高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变教学设计

功、热和内能的改变

【教学目标】

一、知识与技能

1．知道绝热过程的含义。

2．从热力学的角度认识内能的概念。

3．理解做功与内能改变之间的关系。

4．知道热传递过程中，物体吸收（放出）热量，温度升高（降低），内能改变。

5．了解热量的概念，热量的单位是焦耳。

二、过程与方法

1．通过观察、思考，知道物体的内能是系统的一个状态量。

2．通过探究活动，培养学生的实验探究能力、提高学生科学思维水平。

3．通过类比方法，帮助学生建立内能的概念。

三、情感、态度与价值观

1．通过主动参与学习活动，激发学生学习物理的兴趣。

2．通过实验活动，培养学生的实事求是的科学态度。

【教学重点】

1．做功与内能改变关系的探究。

2．热量与内能改变关系的探究。

3．内能概念的建立。

【教学难点】

内能概念的建立。

【教学过程】

一、新课导入

指导学生实验：冬天手冷，通常采取什么办法变暖和？

演示实验：活塞快速压缩气体，猜猜会发生什么？

指导学生实验：没有热源，有什么办法让桌子上的铁丝变热？

演示实验：铜管中的气体被橡皮塞密封，给你一条绳子，有没有办法把橡皮塞弹开？

引出猜想：做功可改变物体的热学状态。

二、新课教学

（一）焦耳的实验

1．提出问题：如何探究做功和系统热学状态改变之间的确切关系呢？

①用什么物理量标识热学状态？

②我们应该选择固、液、气哪个系统研究比较好？为什么？

③手举量热器量筒，问：放入水后，还需什么器材？

④问：温度可以用温度计监测了，装置完善了吗？

⑤问：如何做功呢？用什么方式做功呢？

⑥讨论：我们该如何设计机械做功呢？用手搅拌吗？

2．焦耳实验一（机械做功）

①焦耳实验是如何测定做功的？

②这个实验需要满足什么条件？

③焦耳实验是如何准确测量做功的？

④我们需要记录哪些实验数据？表格怎么设计？

⑤介绍这个实验的结论。

系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程。

重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化。

结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。

3．焦耳实验二（电流做功）

①如何设计电流做功？

②这个实验需要满足什么条件？

③如何准确测量电流做功的？

④介绍：当时条件所限，焦耳改用重物带动发电机做功来实现。

⑤介绍这个实验的结论。

电流通过电热丝使绝热容器内的液体温度升高。

结论：对同一系统，在绝热过程中只要所做的电功相同，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同。

4．引导得出实验结论：

对于绝热系统，从状态1到状态2，做功的值是一个定值，与具体做功的过程、方式无关。

（二）功与内能的改变

组织讨论：从状态1到状态2，系统做的功是定值，与做功的过程、方式无关，这说明了什么？

我们有没有类似的经验：确定了初状态、末状态，中间做功就是定值了，跟做功方式无关了？

分析动能定理、动量定理、重力势能，思考确定初末状态后，过程量也被唯一确定了。

引导学生得出：一个状态存在一个特定的物理量，此物理量应该是能量。

引导建立内能概念

1．内能

任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能。

得出功和内能改变关系：

当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量△??=??2−??1就等于外界对系统所做的功??，即△??=??。

2．利用功和内能变化规律解释现象

（1）组织学生实验：橡皮筋做功

①拉伸橡皮筋，触碰，感受温度变化；

②拉升状态的橡皮筋收缩，触碰，感受温度变化；

③组织学生解释现象。

（2）两位同学上台演示实验：可乐瓶充气

①高个子同学打气，矮个子同学固定打气筒；

②现象：橡皮塞弹开，可乐瓶里充满白雾。

总结：做功可以改变系统的内能。功是系统内能转化的量度。

（1）外界对系统做功，系统的内能增加。

在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功。即Δ??＝??2－??1＝??。

（2）系统对外界做功，系统的内能减少。

在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少，即??＝Δ??。

例题1：下图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（    ）

A．外界对气体做功，气体内能增大

B．外界对气体做功，气体内能减小

C．气体对外界做功，气体内能增大

D．气体对外界做功，气体内能减小

答案：A

例题2：地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中（不计气团内分子间的势能）（    ）

A．体积减小，温度降低

B．体积减小，温度不变

C．体积增大，温度降低

D．体积减小，温度不变

答案：C

（三）热与内能的改变

1．热传递定义

师：有热从高温端传到低温端，究竟有多少热过去？我们把这个量称为热量。热量从高温端传到低温端的过程叫热传递。

2．热传递的方式

展示实验：现场制造大火

烧烤金属丝并引导：在金属丝里传递热量的方式叫热传导。

提问：上方空气也热，热量是怎么传上来的？

通过冷热空气对流将热量传递上来的，这叫热对流。

提问：在火的侧边也能感受到热，热量又是怎么过来的？

主要不是热对流，是热辐射，什么叫热辐射？高温炽热的物体向外向外辐射电磁波，也叫红外线，它有显著的热效应，被我们人体接收到就会感受到热，所以热辐射是高温炽热的物体向外辐射电磁波的过程。

教师总结：热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。

分析三种方式的特点：

热传导：热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等。

热对流：靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式。

热辐射：热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强。

3．感知热传递过程

提问：热传递过程究竟是怎么进行的，热量又是如何从高温端传到低温端的？我们能否亲眼见证传热过程？

引导：热传递过程最明显的痕迹是什么？

生：温度变化

引导提问：感知到温度变化也就间接感受到了热传递，有什么办法可以感知到温度变化？

生：温度计（操作性不行）

（1）演示实验（一）

实验器材：感温勺子、冰淇淋

操作：感温勺子放入冰激凌中

现象：勺子颜色发生变化

理答：感温材料，遇到不同的温度会显示不同的色彩，可以帮助我们观察热传递。

（2）演示实验（二）（热感摄像仪观察铜丝中的热量“传递”）

实验仪器：热感摄像仪、铜丝、打火机（酒精灯）、颜色相同材料一致的背景、手机及手机支架

步骤：铜丝、手机固定，手机摄像头对准铜丝，用酒精灯给金属丝一端加热，观察摄像仪里的现象。

现象：热量从高温端逐渐向低温端传递，能看到传递的动态效果。

师：通过热感仪可以看到热量从高温端向低温端传递。

提问：热传递过程何时终呢？终结的特征是什么？

生：等温

反问：亲眼见证过吗？

（3）演示实验（三）（热感摄像仪观察液体中的热量“传递”）

实验仪器：透明上下层玻璃管、热水、冷水、热感摄像仪、温度传感器

步骤：在玻璃管下层倒入热水，再倒入冷水（量不一样多），打开隔热板，分别将两个温度计插入上下两层水中，用热感仪观察现象。

现象：经过一段时间的热对流，在热感仪画面中上下层显示亮度一样，温度相同，借助温度传感器也发现温度相同。

教师总结：热传递结束的特征是两个系统等温。

那么如果物体间要发生热传递，有什么条件？

4．发生热传递的条件：当物体之间或物体的不同部分之间存在温度差时才能发生热传递。

例题3：关于热传递，下列说法正确的是（    ）

A．热传递的实质是温度的传递

B．物体间存在温度差，才能发生热传递

C．热传递可以在任何情况下进行

D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量

答案：C

5．热与内能的改变

提问：对于这杯水，搅拌，也就是摩擦做功可以让他系统内能增加，如果不搅拌，拒绝一切做功，如果使其内能增加？

生：加热，热传递

提问：热传递时如何使系统内能增加的？

将热量从其他物体转移到这个系统中来。

提问：内能的增量和传递的热量有什么关系？

引导提问：假设有2J的热量从外界转移到这个系统当中，内能如果改变？

生：增加2J

反问：热传递能不能使系统内能减少？如何去描述？

生：可以，将热量从这个系统转移出去

提问：将2J的热量从这个系统转移出去，系统内能怎么变化？

生：减少2J

教师总结：

热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量△??=??2−??1就等于外界向系统传递的热量??，即△??=??。

当热量转移到系统当中，称为吸热，内能增加。

当热量从系统转移出去，称为放热，内能减少。

6．内能与热量的区别：

（1）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。

（2）热量是一个过程量，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量。

（3）如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能。

（四）做功和热传递的区别

师：做功和热传递都可以改变系统内能，对于某个系统（指着水，言中有物），做功可以让它内能增加2J，热传递也可以让他内能增加2J，结果一样，方式不同。

提问：做功和传热有什么区别？

引导提问：从能量守恒角度思考，内能增加，能从哪来？内能减少，能又去了哪？

师：能的来去对于做功和热传递来说是不一样的，所以我们有必要从能的来去角度去比较做功和传热的区别。

提问：从做功的角度来说说生活中有哪些实例是通过做功使内能增加的，增加的内能从哪来？

生：搓手，摩擦生热，机械能转化为内能；通电，电阻发热，电能转化为机械能；太阳能热水器，光能转化为内能。

反问：反过来，内能减少，能量又去了哪？给大家2分钟时间讨论下，到时候一起分享下。

生：蒸汽机，内能转化为机械能；

反问：内能不能转化成电能？

生：烧煤发电，内能转化为电能

理答：烧煤发电，内能是直接转化为电能吗？他内能先转化为机械能，推动发电机发电。

反问：有没有直接从内能转化为电能的例子？

演示实验（四）

实验器材：温差发电器、冷水、热水

操作：演示倒水形成水流；在温差发电器的左右两边分别放入冷水和热水，插入温差发电器

现象：电动机转动

现象解释：水流可以发电，一边是热水一边是冷水，形成温差，产生热传递，也就是热流，热流也可以发电。

反问：内能可以转化成光能吗？

生：白炽灯，发热后，内能转化为光能

教师总结：其他能与内能之间可以相互转化，在转化过程中能量形式在发生变化，热传递过程只是把系统的内能转移到另一个物体上去，还是内能，能量形式并没有发生变化。

做功和热传递在本质上是不同的：

做功使物体的内能改变，是其他形式的能量和内能之间的转化（不同形式能量间的转化）。

热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移（同种形式能量的转移）。

【练习巩固】

1．如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热（即与外界不发生热交换）容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体（     ）

A．温度传感器

B．压力传感器

C．磁传感器

D．光传感器

答案：C

2．如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空。现将隔板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中（不计气体的分子势能）（     ）

A．气体对外界做功，温度降低，内能减少

B．气体对外界做功，温度不变，内能减少

C．气体不做功，温度不变，内能不变

D．气体不做功，温度不变，内能减少

答案：C

3．下列说法正确的是（     ）

A．分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能

B．物体的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．物体的内能减小时，物体的温度可能增加

答案：D

4．一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（    ）

A．物体的机械能和内能都不变

B．物体的机械能减少，内能不变

C．物体的机械能增加，内能增加

D．物体的机械能减少，内能增加

答案：D

5．如图所示，绝热具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部。另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为EP（弹簧处于自然长度时的弹性势能为零），现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程（    ）

A．EP全部转换为气体的内能

B．EP一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能

C．EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能

D．EP一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能

答案：D

6．一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（     ）

A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加

B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少

C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加

D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少

答案：D

7．在下述现象中没有通过做功而使物体内能改变的是（     ）

A．电流通过电炉而使温度升高

B．在阳光照射下，水的温度升高

C．铁锤打铁块，使铁块温度升高

D．夏天在室内放几块冰，室内会变凉快

答案：BD

8．对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是（    ）

A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的

B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度

C．热量、功和内能的国际单位都相同

D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的

答案：CD