1. 功、热和内能的改变（导学案）物理人教版选择性必修第三册

第1节 功、热和内能的改变 物理观念：建立内能、热量、做功等核心概念，理解内能与分子热运动、分子势能的联系，从分子动理论角度解释温度、热量与内能变化的关系，区分内能改变的两种方式（做功和热传递）。 科学思维：通过对比做功与热传递改变内能的异同，推导热力学第一定律的表达式，提升逻辑推理与模型建构能力；能运用能量守恒的观点分析内能变化的过程，深化对“宏观—微观”关联的认知，学会用数学表达式描述能量转化与守恒的规律。 科学探究：设计探究做功与热传递改变内能的实验（如摩擦生热、气体绝热压缩等），探究影响内能变化的因素及规律；能基于实验现象分析能量转化的过程，尝试提出可验证的猜想，提升从实验证据推导物理规律的探究能力。 科学态度与责任：联系生活中内能改变的应用（如汽车发动机的能量转化、家用电器的热效率等），体会理论指导实践的思想，增强科学服务社会的责任感；关注热学原理在新能源、节能减排等前沿科技中的应用，培养严谨求实的科学态度和可持续发展的意识。 1.功与热传递改变内能的等效性(重点)。 2.焦耳实验的原理与科学意义(重点)。 3.区分做功与热传递改变内能的本质差异(难点)。 【知识回顾】 第二章 气体、固体和液体 第5节 液体 一、液体的表面张力 1.表面层：液体表面跟 接触的薄层。 2.表面张力 (1)定义：使液体表面 的力，叫作液体的表面张力。 (2)方向：总是跟液面 ，且与分界线 。如图所示，在液体表面任意画一条线MN，MN两侧的液体之间的引力方向如图所示。 (3)成因：液体表面层分子比较稀疏，分子间的作用力表现为 ，该引力使液面产生了表面张力，使液体表面形成一层绷紧的膜。 3.作用效果：表面张力使液体表面具有 趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小。 4.影响因素：表面张力的大小除了跟边界线长度有关外，还跟液体的种类、 有关。 二、浸润和不浸润 1.浸润和不浸润 (1)浸润：一种液体会 某种固体并 在固体的表面上的现象。 (2)不浸润：一种液体不会 某种固体， 在这种固体的表面上的现象。 (3)当液体和与之接触的固体的相互作用比液体分子之间的相互作用强时，液体能够浸润固体。反之则形成不浸润现象，表现为液体不浸润固体。 (4)一种液体是否浸润某种固体，与这两种物质的性质都有关系。 2.毛细现象 (1)定义：浸润液体在细管中 的现象，以及不浸润液体在细管中 的现象。 (2)特点：管的内径越 ，毛细现象越明显。 (3)产生原因： 如图所示，甲是浸润情况，此时管内液面呈 形，液体表面张力形成向上的拉力，这个力使管中液体向上运动，当管中液体上升到一定高度时，液体所受重力与这个使它 的力平衡，液面稳定在一定的高度；乙是不浸润情况，管内液面呈 形，合力的作用使液体受到 的力，因而管内液面比管外 。 3.浸润与不浸润现象的微观解释 三、液晶 1.概念：液晶是介于 和 之间的一种物质状态。 2.微观结构：构成液晶的分子为 分子，大多为 ，由于这种长棒状的分子结构，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下趋向分子相互 排列。 3.特点 (1)液晶既具有液体的 ，又在一定程度上具有晶体分子的规则排列的性质。 (2)液晶具有光学上的各向 ，液晶分子的排列不稳定，微小的外界变动都会改变分子排列，从而改变液晶的某些性质。 4.应用 (1)液晶显示器：用于电子手表、电子计算器、电脑等。 (2)利用温度改变时液晶颜色会发生改变的性质来探测温度。 (3)液晶在电子工业、航空工业、生物医学等领域有广泛应用。 【自主预习】 第三章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 一、焦耳的实验 1.绝热过程：系统不从外界 ，也不向外界 的过程。 2.代表实验 (1)重物下落带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度 。 (2)通过电流的 给水加热，使水温上升。 3.实验结论：在各种不同的绝热过程中，系统状态变化相同，所需外界做功的数量是相同的，与做功的方式无关。 4.内能：只依赖于热力学系统 的物理量。 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，它就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝ 。 2.做功与内能变化的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 (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，就有多少其他形式的能转化为 ，物体的内能就 多少；物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，就有多少 转化为其他形式的能，物体的内能就 多少。 3.功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化量越大时，相应地做功才越多。 三、热与内能的改变 1.传热 (1)条件：两个物体的 不同。 (2)过程：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热从高温物体传到低温物体。 (3)传热的三种方式： 、 、 。 2.热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统 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＝ 。 ②理解：在单纯的传热过程中，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 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 多少。 思考与讨论1 一、焦耳的实验 回顾一下，改变系统内能的方法有哪些？ 思考与讨论2 二、功与内能的改变 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。播放视频。 【例1】如图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 思考与讨论3 三、热与内能的改变 “围炉夜话”是中国古代文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中，人的身体并没有和炉子本身发生接触，为什么还能够感到温暖？现代取暖的方式主要是暖气，暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点？ 【例2】(多选)下列关于传热的说法中正确的是 A.热量总是从内能大的物体传给内能小的物体 B.自然条件下热量总是从分子平均动能大的物体传给分子平均动能小的 物体 C.传热的实质是物体之间内能的转移，而能的形式不发生变化 D.只有通过传热的方式，才能使物体的温度发生变化 【例3】(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是 A.一定是物体放出了50 J的热量 B.一定是物体吸收了50 J的热量 C.一定是物体的分子动能增加了50 J D.物体分子的平均动能可能不变 1.出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)(　　) A. 压强增大，内能减小 B. 吸收热量，内能增大 C. 压强减小，分子平均动能增大 D. 对外做功，分子平均动能减小 2.拥有私家车的人越来越多，说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体，如图所示，要使该混合气体达到其燃点，则(　　) A. 迅速向外拉活塞 B. 迅速向里推活塞 C. 缓慢向里推活塞 D. 缓慢向外拉活塞 3.关于内能和热量，下列说法正确的是(　　) A. 一定质量的理想气体吸收热量，温度一定升高 B. 一定质量的理想气体，在体积不变时，吸收的热量等于内能的增加量 C. 物体运动得越快，物体的内能越大 D. 温度越高的物体，所含的热量越多 4.用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子S，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时(　　) A. 氧气的温度不变 B. 氢气的压强增大 C. 氧气的体积减小 D. 氧气的内能变大 5.(多选)夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是(　　) A. 气体的内能不变 B. 气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低 C. 气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了 D. 气体分子的平均动能减小 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第1节 功、热和内能的改变 物理观念：建立内能、热量、做功等核心概念，理解内能与分子热运动、分子势能的联系，从分子动理论角度解释温度、热量与内能变化的关系，区分内能改变的两种方式（做功和热传递）。 科学思维：通过对比做功与热传递改变内能的异同，推导热力学第一定律的表达式，提升逻辑推理与模型建构能力；能运用能量守恒的观点分析内能变化的过程，深化对“宏观—微观”关联的认知，学会用数学表达式描述能量转化与守恒的规律。 科学探究：设计探究做功与热传递改变内能的实验（如摩擦生热、气体绝热压缩等），探究影响内能变化的因素及规律；能基于实验现象分析能量转化的过程，尝试提出可验证的猜想，提升从实验证据推导物理规律的探究能力。 科学态度与责任：联系生活中内能改变的应用（如汽车发动机的能量转化、家用电器的热效率等），体会理论指导实践的思想，增强科学服务社会的责任感；关注热学原理在新能源、节能减排等前沿科技中的应用，培养严谨求实的科学态度和可持续发展的意识。 1.功与热传递改变内能的等效性(重点)。 2.焦耳实验的原理与科学意义(重点)。 3.区分做功与热传递改变内能的本质差异(难点)。 【知识回顾】 第二章 气体、固体和液体 第5节 液体 一、液体的表面张力 1.表面层：液体表面跟气体接触的薄层。 2.表面张力 (1)定义：使液体表面绷紧的力，叫作液体的表面张力。 (2)方向：总是跟液面相切，且与分界线垂直。如图所示，在液体表面任意画一条线MN，MN两侧的液体之间的引力方向如图所示。 (3)成因：液体表面层分子比较稀疏，分子间的作用力表现为引力，该引力使液面产生了表面张力，使液体表面形成一层绷紧的膜。 3.作用效果：表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小。 4.影响因素：表面张力的大小除了跟边界线长度有关外，还跟液体的种类、温度有关。 二、浸润和不浸润 1.浸润和不浸润 (1)浸润：一种液体会润湿某种固体并附着在固体的表面上的现象。 (2)不浸润：一种液体不会润湿某种固体，不会附着在这种固体的表面上的现象。 (3)当液体和与之接触的固体的相互作用比液体分子之间的相互作用强时，液体能够浸润固体。反之则形成不浸润现象，表现为液体不浸润固体。 (4)一种液体是否浸润某种固体，与这两种物质的性质都有关系。 2.毛细现象 (1)定义：浸润液体在细管中上升的现象，以及不浸润液体在细管中下降的现象。 (2)特点：管的内径越小，毛细现象越明显。 (3)产生原因： 如图所示，甲是浸润情况，此时管内液面呈凹形，液体表面张力形成向上的拉力，这个力使管中液体向上运动，当管中液体上升到一定高度时，液体所受重力与这个使它向上的力平衡，液面稳定在一定的高度；乙是不浸润情况，管内液面呈凸形，合力的作用使液体受到向下的力，因而管内液面比管外低。 3.浸润与不浸润现象的微观解释 三、液晶 1.概念：液晶是介于固态和液态之间的一种物质状态。 2.微观结构：构成液晶的分子为有机分子，大多为棒状，由于这种长棒状的分子结构，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下趋向分子相互平行排列。 3.特点 (1)液晶既具有液体的流动性，又在一定程度上具有晶体分子的规则排列的性质。 (2)液晶具有光学上的各向异性，液晶分子的排列不稳定，微小的外界变动都会改变分子排列，从而改变液晶的某些性质。 4.应用 (1)液晶显示器：用于电子手表、电子计算器、电脑等。 (2)利用温度改变时液晶颜色会发生改变的性质来探测温度。 (3)液晶在电子工业、航空工业、生物医学等领域有广泛应用。 【自主预习】 第三章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 一、焦耳的实验 1.绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。 2.代表实验 (1)重物下落带动叶片转动，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水加热，使水温上升。 3.实验结论：在各种不同的绝热过程中，系统状态变化相同，所需外界做功的数量是相同的，与做功的方式无关。 4.内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。 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，它就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2.做功与内能变化的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 (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，就有多少其他形式的能转化为内能，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，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。 3.功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化量越大时，相应地做功才越多。 三、热与内能的改变 1.传热 (1)条件：两个物体的温度不同。 (2)过程：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热从高温物体传到低温物体。 (3)传热的三种方式：热传导、热对流、热辐射。 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：在单纯的传热过程中，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。 思考与讨论1 一、焦耳的实验 回顾一下，改变系统内能的方法有哪些？ 答案 做功和热传递是改变系统内能的两种方式。 思考与讨论2 二、功与内能的改变 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。播放视频。 答案 钻木取火的过程是对木块做功的过程，使木块内能增加。 【例1】如图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】筒内气体不与外界发生热交换，当M向下滑动时，筒内气体体积变小，外界对气体做功，使气体的内能增大，故选A。 思考与讨论3 三、热与内能的改变 “围炉夜话”是中国古代文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中，人的身体并没有和炉子本身发生接触，为什么还能够感到温暖？现代取暖的方式主要是暖气，暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点？ 答案 炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖，是因为热量可以通过传热向外扩散，这和暖气的散热方式是相同的。 【例2】(多选)下列关于传热的说法中正确的是 A.热量总是从内能大的物体传给内能小的物体 B.自然条件下热量总是从分子平均动能大的物体传给分子平均动能小的 物体 C.传热的实质是物体之间内能的转移，而能的形式不发生变化 D.只有通过传热的方式，才能使物体的温度发生变化 【解析】传热发生的条件是有温度差，自然条件下热量总是从温度高的物体传到温度低的物体，温度是分子平均动能的标志，分子平均动能大，温度就高，故A错误，B正确；传热是物体间内能转移的过程，能量的形式始终为内能，C正确；做功和传热都能使物体的温度发生变化，D错误。 【例3】(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是 A.一定是物体放出了50 J的热量 B.一定是物体吸收了50 J的热量 C.一定是物体的分子动能增加了50 J D.物体分子的平均动能可能不变 【解析】在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50 J，一定是吸收了50 J的热量，故A错误，B正确；物体内能包括所有分子热运动的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50 J并不一定是分子动能增加了50 J，物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能，故C错误，D正确。 1.出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)(　　) A. 压强增大，内能减小 B. 吸收热量，内能增大 C. 压强减小，分子平均动能增大 D. 对外做功，分子平均动能减小 【解析】因储气罐内气体体积不变，故气体对外界不做功．罐内气体从外界吸收热量，气体体积及质量均不变，温度升高，分子平均动能增大，内能增大，压强变大．只有B正确． 2.拥有私家车的人越来越多，说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体，如图所示，要使该混合气体达到其燃点，则(　　) A. 迅速向外拉活塞 B. 迅速向里推活塞 C. 缓慢向里推活塞 D. 缓慢向外拉活塞 【解析】气体被压缩时，外界对气体做功使其内能增大，气体膨胀时，气体对外做功内能减少。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞迅速向里推，该汽缸内混合气体来不及与外界发生热交换，可以看作绝热过程，同时外界通过活塞对该气体做功，使该混合气体的内能增加，温度升高，从而达到汽油燃点，故B正确。 3.关于内能和热量，下列说法正确的是(　　) A. 一定质量的理想气体吸收热量，温度一定升高 B. 一定质量的理想气体，在体积不变时，吸收的热量等于内能的增加量 C. 物体运动得越快，物体的内能越大 D. 温度越高的物体，所含的热量越多 【解析】理想气体吸收了热量，内能不一定增加，所以温度不一定升高，A错误；体积不变时，外界对气体不做功，ΔU＝Q，故B正确；物体运动得越快，物体的动能就越大，内能的大小与物体的运动快慢没有关系，故C错误；热量是传热过程中传递能量的多少，不能用含有多少热量表示，故D错误。 4.用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子S，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时(　　) A. 氧气的温度不变 B. 氢气的压强增大 C. 氧气的体积减小 D. 氧气的内能变大 【解析】质量相同，则H2的分子数多，温度相同表明两气体分子平均动能相同，则H2压强大，释放后，活塞右移，H2体积变大，同时对O2做功，O2的温度升高，内能变大，故选CD。 5.(多选)夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是(　　) A. 气体的内能不变 B. 气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低 C. 气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了 D. 气体分子的平均动能减小 【解析】气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q＝0，对外做功，W＝ΔU，可知气体的内能减少，温度降低，温度是分子平均动能的标志，故B、D正确． 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $