2020版高考物理粤教版大一轮复习讲义:第十三章 第1讲 分子动理论 内能 Word版含解析.pdf
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1、五年高考(全国卷)命题分析 五年常考热点五年未考重点 分子动理论 内能 2018 2017 2016 2015 2014 1 卷 33(1)、2 卷 33(1)、3 卷 33(1) 1 卷 33(1) 3 卷 33(1) 2 卷 33(1) 2 卷 33(1) 固定和液体的性质20151 卷 33(1) 热学图象问题 2018 2016 2014 3 卷 33(1) 2 卷 33(1) 1 卷 33(1) 气体实验定律的应 用(液体封闭类) 2018 2017 2015 3 卷 33(2) 3 卷 33(2) 2 卷 33(2) 气体实验定律的应 用(活塞封闭类) 2018 2017 2016
2、 1 卷 33(2)、2 卷 33(2) 1 卷 33(2) 3 卷 33(2) 1.微观量的估算 问题 2.分子力及分子 势能 3.气体实验定律 的微观解释 4.实验:油膜法估 测分子的大小 2015 2014 1 卷 33(2) 1 卷 33(2)、2 卷 33(2) 热力学定律的理解 和应用 2017 2016 2 卷 33(1)、3 卷 33(1) 1 卷 33(1) 热学综合问题 2017 2016 2 卷 33(2) 1 卷 33(2)、2 卷 33(2) 1.考查方式:从近几年高考题来看,对于热学内容的考查,形式比较固定,一般第(1) 问为选择题,5 个选项,并且是对热学单一知识
3、点从不同角度设计问题;第(2)问计算 题始终围绕气体性质进行命题,且为液体封闭或活塞封闭的两类模型的交替命题. 2.命题趋势 : 明年的命题仍将是坚持以上考查方式的特点和规律,在创设新情景和题给 信息方面可能有突破. 第第 1 讲 分子动理论 内能讲 分子动理论 内能 一、分子动理论 1.物体是由大量分子组成的 (1)分子的大小 分子的直径(视为球模型):数量级为 1010 m; 分子的质量:数量级为 1026 kg. (2)阿伏加德罗常数 1 mol 的任何物质都含有相同的粒子数.通常可取 NA6.021023 mol1; 阿伏加德罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁. 2.分子永不停息
4、地做无规则运动 (1)扩散现象 定义:不同物质能够彼此进入对方的现象; 实质:扩散现象并不是外界作用引起的,也不是化学反应的结果,而是由分子的无规则运 动产生的物质迁移现象,温度越高,扩散现象越明显. (2)布朗运动 定义:悬浮在液体中的小颗粒的永不停息的无规则运动; 实质:布朗运动反映了液体分子的无规则运动; 特点:颗粒越小,运动越明显;温度越高,运动越剧烈. (3)热运动 分子的永不停息的无规则运动叫做热运动; 特点:分子的无规则运动和温度有关,温度越高,分子运动越激烈. 3.分子间同时存在引力和斥力 (1)物质分子间存在空隙,分子间的引力和斥力是同时存在的,实际表现出的分子力是引力和 斥
5、力的合力; (2)分子力随分子间距离变化的关系:分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小,随 分子间距离的减小而增大,但斥力比引力变化得快; (3)分子力与分子间距离的关系图线(如图 1 所示) 图 1 由分子间的作用力与分子间距离的关系图线可知: 当 rr0时,F引F斥,分子力为零; 当 rr0时,F引F斥,分子力表现为引力; 当 rr0时,F引F斥,分子力表现为斥力; 当分子间距离大于 10r0(约为 109 m)时,分子力很弱,可以忽略不计. 自测 1 根据分子动理论,下列说法正确的是( ) A.一个气体分子的体积等于气体的摩尔体积与阿伏加德罗常数之比 B.显微镜下观察到的墨水中的小
6、炭粒所做的不停地无规则运动,就是分子的运动 C.分子间的相互作用的引力和斥力一定随分子间的距离增大而增大 D.分子势能随着分子间距离的增大,可能先减小后增大 答案 D 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加 德罗常数之比,故 A 错误;显微镜下观察到的墨水中的小炭粒所做的不停地无规则运动,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;分子间的相互作用 力随分子间距离增大而减小,但斥力减小得更快,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. 二、温度和内能
7、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:Tt273.15 K. 3.分子的动能 (1)分子动能是分子热运动所具有的动能; (2)分子热运动的平均动能是所有分子热运动动能的平均值,温度是分子热运动的平均动能的 标志; (3)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:由于分子间存在着引力和斥力,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 微观上:决定于分子间距离和分子排列情况; 宏观上:决定于体积和状态. 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
8、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. 自测 2 (多选)对内能的理解,下列说法正确的是( ) A.系统的内能是由系统的状态决定的 B.做功可以改变系统的内能,但是单纯地对系统传热不能改变系统的内能 C.不计分子之间的分子势能,质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能 D.1 g 100 水的内能小于 1 g 100 水蒸气的内能 答案 AD 解析 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量,所以是由系统的状态决定的,A 正
9、确;做功和热传递都可以改变系统的内能,B 错误;质量和温度相同的氢气和氧气的平均 动能相同,但它们的物质的量不同,内能不同,C 错误 ; 在 1 g 100 的水变成 100 水蒸气 的过程中,分子间距离变大,要克服分子间的引力做功,分子势能增大,所以 1 g 100 水的 内能小于 1 g 100 水蒸气的内能,D 正确. 命题点一 微观量估算的“两种建模方法”命题点一 微观量估算的“两种建模方法” 1.求解分子直径时的两种模型(对于固体和液体) (1)把分子看成球形,d. 36V0 (2)把分子看成小立方体,d. 3 V0 提醒:对于气体,利用 d算出的不是分子直径,而是气体分子间的平均距
10、离. 3 V0 2.宏观量与微观量的相互关系 (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、物体的密度 . (3)相互关系 一个分子的质量:m0. M NA Vmol NA 一个分子的体积:V0(注:对气体,V0为分子所占空间体积); Vmol NA M NA 物体所含的分子数:NNANA或 NNANA. V Vmol m Vmol m M V M 例 1 (2018湖南省长沙市雅礼中学模拟二)空调在制冷过程中,室内空气中的水蒸气接触蒸 发器(铜管)液化成水,经排水管排走,空气中水分越来越少,人会感
11、觉干燥.某空调工作一段 时间后,排出液化水的体积 V1.0103 cm3.已知水的密度 1.0103 kg/m3、摩尔质量M 1.8102 kg/mol,阿伏加德罗常数 NA6.01023 mol1.试求:(结果均保留一位有效数字) (1)该液化水中含有水分子的总数 N; (2)一个水分子的直径 d. 答案 (1)31025个 (2)41010 m 解析 (1)V1.0103 cm3,水的物质的量 nV M 水分子数:NnNA 则得 NNA61023个31025个. V M 1.0 103 1.0 103 106 1.8 102 (2)建立水分子的球模型. 每个水分子的体积为 V0 V N V
12、 V M NA M NA 又 V0 d3 1 6 故得水分子直径 d, 3 6M NA 联立解得 d41010 m. 变式 1 氙气灯在亮度、耗能及寿命上都比传统灯有优越性.某轿车的灯泡的容积 V1.5 mL, 充入氙气的密度 5.9 kg/m3, 摩尔质量M0.131 kg/mol, 阿伏加德罗常数 NA61023 mol1,试估算灯泡中:(结果均保留一位有效数字) (1)氙气分子的总个数; (2)氙气分子间的平均距离. 答案 (1)41019个 (2)3109 m 解析 (1)设氙气的物质的量为 n,则 n, V M 氙气分子的总个数 NNA V M 61023mol1 5.9 kg/m3
13、 1.5 106 m3 0.131 kg/mol 41019个. (2)每个分子所占的空间为 V0V N 设分子间平均距离为 a,则有 V0a3, 则 a3109 m. 3V N 命题点二 布朗运动与分子热运动命题点二 布朗运动与分子热运动 1.布朗运动 (1)研究对象:悬浮在液体或气体中的小颗粒; (2)运动特点:无规则、永不停息; (3)相关因素:颗粒大小、温度; (4)物理意义:说明液体或气体分子做永不停息的无规则的热运动. 2.扩散现象:相互接触的物体分子彼此进入对方的现象. 产生原因:分子永不停息地做无规则运动. 3.扩散现象、布朗运动与热运动的比较 现象扩散现象布朗运动热运动 活动
14、 主体 分子微小固体颗粒分子 区别 分子的运动,发生在固 体、液体、气体任何两 种物质之间 比分子大得多的微粒 的运动,只能在液体、 气体中发生 分子的运动,不能通过 光学显微镜直接观察到 共同点都是无规则运动;都随温度的升高而更加激烈 联系扩散现象、布朗运动都反映分子做无规则的热运动 例 2 (多选)(2018河北省“名校联盟”质量监测一)下列选项正确的是( ) A.液体温度越高,悬浮颗粒越小,布朗运动越剧烈 B.布朗运动是指悬浮在液体中固体颗粒的分子的无规则运动 C.液体中的扩散现象是由于液体的对流形成的 D.扩散现象是由物质分子无规则运动产生的 E.当分子间距增大时,分子间的引力和斥力都
15、减小 答案 ADE 解析 温度越高,分子运动越剧烈,悬浮在液体中的颗粒越小,撞击越容易不平衡,则它的 布朗运动就越显著,A 正确 ; 布朗运动是悬浮微粒的无规则运动,不是分子的无规则运动,B 错误;扩散现象是由物质分子无规则运动产生的,液体中的扩散现象是由于液体分子的无规 则运动引起的,C 错误,D 正确;当分子间距增大时,分子间的引力和斥力都减小,E 正确. 变式 2 (多选)下列说法正确的是( ) 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.布朗运动的激烈程度与温度有关,这说明分子运动的激烈程度与温度有关 D.扩散现象在气体、液体和固体中都能发生 E.布朗运动
16、就是热运动 答案 ACD 变式 3 (多选)(2018福建省泉州市考前适应性模拟)近期我国多个城市的 PM2.5 数值突破警 戒线,受影响最严重的是京津冀地区,雾霾笼罩,大气污染严重.PM2.5 是指空气中直径等于 或小于 2.5 微米的悬浮颗粒物,其漂浮在空中做无规则运动,很难自然沉降到地面,吸入后 对人体形成危害.矿物燃料燃烧的排放是形成 PM2.5 的主要原因.下列关于 PM2.5 的说法中正 确的是( ) A.PM2.5 的尺寸与空气中氧分子尺寸的数量级相当 B.PM2.5 在空气中的运动属于布朗运动 C.温度越低,PM2.5 运动越剧烈 D.倡导低碳生活减少煤和石油等燃料的使用能有效
17、减小 PM2.5 在空气中的浓度 E.PM2.5 中颗粒小一些的,其颗粒的运动比其他颗粒更为剧烈 答案 BDE 解析 PM2.5 的直径等于或小于 2.5 微米,而空气中氧分子尺寸的数量级为 1010 m,故两者 大小不相当, 选项A错误 ; PM2.5在空气中的运动属于布朗运动, 选项B正确 ; 温度越高, PM2. 5 活动越剧烈,选项 C 错误;倡导低碳生活减少煤和石油等燃料的使用能有效减小 PM2.5 在空 气中的浓度,选项 D 正确;PM2.5 中颗粒小一些的,其颗粒的运动比其他颗粒更为剧烈,选 项 E 正确. 例3 (多选)(2017全国卷33(1)氧气分子在0 和100 温度下单
18、位速率间隔的分子数占 总分子数的百分比随气体分子速率的变化分别如图 2 中两条曲线所示.下列说法正确的是 ( ) 图 2 A.图中两条曲线下的面积相等 B.图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形 C.图中实线对应于氧气分子在 100 时的情形 D.图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目 E.与 0 时相比,100 时氧气分子速率出现在 0400 m/s 区间内的分子数占总分子数的 百分比较大 答案 ABC 解析 根据图线的物理意义可知,曲线下的面积表示百分比的总和,所以图中两条曲线下的 面积相等,选项 A 正确;温度是分子平均动能的标志,且温度越高,速率大的分子所占比例 较大,所以图中实线
19、对应于氧气分子平均动能较大的情形,虚线对应于氧气分子平均动能较 小的情形,选项 B、C 正确;根据曲线不能求出任意区间的氧气分子数目,选项 D 错误;由 图线可知100 时的氧气分子速率出现在0400 m/s区间内的分子数占总分子数的百分比比 0 时的百分比小,选项 E 错误. 变式 4 (2017北京理综13)以下关于热运动的说法正确的是( ) 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 答案 C 解析 分子热运动的快慢只与温度有关, 与物体速度无关, 温度越高, 分子
20、热运动越剧烈, A 错误,C 正确;水凝结成冰后,水分子的热运动仍存在,故 B 错误;热运动是大量分子运动 的统计规律,即温度是分子平均动能的标志,所以温度升高,分子的平均速率增大,并不代 表每一个分子的速率都增大,故 D 错误. 命题点三 分子动能、分子势能和内能命题点三 分子动能、分子势能和内能 1.分子力、分子势能与分子间距离的关系 分子力 F、分子势能 Ep与分子间距离 r 的关系图线如图 3 所示(取无穷远处分子势能 Ep0). 图 3 (1)当 rr0时,分子力表现为引力,当 r 增大时,分子力做负功,分子势能增加. (2)当 rr0时,分子力表现为斥力,当 r 减小时,分子力做负
21、功,分子势能增加. (3)当 rr0时,分子势能最小. 2.内能和机械能的区别 能量定义决定量值测量转化 内 能 物体内所有分子 的动能和势能的 总和 由物体内部分子 微观运动状态决 定,与物体整体 运动情况无关 任何物体都 具有内能, 恒不为零 无法测量,其 变化量可由做 功和热传递来 量度 机 械 能 物体的动能及重 力势能和弹性势 能的总和 与物体宏观运动 状态、参考系和 零势能面的选取 有关,和物体内 部分子运动情况 无关 可以 为零 可以测量 在一定条 件下可相 互转化 例 4 (多选)(2018山西省晋城市二模)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
22、止释放,两分子之间的作用力与间距关系的图象如图 4 所示,则下列说法正确的是 ( ) 图 4 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 E.该图能表示固、液、气三种状态下分子力随分子间距变化的规律 答案 BCD 解析 分子 Q 由 A 运动到 C 的过程中,一直受引力作用,速度一直增加,动能增加,分子势 能减小, 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,
23、故 Q 在 C 点时加速度大小为零,选项 C 正确;分子 Q 由 A 点释放后运动到 C 点左侧的过程 中,分子间的引力先增大后减小,然后到 C 点左侧时分子力为斥力逐渐变大,故加速度先增 大后减小再增大,选项 D 正确;题图只能表示固、液两种状态下分子力随分子间距变化的规 律,气体分子距离一般大于 10r0,选项 E 错误. 变式 5 (2018河北省定州中学承智班月考)根据分子动理论,物质分子之间的距离为 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.当分子间距离为 r0时,分子具有最大势能 B.当分子间距离为 r0时,分子具有最小势能 C.当分子间
24、距离大于 r0时,分子引力小于分子斥力 D.当分子间距离小于 r0时,分子间距离越小,分子势能越小 答案 B 解析 可以根据分子力做功判断分子势能的变化,分子力做正功,分子势能减小,分子力做 负功,分子势能增加.rr0时,分子力表现为引力,rr0时,分子力表现为斥力,当 r 从无 穷大开始减小,分子力做正功,分子势能减小,当 r 减小到 r0后继续减小时,分子力做负功, 分子势能增加,所以在 r0处有最小势能.在 rr0时,r 越大,分子势能越大,在 rr0时,r 越小,分子势能越大.故 B 正确,A、C、D 错误. 例 5 (多选)(2018全国卷33(1)对于实际的气体,下列说法正确的是(
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