75内能 优秀教案优秀教学设计高中物理选修33 3.docx

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75内能优秀教案优秀教学设计高中物理选修333

5内能

教学教法分析

●课标要求

认识温度是分子平均动能的标志．理解内能的概念．

●课标解读

1．知道温度是分子平均动能的标志，知道分子势能与体积有关．

2．理解内能的概念及决定内能的因素．

3．明确分子势能与分子间距离的关系．

●教学地位

本节主要学习分子的动能、分子势能和内能的概念．要求学生知道温度是分子平均动能的标志，物体的内能是一种不同于机械能形式的能，学习本节知识可以为以后学习的热力学第一定律打下基础.

教学方案设计

●新课导入建议

飞机从地面起飞，随后在高空做高速航行，有人说：

“在这段时间内，飞机中乘客的势能、动能都增大了，他们身上所有分子的动能和势能也都增大了，因此乘客的内能也增大了”．这种说法对吗？

为什么？

●教学流程设计

课　标　解　读

重　点　难　点

1.知道分子热运动的动能跟温度有关，知道温度是分子热运动平均动能的标志．

2.知道什么是分子势能；知道改变分子间的距离必须涉及分子力做功，因而分子势能发生变化；知道分子势能跟物体体积有关．

3.知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关.

1.分子的平均动能与温度的关系．（重点）

2.分子势能的概念．（重点）

3.内能的概念及物体的内能与哪些因素有关．（重点）

4.分子势能与分子力做功、分子间距离的关系．（难点）

课前自主导学

知识1分子动能

1.基本知识

（1）分子动能

做热运动的分子跟运动的物体一样也具有动能，这就是分子动能．

（2）分子的平均动能

热现象研究的是大量分子运动的宏观表现，重要的不是系统中某个分子的动能大小，而是所有分子的动能的平均值，叫做分子平均动能．

（3）温度的微观解释

温度是物体分子热运动平均动能的标志．

2．思考判断

（1）某种物体的温度是0℃，说明物体中分子的平均动能为零．（×）

（2）物体的温度升高时，所有分子的动能都增大．（×）

（3）温度是分子热运动剧烈程度的标志．（√）

3．探究交流

运动的铁球速度越来越快，则铁分子的平均动能越来越大，对吗？

【提示】　不对．铁球的速度变大，是指其机械运动的速度，即其机械运动的动能变大，而分子平均动能是指分子热运动的动能，与温度有关.

知识2分子势能

1.基本知识

（1）分子势能

由于分子间存在着相互作用力，所以分子间也有相互作用的势能，这就是分子势能．

（2）影响分子势能大小的因素

微观上，分子势能的大小由分子间距离决定；宏观上，分子势能的大小跟物体的体积有关．

2．思考判断

（1）分子间距离增大时，分子势能一定增大．（×）

（2）分子力做正功时，分子势能一定增大．（×）

（3）当分子间距离为r＜r0时，分子力为斥力，这时减小分子间的距离，分子势能增大．（√）

3．探究交流

分子势能与以前学过的哪种能量具有相似的特点？

【提示】　分子势能同重力势能、电势能相似，是由于分子间或物体间、电荷间存在相互作用，又由其相对位置决定的能量.

知识3物体的内能

1.基本知识

（1）定义

物体中所有分子热运动动能与分子势能的总和，叫做物体的内能．

（2）决定因素

①分子总个数由物体物质的量决定．

②分子热运动的平均动能由温度决定．

③分子势能宏观上与物体的体积有关．

④物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定．

2．思考判断

（1）火车运动的越快，火车的内能越大．（×）

（2）物体的内能只由物体的温度决定．（×）

（3）物体的温度和体积变化时，内能一般要发生改变．（√）

3．探究交流

0℃的冰熔化为0℃的水时，内能是否发生变化？

【提示】　0℃的冰熔化为0℃的水，温度不变，分子的平均动能不变，但由于冰的体积减小，变成水后分子势能发生变化，故内能发生变化.

课堂互动探究

探究1对分子动能的理解

【问题导思】

1．物体中每个分子无规则运动的动能是否相同？

2．为什么说温度是分子平均动能的标志？

3．分子的平均动能与分子的种类和质量是否有关？

1．单个分子的动能

（1）物体由大量分子组成，每个分子都有分子动能且不为零．

（2）分子在永不停息地做无规则热运动，每个分子动能大小不同并且时刻在变化．

（3）热现象是大量分子无规则运动的统计结果，个别分子动能没有实际意义．

2．分子的平均动能

（1）温度是大量分子无规则热运动的宏观表现，具有统计意义．温度升高，分子平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大．个别分子动能可能增大也可能减小，个别分子甚至几万个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的．但总体上所有分子的动能之和一定是增加的．

（2）理想气体的分子平均动能大小只由温度决定，与物质种类、质量、压强、体积无关，即只要温度相同，任何分子的平均动能都相同．由于不同物质的分子质量不尽相同，所以同一温度下，不同物质的分子运动平均速率大小一般不相同．

特别提醒

1．温度是分子平均动能的“标志”或者说“量度”，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，与单个分子的动能没有关系．

2．温度高的物体，分子的平均速率不一定大，还与分子质量有关．

例1　关于分子动能，正确的说法是（　　）

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

【审题指导】　

（1）一切物体的分子都在永不停息地做无规则运动，0℃的物体的分子平均动能不为零．

（2）温度是分子平均动能的标志，与单个分子的动能无关．

【解析】　某种气体温度是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，说明分子运动激烈，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，这并不能代表物体内部分子的热运动加剧，则物体的温度不一定高，所以选C项．

【答案】　C

规律总结

每个分子都有分子动能且不为零，热现象是大量分子无规则运动的统计结果，个别分子动能没有实际意义．

迁移应用

1．（2013·西安检测）当物体的温度升高时，下列说法中正确的是（　　）

A．每个分子的温度都升高

B．每个分子的热运动都加剧

C．每个分子的动能都增大

D．物体分子的平均动能增大

【解析】　温度是分子平均动能的标志，具有统计的物理意义，对单个或少量分子无意义．物体温度升高，分子运动剧烈，分子平均动能增大，但仍可能有某些分子动能减小，故答案选D.

【答案】　D

探究2对分子势能的理解

【问题导思】

1．分子势能与分子间距离有什么关系？

2．当分子间的距离为多大时，分子势能最小？

3．决定分子势能的宏观因素和微观因素是什么？

1．分子势能的变化规律

（1）当分子间的距离r＞r0时，分子间的作用力表现为引力，分子间的距离增大时，分子力做负功，因此分子势能随分子间的距离增大而增大．

（2）当分子间的距离r＜r0时，分子间的作用力表现为斥力，分子间的距离减小时，分子力做负功，因此分子势能随分子间的距离减小而增大．

图7－5－1

（3）如果取两个分子间相距无限远时（此时分子间作用力可忽略不计）的分子势能为零，分子势能Ep与分子间距离r的关系可用图7－5－1所示的曲线表示．从图线上看出，当r＝r0时，分子势能最小．

2．影响因素

（1）宏观上：

分子势能的大小与体积有关．

（2）微观上：

分子势能与分子之间的相对位置有关．

特别提醒：

1．分子势能最小与分子势能为零不是一回事．分子势能的正负代表大于或小于零势能点的分子势能，如Ep＝－10J，Ep′＝0，则Ep＜Ep′.

2．体积越大，分子势能不一定越大，如相同质量的0℃的水与0℃的冰，冰体积大，但水的分子势能大于冰的分子势能．

例2　（2013·兰州检测）如图7－5－2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为引力．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（　　）

图7－5－2

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

【审题指导】　c点为分子引力和斥力的分界点，a到c为引力，c到d为斥力，a到c乙分子一直加速运动，c到d为减速．

【解析】　乙分子由a运动到c的过程，一直受到甲分子的引力作用而做加速运动，到c时速度达到最大，而后受甲的斥力作用做减速运动，A错，B对；乙分子由a到b的过程所受引力做正功，分子势能一直减小，C正确；而乙分子从b到d的过程，先是引力做正功，分子势能减少，后来克服斥力做功，分子势能增加，故D错．

【答案】　BC

规律总结

分子力做功是物体分子势能变化的唯一原因，只有分子力对物体做功时，分子的总动能与分子总势能之和不变.

迁移应用

2．（2013·福建高考）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________．（填选图下方的字母）

【解析】　当r

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．

【答案】　B

探究3对内能的理解

【问题导思】

1．决定物体内能的因素是什么？

2．内能与机械能有哪些区别？

3．内能和热量是否为同一概念？

1．内能的决定因素

（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．

2．内能与机械能的区别

内能是由大量分子的热运动和分子间的相对位置所决定的能；机械能是物体做机械运动和物体形变所决定的能．物体具有内能的同时又具有机械能．物体的机械能在一定的条件下可以等于零，但物体的内能不可能等于零，这是因为组成物体的分子在永不停息地做着无规则的热运动，分子之间彼此有相互作用．在热现象的研究中，一般不考虑物体的机械能．

3．内能与热量的区别

内能是一个状态量，一个物体在不同的状态下有不同的内能，而热量是一个过程量，它表示由于热传递而引起的内能变化过程中转移的能量，即内能的改变量．如果没有热传递，就无所谓热量，但此时物体仍有一定的内能．例如，我们不能说“某物体在某温度时具有多少热量”．

特别提醒

1．研究热现象时，一般不考虑机械能，在机械运动中有摩擦时，有可能发生机械能转化为内能．

2．物体温度升高，内能不一定增加；温度不变，内能可能改变；温度降低，内能可能增加．

例3　关于物体的内能，下列叙述中正确的是（　　）

A．温度高的物体比温度低的物体内能大

B．物体的体积增大时，内能也增大

C．内能相同的物体，它们的分子平均动能一定相同

D．内能不相同的物体，它们的分子平均动能可能相同

【审题指导】　

（1）温度不是决定内能大小的唯一因素；

（2）内能相同，分子的平均动能不一定相同．

【解析】　温度高的物体与温度低的物体相比较，温度低的物体的分子平均动能小，但所有分子的热运动动能和分子势能的总和不一定小，即物体的内能不一定小，A错；物体的体积增大时，分子间的距离增大，分子势能发生变化，但不能确定分子势能是增大还是减小，即使分子势能增大，而分子的平均动能不能确定是否变化，也不能说明内能增大，B错；内能相同的物体是指物体内所有分子的动能和分子势能的总和相同，而它们的分子平均动能却不一定相同，C错；内能不同的物体，它们的温度却可能相同，即它们的分子平均动能可能相同，D正确．

【答案】　D

迁移应用

3．（2013·济南高二检测）容器中盛有冰水混合物，冰的质量和水的质量相等且保持不变，则容器内（　　）

A．冰的分子平均动能大于水的分子平均动能

B．水的分子平均动能大于冰的分子平均动能

C．水的内能大于冰的内能

D．冰的内能大于水的内能

【解析】　冰水混合物温度为0℃，冰、水温度相同，故二者分子平均动能相同，A、B错；水分子势能大于冰分子势能，故等质量的冰、水内能相比较，水的内能大于冰的内能，C对，D错．

【答案】　C

探究4综合解题方略——温度与分子动能、分子速率的关系

例4　下列说法正确的是（　　）

A．在10℃时，一个氧气分子的分子动能为Ek，当温度升高到20℃时，这个分子的分子动能为Ek′，则Ek′＜Ek

B．在10℃时，每一个氧气分子的温度都是10℃

C．在10℃时，氧气分子平均速率为

1，氢气分子平均速率为

2，则

1＜

2

D．在任何温度下，各种气体分子的平均速度都为零

【审题指导】　温度是大量分子热运动的“统计”平均效果的宏观反映，对单个分子是没有实际意义的．

【规范解答】　单个分子的动能、速率是随时变化的，因而是没有意义的，温度是大量分子做热运动时分子平均动能的标志，对个别分子也是没有意义的，A、B项错误．

氧气与氢气温度相同，分子平均动能相等：

k1＝

k2，又因m1＞m2，则

1＜

2，C选项正确．

速度是矢量，大量气体分子向各个方向运动的机会均等，所有分子的速度矢量和为零，故任何温度下，气体分子的平均速度都为零，故D选项正确．

【答案】　CD

课堂小结

【备课资源】

内能与机械能的相互转化

内能与机械能是两种不同形式的能量，在一定的条件下可以相互转化，并遵循能的转化与守恒定律.

例如：

物体自由下落时，物体中的分子在做无规则运动的同时还同时参与自由落体运动．物体的内能只和物体内分子的热运动有关，其中分子的平均动能不涉及物体宏观的动能；分子的势能也不涉及物体宏观的重力势能．如果没有空气阻力的话，不论物体自由下落多少，下落的速度多大，物体内分子热运动的平均动能和分子势能是不会发生变化的；如果有空气阻力作用的话，物体下落时机械能和物体的内能会发生相互转化.

又如：

空中飞行的子弹，它在做机械运动，对应有动能，一旦它射入固定的木板中，最后静止下来，它和木板的温度都升高，内能增大，子弹的机械能（动能）转化成为子弹和木板的内能．这一转化是通过子弹与木板之间的阻力做功来实现的．

根据能的转化与守恒定律，在机械能与内能的转化过程中，消耗了多少机械能，就有多少机械能转化为内能.

当堂双击达标

1．下列物理量与物体的内能无关的是（　　）

A．物体的温度　　　　　　B．物体的体积

C．质量　　D．物体的运动速度

【解析】　物体的内能与温度、体积以及所含的分子数有关，与物体的运动状态无关，所以D选项符合题意．

【答案】　D

2．有关“温度”的概念下列说法中正确的是（　　）

A．温度反映了每个分子热运动的剧烈程度

B．温度是分子平均动能的标志

C．一定质量的某种物质，内能增加，温度一定升高

D．温度升高时物体的每个分子的动能都将增大

【解析】　温度是分子平均动能大小的标志，而对某个确定的分子来说，其热运动的情况无法确定，不能用温度反映，故A、D错，B对．温度不升高而仅使分子的势能增加，也可以使物体内能增加，冰熔化为同温度的水就是一个例证，故C错．

【答案】　B

3．根据分子动理论，物体分子之间的距离为r0时，分子所受的斥力和引力相等，以下关于分子力和分子势能的说法正确的是（　　）

A．当分子间的距离为r0时，分子具有最大势能

B．当分子间的距离为r0时，分子具有最小势能

C．当分子间的距离为r0时，引力和斥力都是最大值

D．当分子间的距离为r0时，引力和斥力都是最小值

【解析】　当分子间的距离为r0时，分子间引力和斥力的合力为零，但引力与斥力既不都是最小值，也不都是最大值，此时分子具有最小势能，B正确．

【答案】　B

4．

（1）1kg的40℃的水跟1kg的80℃的水哪个内能多？

（2）1kg的40℃的水跟2kg的40℃的水哪个内能多？

（3）一杯100℃的开水跟一池塘常温下的水哪个内能多？

（4）1kg的100℃的水跟1kg的100℃的水蒸气哪个内能多？

【答案】　

（1）两者质量一样，同种物质，所以分子数目一样，而80℃的水比40℃的水的水分子平均动能大，所以1kg的80℃的水的总动能比1kg的40℃的水大，若不考虑水的膨胀引起的体积微小变化，则1kg的80℃的水的内能多．

（2）1kg的40℃的水跟2kg的40℃的水比较，2kg的40℃的水内能多，因为后者分子数目多．

（3）虽然100℃的水的水分子平均动能较大，但池塘的水的分子数比一杯水的分子数多得多，故一池塘常温下的水的内能比一杯100℃的开水的内能多．

（4）它们的质量相等，因而所含分子数相等，分子的平均动能也相同，但100℃的水蒸气分子势能比100℃的水大，故1kg的100℃的水蒸气的内能比1kg的100℃的水的内能多