3.1 功、热和内能的改变 教学设计-2024-2025学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册

第3章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 1、 教学内容分析 《功、热和内能的改变》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修3模块中热力学定律主题下的内容。课程标准的要求为：通过有关史实，了解热力学第一定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。《普通高中物理课程标准(2017年)版解读》对课程标准的阐释为：要求通过介绍热力学第一定律发现的过程，让学生领略自然界的奇妙，体会科学家们探索自然规律的艰辛，体会科学探索中的失败对科学发现的意义，学习科学家的坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度与科学精神。 本节课以焦耳实验为核心，建立功、热与内能改变的定量关系。教材首先介绍焦耳实验，突出实验在建立内能概念的重要作用，通过绝热过程证明做功可改变系统内能，且功的数值仅由始末状态决定；再引入内能的含义，进一步深化内能概念——内能是状态量。在绝热过程中ΔU=W；单纯传热过程中 ΔU=Q，做功和传热都可以改变系统的内能，二者是等价的。但要注意功与热的本质区别：做功是能量转化，传热是能量转移。 2、 学情分析 学生已掌握机械能守恒、分子动理论（内能的微观解释），但对"内能是状态量"缺乏系统认识；易混淆热量与内能概念。高二学生具备实验分析和逻辑推理能力，但将抽象实验（如焦耳绝热过程）与理论结合的能力仍需引导。从对焦耳实验的分析引出内能的定义，说明内能是系统的状态参量，教师可类比重力势能引入内能含义，说明内能是系统的状态函数。 3、 教学目标 物理观念：理解内能是状态量，掌握绝热过程中ΔU=W 和传热过程中 ΔU=Q 的物理意义。 科学思维：通过焦耳实验数据归纳"做功与内能改变"的定量关系，辨析功与热传递的本质区别（能量转化 VS能量转移）。 科学探究：设计并操作"压缩引火仪"实验，探究做功对内能的影响，分析实验误差。 科学态度与责任：通过焦耳探索史实，感悟科学家坚持真理、严谨求实的科学精神；认识能量守恒思想对可持续发展的重要性。 4、 教学重难点 教学重点：焦耳实验的结论：绝热过程中做功量决定内能变化；功与热传递改变内能的本质区别。 教学难点：理解"内能是状态量"的抽象概念；建立绝热过程中"功的数值仅由状态决定"的逻辑链条 5、 教学过程 环节1：情境导入 演示实验：展示"空气压缩引火仪"，迅速压下活塞引燃硝化棉。 问题驱动： "外界未加热，硝化棉为何燃烧？能量从何而来？" 学生活动：结合分子动理论讨论"活塞做功→气体温度升高"的微观机制。 环节2：探究功与内能改变 实验1（搅拌水）：展示图3.1-1，分析重力做功 W=mgh → 机械能转化为内能 → 水温上升； 实验现象：各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但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2（电阻丝加热）：对比图3.1-2，强调电流做功W=I2Rt → 电能转化为内能； 实验现象：实验结果表明，对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是 相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。 实验分析： 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。这个物理量是系统的一种能量，把它称为系统的内能。 类比重力势能："两点间势能差 = 重力做功量" → "两状态间内能差 = 绝热过程做功量"。 核心结论：绝热过程中，ΔU=W（内能变化仅由做功量决定）。 环节3：热传递与内能改变 演示"冷热铁棒接触" 热从高温物体传至低温物体 → Q吸​=ΔU； 对比实验：同一系统升高相同温度，可通过做功 或 传热实现。 做功：机械能/电能 → 内能（能量形式转化）； 传热：内能从一个物体转移到另一个物体（能量位置转移）。 环节4：实验探究与迁移 分组实验：复现"塑料瓶打气实验"（图3.1-4） 打气时：外界对气体做功（ΔU>0）； 瓶塞跳出：气体绝热膨胀对外做功（ΔU<0）→ 温度下降→水蒸气液化形成白雾。 迁移应用： 例题（教材练习4）：铅弹射入木块，动能→内能 → 计算温升： 环节5：科学史升华 焦耳生平：介绍其40年坚持测量"热功当量"的故事，强调科学探索需不畏失败。 6、 板书设计 §3.1 功、热和内能的改变 一、焦耳实验结论 绝热过程：∆U = W 内能是状态量 二、改变内能的两种方式 1. 做功：能量形式转化 → ∆ U = W 2. 传热：内能转移 → ∆U = Q 3.本质区别 做功：能量转化（如机械能→内能） 传热：能量转移（内能迁移） 三、实验验证 引火仪：压缩做功 → 内能↑ → 点燃硝化棉 塑料瓶：膨胀做功 → 内能↓ → 液化白雾 7、 教学反思 目标达成情况： 1. 学生能准确表述ΔU=W 和 ΔU=Q 的适用条件，但部分学生对"绝热过程"的现实近似（如快速压缩）理解不足。 2. 实验环节中，"塑料瓶白雾"现象因环境湿度影响部分小组未成功，需改进为封闭式透明容器并预加少量酒精增强可视性。 改进建议： 1. 抽象概念具象化：用动画模拟焦耳实验中"机械功→分子动能增加"的微观过程，强化内能与状态的联系。 2. 科学史渗透：补充焦耳与主流"热质说"抗争的史料，引导学生体会科学革命的曲折性。 2 1 学科网（北京）股份有限公司 $$