3.1 功、热和内能的改变 教案

3.1 功、热和内能的改变
〖教材分析〗
本节教材主要介绍了内能的概念和改变内能的两种方式——做功和热传递。从焦耳的实验得出在绝热情况下外界做功相同，那么物体的热学状态变化就相同，由此得出热力学的内能的概念。教材通过讨论、再分析推理，最后得出功、热与内能变化的关系。本节课的教学属于物理基本概念及通过实验和小组讨论得出基本规律和方法的教学。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶能建立功与内能的改变，热与内能的改变的意识。
科学思维∶具有从物理学的角度观察自然现象，将物理学与实际相联系的思维方式，知道做功和传热是改变内能的两种方式。
科学探究：探究焦耳的实验，知道做功和传热的等效性。
科学态度与责任∶理解物理概念的建立的过程和规律，培养学生的科学探究精神。
〖教学重难点〗
教学重点：功与内能的改变，热与内能的改变。
教学难点：内能概念的建立，功与内能的改变，热与内能的改变。
〖教学准备〗
多媒体课件，酒精、打气筒、塑料瓶，橡胶塞等。
〖教学过程〗
冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之春夏秋冬，温暑凉寒，何时何处不与冷热相关
本章就开始学习与热现象有关的知识。
一、新课引入
在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被，点燃呢 你能解释这个现象吗
播放压燃实验视频。
分析：用活塞压缩空气对空气做功，空气内能增大，温度升高，达到燃点棉花燃烧。
经过长期的探索找到了，改变系统的热力学状态的方法：
①传热
②做功
二、新课教学
（一）焦耳的实验
从 1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系。
1.实验一：对系统做机械功
实验装置：如图所示。
实验过程：重物下落时，会使搅拌器转动，由于发生了摩擦，所以水温上升。
实验结果：通过多次实验，焦耳发现在重物匀速下落时，只要重物的重力mg和下落高度h不变。那么测出的水温升高的幅度就相同。换句话说，水温的升高只与mgh的乘积有关。进一步分析，重物匀速下落，那mgh就是他对搅拌器做的功，而搅拌器克服水的摩擦力又做功，大小应该也和mgh相等。在这个过程中，水的温度上升代表内能增大，而升温的幅度相同，则证明水的内能增量相同。
实验结论：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。
但焦耳还不放心，如果换一种做功的形式，那结果还一样吗？
2.实验二：对系统做电功
实验装置：如图所示。
实验过程：重物下落带动发电机发电，电阻丝发热使水温上升。
实验结果：无论电流和电阻大或小，也不管通电时间长短，只要电阻丝做功，也就，W=I2Rt与重力做功mgh相等，那么水的升温幅度就相同，也就是水的内能增量相同。
实验结论：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。
注意
这两个实验都是在绝热过程中进行的。
绝热过程：指系统不从外界吸热，也不向外界放热。
3.焦耳的这些实验表明
在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
思考：
哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？
例如，在力学中，重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关。根据这一事实人们认识到，物体具有重力势能。物体在两个位置间的重力势能之差等于物体在这这两个位置间移动时重力所做的功。还有电场力对应于电势能。
4.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，这个物理量在初末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。
思考：
我们曾经学习过内能的概念是什么呢？当时讲的内能的变化与什么有关？而这一致吗？有何关系？
①宏观定义（热力学对内能的定义）：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一种能量，这种能量叫做系统的内能。
②微观定义（分子动理论对内能的定义）：物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
（二）功与内能的改变
根据焦耳的实验，在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，那么内能的增加量，就等于外界对系统做的功。此时ΔU表示系统内能增量
ΔU=U2-U1
它就等于外界对系统所做的功W，即
ΔU=W
①外界对系统做功，那W>0，此时系统内能增加，ΔU>0。
例如：本节"问题"栏目中的实验就是这样的过程。在一个活塞上面放点儿棉花，猛压活塞会发现棉花热情的燃烧起来，这也就是因为活塞对气体做正功，气体温度升高内能增大，但这个系统近似于绝热状态，所以短时间内热量没法和外界交换，致使棉花燃烧。
②系统对外界做功，那W<0，此时系统内能减小，ΔU<0。
例如：（先实验演示，然后在播放视频）取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶寒跳出时瓶内的变化。
现象：打气过一会儿活塞会喷出，当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。
（三）热与内能的改变
如果两个温度不同的物体接触，那么能量会从高温物体向低温物体转移，排除其他因素的影响，这个过程中高温物体的温度降低，内能减小，而低温物体的温度升高，内能增大。由于系统总能量不变，因此高温物体减少的内能和低温物体增加的内能相等。
定义：这一部分传递的能量就是热量
所以，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时，内能的变化量
ΔU=U2-U1
它就等于外界向系统传递的热量Q，即
ΔU=Q
①物体吸热，也就是Q>0，那么内能增加，ΔU>0
②物体放热，也就是Q<0，那么内能减少，ΔU<0
思考：做功和热传递对改变物体的内能有什么区别？
做功时，内能与其他形式的能（如内能与机械能、内能与电能等）发生转化，而传热只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。
注意：
像做功一样，热量的概念只有在涉及能量的转移时才有意义。我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。
所以咱平时看到某些食品包装上写着还有多少千焦热量的说法，其实是错误的。
课堂练习
例1：图为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实 验，下列说法正确的是（ ）
A. 这个装置可测定热功当量
B. 做功增加了水的热量
C. 做功增加了永的内能
D. 功和热量是完全等价的，无区别
解析：该实验测定做功和内焦变化的关系，可以测定热功当量，选项A正确；该实验是绝热过程，没有传热，内能的改变是由于做功，选项C正确；做功表示能量的转化，而热量表示传热中内能的转移，两者有区别，选项 B、D错误。所以选 AC。
例2：关于物体的内能。下列说法中正确的是（ ）
物体离开地面越高，分子势能越大
物体运动得越快，分子热运动的动能越大
.静止在地面上的物体也有内能
一个物体的机械能增加时，内能可能减少
解析：内能是与热达动相对应的能量形式，机械能对应机械运动，两者之间可相互转化，分子势能与重力势能不同，故选项A、B错误，选项C、D正确。
例3：物体的内能增加了20 J.下列说法中正确的是（ ）
一定是外界对物体做了20 J的功
一定是物体吸收了20 J的热量
一定是物体分子动能增加了20 J
物体分子的平均动能可能不变
解析：做功和传热都可以改文物体的内能，物体的内能改变20J，其方式是不确定的，因此选项A、B错误。而物体的内能包括所有分子的平均动能和势能，内能由分子数、分于平均动能、势能三者决定，因此选项C错误，D正确。
例4：对于热量、功和内能三者的说法正确的是（ ）
热量、功、内能三者的物理意义等同
热量、功都可以作为物体内能的量度
热量、功、内能的单位不相同
热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
解析：物体的内能是指物体内所有分子做热运动的动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能，可以通过做功和传热两种途径。热量是表示在传热过程中物体内能变化的多少，而功是用做功的方式来量度改变物体内能多少的，热量、功，内能三者的物理意义不同。热量，功都可以作为物体内能变化的量度，选项 A、B错误；三者的单位都是焦耳，选项C错误；热量和功是过程量，内能是状态量，选项D正确。
〖板书设计〗
3.1 功、热和内能的改变
一、焦耳的实验
1.绝热过程∶系统不从外界吸热，也不向外界放热。
2.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一种能量。
二、功与内能的改变
在绝热过程中，内能的改变等于外界对系统所做的功∶ΔU=W
①外界对系统做功∶ W>0，ΔU>0 内能增加
②系统对外界做功∶ W<0，ΔU<0 内能减少
三、热与内能的改变
在单纯传热过程中，内能的改变等于外界对系统传递的热量∶ΔU=Q
①物体吸热 ∶Q>0，ΔU>0内能增加
②物体放热 ∶Q<0，ΔU<0内能减少
〖教学反思〗
本课比较难以讲解的的是内能的概念，课本并没有非常显眼的标出内能的含义。而是要教师自己去总结给学生，在定义内能时就比较抽象。学生在分子动理论中已经学习过内能的概念，这也会造成轻视心理。那么我们就要明确说两个内能的定义式一致的，一个从宏观上去定义，一个是微观上去定义。功与热量都是内能变化的量度都是过程量，特别注意热量的含义，注意与生活中的热量对比。
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