3.1 热力学第一定律 （表格式）课时教案-2025--2026年教科版高中物理选择性必修第三册

3.1《热力学第一定律》课时教案
学科 物理 年级册别 高三上册 共1课时
教材 教科版选择性必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第三章第一节，是热学部分的核心规律之一。教材通过实验现象引入内能概念，结合做功与传热两种改变内能的方式，引导学生建立能量转化与守恒的思想框架。内容逻辑清晰，从生活实例出发，逐步抽象出热力学第一定律的数学表达式ΔU = Q + W，并对符号规定进行系统说明。该定律不仅是分析热机、制冷机等实际装置的基础，也为后续学习热力学第二定律奠定理论基础，在整个热学体系中具有承上启下的关键作用。
学情分析
高三学生已具备一定的力学、能量守恒及分子动理论基础知识，对“内能”“温度”“热量”等概念有一定认知。但容易混淆“热量”与“内能”，对“功”在热学中的正负号理解不清。此外，学生虽熟悉能量守恒思想，但在多过程、非理想情境中灵活应用仍存在困难。身心发展方面，学生抽象思维能力较强，具备合作探究和批判性思考的基础。教学中应通过真实情境激发兴趣，利用可视化实验与问题链引导深度思考，帮助学生突破符号规则与物理意义之间的理解障碍。
课时教学目标
物理观念
1. 理解内能的概念，知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，并能区分内能与热量。
2. 掌握热力学第一定律的表达式ΔU = Q + W，理解各物理量的含义及其正负号的规定。
科学思维
1. 能运用能量守恒的观点分析热学过程，构建“系统—外界”模型，判断能量流动方向。
2. 能根据具体情境正确判断Q、W、ΔU的正负，并解释其物理意义。
科学探究
1. 通过观察压缩空气引火仪实验，归纳做功改变内能的现象与规律。
2. 设计并讨论不同热学过程的能量变化路径，提升建模与推理能力。
科学态度与责任
1. 认识到能量守恒是自然界普遍规律，增强尊重科学、实事求是的态度。
2. 关注热力学定律在能源利用、环境保护中的现实意义，树立可持续发展意识。
教学重点、难点
重点
1. 热力学第一定律的内容及其表达式ΔU = Q + W的理解与应用。
2. 做功与热传递在改变内能上的等效性及区别。
难点
1. 物理量Q、W、ΔU正负号的准确判断及其物理意义的深入理解。
2. 在复杂热学过程中灵活运用能量守恒思想进行定量或定性分析。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作学习法、讲授法、实验演示法
教具准备
压缩空气引火仪、气筒、温度计、多媒体课件、白板、彩色磁贴
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入：破冰之问
【5分钟】 一、创设情境，引发认知冲突 （一）、播放视频：登山者搓手取暖与滑雪后身体发冷
教师播放一段冬季户外运动的短视频：画面中一位登山者在寒风中不断快速搓动双手，手掌逐渐变暖；另一位滑雪者滑行一段时间后停下，尽管穿着厚衣，却明显感到寒冷颤抖。随后提问：“同样是人体，为什么一个通过‘动’就能变暖，另一个‘不动’反而更冷？这里的‘动’和‘静’背后隐藏着怎样的能量秘密？”
（二）、提出驱动性问题，激活前概念
教师继续追问：“我们常说‘摩擦生热’，那这个‘热’到底是什么？它是凭空产生的吗？还是从别的形式转化来的？如果我把一瓶冷水放进热水中，它的温度升高了，这瓶水的‘热’又是从哪里来的？”引导学生回忆初中所学的“做功可以改变物体的内能”“热传递也能改变物体的内能”等知识，初步建立“能量转移与转化”的意识。
（三）、引入历史故事，点燃探究热情
教师讲述焦耳的故事：“19世纪中期，英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳花了近十年时间，用精密实验测量了机械功与热量之间的转换关系。他发现，无论用搅拌水、压缩气体还是电流加热，只要做的功相同，产生的热量就相等。这一发现打破了‘热质说’的迷信，确立了‘热是一种能量形式’的观点，为能量守恒定律奠定了基石。”接着强调：“今天我们要学习的热力学第一定律，正是这条伟大自然法则在热现象中的具体体现。” 1. 观看视频，联系生活经验回答问题。
2. 回忆已有知识，尝试解释“摩擦生热”的本质。
3. 听取焦耳事迹，感受科学探索精神。
4. 思考能量是否守恒在热学中的表现。
评价任务 描述现象：☆☆☆
解释原理：☆☆☆
提出猜想：☆☆☆
设计意图 以真实生活场景切入，制造认知冲突，激发学生好奇心；通过历史人物故事渗透科学史教育，让学生体会科学发展的曲折与严谨；明确本节课的研究主题——能量在热现象中的转化与守恒，为后续学习搭建心理桥梁。
实验探究：做功能否生热？
【8分钟】 一、演示实验：压缩空气引火仪点燃棉花 （一）、展示器材，说明原理
教师出示压缩空气引火仪，介绍其结构：一个密封玻璃筒，底部装有易燃的脱脂棉，上方有一个活塞。提问：“如果我们迅速向下压活塞，会发生什么？”鼓励学生大胆预测。有学生猜测会发出声音，也有学生认为可能点燃棉花。
（二）、实施操作，观察现象
教师缓慢下压活塞，无明显现象；然后迅速用力下压活塞，只听“嘭”的一声，筒内棉花瞬间燃烧起来！全班惊呼。教师立即提问：“刚才发生了什么？棉花为什么会自己着火？是不是有什么能量被‘创造’出来了？”
（三）、组织讨论，提炼结论
引导学生分组讨论三个问题：(1) 活塞对筒内空气做了什么？(2) 空气的内能如何变化？(3) 温度为何升高到足以点燃棉花？经过交流，师生共同总结：外力对气体做功（W > 0），导致气体内能增加（ΔU > 0），温度升高，最终达到燃点。这说明“做功可以改变物体的内能”。
二、类比迁移：热传递也能改变内能 （一）、回顾旧知，建立对比
教师提问：“除了做功，还有没有其他方式能让物体的内能增加？”学生回答“加热”。教师举例：“把铁勺放入热汤中，一会儿勺柄也变烫了；晒太阳感觉暖和。”强调这是通过热传递的方式改变了内能，热量Q从高温物体传向低温物体。 1. 观察实验装置，做出预测。
2. 注意力集中观看实验全过程。
3. 分组讨论现象背后的物理机制。
4. 对比回忆热传递改变内能的例子。
评价任务 现象描述：☆☆☆
原因分析：☆☆☆
规律归纳：☆☆☆
设计意图 通过震撼性的实验现象强烈刺激学生的感官体验，强化“做功改变内能”的直观印象；采用“预测—观察—解释”科学探究流程，培养学生实证意识；将做功与热传递并列呈现，突出二者在改变内能上的等效性，为引出能量守恒思想做好铺垫。
建构定律：能量去哪儿了？
【12分钟】 一、提出核心问题，构建系统模型 （一）、设问引导，聚焦能量流向
教师画出简图：一个封闭气缸内的气体作为研究对象（系统），活塞可上下移动。提问：“当我用力向下压活塞时，我对系统做了功，这部分能量去哪儿了？它消失了嗎？还是转化成了别的形式？”引导学生思考能量的去向。
（二）、引入“系统”与“外界”概念
教师明确界定：我们将关注的对象称为“系统”（如缸内气体），其余部分统称为“外界”（如人手、大气、容器壁）。强调所有能量交换都发生在系统与外界之间。进而提出：“系统内能的变化量ΔU，一定等于它从外界吸收的热量Q加上外界对它做的功W。”即 ΔU = Q + W。
二、解析公式，规范符号规则 （一）、逐项解读物理量含义
教师板书公式 ΔU = Q + W，并逐一解释：
- ΔU：系统内能的变化量。ΔU > 0 表示内能增加，ΔU < 0 表示减少。
- Q：系统吸收的热量。Q > 0 表示吸热，Q < 0 表示放热。
- W：外界对系统做的功。W > 0 表示外界对系统做正功（如压缩气体），W < 0 表示系统对外界做功（如气体膨胀推动活塞）。
（二）、巧用口诀，突破记忆难点
教师编出口诀帮助记忆：“一看对象，二定方向；系统为主，不颠倒。吸热为正，放热为负；外压我，我就收（+W）；我推外，我就出（-W）。”并通过手势辅助讲解：手掌朝外推表示系统对外做功（W < 0），手掌向内收表示外界对系统做功（W > 0）。
三、案例辨析，深化符号理解 （一）、分析典型情境
教师给出三个情境让学生判断Q、W、ΔU的正负：
1. 冰块在室温下融化（吸热，体积微胀，W≈0）→ Q>0, W≈0, ΔU>0
2. 气体在绝热容器中自由膨胀（Q=0，无外力，W=0）→ Q=0, W=0, ΔU=0
3. 自行车打气时气筒发热（外界对气体做功，同时散热）→ W>0, Q<0, ΔU>0（因做功大于散热） 1. 理解系统与外界的划分方法。
2. 记录公式及各量意义。
3. 学习并练习使用符号口诀。
4. 参与案例分析，判断物理量正负。
评价任务 公式掌握：☆☆☆
符号判断：☆☆☆
案例分析：☆☆☆
设计意图 通过设问层层推进，引导学生自主建构热力学第一定律的表达式；明确“系统”视角是分析热学问题的关键；采用口诀+手势+案例三位一体的教学策略，有效破解学生对正负号理解混乱的难题；通过典型情境训练，提升学生在真实问题中应用定律的能力。
合作探究：谁动了我的能量？
【12分钟】 一、发布任务，明确探究目标 （一）、布置小组任务卡
教师发放任务卡，要求四人小组任选以下两个情境之一进行深入分析：
A. 保温瓶中的热水放置一天后变凉
B. 打足气的篮球放在阳光下暴晒后炸裂
C. 内燃机做功冲程中燃气推动活塞运动
要求：(1) 明确系统与外界；(2) 判断Q、W、ΔU的正负；(3) 用ΔU = Q + W解释能量变化过程；(4) 准备汇报展示。
二、巡视指导，促进深度思维 （一）、介入引导，纠正思维偏差
教师巡视各组，发现常见误区及时点拨。例如有小组认为“热水变凉是因为热量消失了”，教师反问：“热量真的消失了吗？它去了哪里？总能量守恒吗？”引导学生意识到热量转移到空气中，系统（水）放热Q<0，无做功W=0，故ΔU<0。
（二）、启发联想，联系工程实际
对于选择C情境的小组，教师进一步提问：“在这个过程中，燃气的一部分内能转化为了什么形式的能量？这对发动机效率有何启示？”引导学生认识到内能转化为机械能，但不可能全部转化，为下一节热力学第二定律埋下伏笔。
三、成果展示，开展互动评价 （一）、邀请小组代表上台讲解
选取两组分别展示A和C情境的分析过程。一组学生用彩色磁贴在白板上画出系统边界，箭头表示热量流向和做功方向，并完整陈述判断依据。
（二）、组织全班质疑与补充
其他小组可提出疑问或补充观点。如有人问：“暴晒的篮球若未炸裂，内能如何变化？”教师顺势引导讨论临界条件与能量积累的关系。 1. 小组协商选择探究情境。
2. 合作分析任务，填写探究表格。
3. 准备并参与课堂展示汇报。
4. 倾听他人发言，提出质疑或补充。
评价任务 系统界定：☆☆☆
能量分析：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆
设计意图 通过开放性任务驱动学生主动探究，实现知识的迁移与应用；小组合作培养沟通协作能力；教师适时介入确保探究方向正确；展示与互评环节锻炼语言表达与批判性思维；联系实际问题增强学科价值认同感。
升华总结：能量的永恒诗篇
【6分钟】 一、结构化回顾核心内容 （一）、梳理知识脉络
教师带领学生回顾整节课主线：从生活现象出发 → 实验证明做功能改变内能 → 类比热传递 → 提出能量守恒假设 → 建立数学表达式ΔU = Q + W → 规范符号规则 → 应用于实际情境。强调：“无论过程多么复杂，只要抓住‘系统’这个主角，看清‘热量’与‘功’这两条能量通道，就能解开任何热学谜题。”
二、情景化升华情感体验 （一）、引用名言，感悟科学之美
教师深情朗读：“爱因斯坦曾说：‘宇宙最不可理解之处，就在于它是可以理解的。’今天我们所学的热力学第一定律，正是人类用理性之光照亮自然奥秘的一束光芒。它告诉我们：能量不会凭空产生，也不会无故消失——它只是换了一种形态，继续在世间流转。就像春天的冰雪融化成溪流，夏日的阳光转化为植物的生机，秋天的落叶回归泥土孕育新生，冬夜的炉火温暖人心……这一切的背后，都有ΔU = Q + W在默默书写着秩序与和谐。”
（二）、展望未来，激发责任意识
教师结语：“当我们设计一台高效节能的空调，或是研发一辆零排放的新能源汽车时，我们都在践行这条古老的自然法则。愿你们不仅记住这个公式，更能铭记它背后的敬畏之心——对能量的珍惜，对自然的谦卑，对科学真理的不懈追求。” 1. 跟随教师回顾知识结构。
2. 静心聆听教师总结话语。
3. 感受科学哲理与人文情怀。
4. 思考个人与自然的关系。
评价任务 知识梳理：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
价值认同：☆☆☆
设计意图 采用“结构化+情景化+激励性”三重总结方式，既巩固知识体系，又提升情感维度；引用科学家名言增强文化厚度；将物理定律与生态文明、技术创新相联系，落实立德树人根本任务，使课堂在理性与诗意中圆满落幕。
作业设计
一、基础巩固：填空与判断
1. 热力学第一定律的表达式为__________，其中ΔU表示__________，Q表示__________，W表示__________。
2. 当系统从外界吸收热量时，Q______0；当外界对系统做功时，W______0。（填“＞”或“＜”）
3. 判断下列说法是否正确：
（1）物体温度升高，一定是吸收了热量。（ ）
（2）做功和热传递都能改变物体的内能，且效果相同。（ ）
（3）若系统对外做功，则W＞0。（ ）
二、能力提升：情境分析
4. 用手反复弯折一根铁丝，弯折处会发热。请分析此过程中：
（1）系统的界定：
（2）Q、W、ΔU的正负情况：
（3）用热力学第一定律解释现象：
5. 一密封容器中装有理想气体，将其放入热水中加热。若容器体积不变，请分析：
（1）气体是否对外做功？W =
（2）气体是吸热还是放热？Q符号？
（3）气体内能如何变化？ΔU符号？
（4）写出该过程的热力学第一定律表达式：
三、拓展延伸：科技前沿
6. 查阅资料了解“斯特林发动机”的工作原理，尝试用热力学第一定律解释其能量转化过程，并绘制简易工作循环图。（可附纸完成）
【答案解析】
一、基础巩固
1. ΔU = Q + W；系统内能的变化量；系统吸收的热量；外界对系统做的功
2. ＞；＞
3. （1）×（也可能是外界对其做功）（2）√（3）×（应为W＜0）
二、能力提升
4. （1）系统为铁丝弯折部分；（2）Q≈0（热传递慢），W＞0（手对铁丝做功），ΔU＞0；（3）外界对手对铁丝做功，使铁丝内能增加，温度升高。
5. （1）体积不变，不做功，W=0；（2）吸热，Q＞0；（3）内能增加，ΔU＞0；（4）ΔU = Q
板书设计
热力学第一定律
——能量守恒在热现象中的体现
[左侧] 实验现象：
压缩引火仪 → 棉花燃烧
　　↑
　　│做功W＞0 → 内能ΔU↑
摩擦生热、打气筒发热
[中部] 核心公式：
　　　　ΔU = Q + W
　　　　↑　　↑　　↑
　内能变化　吸热　外界对系统做功
　ΔU＞0增　Q＞0　W＞0压
　ΔU＜0减　Q＜0　W＜0胀
[右侧] 应用实例：
冰块融化：Q＞0, W≈0 → ΔU＞0
篮球暴晒：Q＞0, W≈0 → ΔU＞0
发动机做功：Q＜0, W＜0 → ΔU＜0
教学反思
成功之处
1. 以“搓手取暖”与“压缩引火”等强感知实验贯穿始终，极大提升了学生的学习兴趣与参与度，实现了从具象到抽象的有效过渡。
2. 创新性地采用“系统—外界”建模思想与符号口诀教学，显著降低了学生对Q、W正负判断的理解难度，多数学生能在当堂练习中准确应用。
3. 小组合作探究任务贴近生活，激发了学生的表达欲望，课堂生成丰富，体现了以学生为主体的教学理念。
不足之处
1. 在分析“自由膨胀”这类理想化过程时，部分学生仍难以接受W=0的事实，反映出对“功”的定义理解不够深刻，需在后续课程中加强力学衔接。
2. 时间分配略显紧张，最后的拓展展示环节未能让所有小组充分发言，下次可提前录制微视频作为补充资源。
3. 对于内能微观本质（分子动能与势能）的联系稍显薄弱，可在导入环节加入分子运动模拟动画以增强微观图景。