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人教版高中物理选择性必修3第3章第1节功、热和内能的改变教学设计
课题
功、热和内能的改变
单元
3
学科
物理
年级
高二
学习目标
物理观念:知道焦耳的两个实验，功与内能改变及热与内能改变的数量关系。科学思维:掌握焦耳的两个实验的实质，理解功、热和内能改变的关系，会解释相关的现象，分析相关的问题。科学探究:掌握两个实验的探究过程，利用“做一做”体验功与内能改变的关系，学会观察与操作并与他人合作交流，提高实验技能。科学态度与责任:理解功、热与内能改变的实质，实事求是，培养积极探究科学的兴趣，激发学习热情。
重点
掌握焦耳的两个实验的实质，理解功、热和内能改变的关系，会解释相关的现象，分析相关的问题。
难点
掌握焦耳的两个实验的实质，理解功、热和内能改变的关系，会解释相关的现象，分析相关的问题。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
引入：
冬天搓手可使双手变暖；向手吹气也可使双手变暖，是什么原因使温度发生了变化呢？
完成搓手活动。
通过课堂小活动，体会搓手让双手变暖的过程，激发兴趣，引入课题。
讲授新课
演示:在有机玻璃筒底放置少量的易燃物,例如蓬松的棉花,迅速压下筒中的活塞,观察筒底物品的变化.这个实验说明了什么？一、焦耳的实验1818年12月24日生于英国曼彻斯特
，起初研究电学和磁学.
1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律.焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础.实验一：对系统做机械功重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化.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.实验二：对系统做电功电流通过电热丝使绝热
容器内的液体温度升高.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.思考：焦耳的热功当量实验和电流热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的.也就是说，在各种不同的绝热过程中，要使系统状态发生变化，做功的数量只由始末两个状态决定，与做功方式无关.绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程.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。类比思考：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？二、内能1、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。2、当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量△U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即△U=W.拓展思考：在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能怎么变？数量上有什么关系？若系统对外界做功呢？三、功与内能的改变实验录像：钻木取火演示：在烧瓶里加入水，水的上方有水蒸气.用带孔橡皮塞把瓶口塞住，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化.1、实验研究的对象是瓶中的气体与打气筒中的气体，那么我们的系统也就是这二部分气体.2、呈现雾状3、空气对活塞做功，内能减少，温度降低，使水蒸气液化成小水珠.小结：功和内能变化的关系做功可以改变系统的内能．功是系统内能转化的量度．(1)外界对系统做功，系统的内能增加．在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功．即ΔU＝U2－U1＝W.(2)系统对外界做功，系统的内能减少．在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少，即W＝ΔU.课堂练习1、地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计．已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中(不计气团内分子间的势能)
( )A．体积减小，温度降低
B．体积减小，温度不变C．体积增大，温度降低
D．体积减小，温度不变解析：压强减小，体积增大，对外界做功，内能减小，△U=W，动能减小，温度降低观察生活中常见的热传递现象热传递的三种方式四、热与内能的改变系统吸热：U增加系统放热：U减小?U=Q热量：在单纯的热传递过程中系统内能变化的量度，离开热传递的过程讲热量没有意义，过程量。做功和热传递的区别1、内能改变多少的度量方式不同。2、改变内能的本质不同。3、改变内能的效果是等效的。课堂练习2、(多选)关于气体的内能，下列说法正确的是( )A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C．气体被压缩时，内能可能不变D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加解析：质量与温度都相同的不同理想气体，分子的平均动能相同，但气体的摩尔质量不同，因此分子个数不同，气体的内能不同，A错误；气体的温度不变，气体分子的平均动能不变，内能不变，整体运动速度增大，内能也不会改变，B错误；气体被压缩时，如果同时放热，放出的热量等于外界对气体做的功，则气体内能不变，C正确；一定量的某理想气体，气体分子的分子势能为零，内能等于所有分子的动能之和，分子数一定，总动能只与温度有关，D正确；一定量的某种理想气体，由理想气体状态方程可知，在等压膨胀过程中，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增加，E正确．答案：CDE
观察实验现象。了解焦耳实验的意义。观察实验现象，总结实验结论。结合实验现象，完成思考题。思考热力学对内能的定义和分子动理论中对内能的定义的联系和区别。思考内能与做功之间的关系。观看实验录像。观察实验现象，思考问题：1.系统指的是什么？2.出现了什么现象？3.为什么会呈现雾状？完成课堂小结。完成课堂练习。观察和回忆生活中的常见现象。总结热与内能改变之间的关系。完成课堂练习。
结合课前动手小活动，尝试解释出现实验现象的原因。了解相应的物理学史，拓宽学生的知识面。历史再现，将学生带入到物理中去，带到知识海洋里。让学生学会通过实验类比，总结现象和规律。通过类比重力和电场力做功，理解热力学系统的绝热过程。提升学生在课堂上的思考容量，引出下一部分的内容。一步步设置思考问题，让知识循序渐进。前面涉及到的现象和思考题目较多，增加课堂小结环节，帮助学生整理新知识。通过观察和回忆生活中的常见现象。分析热与系统内能改变的关系。
拓展提高
1、下面例子中通过热传递改变物体内能的是( )A.感到手冷时,搓搓手就会觉得暖和些B.擦火柴时,火柴头上的红磷温度升高到红磷的燃点,火柴燃烧起来C.物体在阳光照射下温度升高D.反复弯折一根铁丝,弯折的部分温度升高解析：A、B、D均是通过做功改变物体的内能,C项是通过热传递的方式来改变物体内能,故C项正确。答案：C2、如图所示,瓶内装有少量的水,瓶口已塞紧,水上方空气中有水蒸气,用打气筒向瓶内打气,当塞子从瓶口跳出时,瓶内出现“白雾”,这一现象产生的原因可以用下面三句话解释:甲,水蒸气液化成小水珠;乙,瓶内气体推动瓶塞做功;丙,内能减小,温度降低。三句话正确的顺序是( ) A.甲、乙、丙
B.乙、丙、甲C.丙、甲、乙
D.乙、甲、丙解析：根据题意因果顺序的顺序为:空气推动瓶塞做功——空气内能减小温度降低——瓶内水蒸气液化成小水珠。答案：B3.如图所示是古人锻造铁器的过程,关于改变物体内能的方式,下列说法正确的是( )A.加热和锻打属于热传递,淬火属于做功B.加热属于热传递,锻打和淬火属于做功C.加热和淬火属于热传递,锻打属于做功D.加热和淬火属于做功,锻打属于热传递解析：用铁锤锻打铁器,铁器会发热,属于做功改变物体内能;用火对铁器加热,铁器从火中吸收热量,把铁器放在水中淬火,铁器向水中放热,所以加热和淬火属于热传递改变物体内能,故选项C正确。答案：C
完成本节拓展提高。
巩固基础知识，学以致用。
课堂小结
总结本节课所学知识。
帮助学生形成知识框架，建立知识体系。
板书
一、焦耳的实验实验一：对系统做机械功实验二：对系统做电功二、内能三、功与内能的改变四、热与内能的改变做功和热传递的区别
焦耳实验
功、热和内能的改变
功：△U=W
热：△Q=W
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精品试卷·第
2
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（共
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功、热和内能的改变
人教版高中物理
选择性必修3
新知导入
引入：
冬天搓手可使双手变暖；向手吹气也可使双手变暖，是什么原因使温度发生了变化呢？
新知讲解
演示:在有机玻璃筒底放置少量的易燃物,例如蓬松的棉花,迅速压下筒中的活塞,观察筒底物品的变化.这个实验说明了什么？
新知讲解
一、焦耳的实验
焦耳在做热功当量实验
焦耳
1818年12月24日生于英国曼彻斯特
，起初研究电学和磁学.
1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律.焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础.
新知讲解
重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化.
实验一：对系统做机械功
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.
新知讲解
实验二：对系统做电功
电流通过电热丝使绝热
容器内的液体温度升高.
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.
新知讲解
焦耳的热功当量实验和电流热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？
在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的.也就是说，在各种不同的绝热过程中，要使系统状态发生变化，做功的数量只由始末两个状态决定，与做功方式无关.
系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程.
绝热过程：
新知讲解
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。
类比思考：
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？
重力
电场力
重力做功对应重力势能
电场力做功对应电势能（电能）
新知讲解
二、内能
1、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？
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。
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。
新知讲解
新知讲解
拓展思考：
在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能怎么变？数量上有什么关系？若系统对外界做功呢？
2、当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量△U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即△U=W.
新知讲解
实验录像：钻木取火
三、功与内能的改变
新知讲解
演示：在烧瓶里加入水，水的上方有水蒸气.用带孔橡皮塞把瓶口塞住，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化.
1.系统指的是什么？
2.出现了什么现象？
3.为什么会呈现雾状？
新知讲解
实验：做功改变物体的内能
呈现雾状
1.系统指的是什么？
实验研究的对象是瓶中的气体与打气筒中的气体，那么我们的系统也就是这二部分气体.
2.出现了什么现象？
3.为什么会呈现雾状？
空气对活塞做功，内能减少，温度降低，使水蒸气液化成小水珠.
新知讲解
由此可知：
1．外界对物体做功，物体的内能增加
2．物体对外界做功，物体的内能减少．
新知讲解
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。
功是能量转化的量度
内能U
内能只依赖于系统自身状态的物理量，内能与状态参量温度、体积有关，即由它的状态决定。
内能的增加量△U＝U2－U1等于外界对系统所做的功
△U＝W
新知讲解
做功可以改变系统的内能．功是系统内能转化的量度．
小结：功和内能变化的关系
(2)系统对外界做功，系统的内能减少．
在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少，即W＝ΔU.
(1)外界对系统做功，系统的内能增加．
在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功．即ΔU＝U2－U1＝W.
课堂练习
1、地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计．已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中(不计气团内分子间的势能)
( )
A．体积减小，温度降低
B．体积减小，温度不变
C．体积增大，温度降低
D．体积减小，温度不变
C
压强减小，体积增大，对外界做功，内能减小，△U=W，动能减小，温度降低
新知讲解
生活中常见的热传递现象
新知讲解
热对流
热辐射
热传导
热传递的三种方式
新知讲解
系统吸热
绝功
U增加
系统放热
U减小
绝功
?U=Q
热量：
在单纯的热传递过程中系统内能变化的量度，离开热传递的过程讲热量没有意义，过程量。
四、热与内能的改变
新知讲解
做功和热传递的区别
1、内能改变多少的度量方式不同。
2、改变内能的本质不同。
3、改变内能的效果是等效的。
课堂练习
2、(多选)关于气体的内能，下列说法正确的是(
)
A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同
B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大
C．气体被压缩时，内能可能不变
D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加
CDE
课堂练习
解析：质量与温度都相同的不同理想气体，分子的平均动能相同，但气体的摩尔质量不同，因此分子个数不同，气体的内能不同，A错误；气体的温度不变，气体分子的平均动能不变，内能不变，整体运动速度增大，内能也不会改变，B错误；气体被压缩时，如果同时放热，放出的热量等于外界对气体做的功，则气体内能不变，C正确；一定量的某理想气体，气体分子的分子势能为零，内能等于所有分子的动能之和，分子数一定，总动能只与温度有关，D正确；一定量的某种理想气体，由理想气体状态方程可知，在等压膨胀过程中，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增加，E正确．
拓展提高
1、下面例子中通过热传递改变物体内能的是( )
A.感到手冷时,搓搓手就会觉得暖和些
B.擦火柴时,火柴头上的红磷温度升高到红磷的燃点,火柴燃烧起来
C.物体在阳光照射下温度升高
D.反复弯折一根铁丝,弯折的部分温度升高
解析：A、B、D均是通过做功改变物体的内能,C项是通过热传递的方式来改变物体内能,故C项正确。
C
拓展提高
2、如图所示,瓶内装有少量的水,瓶口已塞紧,水上方空气中有水蒸气,用打气筒向瓶内打气,当塞子从瓶口跳出时,瓶内出现“白雾”,这一现象产生的原因可以用下面三句话解释:甲,水蒸气液化成小水珠;乙,瓶内气体推动瓶塞做功;丙,内能减小,温度降低。三句话正确的顺序是(
)
A.甲、乙、丙
B.乙、丙、甲
C.丙、甲、乙
D.乙、甲、丙
解析：根据题意因果顺序的顺序为:空气推动瓶塞做功——空气内能减小温度降低——瓶内水蒸气液化成小水珠。
B
拓展提高
3.如图所示是古人锻造铁器的过程,关于改变物体内能的方式,下列说法正确的是( )
A.加热和锻打属于热传递,淬火属于做功
B.加热属于热传递,锻打和淬火属于做功
C.加热和淬火属于热传递,锻打属于做功
D.加热和淬火属于做功,锻打属于热传递
解析：用铁锤锻打铁器,铁器会发热,属于做功改变物体内能;用火对铁器加热,铁器从火中吸收热量,把铁器放在水中淬火,铁器向水中放热,所以加热和淬火属于热传递改变物体内能,故选项C正确。
C
课堂总结
功、热和内能
焦耳实验
功
△U=W
热
绝热过程
电功
机械能
△Q=W
板书设计
一、焦耳的实验
实验一：对系统做机械功
实验二：对系统做电功
二、内能
三、功与内能的改变
四、热与内能的改变
做功和热传递的区别
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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