3.1 功、熱和內(nèi)能的改變 教案

1、3.1 功、熱和內(nèi)能的改變教材分析本節(jié)教材主要介紹了內(nèi)能的概念和改變內(nèi)能的兩種方式做功和熱傳遞。從焦耳的實(shí)驗(yàn)得出在絕熱情況下外界做功相同，那么物體的熱學(xué)狀態(tài)變化就相同，由此得出熱力學(xué)的內(nèi)能的概念。教材通過討論、再分析推理，最后得出功、熱與內(nèi)能變化的關(guān)系。本節(jié)課的教學(xué)屬于物理基本概念及通過實(shí)驗(yàn)和小組討論得出基本規(guī)律和方法的教學(xué)。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)物理觀念能建立功與內(nèi)能的改變，熱與內(nèi)能的改變的意識(shí)?？茖W(xué)思維具有從物理學(xué)的角度觀察自然現(xiàn)象，將物理學(xué)與實(shí)際相聯(lián)系的思維方式，知道做功和傳熱是改變內(nèi)能的兩種方式?？茖W(xué)探究：探究焦耳的實(shí)驗(yàn)，知道做功和傳熱的等效性。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任理解物理概念的建立的過程和規(guī)律

2、，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：功與內(nèi)能的改變，熱與內(nèi)能的改變。教學(xué)難點(diǎn)：內(nèi)能概念的建立，功與內(nèi)能的改變，熱與內(nèi)能的改變。教學(xué)準(zhǔn)備多媒體課件，酒精、打氣筒、塑料瓶，橡膠塞等。教學(xué)過程冷熱變化是最早引起人們關(guān)注的自然現(xiàn)象之春夏秋冬，溫暑涼寒，何時(shí)何處不與冷熱相關(guān)?本章就開始學(xué)習(xí)與熱現(xiàn)象有關(guān)的知識(shí)。一、新課引入在空氣壓縮引火儀底部放置少量的硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，可以觀察到硝化棉燃燒的火苗。為什么筒底的硝化棉會(huì)被，點(diǎn)燃呢?你能解釋這個(gè)現(xiàn)象嗎?播放壓燃實(shí)驗(yàn)視頻。分析：用活塞壓縮空氣對(duì)空氣做功，空氣內(nèi)能增大，溫度升高，達(dá)到燃點(diǎn)棉花燃燒。經(jīng)過長期的探索找到了，改變系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)的方法

3、：傳熱做功二、新課教學(xué)（一）焦耳的實(shí)驗(yàn)從 1840年開始，英國物理學(xué)家焦耳進(jìn)行了多種多樣的實(shí)驗(yàn)，以求精確測(cè)定外界對(duì)系統(tǒng)做功和傳熱對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)的影響，以及功與熱的相互關(guān)系。1.實(shí)驗(yàn)一：對(duì)系統(tǒng)做機(jī)械功實(shí)驗(yàn)裝置：如圖所示。實(shí)驗(yàn)過程：重物下落時(shí)，會(huì)使攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)，由于發(fā)生了摩擦，所以水溫上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過多次實(shí)驗(yàn)，焦耳發(fā)現(xiàn)在重物勻速下落時(shí)，只要重物的重力mg和下落高度h不變。那么測(cè)出的水溫升高的幅度就相同。換句話說，水溫的升高只與mgh的乘積有關(guān)。進(jìn)一步分析，重物勻速下落，那mgh就是他對(duì)攪拌器做的功，而攪拌器克服水的摩擦力又做功，大小應(yīng)該也和mgh相等。在這個(gè)過程中，水的溫度上升代表內(nèi)能增大，而升溫

4、的幅度相同，則證明水的內(nèi)能增量相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化是相同的。但焦耳還不放心，如果換一種做功的形式，那結(jié)果還一樣嗎？2.實(shí)驗(yàn)二：對(duì)系統(tǒng)做電功實(shí)驗(yàn)裝置：如圖所示。實(shí)驗(yàn)過程：重物下落帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電阻絲發(fā)熱使水溫上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：無論電流和電阻大或小，也不管通電時(shí)間長短，只要電阻絲做功，也就，W=I2Rt與重力做功mgh相等，那么水的升溫幅度就相同，也就是水的內(nèi)能增量相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)同一系統(tǒng)，在絕熱過程中只要所做的電功相同，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同。注意這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在絕熱過程中進(jìn)行的。絕熱過程：指系統(tǒng)不從外界

5、吸熱，也不向外界放熱。3.焦耳的這些實(shí)驗(yàn)表明在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)所做的功僅由過程的始末兩個(gè)狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。思考：哪些力做功僅由物體的起點(diǎn)和終點(diǎn)兩個(gè)位置決定，與物體的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)？例如，在力學(xué)中，重力做的功僅由物體的起點(diǎn)和終點(diǎn)兩個(gè)位置決定，而與物體的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)。根據(jù)這一事實(shí)人們認(rèn)識(shí)到，物體具有重力勢(shì)能。物體在兩個(gè)位置間的重力勢(shì)能之差等于物體在這這兩個(gè)位置間移動(dòng)時(shí)重力所做的功。還有電場力對(duì)應(yīng)于電勢(shì)能。4.內(nèi)能任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在初末兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系.我們把這個(gè)物理量

6、稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。思考：我們?cè)?jīng)學(xué)習(xí)過內(nèi)能的概念是什么呢？當(dāng)時(shí)講的內(nèi)能的變化與什么有關(guān)？而這一致嗎？有何關(guān)系？宏觀定義（熱力學(xué)對(duì)內(nèi)能的定義）：任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的一種能量，這種能量叫做系統(tǒng)的內(nèi)能。微觀定義（分子動(dòng)理論對(duì)內(nèi)能的定義）：物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，叫做物體的內(nèi)能。（二）功與內(nèi)能的改變根據(jù)焦耳的實(shí)驗(yàn)，在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，那么內(nèi)能的增加量，就等于外界對(duì)系統(tǒng)做的功。此時(shí)U表示系統(tǒng)內(nèi)能增量U=U2-U1它就等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，即U=W外界對(duì)系統(tǒng)做功，那W>0，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)能增加，U>

7、;0。例如：本節(jié)"問題"欄目中的實(shí)驗(yàn)就是這樣的過程。在一個(gè)活塞上面放點(diǎn)兒棉花，猛壓活塞會(huì)發(fā)現(xiàn)棉花熱情的燃燒起來，這也就是因?yàn)榛钊麑?duì)氣體做正功，氣體溫度升高內(nèi)能增大，但這個(gè)系統(tǒng)近似于絕熱狀態(tài)，所以短時(shí)間內(nèi)熱量沒法和外界交換，致使棉花燃燒。系統(tǒng)對(duì)外界做功，那W<0，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)能減小，U<0。例如：（先實(shí)驗(yàn)演示，然后在播放視頻）取一個(gè)透明塑料瓶，向瓶內(nèi)注入少量的水。將橡膠塞打孔，安裝上氣門嘴，再用橡膠塞把瓶口塞緊，并向瓶內(nèi)打氣，觀察橡膠寒跳出時(shí)瓶內(nèi)的變化?，F(xiàn)象：打氣過一會(huì)兒活塞會(huì)噴出，當(dāng)橡膠塞跳出時(shí)，瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧。以瓶內(nèi)氣體為研究對(duì)象，橡膠塞跳出后，瓶內(nèi)的氣體迅速膨脹

8、，系統(tǒng)對(duì)外做功，因此，氣體的內(nèi)能迅速減少，瓶內(nèi)氣體溫度迅速下降，瓶內(nèi)水蒸氣液化，就會(huì)出現(xiàn)大量的霧狀小水滴。（三）熱與內(nèi)能的改變?nèi)绻麅蓚€(gè)溫度不同的物體接觸，那么能量會(huì)從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，排除其他因素的影響，這個(gè)過程中高溫物體的溫度降低，內(nèi)能減小，而低溫物體的溫度升高，內(nèi)能增大。由于系統(tǒng)總能量不變，因此高溫物體減少的內(nèi)能和低溫物體增加的內(nèi)能相等。定義：這一部分傳遞的能量就是熱量所以，熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的變化量U=U2-U1它就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即U=Q物體吸熱，也就是Q>0，那么內(nèi)能增加，U>0物體

9、放熱，也就是Q<0，那么內(nèi)能減少，U<0思考：做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能有什么區(qū)別？做功時(shí)，內(nèi)能與其他形式的能（如內(nèi)能與機(jī)械能、內(nèi)能與電能等）發(fā)生轉(zhuǎn)化，而傳熱只是不同物體（或一個(gè)物體的不同部分）之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。注意：像做功一樣，熱量的概念只有在涉及能量的轉(zhuǎn)移時(shí)才有意義。我們不能說物體具有多少熱量，只能說某一過程中物體吸收或放出了多少熱量。所以咱平時(shí)看到某些食品包裝上寫著還有多少千焦熱量的說法，其實(shí)是錯(cuò)誤的。課堂練習(xí)例1：圖為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高。關(guān)于這個(gè)實(shí) 驗(yàn)，下列說法正確的是（ ）A. 這個(gè)裝置可測(cè)定熱功當(dāng)

10、量B. 做功增加了水的熱量 C. 做功增加了永的內(nèi)能 D. 功和熱量是完全等價(jià)的，無區(qū)別解析：該實(shí)驗(yàn)測(cè)定做功和內(nèi)焦變化的關(guān)系，可以測(cè)定熱功當(dāng)量，選項(xiàng)A正確；該實(shí)驗(yàn)是絕熱過程，沒有傳熱，內(nèi)能的改變是由于做功，選項(xiàng)C正確；做功表示能量的轉(zhuǎn)化，而熱量表示傳熱中內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，兩者有區(qū)別，選項(xiàng) B、D錯(cuò)誤。所以選 AC。例2：關(guān)于物體的內(nèi)能。下列說法中正確的是（ ）A. 物體離開地面越高，分子勢(shì)能越大B. 物體運(yùn)動(dòng)得越快，分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能越大C. .靜止在地面上的物體也有內(nèi)能D. 一個(gè)物體的機(jī)械能增加時(shí)，內(nèi)能可能減少解析：內(nèi)能是與熱達(dá)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的能量形式，機(jī)械能對(duì)應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，兩者之間可相互轉(zhuǎn)化，分子勢(shì)能與重

11、力勢(shì)能不同，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C、D正確。例3：物體的內(nèi)能增加了20 J.下列說法中正確的是（ ）A. 一定是外界對(duì)物體做了20 J的功B. 一定是物體吸收了20 J的熱量C. 一定是物體分子動(dòng)能增加了20 JD. 物體分子的平均動(dòng)能可能不變解析：做功和傳熱都可以改文物體的內(nèi)能，物體的內(nèi)能改變20J，其方式是不確定的，因此選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤。而物體的內(nèi)能包括所有分子的平均動(dòng)能和勢(shì)能，內(nèi)能由分子數(shù)、分于平均動(dòng)能、勢(shì)能三者決定，因此選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。例4：對(duì)于熱量、功和內(nèi)能三者的說法正確的是（ ）A. 熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義等同 B. 熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C. 熱量、功、內(nèi)能的

12、單位不相同D. 熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的解析：物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而要改變物體的內(nèi)能，可以通過做功和傳熱兩種途徑。熱量是表示在傳熱過程中物體內(nèi)能變化的多少，而功是用做功的方式來量度改變物體內(nèi)能多少的，熱量、功，內(nèi)能三者的物理意義不同。熱量，功都可以作為物體內(nèi)能變化的量度，選項(xiàng) A、B錯(cuò)誤；三者的單位都是焦耳，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；熱量和功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量，選項(xiàng)D正確。板書設(shè)計(jì)3.1 功、熱和內(nèi)能的改變一、焦耳的實(shí)驗(yàn)1.絕熱過程系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱。2.內(nèi)能任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的一種能量。二、功與內(nèi)能的改變?cè)诮^熱過程中，內(nèi)能的改變等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功U=W外界對(duì)系統(tǒng)做功 W>0，U>0 內(nèi)能增加系統(tǒng)對(duì)外界做功 W<0，U<0 內(nèi)能減少三、熱與內(nèi)能的改變?cè)趩渭儌鳠徇^程中，內(nèi)能的改變等于外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量U=Q物體吸熱 Q>0，U>0內(nèi)能增加物體放熱