【核心素养目标】13.2 内能 教学设计 人教版 九年级全册

内能
教学目标
物理观念：知道做功可以改变物体的内能。
科学思维：对流星发光发热的质疑，培养学生对观点的质疑和批判精神。
科学探究：通过演示实验和学生自己给自行车打气的实验，培养学生收集、思考和分析数据，
解释现象等能力。
科学态度与责任：学生通过参与演示实验和探究实验，培养热爱学习科学的兴趣，培养尊重
事实、善于反思的科学精神。
教学重点：
1.改变内能的途径。
教学难点：
1. 解释压缩气体做功和气体对外做功的现象。
教学过程
【情境导入】
在开始今天的学习之前，我们先观赏一段美丽的流星雨。大家在观赏流星雨的时候有没有想过，流星为什么会发光发热呢？
学生观看流星雨的视频，思考问题。
（创设物理情境，以现象激发兴趣，用问题产生困惑，使学生对所观看的视频深入思考,体现从生活到物理的认知过程。）
【摩擦生热】
同学们能想到“摩擦生热”，认为流星的光是由于陨石进入大气层和大气层的空气摩擦生热而引起的。摩擦真的可以生热吗？同学们能想到支持你观点的事例吗？
相信同学们可以例举出很多的例子，寒冷的冬天可以搓一搓手取暖，现在同学们可以搓手试试看，摩擦可以把火柴点着了，古时人们利用摩擦生热的方法钻木取火，工业上还可以里利用摩擦生热进行焊接。同学们还可以拿一些金属物品在粗糙的地面或墙面上摩擦，摩擦一会后摸一摸尺子摩擦过的部分，你感觉它发热了吗？生活经验和实验感受都证明了摩擦确实可以生热，使物体温度升高。大家可以分析一下摩擦生热过程中的能量的转化情况吗？摩擦把机械能转化成了内能，通过做功，使物体温度升高，内能增大。
学生列举事例，体验摩擦生热的实验过程。
(设计意图：现象学生有生活经验，能产生共鸣。抛出矛盾，使学生有认知欲望。)
【批判质疑】提出不同观点
可在《 科普中国》上有人提出这样的观点：“很多人可能以为，流星的光是由于陨石进入大气层和大气层的空气摩擦生热而引起的，其实这样说在很大程度上是不对的。事实上，陨石在进入大气层后所产生的热量大部分都是由于空气的压缩而产生的，摩擦空气产生的热量只是很小的一部分。”
学生思考观点正确与否。
（设计意图：培养学生批判性思维能力。）
【科学论证】压缩气体做功
同学们，你们认可他的观点吗？压缩空气也会使空气变热，温度升高吗？事实胜于雄辩，我们来做这样一个实验，在一个配有活塞的厚玻璃筒内里放一团硝化棉，把活塞迅速压下去，观察产生的现象。请同学们观看实验，哇，硝化棉被点燃了。你知道这是为什么吗？
请大家和我一起分析现象背后的原因吧，硝化棉燃烧说明桶内气体的温度升高了，达到了硝化棉的燃点，桶内气体温度升高，它的内能是如何变化的呢？通过上节课的学习，我们知道物体温度升高内能增大，可见桶内气体的内能增加了，是通过什么方式增加的呢？就是通过压缩做功的方式，将活塞的机械能转化为气体的内能。通过这一系列的分析，就能解释硝化棉为什么会燃烧了。在用外力快速下压活塞时，活塞对桶内气体做功，将活塞的机械能转化为气体的内能，筒内气体内能增大，温度升高，达到硝化棉的燃点，硝化棉就燃烧了。
学生参与演示实验，观察实验现象，分析实验的过程。
（设计意图：通过问题引导，引起学生思考，通过让学生观察实验现象，思考、讨论得出结论，发展学生的科学思维。）
【实验改进】定量测量
在这个实验中是通过硝化棉燃烧判气体断温度升高，我们也可以用温度计直接测量被压缩气体温度。同学们请看老师做的这个实验。将数显温度计的探头放入注射器内，做好密封，推动活塞压缩空气，看到温度计的示数在不断的上升，气体温度升高，内能增大。同学们还能发现，气体被压缩的越小，对气体做的功越多，气体温度就越高，内能增加的就越多。用注射器做实验，取材容易、操作简单，同学们都可以做一做。从这两个实验中，都可以发现，压缩气体做功，可以改变气体的内能。
摩擦做功可以使物体内能增大，温度升高，压缩气体做功也可以使气体内能增大，温度升高，究竟哪个是流星发光发热的主要因素呢？
学生观察实验，体会改进之后定量测量的准确性。
（设计意图：培养学生实事求是的态度，和分析归纳实验结论能力和语言表达能力。）
【体验探究】
同学们用家里的打气筒就能探究。打气筒在打气过程中，既有活塞和筒壁的摩擦做功，又有活塞压缩气体做功。用打气筒给自行车或篮球打气，打气前请摸一摸打气筒外壁的上下部分，感受一下两部分的温度。打气时，再摸一摸，感受一下筒壁温度是如何变化的？在打气过程中筒壁各部分的温度一样吗？如果不一样，哪里更热？为什么呢？带着问题和思考去打打气吧。
同学们，你有什么发现呢？老师和你做了同样的探究，打气前用红外热像仪给打气筒测了温度，不同颜色代表不同的温度。同学们请看，打气前上下两部分都是蓝色，10.4摄氏度，温度一样。打气后，又用热像仪给筒壁测了温度，大家看到，中间部分已经由10.4摄氏度升高到11.1摄氏度。如果摩擦生热是主要原因，筒壁上下两部分的温度应该接近才对。事实上，下部的温度明显高于上部温度，已经变成了黄色，升高到21.4摄氏度了。这是因为打气的过程就是活塞压缩气体做功的过程，将活塞的机械能转化为气体的内能，筒内气体内能增大、温度升高，筒内被压缩的高温气体向低温的筒壁传热，从而导致筒壁的下部明显发热。通过分析可以知道，筒壁发热的主要原因是压缩气体产生的热量，摩擦生热是次要的。
学生分组进行小组合作探究，寻找真相。
（设计意图：采用学生熟悉的打气筒，以小组交流合作的方式探究打气筒发热的主要原因，培养学生的合作互助能力和团队意识。让学生在打气过程，主动得出结论，调动了学生学习的积极性，既有利于学生对知识的理解，又培养了学生观察和分析问题的能力。）
【解释现象】
流星发光发热的原因与打气筒有一些类似，当陨石进入大气层时，速度是非常快的（通常是几十千米每秒），这时陨石前部的空气无法快速地被"挤到"陨石周围，因此会被迅速压缩。对气体压缩所做的功会转化为气体的内能，使得陨石前面的空气温度迅速升高至几千摄氏度，然后点燃了陨石，从而使陨石发光变成了我们可以看见的流星。
而返回舱在返回大气层时像火球一样，原理和流星是相近的。当然在返回舱进入大气层后会和大气层产生摩擦，也会产生一部分热量，但是这部分热量和压缩空气所产生的热量相比是微不足道的。几千摄氏度的高温，陨石燃烧殆尽，而返回舱却能成功安全的着陆到地面。这是航天人30年不断努力，不断研发才做到的。
学生聆听流星发光发热的原因。
（设计意图：培养学生严谨认真、实事求是，不迷信权威，寻求真理的科学精神。）
【逆向思考】
外界可以压缩气体对气体做功，反过来逆向思考，气体可以对外做功吗？请同学们来观察这个实验。在烧瓶内装入少量的水，塞紧瓶塞，向瓶内打气，请同学们注意观察瓶塞和瓶内有什么变化？同学们，你们看到了什么现象？哦，看到瓶塞跳起，同时瓶内出现“白气”。
这是为什么呢？请大家和我一起来寻找原因吧。瓶内出现的白气是什么呢？白气就是液态小水滴，液态小水滴从何而来呢？是瓶内水蒸气液化而来，水蒸气液化是吸热还是放热呢？回想物态变化的内容，水蒸气液化是放热过程，由此可知，瓶内的温度降低了，瓶内气体的温度降低说明气体的内能减小，少了的气体内能去哪儿了呢？去推动瓶塞做功了，瓶内气体的内能转化为瓶塞的机械能，这样瓶塞就跳起来了。现在就让我们完整的解释这个实验现象吧，向瓶内打气，瓶内气体推动活塞做功，将气体内能转化为瓶塞的机械能，瓶内气体内能减小，温度降低，水蒸气液化为小水滴，从而瓶塞跳起，瓶内出现了白气。在这个实验中就是气体膨胀对外做功的方式，改变了气体的内能，从而使气体内能减少。
学生观察实验，分析现象背后的原因，进行完成的现象解释。
（设计意图：培养学生规范表述实验现象，通过实验现象得出实验结论的能力。）
【实验改进】猜想、论证、解释
同样，我们也可以用温度计直观的显示出来瓶内的温度的变化。
请看，注射器内被压缩气体可以活塞推出，气体对外做功，内能减小，温度降低。4.3秒由21.2摄氏度降到了20.8摄氏度，可在这个过程中筒内热的气体也在通过热传递向外放热使气体温度降低，到底哪个使主要因素呢？通过实验对比看看，如果不对外做功，只是热传递，观察温度计的变化。38秒才由21.2摄氏度降到了20.9摄氏度。数据是最有说服力的，气体对外做功才是这个实验中温度降低的主要原因。这连个实验都证明的气体也能对外做功。
学生观察实验，学习从数据中分析得出实验结论。
（设计意图：培养和训练学生的分析概括能力和信息处理能力。）
【学以致用】定量测量
气体对外做功有很多方面的应用，比如汽车前进，火箭升空，正是用到了气体对外做功，将内能转化为机械能的原理，这就是真正的“学以致用”。当然火箭发射是一项浩大、复杂的工程，其内蕴含的道理不仅仅是“气体对外做功。”，还有更多的知识值得我们继续了解和学习。
（设计意图：通过演示实验，使学生产生直观认识，将科技与物理知识紧密联系，体现物理的实践性。）
【课堂小结】梳理思路
同学们，今天我们从质疑流星发光发热主要是摩擦生热还是压缩气体做功生热，引发思考，为寻求真理，结合生活体验证明了摩擦生热，通过实验论证了压缩气体做功也能生热，在给自行车打气的探究中寻找到了真相，压缩气体做功才是主要因素，摩擦生热是次要的。利用逆向思考猜想气体也能对外做功，并进行了验证和解释，同时了解到火箭发射也用到了气体对外做功的原理。在此过程中发现物理学习若没有专业的实验器材，我们还可以利用生活中的物品，进行改进创新。流星美转瞬即逝，火箭发射时的亮光才经久不衰，而烧的像火球一样的返回舱能安全着陆，更是我们综合国力的象征。
学生随着教师的设计思路，一起进行内容小结。
（设计意图：培养学生总结归纳的能力。梳理知识形成完成的知识体系，同时也可以帮助学生记忆。）
【作业布置】巩固提升
今天的基础性作业是完成作业练习中的相关内容。实践性作业是查阅资料，学做水火箭，用生活中的物品就可以做成，说说它是如何升空的？
（设计意图：让学生亲自动手制作水火箭并展示，培养学生的动手能力，体验成功喜悦，增强学习积极性。）