第二节 能量的转化与守恒（教学设计）物理沪科版选择性必修第三册

第2节 能量的转化与守恒（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第二节 能量的转化与守恒 教学 目标 物理观念 1. 理解改变物体内能的两种方式：做功与热传递，明确做功是能量的转化、热传递是能量的转移。 2. 掌握热力学第一定律的内容、数学表达式及符号规则，建立内能、功、热量的定量关联观念。 3. 理解能量守恒定律的普适性，知道其是自然界普遍遵循的基本规律，能区分不同形式能量的转化与转移。 科学思维 1. 通过焦耳热功当量实验分析，体会实验探究与定量推导在物理规律建立中的作用，培养逻辑推理能力。 2. 能运用热力学第一定律分析理想气体等温、等压、绝热等过程的内能变化，掌握符号判断 + 公式计算的解题思维。 3. 从宏观与微观结合的视角理解内能本质，建立能量转化与守恒的物理思维框架。 科学探究 1. 能结合生活实例，分析能量转化的路径与守恒关系，完成热力学第一定律的简单定量计算。 2. 经历 “现象分析→规律推导→应用验证” 的过程，提升运用能量守恒定律解释实际问题的能力。 3. 能通过典型例题，自主判断做功、吸放热与内能变化的关系，完成数据处理与结论分析。 科学态度 与责任 1. 通过焦耳近 40 年的实验研究，培养尊重事实、坚持不懈的科学态度。 2. 认识能量守恒定律的科学地位，感受物理规律对自然现象的统一解释力，激发探索自然规律的热情。 3. 理解第一类永动机不可能制成，树立尊重自然规律的科学意识。 教学重难点 教学重点： 1. 改变内能的两种方式：做功与热传递的区别与联系。 2. 热力学第一定律的内容、表达式、符号规则及应用计算。 3. 能量守恒定律的内容、意义及第一类永动机不可能制成的原因。 教学难点： 1. 热力学第一定律符号规则的准确判断与应用。 2. 理想气体不同状态变化过程（绝热、等温、等压）的内能变化分析。 3. 从能量转化与守恒的角度，解释生活中的热现象与能量转移问题。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【情境导入】 生活中的能量变化现象 演示 / 列举现象： 摩擦双手发热、钻木取火、烧水时水温升高、压缩空气温度上升，提问： 这些现象中，物体的内能如何改变？ 改变内能的方式有哪些？ 内能变化与做功、热量之间有怎样的定量关系？ 历史引入： 回顾 19 世纪焦耳对热与功的研究，引出本节课核心 ——能量的转化与守恒定律，激发探究兴趣。 学生分组讨论：  观察生活实例：摩擦生热、钻木取火、烧水升温，分组讨论改变内能的两种方式。  思考问题：做功和热传递都能改变内能，内能、功、热量三者存在怎样的定量关系。 新课讲授 1.改变物体内能的两种方式 做功 —— 能量的转化 定义：其他形式的能与内能之间相互转化。 实例：摩擦生热、压缩气体做功、钻木取火。 热传递 —— 能量的转移 定义：内能在不同物体间转移，条件是存在温差。 方式：传导、对流、辐射。 关键：热量是过程量，不能说 “物体含有热量”。 2. 焦耳实验：功与热量的等价性 实验装置：重物下落驱动搅拌，摩擦生热使水温升高。 实验结论：重力对重物做的功 = 系统增加的内能，证实热是能量的一种形式。 科学启示：能量不会凭空产生或消失，只能发生形式转化。 3. 绝热过程与理想模型 定义：系统与外界无热量交换（Q=0），仅通过做功改变内能。 公式：ΔU = W 物理意义：绝热条件下，外界对系统做的功等于内能变化量。 4. 核心定律：热力学第一定律 内容：系统内能变化量 ΔU 等于外界对系统做的功 W 与系统吸收的热量 Q 的代数和。 数学表达式：ΔU = W + Q 符号规则 W>0：外界对系统做功；W<0：系统对外做功 Q>0：系统吸热；Q<0：系统放热 ΔU>0：内能增加；ΔU<0：内能减少 单位统一：焦耳（J），1 cal = 4.18 J 5. 理想气体的内能与过程分析 微观本质：理想气体内能仅由温度决定，温度不变则 ΔU=0。 典型过程 等温变化：T 不变→ΔU=0→W = -Q 绝热膨胀：Q=0，气体对外做功→ΔU<0，内能减少 等压膨胀：气体对外做功（W<0），吸热（Q>0） 6. 宇宙法则：能量守恒定律 内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，总量保持不变。 地位：19 世纪自然科学三大发现之一，热力学第一定律是其在热学中的具体体现。 第一类永动机 定义：不消耗能量却能持续对外做功的机器。 结论：不可能制成，违背能量守恒定律。 学生讨论 概念辨析活动： · 区分内能、热量、温度三个物理量。 · 判断 “物体含有热量” 等表述正误。 学生讨论  分析绝热膨胀、等温变化、等压压缩的内能变化。  用 ΔU = W + Q 进行简单推导与口头作答。 学生讨论： 哪些现象放热但温度不变？ 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1. 关于内能、热量和温度，下列说法正确的是（） A. 物体温度越高，所含热量越多 B. 物体内能增加，温度一定升高 C. 热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体 D.0℃的冰熔化成 0℃的水，内能增加 答案：D 解析：热量是过程量，不能说 “含有”；晶体熔化内能增加温度不变；热传递由温度差决定；冰熔化吸热内能增加。 详细解答：A 错误，热量是过程量，只能说吸收或放出；B 错误，如晶体熔化；C 错误，热传递从高温到低温；D 正确，熔化吸热，分子势能增加，内能增大。 2. 下列过程中，通过做功改变物体内能的是（） A. 烧水时水温升高 B. 冬天晒太阳取暖 C. 钻木取火 D. 冰块融化 答案：C 解析：A、B、D 为热传递；C 是摩擦力做功，机械能转化为内能。 详细解答：做功是其他形式能与内能转化，热传递是内能转移。钻木取火属于做功改变内能，其余均为热传递。 3. 绝热过程中，外界对气体做功 500J，则气体内能变化为（） A. 增加 500J B. 减少 500J C. 不变 D. 无法确定 答案：A 解析：绝热 Q=0，ΔU=W+Q=W。 详细解答：绝热过程无热量交换 Q=0，外界对气体做功 W=500J，ΔU=500+0=500J，内能增加 500J。 4. 一定质量的理想气体等温膨胀，下列说法正确的是（） A. 内能增加 B. 内能减少 C. 内能不变 D. 无法判断 答案：C 解析：理想气体内能只与温度有关，等温则温度不变。 详细解答：理想气体内能仅由温度决定，温度不变，内能不变，与体积、压强无关。 5. 热力学第一定律的表达式是（） A.Q=cmΔt B.ΔU=W+Q C.p₁V₁=p₂V₂ D.E=mc² 答案：B 解析：A 为吸热公式，C 为玻意耳定律，D 为质能方程。 详细解答：热力学第一定律描述内能变化与做功、热量关系，公式 ΔU=W+Q。 6. 系统对外做功 300J，同时从外界吸热 200J，内能变化为（） A. 增加 100J B. 减少 100J C. 增加 500J D. 减少 500J 答案：B 解析：系统对外做功 W 为负，吸热 Q 为正。 详细解答：W=-300J，Q=+200J，ΔU=-300+200=-100J，内能减少 100J。 7. 第一类永动机不能制成的原因是（） A. 技术不够先进 B. 违背能量守恒定律 C. 摩擦阻力太大 D. 不受大气压强影响 答案：B 解析：第一类永动机不消耗能量却持续做功，违反守恒定律。 详细解答：能量不能凭空产生，第一类永动机设想违背能量守恒定律，永远无法制成。 8. 热量的国际单位是（） A. 摄氏度 B. 卡路里 C. 焦耳 D. 瓦特 答案：C 解析：焦耳是能量、功、热量共同国际单位。 详细解答：A 温度单位，B 常用热量单位，C 国际单位，D 功率单位。 9. 热传递的实质是（） A. 内能的转化 B. 内能的转移 C. 机械能的转化 D. 温度的转化 答案：B 解析：做功是转化，热传递是内能在物体间转移。 详细解答：热传递没有能量形式变化，只是内能从高温物体转移到低温物体。 10. 气体绝热膨胀时，气体的内能将（） A. 增加 B. 减少 C. 不变 D. 先增后减 答案：B 解析：绝热 Q=0，膨胀对外做功 W<0，ΔU<0。 详细解答：Q=0，气体对外做功 W 为负，ΔU=W+Q<0，内能减少。 11. 木块沿粗糙斜面匀速下滑，能量转化为（） A. 动能→重力势能 B. 重力势能→动能 C. 重力势能→内能 D. 机械能守恒 答案：C 解析：匀速动能不变，重力势能减少，转化为内能。 详细解答：匀速下滑速度不变，动能不变；高度降低，重力势能减少；克服摩擦做功，转化为内能。 12. 1 卡路里等于多少焦耳（） A.4.18J B.10J C.1J D.9.8J 答案：A 解析：热功当量 1cal=4.18J。 详细解答：焦耳实验测定热功当量，1 卡路里 = 4.18 焦耳。 13．下列现象属于放热且温度不变的是（） A. 冰熔化 B. 水沸腾 C. 水结冰 D. 铁块降温 答案：C 解析：凝固放热，温度保持凝固点不变。 详细解答：A 熔化吸热；B 沸腾吸热；C 凝固放热恒温；D 放热降温。 14. 外界对系统做功 400J，系统向外界放热 100J，内能变化为（） A.+300J B.-300J C.+500J D.-500J 答案：A 解析：W 正，Q 负，代入 ΔU=W+Q。 详细解答：W=+400J，Q=-100J，ΔU=400-100=300J，内能增加 300J。 15. 能量守恒定律是能量（） A. 只会产生 B. 只会消失 C. 可转化转移，总量不变 D. 总量不断减少 答案：C 解析：能量不生不灭，可转化转移，总量守恒。 详细解答：能量既不凭空产生也不消失，只能转化或转移，总量保持不变。 16. 理想气体等压压缩，下列说法正确的是（） A. 气体对外做功 B. 外界对气体做功 C. 气体一定吸热 D. 内能一定增加 答案：B 解析：体积减小，外界对气体做功；温度降低，内能减少。 详细解答：等压压缩体积减小，外界对气体做功 W>0；温度降低，内能减少，气体放热。 17. 下列过程属于机械能转化为电能的是（） A. 电动机工作 B. 发电机发电 C. 燃料燃烧 D. 核电站发电 答案：B 解析：发电机将机械能转化为电能。 详细解答：A 电能→机械能；B 机械能→电能；C 化学能→内能；D 核能→电能。 18. 关于做功和热传递，下列说法正确的是（） A. 两者本质完全相同 B. 都能改变内能，本质不同 C. 做功只能增加内能 D. 热传递只能增加内能 答案：B 解析：做功是能量转化，热传递是内能转移。 详细解答：做功与热传递都可改变内能，但做功是能量形式转化，热传递是内能转移，本质不同。 19. 一定质量理想气体吸热 5×10⁵J，对外做功 3×10⁵J，内能变化为（） A. 增加 2×10⁵J B. 减少 2×10⁵J C. 增加 8×10⁵J D. 减少 8×10⁵J 答案：A 解析：Q 正，W 负，ΔU=Q+W。 详细解答：Q=5×10⁵J，W=-3×10⁵J，ΔU=5×10⁵-3×10⁵=2×10⁵J，内能增加。 20. 焦耳实验证明了（） A. 热质说正确 B. 功和热量等价 C. 温度和内能相同 D. 热量可以凭空产生 答案：B 解析：焦耳实验证明功与热量可相互转化，具有等效性。 详细解答：焦耳热功当量实验测定功和热量的当量关系，证明二者等价，推翻热质说。 板 书 设 计 一、改变内能的两种方式 1. 做功：能量转化（其他形式能⇋内能） 实例：摩擦生热、钻木取火、压缩气体 2. 热传递：能量转移（内能→内能） 条件：温差；方式：传导、对流、辐射 热量：过程量，不能说 “含有热量” 二、焦耳实验・热功当量 · 结论：功 = 内能增加量 · 意义：证明热是能量，功热等价 · 热功当量：1 cal = 4.18 J 三、热力学第一定律 1. 表达式：ΔU = W + Q 2. 符号规则 · W＞0：外界对系统做功 · W＜0：系统对外做功 · Q＞0：系统吸热 · Q＜0：系统放热 · ΔU＞0：内能增加；ΔU＜0：内能减少 3. 绝热过程：Q=0 → ΔU = W 四、理想气体内能特点 · 内能只与温度有关 · 等温变化：ΔU = 0 → W = -Q · 绝热膨胀：ΔU ＜ 0，内能减少 五、能量守恒定律 · 内容：能量不生不灭，只转化 / 转移，总量不变 · 地位：19 世纪三大发现之一 · 推论：第一类永动机不可能制成 原因：违背能量守恒 六、典型能量转化 · 机械能→电能：发电机 · 电能→机械能：电动机 · 化学能→内能：燃料燃烧 · 核能→电能：核电站 课 堂 小 结 1. 两种改变内能的方式：做功（转化）、热传递（转移）。 2. 核心公式：热力学第一定律 ΔU = W + Q，牢记符号规则。 3. 核心规律：能量守恒定律，第一类永动机不可能制成。 4. 思维方法：宏观规律与微观本质结合，定量计算与定性分析结合。 作 业 布 置 1. 完成教材课后习题，重点练习热力学第一定律的计算。 2. 列举 3 个生活中能量转化与守恒的实例，简要分析能量转化路径。 3. 思考：为什么所有试图制造第一类永动机的尝试都以失败告终？ 教 学 反 思 本节课以焦耳实验与生活现象为线索，层层推导热力学第一定律与能量守恒定律，学生对核心规律与符号规则掌握较好。但在理想气体复杂过程分析、符号判断易错点上仍需强化，后续应增加课堂限时练习与错题辨析，提升知识应用的准确性。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $