資源簡介

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人教版高中物理選擇性必修3第3章第1節功、熱和內能的改變教學設計
課題
功、熱和內能的改變
單元
3
學科
物理
年級
高二
學習目標
物理觀念:知道焦耳的兩個實驗，功與內能改變及熱與內能改變的數量關系。科學思維:掌握焦耳的兩個實驗的實質，理解功、熱和內能改變的關系，會解釋相關的現象，分析相關的問題。科學探究:掌握兩個實驗的探究過程，利用“做一做”體驗功與內能改變的關系，學會觀察與操作并與他人合作交流，提高實驗技能?？茖W態度與責任:理解功、熱與內能改變的實質，實事求是，培養積極探究科學的興趣，激發學習熱情。
重點
掌握焦耳的兩個實驗的實質，理解功、熱和內能改變的關系，會解釋相關的現象，分析相關的問題。
難點
掌握焦耳的兩個實驗的實質，理解功、熱和內能改變的關系，會解釋相關的現象，分析相關的問題。
教學過程
教學環節
教師活動
學生活動
設計意圖
導入新課
引入：
冬天搓手可使雙手變暖；向手吹氣也可使雙手變暖，是什么原因使溫度發生了變化呢？
完成搓手活動。
通過課堂小活動，體會搓手讓雙手變暖的過程，激發興趣，引入課題。
講授新課
演示:在有機玻璃筒底放置少量的易燃物,例如蓬松的棉花,迅速壓下筒中的活塞,觀察筒底物品的變化.這個實驗說明了什么？一、焦耳的實驗1818年12月24日生于英國曼徹斯特
，起初研究電學和磁學.
1840年在英國皇家學會上宣布了電流通過導體產生熱量的定律，即焦耳定律.焦耳測量了熱與機械功之間的當量關系——熱功當量，為熱力學第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實驗基礎.實驗一：對系統做機械功重物下落帶動輪葉旋轉，通過攪拌對絕熱容器內的液體做功，使液體升溫，即狀態發生變化.結論：只要重力所做的功相同，容器內水溫上升的數值都是相同的，即系統狀態的變化是相同的.實驗二：對系統做電功電流通過電熱絲使絕熱
容器內的液體溫度升高.結論：對同一系統，在絕熱過程中只要所做的電功相同，系統溫度上升的數值就相同，即系統的狀態變化相同.思考：焦耳的熱功當量實驗和電流熱效應給水加熱的實驗中做功的方式相同嗎？你能得出什么結論？在各種不同的絕熱過程中，如果使系統從狀態1變為狀態2，所需外界做功的數量是相同的.也就是說，在各種不同的絕熱過程中，要使系統狀態發生變化，做功的數量只由始末兩個狀態決定，與做功方式無關.絕熱過程：系統只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程.在熱力學系統的絕熱過程中，外界對系統所做的功僅由過程的始末兩個狀態決定，不依賴于做功的具體過程和方式。類比思考：哪些力做功僅由物體的起點和終點兩個位置決定，與物體的運動路徑無關？二、內能1、任何一個熱力學系統都必定存在一個只依賴于系統自身狀態的物理量，這個物理量在兩個狀態間的差別與外界在絕熱過程中對系統所做的功相聯系.我們把這個物理量稱為系統的內能.思考：我們曾經學習過內能的概念是什么呢？當時講的內能的變化與什么有關？而這一致嗎？有何關系？①宏觀定義（熱力學對內能的定義）：任何一個熱力學系統都必定存在一個只依賴于系統自身狀態的一種能量，這種能量叫做系統的內能。②微觀定義（分子動理論對內能的定義）：物體中所有分子的熱運動動能和分子勢能的總和，叫做物體的內能。2、當系統從狀態1經過絕熱過程達到狀態2時，內能的增加量△U=U2-U1就等于外界對系統所做的功W，即△U=W.拓展思考：在絕熱過程中，外界對系統做功，系統的內能怎么變？數量上有什么關系？若系統對外界做功呢？三、功與內能的改變實驗錄像：鉆木取火演示：在燒瓶里加入水，水的上方有水蒸氣.用帶孔橡皮塞把瓶口塞住，向瓶內打氣，當瓶塞跳出時，觀察瓶內的變化.1、實驗研究的對象是瓶中的氣體與打氣筒中的氣體，那么我們的系統也就是這二部分氣體.2、呈現霧狀3、空氣對活塞做功，內能減少，溫度降低，使水蒸氣液化成小水珠.小結：功和內能變化的關系做功可以改變系統的內能．功是系統內能轉化的量度．(1)外界對系統做功，系統的內能增加．在絕熱過程中，內能的增量就等于外界對系統做的功．即ΔU＝U2－U1＝W.(2)系統對外界做功，系統的內能減少．在絕熱過程中，系統對外界做多少功，內能就減少多少，即W＝ΔU.課堂練習1、地面附近有一正在上升的空氣團，它與外界的熱交換忽略不計．已知大氣壓強隨高度增加而降低，則該空氣團在上升過程中(不計氣團內分子間的勢能)
(　　)A．體積減小，溫度降低
B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低
D．體積減小，溫度不變解析：壓強減小，體積增大，對外界做功，內能減小，△U=W，動能減小，溫度降低觀察生活中常見的熱傳遞現象熱傳遞的三種方式四、熱與內能的改變系統吸熱：U增加系統放熱：U減小?U=Q熱量：在單純的熱傳遞過程中系統內能變化的量度，離開熱傳遞的過程講熱量沒有意義，過程量。做功和熱傳遞的區別1、內能改變多少的度量方式不同。2、改變內能的本質不同。3、改變內能的效果是等效的。課堂練習2、(多選)關于氣體的內能，下列說法正確的是(　　)A．質量和溫度都相同的氣體，內能一定相同B．氣體溫度不變，整體運動速度越大，其內能越大C．氣體被壓縮時，內能可能不變D．一定量的某種理想氣體的內能只與溫度有關E．一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中，內能一定增加解析：質量與溫度都相同的不同理想氣體，分子的平均動能相同，但氣體的摩爾質量不同，因此分子個數不同，氣體的內能不同，A錯誤；氣體的溫度不變，氣體分子的平均動能不變，內能不變，整體運動速度增大，內能也不會改變，B錯誤；氣體被壓縮時，如果同時放熱，放出的熱量等于外界對氣體做的功，則氣體內能不變，C正確；一定量的某理想氣體，氣體分子的分子勢能為零，內能等于所有分子的動能之和，分子數一定，總動能只與溫度有關，D正確；一定量的某種理想氣體，由理想氣體狀態方程可知，在等壓膨脹過程中，氣體壓強不變，體積增大，溫度升高，內能增加，E正確．答案：CDE
觀察實驗現象。了解焦耳實驗的意義。觀察實驗現象，總結實驗結論。結合實驗現象，完成思考題。思考熱力學對內能的定義和分子動理論中對內能的定義的聯系和區別。思考內能與做功之間的關系。觀看實驗錄像。觀察實驗現象，思考問題：1.系統指的是什么？2.出現了什么現象？3.為什么會呈現霧狀？完成課堂小結。完成課堂練習。觀察和回憶生活中的常見現象?？偨Y熱與內能改變之間的關系。完成課堂練習。
結合課前動手小活動，嘗試解釋出現實驗現象的原因。了解相應的物理學史，拓寬學生的知識面。歷史再現，將學生帶入到物理中去，帶到知識海洋里。讓學生學會通過實驗類比，總結現象和規律。通過類比重力和電場力做功，理解熱力學系統的絕熱過程。提升學生在課堂上的思考容量，引出下一部分的內容。一步步設置思考問題，讓知識循序漸進。前面涉及到的現象和思考題目較多，增加課堂小結環節，幫助學生整理新知識。通過觀察和回憶生活中的常見現象。分析熱與系統內能改變的關系。
拓展提高
1、下面例子中通過熱傳遞改變物體內能的是(　　)A.感到手冷時,搓搓手就會覺得暖和些B.擦火柴時,火柴頭上的紅磷溫度升高到紅磷的燃點,火柴燃燒起來C.物體在陽光照射下溫度升高D.反復彎折一根鐵絲,彎折的部分溫度升高解析：A、B、D均是通過做功改變物體的內能,C項是通過熱傳遞的方式來改變物體內能,故C項正確。答案：C2、如圖所示,瓶內裝有少量的水,瓶口已塞緊,水上方空氣中有水蒸氣,用打氣筒向瓶內打氣,當塞子從瓶口跳出時,瓶內出現“白霧”,這一現象產生的原因可以用下面三句話解釋:甲,水蒸氣液化成小水珠;乙,瓶內氣體推動瓶塞做功;丙,內能減小,溫度降低。三句話正確的順序是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　A.甲、乙、丙
B.乙、丙、甲C.丙、甲、乙
D.乙、甲、丙解析：根據題意因果順序的順序為:空氣推動瓶塞做功——空氣內能減小溫度降低——瓶內水蒸氣液化成小水珠。答案：B3.如圖所示是古人鍛造鐵器的過程,關于改變物體內能的方式,下列說法正確的是(　　)A.加熱和鍛打屬于熱傳遞,淬火屬于做功B.加熱屬于熱傳遞,鍛打和淬火屬于做功C.加熱和淬火屬于熱傳遞,鍛打屬于做功D.加熱和淬火屬于做功,鍛打屬于熱傳遞解析：用鐵錘鍛打鐵器,鐵器會發熱,屬于做功改變物體內能;用火對鐵器加熱,鐵器從火中吸收熱量,把鐵器放在水中淬火,鐵器向水中放熱,所以加熱和淬火屬于熱傳遞改變物體內能,故選項C正確。答案：C
完成本節拓展提高。
鞏固基礎知識，學以致用。
課堂小結
總結本節課所學知識。
幫助學生形成知識框架，建立知識體系。
板書
一、焦耳的實驗實驗一：對系統做機械功實驗二：對系統做電功二、內能三、功與內能的改變四、熱與內能的改變做功和熱傳遞的區別
焦耳實驗
功、熱和內能的改變
功：△U=W
熱：△Q=W
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功、熱和內能的改變
人教版高中物理
選擇性必修3
新知導入
引入：
冬天搓手可使雙手變暖；向手吹氣也可使雙手變暖，是什么原因使溫度發生了變化呢？
新知講解
演示:在有機玻璃筒底放置少量的易燃物,例如蓬松的棉花,迅速壓下筒中的活塞,觀察筒底物品的變化.這個實驗說明了什么？
新知講解
一、焦耳的實驗
焦耳在做熱功當量實驗
焦耳
1818年12月24日生于英國曼徹斯特
，起初研究電學和磁學.
1840年在英國皇家學會上宣布了電流通過導體產生熱量的定律，即焦耳定律.焦耳測量了熱與機械功之間的當量關系——熱功當量，為熱力學第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實驗基礎.
新知講解
重物下落帶動輪葉旋轉，通過攪拌對絕熱容器內的液體做功，使液體升溫，即狀態發生變化.
實驗一：對系統做機械功
結論：只要重力所做的功相同，容器內水溫上升的數值都是相同的，即系統狀態的變化是相同的.
新知講解
實驗二：對系統做電功
電流通過電熱絲使絕熱
容器內的液體溫度升高.
結論：對同一系統，在絕熱過程中只要所做的電功相同，系統溫度上升的數值就相同，即系統的狀態變化相同.
新知講解
焦耳的熱功當量實驗和電流熱效應給水加熱的實驗中做功的方式相同嗎？你能得出什么結論？
在各種不同的絕熱過程中，如果使系統從狀態1變為狀態2，所需外界做功的數量是相同的.也就是說，在各種不同的絕熱過程中，要使系統狀態發生變化，做功的數量只由始末兩個狀態決定，與做功方式無關.
系統只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程.
絕熱過程：
新知講解
在熱力學系統的絕熱過程中，外界對系統所做的功僅由過程的始末兩個狀態決定，不依賴于做功的具體過程和方式。
類比思考：
哪些力做功僅由物體的起點和終點兩個位置決定，與物體的運動路徑無關？
重力
電場力
重力做功對應重力勢能
電場力做功對應電勢能（電能）
新知講解
二、內能
1、任何一個熱力學系統都必定存在一個只依賴于系統自身狀態的物理量，這個物理量在兩個狀態間的差別與外界在絕熱過程中對系統所做的功相聯系.我們把這個物理量稱為系統的內能.
思考：
我們曾經學習過內能的概念是什么呢？當時講的內能的變化與什么有關？而這一致嗎？有何關系？
②微觀定義（分子動理論對內能的定義）：
物體中所有分子的熱運動動能和分子勢能的總和，叫做物體的內能。
①宏觀定義（熱力學對內能的定義）：
任何一個熱力學系統都必定存在一個只依賴于系統自身狀態的一種能量，這種能量叫做系統的內能。
新知講解
新知講解
拓展思考：
在絕熱過程中，外界對系統做功，系統的內能怎么變？數量上有什么關系？若系統對外界做功呢？
2、當系統從狀態1經過絕熱過程達到狀態2時，內能的增加量△U=U2-U1就等于外界對系統所做的功W，即△U=W.
新知講解
實驗錄像：鉆木取火
三、功與內能的改變
新知講解
演示：在燒瓶里加入水，水的上方有水蒸氣.用帶孔橡皮塞把瓶口塞住，向瓶內打氣，當瓶塞跳出時，觀察瓶內的變化.
1.系統指的是什么？
2.出現了什么現象？
3.為什么會呈現霧狀？
新知講解
實驗：做功改變物體的內能
呈現霧狀
1.系統指的是什么？
實驗研究的對象是瓶中的氣體與打氣筒中的氣體，那么我們的系統也就是這二部分氣體.
2.出現了什么現象？
3.為什么會呈現霧狀？
空氣對活塞做功，內能減少，溫度降低，使水蒸氣液化成小水珠.
新知講解
由此可知：
1．外界對物體做功，物體的內能增加
2．物體對外界做功，物體的內能減少．
新知講解
在熱力學系統的絕熱過程中，外界對系統所做的功僅由過程的始末兩個狀態決定，不依賴于做功的具體過程和方式。
功是能量轉化的量度
內能U
內能只依賴于系統自身狀態的物理量，內能與狀態參量溫度、體積有關，即由它的狀態決定。
內能的增加量△U＝U2－U1等于外界對系統所做的功
△U＝W
新知講解
做功可以改變系統的內能．功是系統內能轉化的量度．
小結：功和內能變化的關系
(2)系統對外界做功，系統的內能減少．
在絕熱過程中，系統對外界做多少功，內能就減少多少，即W＝ΔU.
(1)外界對系統做功，系統的內能增加．
在絕熱過程中，內能的增量就等于外界對系統做的功．即ΔU＝U2－U1＝W.
課堂練習
1、地面附近有一正在上升的空氣團，它與外界的熱交換忽略不計．已知大氣壓強隨高度增加而降低，則該空氣團在上升過程中(不計氣團內分子間的勢能)
(　　)
A．體積減小，溫度降低
B．體積減小，溫度不變
C．體積增大，溫度降低
D．體積減小，溫度不變
C
壓強減小，體積增大，對外界做功，內能減小，△U=W，動能減小，溫度降低
新知講解
生活中常見的熱傳遞現象
新知講解
熱對流
熱輻射
熱傳導
熱傳遞的三種方式
新知講解
系統吸熱
絕功
U增加
系統放熱
U減小
絕功
?U=Q
熱量：
在單純的熱傳遞過程中系統內能變化的量度，離開熱傳遞的過程講熱量沒有意義，過程量。
四、熱與內能的改變
新知講解
做功和熱傳遞的區別
1、內能改變多少的度量方式不同。
2、改變內能的本質不同。
3、改變內能的效果是等效的。
課堂練習
2、(多選)關于氣體的內能，下列說法正確的是(　
　)
A．質量和溫度都相同的氣體，內能一定相同
B．氣體溫度不變，整體運動速度越大，其內能越大
C．氣體被壓縮時，內能可能不變
D．一定量的某種理想氣體的內能只與溫度有關
E．一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中，內能一定增加
CDE
課堂練習
解析：質量與溫度都相同的不同理想氣體，分子的平均動能相同，但氣體的摩爾質量不同，因此分子個數不同，氣體的內能不同，A錯誤；氣體的溫度不變，氣體分子的平均動能不變，內能不變，整體運動速度增大，內能也不會改變，B錯誤；氣體被壓縮時，如果同時放熱，放出的熱量等于外界對氣體做的功，則氣體內能不變，C正確；一定量的某理想氣體，氣體分子的分子勢能為零，內能等于所有分子的動能之和，分子數一定，總動能只與溫度有關，D正確；一定量的某種理想氣體，由理想氣體狀態方程可知，在等壓膨脹過程中，氣體壓強不變，體積增大，溫度升高，內能增加，E正確．
拓展提高
1、下面例子中通過熱傳遞改變物體內能的是(　　)
A.感到手冷時,搓搓手就會覺得暖和些
B.擦火柴時,火柴頭上的紅磷溫度升高到紅磷的燃點,火柴燃燒起來
C.物體在陽光照射下溫度升高
D.反復彎折一根鐵絲,彎折的部分溫度升高
解析：A、B、D均是通過做功改變物體的內能,C項是通過熱傳遞的方式來改變物體內能,故C項正確。
C
拓展提高
2、如圖所示,瓶內裝有少量的水,瓶口已塞緊,水上方空氣中有水蒸氣,用打氣筒向瓶內打氣,當塞子從瓶口跳出時,瓶內出現“白霧”,這一現象產生的原因可以用下面三句話解釋:甲,水蒸氣液化成小水珠;乙,瓶內氣體推動瓶塞做功;丙,內能減小,溫度降低。三句話正確的順序是(　　
)　　　　　　　　　　　　　　　　
A.甲、乙、丙
B.乙、丙、甲
C.丙、甲、乙
D.乙、甲、丙
解析：根據題意因果順序的順序為:空氣推動瓶塞做功——空氣內能減小溫度降低——瓶內水蒸氣液化成小水珠。
B
拓展提高
3.如圖所示是古人鍛造鐵器的過程,關于改變物體內能的方式,下列說法正確的是(　　)
A.加熱和鍛打屬于熱傳遞,淬火屬于做功
B.加熱屬于熱傳遞,鍛打和淬火屬于做功
C.加熱和淬火屬于熱傳遞,鍛打屬于做功
D.加熱和淬火屬于做功,鍛打屬于熱傳遞
解析：用鐵錘鍛打鐵器,鐵器會發熱,屬于做功改變物體內能;用火對鐵器加熱,鐵器從火中吸收熱量,把鐵器放在水中淬火,鐵器向水中放熱,所以加熱和淬火屬于熱傳遞改變物體內能,故選項C正確。
C
課堂總結
功、熱和內能
焦耳實驗
功
△U=W
熱
絕熱過程
電功
機械能
△Q=W
板書設計
一、焦耳的實驗
實驗一：對系統做機械功
實驗二：對系統做電功
二、內能
三、功與內能的改變
四、熱與內能的改變
做功和熱傳遞的區別
作業布置
課后練習和同步練習
謝謝
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