2019届高考物理一轮复习讲义：第14章 第1讲　分子动理论　内能(含答案)

第1讲　分子动理论　内能

板块一　主干梳理·夯实基础

【知识点1】　分子动理论　Ⅰ

1．物体是由大量分子组成的

(1)分子的大小

①分子直径：数量级是10－10 m；

②分子质量：数量级是10－26 kg；

③测量方法：油膜法。

(2)阿伏加德罗常数

1 mol任何物质所含有的粒子数，NA＝6.02×1023 mol－1。

2．分子做永不停息的无规则运动

(1)扩散现象

①定义：不同物质能够彼此进入对方的现象。

②实质：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。

(2)布朗运动

①定义：悬浮在液体中的微粒的永不停息的无规则运动。

②成因：液体分子无规则运动，对固体微粒撞击作用不平衡造成的。

③特点：永不停息，无规则；微粒越小，温度越高，布朗运动越显著。

④结论：反映了液体分子的无规则运动。

(3)热运动

①定义：分子永不停息的无规则运动。

②特点：温度越高，分子无规则运动越激烈。

3．分子间的相互作用力

(1)引力和斥力同时存在，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，斥力比引力变化更快。

(2)分子力随分子间距离的变化图象如图所示。

(3)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，F引、F斥迅速减为零，分子力F＝0。

【知识点2】　温度是分子平均动能的标志、内能　Ⅰ

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＋273.15 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)平均动能是所有分子热运动的动能的平均值，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)定义：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；

宏观上——决定于物体的体积。

5．物体的内能

(1)物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和叫物体的内能，内能是状态量。

(2)对于给定的物体，其内能大小与物体的温度和体积有关。

(3)物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关。

(4)决定内能的因素

微观上：分子动能、分子势能、分子个数。

宏观上：温度、体积、物质的量(摩尔数)。

(5)改变物体的内能有两种方式

做功：当做功使物体的内能发生改变时，外界对物体做了多少功，物体内能就增加多少；物体对外界做了多少功，物体内能就减少多少。

热传递：当热传递使物体的内能发生改变时，物体吸收了多少热量，物体内能就增加多少；物体放出了多少热量，物体内能就减少多少。

【知识点3】　实验：用油膜法估测分子的大小

实验目的

1.了解本实验的实验原理及所需要的器材，了解实验的注意事项；

2.会正确测出一滴油酸酒精溶液中油酸的体积及形成油膜的面积；

3.会计算分子的大小，正确处理实验数据。

实验原理

如图所示，测出一滴油酸酒精溶液在水面上形成的单分子油膜面积，将油酸分子看作球形，用d＝计算出油膜的厚度，其中V为一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积，S为油膜面积，这个厚度d就是油酸分子的直径。

实验器材

清水、酒精、油酸、量筒、浅盘(边长约30～40 cm)、注射器(或滴管)、玻璃板(或有机玻璃板)、彩笔、痱子粉(石膏粉)、坐标纸、容量瓶(500 mL)。

实验步骤

1.用稀酒精溶液及清水清洗浅盘，充分洗去油污、粉尘，以免给实验带来误差。

2.配制油酸酒精溶液，取油酸1  mL，注入500 mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500 mL刻线为止，摇动容量瓶，使油酸充分在酒精中溶解，这样就得到了500 mL含1 mL纯油酸的油酸酒精溶液。

3.用注射器或滴管将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积VN时的滴数N。

4.根据V0＝算出每滴油酸酒精溶液的体积V0。

5.向浅盘里倒入约2 cm深的水，并将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上。

6.用注射器或滴管在水面上滴一滴油酸酒精溶液。

7.待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板(或有机玻璃板)放在浅盘上，并用彩笔在玻璃板上描画出油酸薄膜的形状。

8.将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S(求面积时以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个)。

9.根据油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴溶液中纯油酸的体积V，并代入公式d＝算出油酸薄膜的厚度d。

10.重复以上实验步骤，多测几次油酸薄膜的厚度，求平均值，即为油酸分子的直径大小。

注意事项

1.油酸酒精溶液配制后不要长时间放置，以免改变浓度，产生误差；

2.注射器针头高出水面的高度应在1 cm之内，当针头靠水面很近(油酸酒精溶液未滴下之前)时，会发现针头下方的粉层已被排开，这是由于针头中酒精挥发所致，不影响实验效果；

3.实验之前要训练好滴法；

4.待测油酸面扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓，扩散后又收缩有两个原因：一是水面受油酸液滴冲击凹陷后又恢复，二是酒精挥发后液面收缩；

5.当重做实验时，水从浅盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦去，再用清水冲洗，这样可保持浅盘的清洁；

6.从浅盘的中央加痱子粉，使粉自动扩散至均匀，这是由于以下两种因素所致：第一，加粉后水的表面张力系数变小，水将粉粒拉开；第二，粉粒之间的排斥。这样做比粉撒在水面上的实验效果好；

7.本实验只要求估算分子大小，实验结果数量级符合要求即可；

8.实验中所用的油酸及酒精都应取较纯药品，否则会影响结果。另外，实验中所有的容器必须洁净，不能有油污；

9．计算时注意单位和数量级，以及有效数字要求，细心求解、计算。

板块二　考点细研·悟法培优　　　　　　　　　　　　　　　　　

考点1  微观量的估算  [解题技巧]

1．分子模型

物质有固态、液态和气态三种状态，不同物态下应将分子看成不同的模型。

(1)固体、液体分子一个一个紧密排列，可将分子看成球形或立方体形，如图所示。分子间距等于小球的直径或立方体的棱长，所以d＝(球体模型)或d＝(立方体模型)。

(2)气体分子不是一个一个紧密排列的，它们之间的距离很大，所以气体分子的大小不等于每个分子所占据的平均空间。如图所示，此时每个分子占据的空间视为棱长为d的立方体，所以d＝。

2．微观量：分子体积V0、分子直径d、分子质量m。

3．宏观量：物体体积V、摩尔体积Vmol、物体的质量M、摩尔质量Mmol、物体的密度ρ。

4．关系

(1)分子的质量：m＝＝。

(2)分子的体积：V0＝＝。对气体，V0表示分子占据的空间。

(3)物体所含的分子数：n＝·NA＝·NA，

或n＝·NA＝·NA。

例1　用放大600倍的显微镜观察布朗运动，估计放大后的小颗粒(碳)体积为0.1×10－9 m3，碳的密度为2.25×103 kg/m3，摩尔质量是1.2×10－2 kg/mol，阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol－1，则：

(1)该小碳粒含分子数约为多少个？(取一位有效数字)

(2)假设小碳粒中的分子是紧挨在一起的，试估算碳分子的直径。

(1)求解分子大小时，常用哪两种模型？

提示：球形和立方体形。

(2)如何求小碳粒的实际体积？

提示：V实际＝。

尝试解答　(1)5×1010个__(2)2.6×10－10_m。

(1)设小颗粒棱长为a，放大600倍后，则其体积为

V＝(600a)3＝0.1×10－9 m3。

实际体积为V′＝a3＝ m3

质量为m＝ρV′＝1.0×10－15 kg

含分子数为

n＝NA＝×6.02×1023＝5×1010(个)。

(2)将碳分子看成球体模型，则有＝π3＝

得d＝ ＝  m＝2.6×10－10 m。

总结升华

微观量的求解方法

(1)分子的大小、分子体积、分子质量属微观量，直接测量它们的数值非常困难，可以借助较易测量的宏观量结合摩尔体积、摩尔质量等来估算这些微观量，其中阿伏加德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁和纽带。

(2)建立合适的物理模型，通常把固体、液体分子模拟为球形或小立方体形，如上例中将碳分子看成球形；气体分子所占据的空间则可建立立方体模型。

　[2017·大连模拟](多选)某气体的摩尔质量为Mmol，摩尔体积为Vmol，密度为ρ，每个分子的质量和体积分别为 m和V0，则阿伏加德罗常数NA不可表示为(　　)

A．NA＝   B．NA＝

C．NA＝   D．NA＝

答案　CD

解析　阿伏加德罗常数NA＝＝＝，其中V为每个气体分子所占有的体积，而V0是气体分子的体积，故A、B正确，C错误；D中ρV0不是气体分子的质量，因而也是错误的。

考点2  分子力、分子势能与分子间距离的关系  [拓展延伸]

分子力与分子势能

例2　[2017·广西柳州模拟]分子势能与分子力随分子间距离r变化的关系如图甲所示。现将甲分子固定在坐标原点O，乙分子只受两分子间的作用力沿x轴正方向运动，两分子间的分子势能Ep与两分子间距离x的变化关系如图乙所示。设在移动过程中两分子所具有的总能量为0，则(　　)

A．乙分子在P点时加速度最大

B．乙分子在Q点时分子势能最小

C．乙分子在Q点时处于平衡状态

D．乙分子在P点时分子动能最大

(1)分子的引力和斥力随分子间距变化的规律？

提示：分子的引力和斥力都随分子间距的增大而减小，但分子斥力减小得快。

(2)甲图中，最低点对应的距离多大？

提示：甲图中，分子力图象的最低点对应的位置是r>r0的某一值。分子势能图象的最低点对应的位置是r＝r0。

尝试解答　选D。

根据题意，乙分子的分子动能和两分子间的分子势能之和为零，所以当分子势能最小时，乙分子的分子动能最大，当分子势能为零时，乙分子的分子动能也为零。观察题图乙可知，乙分子在P点时分子势能最小，则乙分子在P点时的分子动能最大，此处分子力为零，加速度为零，选项A错误，D正确。乙分子在Q点时分子势能为零，但不是最小，此处，分子力不为零，加速度不为零，选项B、C错误。

总结升华

判断分子势能变化的三种方法

方法一：根据分子力做功判断。分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增加。

方法二：利用分子势能与分子间距离的关系图线判断。如图所示。

方法三：与弹簧类比。弹簧处于原长时(r＝r0)弹性势能最小，在此基础上：r↑，Ep↑；r↓，Ep↑。

　(多选)关于分子间的相互作用力，以下说法中正确的是(　　)

A．当分子间的距离r＝r0时，分子力为零，说明此时分子间既不存在引力，也不存在斥力

B．分子力随分子间距离的变化而变化，当r>r0时，随着距离的增大，分子间的引力和斥力都增大，但引力比斥力增大得快，故分子力表现为引力

C．当分子间的距离r<r0时，随着距离的减小，分子间的引力和斥力都增大，但斥力比引力增大得快，故分子力表现为斥力

D．当分子间的距离r>10－9 m时，分子间的作用力可以忽略不计

答案　CD

解析　当分子间距离r＝r0时，分子间引力和斥力大小相等，分子力为零，并不是不存在斥力和引力，A选项错误。当r>r0时，随着分子间距离的增大，分子间的引力和斥力都减小，但斥力比引力减小得快，故分子力表现为引力，所以B选项错误。当r<r0时，随着分子距离的减小，分子间的引力和斥力都增大，但斥力比引力增大得快，故分子力表现为斥力，所以C选项正确。当分子间距r>10－9 m时，分子间的引力、斥力都很小，可以忽略不计，所以分子间的作用力也可以忽略不计。

考点3  物体的内能  [对比分析]

1．物体的内能与机械能的比较

2．温度、内能、热量、功的比较

例3　关于物体的内能，以下说法正确的是(　　)

A．不同物体，温度相等，内能也相等

B．所有分子的分子势能增大，物体的内能也增大

C．温度升高，分子平均动能增大，但内能不一定增大

D．只要两物体的质量、温度、体积相等，两物体的内能一定相等

(1)一定质量的物体，内能由什么决定？

提示：由温度和体积决定。

(2)一定质量的理想气体，内能由什么决定？

提示：仅由温度决定。

尝试解答　选C。

物体的内能是由物质的量、温度、体积共同决定，不同物体，温度相等，体积和物质的量不确定，内能不一定相等，A选项错误。所有分子的势能增大，物体的分子势能增大，但内能不一定增大，B选项错误。温度升高，分子的平均动能增大，但内能不一定增大，C选项正确。物体的质量、温度、体积相等，但分子数可能不同，内能不一定相等，D选项错误。

总结升华

分析物体的内能问题的技巧

分析物体的内能问题应当明确以下几点：

(1)内能是对物体而言的，不存在某个分子内能的说法。

(2)决定内能大小的因素为温度、体积、物质的量。

(3)做功和热传递都可以改变物体的内能。

　[2017·江西南昌一模](多选)关于物体的内能，以下说法中正确的是(　　)

A．物体吸收热量，内能一定增大

B．物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少

C．物体体积改变，内能可能不变

D．质量相同的0 ℃水的内能比0 ℃冰的内能大

答案　BCD

解析　影响物体内能的因素有做功和热传递，物体吸收热量，不知做功情况，内能变化不确定，A选项错误。由ΔU＝W＋Q，对外做功W取负，外界对物体做功W取正，吸热Q取正，放热Q取负，ΔU为正时，物体内能增加，ΔU为负时，物体内能减少，B选项正确。当物体的体积改变时，就有做功情况存在，但热传递情况不确定，所以内能可能不变，C选项正确。0 ℃的冰转化为0 ℃的水需要吸热，质量相同的0 ℃水的分子势能比0 ℃冰的分子势能大，分子动能相同，所以水的内能大，D选项正确。

考点4  用油膜法估测分子的大小  [深化理解]

用油膜法估测分子的大小是将分子看成球形模型，将微观量测量转化为宏观量测量，要准确测出一滴油酸溶液中的纯油酸体积，以及该体积油酸在水面上形成的油酸薄膜的面积。

误差分析

例4　利用油膜法估测油酸分子的大小，实验器材有：浓度为0.05%(体积分数)的油酸酒精溶液、最小刻度为0.1 mL的量筒、盛有适量清水的规格为30 cm×40 cm的浅盘、痱子粉、橡皮头滴管、玻璃板、彩笔、坐标纸。

(1)下面是实验步骤，请填写所缺的步骤C。

A．用滴管将浓度为0.05%的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下滴入1  mL油酸酒精溶液时的滴数N；

B．将痱子粉均匀地撒在浅盘内的水面上，用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液，从靠近水面处向浅盘中央一滴一滴地滴入油酸酒精溶液，直到稳定时油酸薄膜有足够大的面积且不与器壁接触为止，记下滴入的滴数n；

C．________________________________________________________________________；

D．将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，算出油酸薄膜的面积S。

(2)用已给的和测得的物理量表示单个油酸分子的大小________(单位：cm)。

(1)如何计算出一滴纯油酸的体积？

提示：V0＝，N为滴入1 mL油酸酒精溶液时的滴数，V为1 mL油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积。

(2)怎样计算油酸分子的直径？

提示：用纯油酸的体积除以油酸膜的面积。

尝试解答　(1)待薄膜轮廓稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将油酸膜的轮廓画在玻璃板上

(2)。

(1)待薄膜轮廓稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将油酸薄膜的轮廓画在玻璃板上。

(2)每滴油酸酒精溶液的体积为 cm3

n滴油酸酒精溶液所含纯油酸的体积为

V＝×0.05 % cm3

所以单个油酸分子的直径大小d＝＝ cm。

总结升华

油膜法估测分子大小的思路

(1)理解分子模型，理解油酸分子在水面上形成的薄膜厚度即分子直径。

(2)明确溶质和溶剂的体积浓度关系，正确求出纯油酸体积V。

(3)准确“数”出轮廓内正方形个数，计算出油膜的面积S。

(4)利用d＝求得分子直径。

　(多选)一滴油酸酒精溶液含质量为m的纯油酸，滴在液面上扩散后形成的最大面积为S。已知纯油酸的摩尔质量为M、密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA，下列表达式中正确的有   (　　)

A．油酸分子的直径d＝

B．油酸分子的直径d＝

C．油酸所含的分子数N＝NA

D．油酸所含的分子数N＝NA

答案　BC

解析　设油酸分子的直径为d，则有dS＝⇒d＝，B正确；设油酸所含的分子数为N，则有N＝NA，C正确。