3.1 热力学第一定律 课时教案-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

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。

 

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。

（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。

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

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。