3.1 功、热和内能的改变 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案围绕“功、热和内能的改变”展开，通过焦耳实验（重物搅拌水、电流热效应加热）及硝化棉燃烧等实验操作导入，引导学生从实验现象出发，理解绝热过程中功与内能的关系（ΔU=W）和单纯传热中热与内能的关系（ΔU=Q），搭建从实验到理论的学习支架。 资料以实验探究为特色，对比分析做功（能量转化）与传热（内能转移）的实质，培养科学思维（模型建构、科学推理），结合典型例题与变式训练深化理解，渗透科学态度（史实学习），助力学生形成能量观念，提升自主学习与问题解决能力。

第三章　热力学定律 1．功、热和内能的改变 【课标要求】知道热力学第一定律。通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。 【学习目标】 1．了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质。 2．知道做功和传热是改变内能的两种方式，明确两种方式的区别。 3．明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。 【学习重难点】 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。 课本导练 必备知识 一、焦耳的实验 1．绝热过程：______________________________。 2．代表性实验 (1)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 (2)通过电流的热效应给液体加热。 3．实验结论：___________________________________________________________。 4．内能：______________________。 二、功与内能的改变 1．功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2．理解 (1)ΔU＝W的适用条件是___________。 (2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W＞0外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少，物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少。 三、热与内能的改变 1．传热 (1)条件：___________。 (2)传热：____________________。 2．热和内能 (1)热量：____________________。 (2)热与内能的改变 ①_______________________________________________________，即ΔU＝Q。 ②理解：___________________________________________________________________________________________。 3．传热与做功在改变系统内能上的异同 (1)______________________________。 (2)做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 1．下列事件中，物体的内能怎样改变？（固体和液体的热膨胀很小，可不予考虑） (1)壶里的水被加热而温度升高。 (2)一条烧红的铁棒逐渐冷却下来。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．在下图焦耳的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？ 点评点拨 一、焦耳的实验 在有机玻璃筒底放少量的硝化棉(燃点较低)，迅速压下活塞，观察硝化棉的变化.你能看到什么现象?实验现象说明了什么?图中用力迅速按压活塞时为什么一定要迅速? 焦耳的两个代表性实验及结论 项目 实验1 实验2 实验装置 实验条件 所研究的系统发生绝热过程 做功方式 重物下落时带动叶片转动搅拌容器中的水，靠叶片与水摩擦使水温升高，通过重力做功实现能量转化 让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给水加热使水温升高，通过电功实现能量转化 实验结论 通过改变悬挂重物的质量和下落高度，发现只要重力做功相同，容器内水温上升的数值就是相同的 通过改变悬挂重物的质量和下落高度，发现只要所做电功相同，容器内水温上升的数值就是相同的 共性 外界对系统做功相同时，系统温度上升的数值相等，即系统状态的变化相同 例1． 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是（ ） A．系统状态的改变只能通过传热来实现 B．机械能守恒 C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关 D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关 变式训练1． 如图为焦耳实验装置示意图，用绝热性能良好的材料制作容器，重物下落时带动叶片转动，搅拌容器里的水，引起水温升高，关于这个实验，下列说法正确的是（ ） A．该装置可测定做功和内能变化的关系 B．做功增加了水的热量 C．做功增加了水的内能 D．功和热量是完全等价的，无区别 二、功与内能的改变 如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气，则气体自发扩散前后内能变化了吗？为什么？气体在被压缩的过程中内能如何变化？为什么？ 如何正确理解系统的内能 1．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作物体的内能.微观定义中，分子热运动的剧烈程度、分子间距、分子数是内能的影响因素. 2．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种只依赖于系统自身状态的能量，这种能量叫作系统的内能.宏观定义中，温度、体积、状态是内能的影响因素. 绝热过程中ΔU与W的关系 (1)关系式：ΔU=W。当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU=U2-U1就等于外界对系统做的功W。 (2)说明 ①该公式仅适用于绝热过程，即内能跟其他形式的能相互转化。 ②符号原则：外界对系统做功，W取“+”；系统对外界做功，W取“-”.内能增加，ΔU取“+”；内能减少，ΔU取“-”。 ③在分子动理论中讲到的内能与本节所学的内能是一致的，前者为后者提供了微观解释。 例2． 金属制成的汽缸中装有柴油和空气的混合物，有可能使柴油达到燃点的过程是（ ） A．迅速向里推活塞 B．迅速向外拉活塞 C．缓慢向里推活塞 D．缓慢向外拉活塞 变式训练2． 图中活塞将汽缸分成两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且汽缸不漏气，以U甲、U乙表示两气体的内能，则在用一定的拉力将拉杆缓慢向外拉的过程中（ ） A．U甲不变，U乙不变 B．U甲减小，U乙增大 C．U甲与U乙总量不变 D．U甲与U乙总量增加 三、热与内能的改变 一根金属棒的温度升高了，也就是说它的内能增加了，你能判断出它是通过哪种方式增加内能的吗？为什么？ 单纯的传热过程中ΔU与Q的关系 (1)关系式：ΔU=Q。当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU=U2-U1就等于外界向系统传递的热量Q。 (2)说明 ①该公式仅适用于单纯的传热过程。 ②符号原则：系统吸热，Q取“+”值，系统放热，Q取“-”值；内能增加，ΔU取“+”值，内能减少，ΔU取“-”值。 做功和传热的比较 做功 传热 与ΔU的关系 在绝热过程中，ΔU=W 单纯对系统传热时，ΔU=Q 实质 内能与其他形式能的转化，通过宏观运动实现.在绝热过程中，外界对物体做多少功就有多少其他形式的能转化为内能 内能的转移，存在温度差，通过分子的微观运动来实现，是不同物体间或同一物体不同部分间内能的转移 联系 虽然实质不同，但做功和传热在改变系统内能上是等效的 例3． 下列各事例中是通过传热改变物体内能的是（ ） A．车床上车刀切削工件后发热 B．用肥皂水淋车刀后车刀降温 C．擦火柴时火柴头温度升高 D．搓搓手就会觉得手发热 变式训练3． 关于传热，下列说法正确的是（ ） A．传热的实质是温度的传递 B．物体间存在温度差，才能发生传热 C．传热可以在任何情况下进行 D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 (1)内能相同时，物体的分子平均动能一定相同。（ ） (2)做功可以改变系统的内能，但是单纯地对系统传热不能改变系统的内能。（ ） (3)不计分子之间的分子势能，质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能。（ ） (4)1g、100℃水的内能小于1g、100℃水蒸气的内能。（ ） 【参考答案】 课本导练 必备知识 【答案】 一、1．绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。 2．代表性实验 (1)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 (2)通过电流的热效应给液体加热。 3．实验结论：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。 4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。 二、1．功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2．理解 (1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程。 (2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W＞0外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少，物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少。 三、1．传热 (1)条件：物体的温度不同。 (2)传热：热从高温物体传到了低温物体。 2．热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 (2)热与内能的改变 ①当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。 ②理解：在单纯传热的过程中，系统从外界吸收热量，则Q＞0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就增加多少，系统向外界放热，则Q＜0，系统向外界放了多少热量，系统的内能就减少多少。 3．传热与做功在改变系统内能上的异同 (1)做功和传热都能引起系统内能的改变。 (2)做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 1．【答案】(1)增加；(2)减小 展示讨论 1．【答案】 物体下落，减少的重力势能转为物体的内能；重物带动发电机工作，将机械能转化为电能，发电机工作，将电能转化为液体的内能。 点评点拨 一、焦耳的实验 【答案】 思维探究 可以看到硝化棉燃烧.实验现象说明外界(活塞)对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点(燃点很低)后引起硝化棉燃烧.迅速按下活塞是为了减少热交换，近似看成绝热过程. 例1．【答案】C 变式训练1．【答案】AC 二、功与内能的改变 【答案】 思维探究 气体向真空扩散过程中不对外做功，且又因为汽缸绝热，可知气体自发扩散前后内能不变；气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因汽缸绝热，则气体内能增大。 例2．【答案】A 变式训练2．【答案】BD 三、热与内能的改变 【答案】 思维探究 不能，因为做功和传热都能改变物体的内能。 例3．【答案】B 变式训练3．【答案】B 小结小测 二、课堂小测 【答案】 × × × √ 学科网（北京）股份有限公司 $