第三章 第一节 功、热和内能的改变-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册五维课堂同步课件PPT（人教版）

该高中物理课件聚焦“功、热和内能的改变”，系统讲解焦耳实验、绝热过程及热传递等核心知识，通过钻木取火、打气筒发热等探究导引，衔接初中能量概念与高中热力学内容，搭建递进式学习支架。 其亮点在于融合物理观念（做功与传热改变内能的等效性）和科学思维（实验法与公式推导结合），通过例题解析、跟踪训练及创新拓展（如聚合物薄膜冷却技术），采用自主预习、合作探究、分层检测的教学模式，助力学生提升科学探究能力，也为教师提供结构化教学资源，提高课堂效率。

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[知识点1]　功和内能　 1．焦耳的实验 (1)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　. (2)代表性实验 ①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温　上升　； ②通过电流的　热效应　给水加热． (3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的　方式　无关． 2．功和内能 (1)内能：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．鉴于功是能量　变化　的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能． (2)功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量，即　ΔU＝W　. 说明：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． [知识点2]　热和内能　 1．热传递 (1)条件：物体的　温度　不同． (2)定义：两个　温度　不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，　热量　从高温物体传到了低温物体． 2．热和内能 (1)热量：它是在单纯的传热过程中系统　内能　变化的量度． (2)表达式：　ΔU＝Q　. (3)热传递与做功在改变系统内能上的异同：①做功和热传递都能引起系统　内能　的改变．②做功时是内能与其他形式能的　 转化　；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间　内能的转移　. 注意：我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量． [自我检测] 1．思维辨析 (1)系统只从外界吸热，而不向外界放热的过程就是绝热过程．( × ) (2)在绝热过程中，外界对系统做多少功，内能就能增加多少．( √ ) (3)功和内能都是能量转化的量度．( × ) (4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的．( √ ) 2．基础理解 打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功．打气的过程中你试着去摸一下打气筒的外壳有什么感觉？这是怎么回事呢？ 提示：打气筒外壳温度升高甚至烫手，这是由于打气时活塞压缩气体，对气体做功，使气体内能增加，温度升高. 功和内能 ◆[探究导引] 如图是钻木取火的假想图，在钻木取火的过程中，为什么木块能够冒烟并最终能够生火，试从物理学角度进行解释． 提示：钻木取火的过程是对木块进行做功的过程，木块内能的增加来源于外界对木块做的功． ◆[探究归纳] 1．内能：物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能的总和． (1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量． (2)在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生的变化是由做功引起的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化，系统自身的能量称为内能． (3)造成系统内能变化的量与做功方式无关，与做功的数量有关． (4)内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定． 2．(1)做功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W，表达式为：ΔU＝U2－U1＝W. (2)系统内能的变化量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关，与做功的过程、方式无关． (3)功和内能的区别 ①功是过程量，内能是状态量． ②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化． ③物体的内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有变化较大时，对应着做功较多． [例1]　如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦，则被密封的气体(　　) A．温度升高，压强增大，内能减少 B．温度降低，压强增大，内能减少 C．温度升高，压强增大，内能增加 D．温度降低，压强减小，内能增加 思路点拨：(1)绝热容器表明系统既不向外界传热，也不从外界吸热． (2)活塞缓慢向下移动一段距离表明外界对理想气体做了功． [解析]　由F通过活塞对密闭的理想气体做正功，容器及活塞绝热，知Q＝0，由功和内能的关系知理想气体内能增大，温度T升高，再根据eq \f(pV,T)＝C，体积V减小，压强p增大，故C正确． [答案]　C [规律方法] 分析绝热过程的方法 (1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值．此过程做功的多少为内能转化多少的量度． (2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化量ΔU也确定了．而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法． ◆[跟踪训练] [训练角度1]　对绝热膨胀过程的理解 1．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程．设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中(　　) A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增大 B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减小 C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增大 D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减小 解析：D　[绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功W＜0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少．由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小．故D正确．] [训练角度2]　绝热膨胀过程的能量守恒 2．如图所示的柱形容器内封有一定质量的空气．质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成，另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B后静止．这一过程中，容器内空气内能的改变量ΔU，外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能变化量的关系是(　　) A．Mgh＋mg·Δh＝ΔU＋W B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh C．ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔh D．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh 解析：C　[绝热时Q＝0，ΔU＝W；但物体落在活塞上时，有一部分机械能在碰撞时转化为内能，这些内能没能被封闭气体吸收，因此W＜Mgh＋mgΔh，故C正确．] 热和内能 ◆[探究导引] 某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来． 试探究：(1)烧瓶内的内能增加了还是减少了？ (2)请解释气球膨胀的原因？ 提示：(1)增加了． (2)由于热水的温度较高，将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气体吸收了热水的热量，内能增加，温度升高，体积增大，逐渐膨胀起来． ◆[探究归纳] 1．热传递 (1)热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫作热传递． (2)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射． 2．热传递的实质 热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能．传递能量的多少用热量来量度． 3．传递的热量与内能改变的关系 (1)在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少．即Q吸＝ΔU. (2)在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即Q放＝－ΔU. 4．热传递具有方向性 热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分． 5．改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体的不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 [例2]　(多选)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则(　　) A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量 B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量 C．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量 D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低 思路点拨：(1)热传递的方向是从高温物体传向低温物体． (2)热平衡的条件是二者温度相等． [解析]　热平衡条件是温度相等，热传递的方向是从温度高的物体传向温度低的物体；在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，故A、C正确，B、D错误． [答案]　AC [规律方法] 热量和内能的理解要点 (1)热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，因此不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量． (2)在系统与外界只发生热传递时，系统吸收多少热量，系统内能就增加多少；系统放出多少热量，系统内能就减少多少． ◆[跟踪训练] [训练角度1]　对热传递的理解 3．(多选)下列所述现象中属于利用热传导的方式来传热的是(　　) A．冬天，用手去拿室外的铁块，手感到冷 B．夏天，开空调后一段时间整个房间内温度降低 C．在地面上晒小麦 D．冬天，用暖水袋暖手 解析：AD　[冬天，室外的铁块温度低，手温度高，用手拿铁块时，手上的热量直接通过热传导的方式传到铁块上．用暖水袋暖手，道理同上．开空调后整个房间内温度降低，是空气通过对流的方式使热空气降温．晒小麦是依靠太阳热辐射来吸收热量的，故A、D正确．] [训练角度2]　对热量、功和内能概念的辨析 4．(多选)关于热量、功和内能的下列说法中正确的是(　　) A．热量、功、内能三者的物理意义等同 B．热量、功都可以作为物体内能的量度 C．热量、功都可以作为物体内能变化的量度 D．热量、功、内能的单位相同 解析：CD　[物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A错误；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功也是用做功的方式量度物体内能变化多少的，B错误，C正确；三者的单位都是焦耳，D正确．] 聚合物薄膜变身“超薄空调” 科罗拉多大学博尔德分校的一个研究团队的工程师们开发出一种新型超材料，这种材料具有一些自然界没有的特殊性能．该材料已经可以大规模生产，用于建筑结构中的空调系统，即使在阳光直射的情况下，也不需要电和水，就能冷却物体，只需10～20平方米就可以满足一户人家在炎炎夏日的制冷需求． 该材料是由聚合物基质内随机嵌入谐振极性电介质(绝缘)微粒组成的杂化玻璃聚合物，并涂有银薄膜以增强材料的光谱反射率．将这种超材料应用于物体表面的时候，该薄膜不仅可以通过反射太阳辐射来减少自身热量，而且它透明的材质并不阻碍其下方物体通过红外辐射的方式散热． [典例展示]　最近，《科学》杂志报道了一种新型超材料薄膜，在不需要电源的情况下可以达到对热源物体强化冷却的效果，如图是这种新材料的照片．这种超材料由一层金属银及其下面的玻璃聚合物复合而成，它能够依靠被动辐射冷却来自然散热，从其覆盖的物体中吸收热量向外散去，也就是说，它能够在无须冷却水和零能量损耗的情况下，像空调系统一样冷却烈日下的建筑物．譬如，为了达到冷却屋顶的效果，可以把这种超材料轧制在屋顶表面，它会自动把太阳辐射的能量反射回到空间中，并从室内吸收热量，从而达到室内散热的效果．关于这种超材料，下列说法正确的是(　　 ) A．为实现冷却功能，需要为这种超材料提供电能 B．为实现冷却功能，需要为这种超材料提供机械能 C．这种超材料反射太阳光时可以从其覆盖的物体中吸热 D．这种超材料反射太阳光时不能从其覆盖的物体中吸热 [解析]　根据题干“能够依靠被动辐射冷却来自然散热，从其覆盖的物体中吸收热量向外散去，也就是说，它能够在无须冷却水和零能量损耗的情况下，像空调系统一样冷却烈日下的建筑物”知，无须提供电能和机械能，它从其覆盖的物体中吸收热量，故A、B、D错误，C正确． [答案]　C 1．(功和内能的关系)在绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法正确的是(　　) A．气体内能一定增加20 J B．气体内能增加必定小于20 J C．气体内能增加可能小于20 J D．气体内能可能不变 解析：A　[做功的过程是能量转化的过程，在绝热过程中，外界对气体做多少功，气体内能就增加多少，选项A正确．] 2．(热传递)关于热传递，下列说法正确的是(　　) A．热传递是高温物体的温度传给低温物体 B．并不接触的物体之间不会发生热传递 C．比热容相同的物体之间不会发生热传递 D．温度相同的物体之间不会发生热传递 解析：D　[热传递实质是内能从高温物体转移到低温物体，传递的不是温度，传递的是热量，A错误；不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行热传递，B错误；热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系，C错误；温度相同的物体之间不存在温度差，不会发生热传递，D正确．] 3．(热和内能的关系)下列各事例通过热传递改变物体内能的是(　　) A．车床上车刀切削工件后发热 B．擦火柴时火柴头温度升高 C．用肥皂水淋车刀后车刀降温 D．搓搓手就会觉得手发热 解析：C　[车床上车刀切削工件后发热，擦火柴时火柴头温度升高，搓搓手就会觉得手发热都是通过做功的方式改变物体内能；用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过热传递改变物体内能的，选项C正确．] 4．(功和内能的关系)如图所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(　　) A．外界对气体做功，气体内能增大 B．外界对气体做功，气体内能减小 C．气体对外界做功，气体内能增大 D．气体对外界做功，气体内能减小 解析：A　[由题意知，在M向下滑动的过程中，绝热压缩密封的气体，外界对气体做功，使气体的内能增大，故A正确．] 5．(功、热和能的综合分析)金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外逸出，待筒内外压强相等时，立即关闭开关．在外界保持恒温的条件下，经过一段较长时间后，再次打开开关，这时出现的现象是(　　) A．筒外空气流向筒内 B．筒内空气流向筒外 C．筒内外有空气变换，处于动态平衡，筒内空气质量不变 D．筒内外无空气交换 解析：B　[因高压空气急剧外逸时，气体没有时间充分与外界发生热交换，可近似看成绝热膨胀过程．气体对外做功，内能减小，所以关闭开关时，筒内气体温度较外界低，再经过较长时间后，筒内外气体温度相同．对筒内剩余气体分析，属于等容升温过程，其压强要变大，大于外界气压，所以再打开开关时，筒内气体要流向筒外．故B正确．] $