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

该教案聚焦功、热和内能的改变核心知识点，通过空气压缩引火仪实验导入，结合课前自主学习（微视频、学案）与自学检测，梳理焦耳实验、内能概念及功热关系的脉络，搭建从现象到规律的学习支架。 特色在于融合物理学史与实验探究，通过焦耳实验分析、空气顶塞演示等培养科学思维与探究能力，利用思维导图构建知识网络落实物理观念。小组合作与分层练习提升学生科学态度，为教师提供结构化教学方案，提高课堂效率。

第1节　功、热和内能的改变 教学分析 · 教学目标 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。 · 教学重难点 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。 难点:通过实验体验功与内能改变的关系,提升实验观察、分析归纳能力及与他人合作交流的能力。 · 教学方法 小组合作探究法、讲授法、讨论法、实验法。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体辅助教学设备、学案等。 教学设计 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 一、课 前 自主学习 　　[课前预习] 1.通读教材,观看自学微视频、完成学案上自主学习部分。 2.结合自学检测的内容,提出自主学习过程中存在的问题,小组讨论并集中反馈。 提高学生自主学习、信息提取的能力。 激发自主学习的兴趣,加强对材料的阅读、分析,提取有用信息,促进逻辑思维的形成,提升模型建构的能力。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 二、新课 导入 　[导入新课] 演示实验: 在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉,迅速压下筒中的活塞,可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢?这个实验说明了什么? [自学检测] 反馈基本知识点,形成本节课的知识体系。 正误判断 (1)某一系统经历绝热过程时,只要初、末状态相同,则做功数量也一定相同。(　　) (2)在绝热过程中,做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。(　　) (3)在绝热过程中,系统对外界做的功等于系统内能的增加量。 (　　) (4)功和内能都是能量转化的量度。(　　) (5)搓搓手会感到手暖和些,是通过做功改变了手的内能。(　　) (6)外界对物体做功多,就意味着物体的内能大。(　　) (7)传热过程具有一定的方向性。(　　) (8)在任何情况下,公式ΔU=Q都适用。(　　) (9)温度高的物体含有的热量多。(　　) (10)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(　　) (11)做功和传热都能改变物体的内能。(　　) (12)传热改变内能的实质是能量的转移。(　　) 答案:(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√(8)×　(9)×　(10)×　(11)√　(12)√ 通过师生问答建立知识体系,明确本节课的学习目标。学生限时训练,教师对疑难问题进行解惑。 学生的自主学习为主,以基本知识点为载体,形成物理观念。通过检测反馈自主学习的有效性,引导学生对自主学习进行自我评价。 三、课堂 问题探究 一、焦耳的实验 焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特,1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比,与导体的电阻成正比,与通电的时间成正比的定律,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。 通过相关物理学史,了解热力学第一定律建立的基础。 对所涉及的内容深入了解,做到知其然知其所以然,激发学生学习物理的热情。 续表 三、课堂问题探究 实验一:对系统做机械功 焦耳的实验装置 用绝热性能良好的材料制作容器,容器中安装着叶片组成的搅拌器。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。 [问题探究1]在该绝热过程中,做功和水温上升有什么样的关系?小组分析讨论。 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。 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,这样的过程叫作绝热过程。 实验二:对系统做电功 与焦耳实验原理相同的实验装置示意图 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,由电流的热效应给液体加热,使液体温度上升。 [问题探究2]在绝热过程中,电阻丝所做电功与系统温度上升有什么样的关系?请小组分析讨论。 结论: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。 [归纳] 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相同。即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。 以问题探究的形式展开深入学习,加深对焦耳实验的理解、掌握。 对所有的探究问题进行观察、归纳、分析和推理,获得结论并给出解释。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课 堂问题探究 [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——重力做功对应重力势能变化。 电场力——电场力做功对应电势能变化。 二、内能 提问:热力学中什么是系统的内能? 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所做的功相联系,我们把这个物理量称为系统的内能。 [问题探究3]我们在分子动理论中学到的内能的概念是什么?内能的变化与什么有关?这里学习的内能和分子动理论中所学的内能一致吗?有何关系? 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与分子势能的总和,叫作物体的内能。 ②宏观定义(热力学对内能的定义): 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,这个物理量叫作系统的内能。 影响因素:影响物体内能大小的因素,主要有物体的温度、体积、状态和质量。 联系:分子热运动中系统的内能和此处的内能是一致的,它为内能提供了微观解释。 [拓展思考1]基于以上对内能的宏观定义和微观解释,内能变化和做功之间可以得到怎样的定量关系? [结论]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就等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W。 以问题探究的形式展开深入学习,加深对焦耳实验的理解、掌握。 以提问的形式,落实基础知识。 学生思考问题、回答问题,教师给予适当的点拨,突出学生学习的主体地位。 对所有的探究问题进行观察、归纳、分析和推理,获得结论并给出解释。 学生通过自学提升提取信息、掌握新知的能力。 思考热力学和分子动理论中对内能的定义的联系和区别,提升学生的问题探究能力。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课堂 问题探究 [拓展思考2] 在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能怎么变?系统对外界做功呢? [结论]在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能增加;系统对外做功,系统的内能减少。 三、功与内能的改变 实验录像:钻木取火(图略) 演示实验:空气顶塞 :取一个透明塑料瓶,向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔,安装上气门嘴,再用橡胶塞把瓶口塞紧,并向瓶内打气,观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。 [问题思考] 1.出现了什么现象? 2.系统指的是哪个部分? 3.为什么会呈现雾状? 当橡胶塞跳出时,瓶内出现白雾。以瓶内气体为研究对象,橡胶塞跳出后,瓶内的气体迅速膨胀,系统对外做功,因此,气体的内能迅速减少,瓶内气体温度迅速下降,瓶内水蒸气液化,就会出现大量的雾状小水滴。 在以上问题的基础上,要求学生小组讨论,找出功和内能变化的定量关系。 [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,内能的变化量就等于外界对系统做的功。即ΔU=U2-U1=W。 (2)系统对外做功,系统的内能减少。 在绝热过程中,系统对外做多少功,内能就减少多少,即W=ΔU。 [课堂练习] 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:向瓶内打气,瓶内气压增大,当瓶内气体把瓶塞从瓶口推出时,瓶内气体对瓶塞做功,使气体自身的内能减少,温度降低,受温度降低的影响,瓶口周围的水蒸气液化成小水滴飘散在空中,就是看到的“白雾”,据此可知甲、乙、丙三句话的顺序是乙、丙、甲。故选B。答案:B 拓展思维,让学生从本质上分析做功和内能之间的定量关系。 观察实验现象,思考问题,探究内能和做功之间的关系。 小组讨论,找出功和内能变化之间的关系。 完成课堂练习,巩固学习效果。 提升学生的科学探究能力。 提升学生的科学探究能力。 提升学生的逻辑思维能力和小组合作能力。 能力提升,学以致用。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课堂 问题探究 四、热与内能的改变 观察:生活中常见的传热现象 1.传热: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,并将持续到系统间达到热平衡,即温度相等为止,这个过程称之为传热。 2.传热的三种方式:热传导、热对流、热辐射,如图所示: 3.条件:当物体之间或物体的不同部分之间存在温度差时,才能发生传热。 4.热与内能的改变 系统吸热:U增加。系统放热:U减少。 ΔU=Q 热量:在单纯的传热过程中系统内能变化的量度,离开传热的过程讲热量没有意义,热量为过程量。 做功和传热的区别与联系 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] 1.(多选)关于气体内能,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:质量和温度都相同的气体,分子的平均动能相同,但可能是不同的气体,其摩尔质量不同,因此分子个数不同,气体的内能不同,A错误;物体的内能与物体的温度、体积、状态和质量有关,与物体宏观整体运动的机械能无关,所以整体运动速度越大,其内能不一定越大,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 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。 对传热、传热的三种方式、传热的条件进行详细讲解。 学生总结热与内能改变之间的联系和区别。 完成课堂练习,巩固学习效果。 提升理论联系实际的能力。 巩固基础知识。 培养学生的归纳总结能力。 能力提升,学以致用。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 四、课堂达标与提升 2.下面例子中通过传热改变物体内能的是(　　) 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是通过传热的方式来改变物体内能,故C正确。 答案:C 3.采用绝热的方式使一定量的气体由初状态A变化至末状态B。对于不同的做功方式,下列说法正确的是(　　) A.对气体所做的功不同 B.对气体所做的功相同 C.对气体不做功,因为没有能量的传递 D.以上三种说法都不对 解析:在绝热过程中,气体在初状态A有一确定的内能UA,在状态B有另一确定的内能UB,由绝热过程中ΔU=UB-UA=W知,W为恒量,故B正确。 答案:B 4.对于热量、功、内能三个物理量,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、内能的单位不相同 D.热量和功是由过程决定的,而内能是由物体状态决定的 解析:物体的内能是指物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和,而要改变物体的内能可以通过做功和传热两种途径,这三者的物理意义不同,故A不正确;热量是表示在传热过程中,物体内能变化的多少,而功是用做功方式来改变物体内能时内能变化的多少,它们都是物体内能变化的量度,而不是内能的量度,故B不正确;热量、功、内能三者的单位是一样的,都是焦耳,故C不正确;热量和功是在物体进行内能的转移或转化过程中的量度,而物体的内能是由物体本身所处的状态,即由温度、体积所决定,故D正确。 答案:D 5.如图所示,A、B是两个完全相同的球,分别浸没在水和水银的同一深度处,A、B两球用同一种材料制成,当温度稍微升高时,球的体积会明显变大。如果开始时水和水银的温度相同,且两液体温度同时缓慢升高到同一值,两球膨胀后体积相等,则(　　) A.A球吸收的热量较多　　　　　 B.B球吸收的热量较多 C.两球吸收的热量一样多 D.无法确定 解析:A、B两球所处的环境升高同样的温度,并且A、B两球体积变化相同,则二者内能的变化相同。而B球是处在水银中的,B球膨胀时受到的压力大,对外做功多,因此B球吸收热量较多,故B正确。 答案:B 以习题的形式进行课堂跟踪训练,巩固所学的基础知识,提高解决问题的能力。 通过课后补充练习,巩固所学知识,进行分层次训练,提升学习能力。 提高总结、质疑、解释、表达交流、学以致用的能力。 及时反馈学生练习的对、错;通过题目的正确率、选项的对错情况评价学生对当堂所学知识的理解和应用。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 五、课堂 小结 　　学生分享通过今天的学习收获了什么,印象最深的是哪个概念或哪个规律、例题?还存在哪些疑问和不解? 对本节学习内容进行反思小结: (1)以思维导图的形式建立知识体系,形成知识网络。 (2)学习本节课的收获。 通过小组合作,完成并提交各组的思维导图,同时请各组代表展示自己的收获,形成科学态度与责任。 自我评价、相互评价的过程,通过展示,加强对知识的理解,深化学习过程。提高总结、提升、表达交流的能力。 布置作业 1.完成教材课后习题。 2.完成学案中的对应练习。 3.看教材、微视频,预习3.2《热力学第一定律》,完成自学任务单。 教学反思 本节课所有预设都基本完成,没有遇到大的障碍,这得益于严密的课堂预设。本节课突出了学生的主体地位,实现了以学生学习为本,以教师教学为要的课堂理念,引领学生完成了科学探究,是一堂概念建立清晰、 师生互动充分、思维培养有效的课。 但自己的授课过程中还是有很多不足,最主要的一点是这节课教师引领较多,学生发散的偏少,学生自己提出问题不够。 板书设计 第1节　功、热和内能的改变 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 做功和传热的区别与联系 备课资源 1.如图所示,太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置。这种装置可以使装置内的水温度升高,这种改变水的内能的方式是(　　) A.做功 B.传热 C.既有做功也有传热 D.电流的热效应 解析:太阳能热水器使装置内的水温度升高,这是通过传热改变水的内能,故B正确,A、C、D错误。 答案:B 2.(1)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,如图所示。这是因为烧瓶里的气体吸收了水的　　　　,温度　　　　,体积　　　　。  (2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功,可使其温度升高5 K。若改成只用传热的方式,使气体温度同样升高5 K,那么气体吸收　　　　 J的热量。如果对该气体做了2 000 J的功,使其温度升高了5 K,表明在该过程中,气体还　　　　(选填“吸收”或“放出”)　　　　 J的热量。  解析:(1)依题意,气球逐渐膨胀起来是因为烧瓶内的气体要从热水中吸收热量,从而温度升高,体积增大。 (2)做功和传热都可以改变物体的内能,且是等效的。 若改成只用传热的方式,使气体温度同样升高5 K, 那么气体要吸收1 500 J的热量;如果对该气体做了2 000 J的功,使其温度升高了5 K,表明在该过程中,气体还放出了500 J的热量。 答案:(1)热量　升高　增大　(2)1 500　放出　500 3.(多选)人们常用密封性好、充满气体的充气袋包裹易碎品,如图所示。充气袋被里面的物体挤压时,假设袋内的理想气体与外界无热交换,袋内气体(　　) A.体积减小,内能增大 B.体积减小,压强减小 C.对外界做负功,内能增大 D.对外界做正功,压强减小 解析:充气袋四周被挤压时,体积减小,外界对气体做功,又因为袋内气体与外界无热交换,可知气体的内能增大,故A正确;气体的内能增大,温度升高,根据气体方程PV=CT,气体的压强必定增大,故B错误;气体的体积减小,气体对外界做负功,则气体的内能增大,故C正确,D错误。 答案:AC 第 12 页 共 12 页 学科网（北京）股份有限公司 $