3.1 功、热和内能的改变（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律
第1节 功、热和内能的改变
教学设计
问题与目标
1.知道绝热过程的含义。
2.能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，知道热量的单位是焦耳。
重点与难点
重点
1.做功与内能改变关系的探究。
2.吸收(放出)热量与内能改变关系的探究。
3.内能概念的建立。
难点
1.内能概念的建立。
2.绝热过程中功与内能的关系。
教学准备
教师要求
多媒体课件、压缩空气点火仪、气体做功和内能变化演示仪等。
学生要求
复习物体内能的定义与做功和能量变化的关系。
教学过程
一、导入新课
1.物体的内能：内能是物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和。
2.生活中经常用卡路里作为热量的单位，而物理学中通常用焦耳作为功和能的单位。可见，卡路里和焦耳之间存在着某种联系的，物理学中把这个联系叫作热功当量。
二、新课教学
1.焦耳的实验
师：内能和机械能之间可以相互转化，说明热量和做功之间肯定存在一定的联系，这个联系是什么 焦耳虽然已经有了假设，但是该怎么用实验来进行验证呢 如果你们是焦耳的话，遇到这种情况该怎样设计实验验证功与热量的关系呢
绝热过程：系统不从外界吸收热量，也不向外界放热，这样的过程叫作绝热过程。
实验1：用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅动容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
结论：力做功可以使物体的温度升高，只要力所做的功相同，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。
实验2：让正在下降的重物带动发动机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体的温度升高。
结论：电流做功可以使得物体的温度升高，只要所做的电功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态发生了同样的变化。
实验3: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，直至橡胶塞跳出瓶口，可以观察到瓶内出现白色的烟雾，让学生解释在这个过程中能量进行了怎么样的一个转化。
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。
教师在实验的基础上引出内能的概念并说明内能跟哪些参数是有关的。
师：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统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。任何一个热力学系统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做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。
2.功与内能的改变
师：气体分子间距离较大时，可以忽略分子力，也就是讨论其内能时，可以不考虑分子势能。从宏观角度考虑，温度的变化就可以反映物体内能的变化。
教师用多媒体课件展示柴油机的点火过程。
在柴油机的压缩冲程中，汽缸内的空气被压缩，温度升高，使喷人汽缸内的雾状柴油燃烧，这就是柴油机的点火原理。
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，内能的变化量，它等于外界对系统所做的功W，即。
可见，在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。
师：如何理解功和内能
教师播放实验视频，并提出问题，学生分析讨论后回答问题。
问题1：在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性。
一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个是通过电流的热效应给水加热。焦耳的这两个实验说明了什么问题
生：做功和热传递在改变物体的内能上是等效的。
问题2:如图所示，在有机玻璃筒底部放少量浸有乙醚
的棉花，压下活塞，观察棉花的变化。
(1)你能看到什么现象 实验现象说明了什么
(2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速
生：(1)可以看到棉花燃烧。实验现象说明压缩空气做功，使空气的内能增加，温度升高，达到棉花的着火点后引起棉花燃烧。
(2)迅速按下活塞是为了减少甚至杜绝热传递，创造一个绝热条件。
问题3:如图所示，小孩沿滑梯下滑时，屁股通常会感到发热，这是为什么
生：小孩沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加。
问题4：什么是绝热过程
生：系统不从外界吸热，也不向外界放热。
问题5：如何理解功和内能
生：内能在微观上来说，是物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和；从宏观上来说，内能是只依赖于热力学系统自身状态的物理量。做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程，在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的增加量，即。
(1)的适用条件是绝热过程。
(2)在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少。
问题6：功与内能有什么区别
生：(1)功是过程量，内能是状态量。
(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。
(3)物体的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能的变化越大时，做的功才相应越多。
3.热量与内能的改变
两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度高的物体A要降温，温度低的物体B要升温，我们说热从高温物体A传到了低温物体B。
师：外界对系统做功可以改变系统的热力学状态，而单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态。所以，热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。在热力学系统中，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，它等于外界向系统传递的热量Q，即。那么，我们应该如何理解热量和内能呢？
问题1：用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在火炉上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题
生：说明做功和热传递都能改变物体的内能。
问题2：如图所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射。
(1)这三种方式在传递热量时有什么共同点
(2)热传递和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？
生：(1)三种方式都是热量从一个物体传递到另外一个物体。
(2)热传递是内能在物体间的转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化。
问题3：如何理解热传递
生：(1)条件：物体的温度不同。
(2)热传递：热量总是从高温物体向低温物体传递。
问题4：如何理解热量和内能
生：(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
(2)表达式：。
(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同。
①做功和热传递都能引起系统内能的改变。
②做功是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体（或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
(4)在单纯传热过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即。
(5)传热改变物体内能的过程是物体间(或一个物体的不同部分)内能转移的过程。
4.内能和相关概念的辨析
(1)内能与热量：内能是状态量，可以说系统具有多少内能，不能说传递了多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说某过程中传递了多少热量。
(2)热量与温度
热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志。虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是热量，不是温度。
(3)热量与功热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别。
5.教师点拨和小结
(1)就物体的内能变化来说，功和热量是等效的，也就是说做功和热传递两种方式在对内能的改变上是等效的。当一个物体的内能变化时，如不知其原因，无法确定是哪种方式导致其内能发生变化。
(2)从使物体内能变化的方式来说，做功伴随着能量的转化，而热传递是内能的互相传递，这也是二者的区别。
三、课堂小结
1.要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的量只由过程始、末两个状态决定，而与做功的方式无关。
2.做功是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。
3.内能是状态量，可以说系统具有多少内能，不能说传递了多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说某过程中传递了多少热量。
4.热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别。
四、作业设计
完成课本第49页练习题
课堂练习
1.绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法中正确的是( )
A.气体内能一定增加20 J B.气体内能增加必定小于20 J
C.气体内能增加可能小于20 J D.气体内能可能不变
2.如图所示，在研究功与内能改变的关系时，将一小块易燃物放在厚玻璃筒底部，用力向下压活塞，可以将易燃物点燃.关于该实验，下列说法正确的是( )
A.筒内气体,在被压缩的同时从外界迅速吸收热量，导致气体温度升高
B.只要最终筒内气体压强足够大，筒内易燃物就会被点燃
C.若实验中易燃物被点燃，是活塞与筒壁间摩擦生热导致的
D.该实验成功的关键是向下压活塞的力要大，速度要快
3.下列关于内能及内能变化的说法正确的是( )
A.温度是分子平均速率的标志
B.物体内每个分子都具有内能
C.当分子间距离增大时，分子势能也增大
D.做功改变内能的实质是其他形式的能转化为内能，热传递改变内能的实质是内能的转移
4.如图所示,在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放置一小团硝化棉,迅速向下压活塞,筒内气体被压缩后可点燃硝化棉。在筒内封闭的气体被活塞压缩的过程中( )
A.气体对外界做正功,气体内能增加
B.外界对气体做正功,气体内能增加
C.气体的温度升高,压强不变
D.气体的体积减小,压强不变
答案以及解析
1.答案：A
解析：绝热过程中，做功的过程是能量转化的过程，做了多少功，就有多少内能发生变化，故A正确。
2.答案：D
解析：在用力向下压活塞的过程中，对筒内气体做功，机械能转化为内能，筒内气体温度升高，达到易燃物的燃点，易燃物被点燃，故A、B、C错误；该实验成功的关键是向下压活塞的力要大，速度要快，因为速度慢了的话，会使筒内气体与外界发生热交换，从而使筒内温度达不到易燃物的燃点，故D正确.
3.答案：D
解析：温度是分子平均动能的标志，不是分子热运动的平均速率的标志，故A错误；物体内所有分子由于运动而具有的分子动能，以及分子之间分子势能的总和称为内能，故B错误；当分子之间的距离小于平衡距离时，分子间距离增大时分子势能减小，故分子间距离增大时分子势能不一定变大，故C错误；用做功的方法来改变物体的内能，实质上是能量的转化过程，即内能和其他形式的能的相互转化，用热传递的方法来改变物体的内能，实质上是内能的转移过程，故D正确.
4.答案：B
解析：压缩玻璃筒内的空气，气体的压强变大，机械能转化为筒内空气的内能，空气的内能增加，温度升高，当达到棉花的燃点后，棉花会燃烧；故B正确，ACD错误
故选：B。
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第1节 功、热和内能的改变
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