第 4 节  分子动能和分子势能  教学建议

1．教学目标

（1）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，知道分子势能与分子间距离有关。

（3）知道什么是内能，知道物体的内能与温度和体积有关。

（4）能够区别内能和机械能。

2．教材分析与教学建议

组成物体的分子在永不停息地做无规则运动。由于一种运动形式对应一种能量形式，本节就是从能量的角度运用统计思想来认识热运动的。本节内容由分子动能、分子势能和物体的内能三部分组成。

分子在做永不停息的无规则运动，因此，每个分子都具有动能，但其大小不一，且在不断地变化。在热现象的研究中，我们关心的是组成物体大量分子整体表现出来的热学性质，所以，引入了所有分子的动能的平均值，即分子热运动的平均动能，从而建立了宏观量与相应的微观量统计平均值的关系。教科书进一步根据温度与分子运动的剧烈程度的关系，得到结论：物体的温度是它的分子热运动的平均动能的标志。

关于分子势能，教科书直接阐明：“分子间存在着相互作用力，可以证明分子间的作用力所做的功与路径无关，分子组成的系统具有分子势能。”并推论得到分子势能与分子间距离的关系，如教科书图 1.4–2 所示。需要说明的是，我们可以规定分子间相距很远时（分子间几乎没有相互作用力），它们的分子势能为 0。

在学习了分子动能和分子势能的基础上，教科书直接从分子动理论的角度给出了“内能”的微观定义，并通过实例引导学生区分内能和机械能这两种不同形式的能量。

本节内容概念性很强，不能从物理实验或物理现象直接得出结论。对于重要的物理概念，要让学生知道引入的目的、确切的含义，以及与其他概念的区别和联系。要在实际情境中构建概念，让学生通过判断、推理来加深对这些概念的认识。

（1）问题引入

学生以前学习重力势能时，对该概念的引入已有一定的认识。也就是说，对重力势能这个概念的目的、确切的含义是清楚的。教学中也可以进一步复习思考。地面附近的物体会受到重力的作用，由于重力做功具有与路径无关的特点，所以存在重力势能。重力势能由地球和物体的相对位置决定。分子间也存在相互作用力，那么，分子之间是否也存在势能呢？如果存在，它会有什么特点呢？

（2）分子动能

运动的物体具有动能，组成物体的分子在不停地做无规则运动，每个分子也具有动能。由于物体中分子运动的速率不同，而且在不断变化，因此，分子的动能也有大小，且在不断改变。由于热现象是大量分子做无规则运动的结果，因此，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，这个平均值叫作分子热运动的平均动能。依照分子动理论，温度升高后分子无规则运动加剧。从分子热运动的平均动能角度来说，温度升高，分子热运动的平均动能增大。如果温度降低，那么分子热运动的平均动能减小。

（3）分子势能

使学生理解分子势能随分子间距离变化的势能曲线，是教学上的一个难点。分子势能是由分子间相对位置决定的。由于分子间存在着相互作用力，所以，分子间距离变化时，分子间的作用力做功，以此来分析分子势能的变化。从教科书图 1.4–2 中可以看到，分子间距离在 r₀ 处，分子势能最小。综合教科书中的分析，以平衡位置ro为界，分子间距离不论减小或增大，分子势能都增大。所以说，分子在平衡位置处分子势能最小。

教科书中的“思考与讨论”栏目是为了帮助学生理解分子势能随分子间距离变化的势能曲线而设置的。教学中可创设具体情境，让学生通过做功与能量变化关系，独立完成思考，也可通过以下教学片段进行教学。

 

教学片段

对分子势能的认识

问题情境  研究两个分子间的作用力做功与分子势能的关系。

问题解释  如图 1–8 甲所示，固定分子 A，当分子 B 从无穷远处（两分子间几乎没有相互作用力），逐渐靠近分子 A，分子间的作用力表现为引力，分子间的作用力做正功，分子势能减小。如图 1–8 乙所示，当分子 B 经过平衡位置 r₀ 后，再向分子 A 逐渐靠近时，分子间的作用力表现为斥力，分子间的作用力做负功，分子势能增加。

从上面的分析可推断，当分子间距离为 r₀ 时，分子势能最小。

归纳总结

• 若选定分子间距离为无穷远时的分子势能为 0，则可定性得到分子势能与分子间距离变化的关系，如教科书图 1.4–2 乙所示。
• 分子在平衡位置时的分子势能最小。
• 物体体积的变化会引起分子间距离的变化，因此，物体的体积变化时分子势能会随之变化。

---

通过此项活动，目的是培养学生对物理概念和规律的理解能力以及对物理过程的分析能力，让学生体会在分析分子势能与分子间距离关系的过程中所运用的归纳推理方法。

需要注意的是：

①由于分子距离的变化，在宏观上表现为物体的体积变化，所以微观的分子势能变化对应于宏观的物体体积变化。但是，同样是物体体积增大，有时体现为分子势能增大（在 r > r₀ 范围内），有时体现为分子势能减小（在 r < r₀ 范围内）。

②分子势能与物体体积有关，但不能简单理解成物体体积越大，分子势能就越大；体积越小，分子势能就越小。如 0℃ 的水变成 0℃ 的冰后，体积变大，但分子势能减小。所以一般来说，物体体积变化了，其对应的分子势能也将发生变化。具体怎么变化，关键要看在变化过程中分子间的作用力做正功还是负功。

（4）物体的内能

在学习了分子动能和分子势能的基础上，引入内能的概念：“物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，叫作物体的内能。”在教学过程中要注意引导学生辨识内能与机械能的区别，内能和机械能是两种不同形式的能量。物体的机械运动对应着机械能，分子热运动对应着内能。内能是由物体内大量分子的热运动和分子间的相对位置决定的能量，宏观上它与物体的温度、体积等因素有关，但与物体的机械运动情况没有关系。而机械能是由物体做机械运动和物体形变决定的能量，它是对宏观物体整体来说的。物体具有内能的同时又可以具有机械能，机械能可以为 0，但物体在任何情况下都具有内能。物体的机械能变化时，内能不一定变化，同样，物体的内能变化时，机械能不一定变化，但机械能与内能之间可以相互转化，转化过程遵循能量守恒定律。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节共 4 道习题。第 1、2 题取材于生活中常见的水滴、水蒸气、铁块，要求学生能用所学知识来解释生活现象。第 3、4 题从生活中常见的现象出发，要求学生能正确地区分内能与机械能。

 

1．内能增加。

15℃ 的水滴变成 15℃ 的水蒸气，需要吸收热量，温度没变，分子的平均动能不变，但分子势能增加，故内能增加。

 

2．内能减少。

由题意可知，晚上时铁块的温度比中午时低，分子的平均动能减小，而分子势能不变，故内能减少。

 

3．这种说法不对。

物体的温度是它的分子热运动的平均动能的标志。这里指的是分子的热运动，并不是列车及列车上物体的运动。

 

4．这种说法不对。

当我们把物体举高时，物体的重力势能增加，但物体的温度没变，物体内分子间的距离没变，故物体的内能没变。