
B．物体运动的速度越大，则内能越大
C．水分子的内能比冰分子的内能大
D．100g 0℃的冰比100g 0℃的水的内能小内能
机械能
对应的运动形式
微观分子热运动
宏观物体机械运动
常见的能量形式
分子动能、分子势能
物体动能、重力势能或弹性势能
影响因素
物质的量、物体的温度和体积及物态
物体的机械运动的速度、相对于零势能面的高度或弹性形变量
大小
永远不等于零
一定条件下可以等于零
联系
在一定条件下可以相互转化