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

1.功、热和内能的改变 第三章 热力学定律 人教版选择性必修第三册 导入新课 冬天搓手可使双手变暖；向手吹气也可使双手变暖，是什么原因使温度发生了变化呢？ 做功改变内能 吹气变暖 改变系统的热力学状态的方法：做功和传热 导入新课 演示：在有机玻璃筒底放置少量的易燃物，例如硝化棉，或浸过乙醚的棉花、火柴头等。迅速压下筒中的活塞，观察筒底物品的变化。这个实验说明了什么？ 做功使得物体（密闭气体）温度升高 学习目标 物理观念 会用功能关系构建内能、热量、做功等核心概念。 科学思维 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。 科学探究 了解焦耳的两个实验的原理，设计探究做功与热传递改变内能的实验，探究影响内能变化的因素及规律。 科学态度 与责任 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。 重点难点 重点 1.功与热传递改变内能的等效性； 2.焦耳实验的原理与科学意义。 难点 1.从宏观和微观上区分做功与热传递改变内能的本质差异。 1. 焦耳的实验 2. 功与内能的改变 3. 热与内能的改变 4. 课堂总结 5. 练习与应用 学习内容 第1节 功、热和内能的改变 一、焦耳的实验 第1节 功、热和内能的改变 一、焦耳的实验 1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电磁学。 1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，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。 焦耳 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，这样的过程叫绝热过程 焦耳实验是需要在绝热过程中完成 一、焦耳的实验 实验1. 重物下落带动叶片搅拌容器中的水 1. 焦耳的两个代表性实验 （1）实验装置 （2）实验原理 重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化. 一、焦耳的实验 焦耳实验1 问题2：相同质量物体下落的不同高度，重力做功会有什么关系？水的温度升高相同吗？ 问题1：相同质量物体下落相同的高度,重力做功会有什么关系？水的温度升高相同吗？ 问题3：不同物体下落不同高度，但重力做功相同，水的温度升高相同吗？ 焦耳的多次实验测量表明： WG相同 ∆t相同 内能的改变相同 一、焦耳的实验 （1）实验装置 实验2. 通过电流的热效应给水加热 （2）实验原理 通过重物下落使发电机发电，让电流通过电阻丝， 对水加热，使其温度升高。 一、焦耳的实验 焦耳实验2 问题：如果不同的电流，经过不同的时间，但电流做功相同，水的温度升高相同吗？ 多次实验结果表明（如果过程是绝热的）： W电相同 ∆t相同 内能的改变相同 结论：对于同一绝热系统，只要电流所做的电功相等，系统温度上升的数值就是相同的，也就是系统状态变化是相同的。 一、焦耳的实验 机械功 电功 做功方式 状态变化 能量转换 焦耳的实验结论：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。 系统温度上升↵ 一、焦耳的实验 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做的功相联系，我们把它称为系统的内能。 重力势能 内能 微观：分子热运动的平均动能、分子势能、分子数 宏观：温度、体积、物质的量 变！ 变！ 变！ 物体在两个位置间的重力势能之差，等于物体在这两个位置间移动时重力所做的功 类 比 一、焦耳的实验 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. 热量可由高温物体传给低温物体 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 有关为原来的两倍 C 甲 　　　　　　　　　　　　　　　　　乙 二、功与内能的改变 第1节 功、热和内能的改变 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?瓶塞喷出后为什么会产生白雾？试从物理学角度进行解释。 二、功与内能的改变 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一种能量，这种能量叫做系统的内能（U）。 2、功与内能的改变： 绝热过程中外界对系统所做的功 等于系统内能的变化量。 ∆U = U2 - U1 = W （2）若系统对外界做功 (气体不自由膨胀)，W < 0，则 ∆U < 0，系统的内能减少 （1）若外界对系统做功 (压缩气体)，W > 0，则∆U > 0，系统的内能增加 实质:其他形式的能与内能的相互转化 二、功与内能的改变 3.功和内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。内能变化只由初末状态有关，与中间做功过程及方式无关。 (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，只有内能变化较大时，对应着做功较多。 ∆U=U2-U1=W W > 0 , U , ∆U > 0 W < 0 , U , ∆U < 0 二、功与内能的改变 4、做功与气体体积变化的关系 压缩气体 V减小 外界对气体做功 绝热 U增加 气体不自 由膨胀 V增加 气体对外界做功 绝热 U减小 气体自 由膨胀 V增加 气体对外界不做功 绝热 U不变 K 气体A 非真空 K 气体A 真空B K 气体A 二、功与内能的改变 例2.下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 A 三、热与内能的改变 第1节 功、热和内能的改变 三、热与内能的改变 热水 冷牛奶 T T 热 量 Q 类比做功，传热对系统内能变化有什么影响呢？ 生活场景 传热条件：物体的温度不同 热量Q T1 T2 U1 U2 系统内能增量 ΔU=U2-U1 = 三、热与内能的改变 1. 热传递 （1）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，即热量从高温物体传到了低温物体，这个过程就叫作热传递。 （4）实质：热传递过程实质是能量转移的过程。 （2）传递的方式：热传导、热对流和热辐射。 （3）热传递的条件：存在温度差。 三、热与内能的改变 在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的变化量。 △U= U2 — U1 =Q （2）若物体吸热，Q>0，则 ΔU>0，内能增加 （3）若物体放热，Q<0，则 ΔU<0，内能减少. 2. 热和内能 （1）热传递与内能改变的关系： 三、热与内能的改变 3、热量与内能的区别 （1）内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定。 （2）热量是热传递过程中的特征物理量，热量是用来衡量物体内能变化的特征量，离开过程，热量毫无意义。 （3）对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。 三、热与内能的改变 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（机械能、电能等）与内能之间的转化（不同形式能量间的转化） 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移（同种形式能量的转移） 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 （做功和热传递在改变物体的内能上是等效的） 做功和热传递的区别 三、热与内能的改变 温度、内能、热量和功的区别与联系 含义 特点 温度 表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说没有意义 状态量 内能 是物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，是由大量分子的热运动和分子的相对位置决定的能 状态量 热量 是传热过程中内能的改变量，用来量度传热过程中内能转移的多少 状态量 功 用来改变系统的内能，促使机械能或其他形式的能和内能之间转化 过程量 三、热与内能的改变 例3．(双选)下列关于热量的说法，正确的是( ) CD A．温度高的物体含有的热量多 B．内能多的物体含有的热量多 C．热量、功和内能的单位相同 D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量 四、课堂总结 第1节 功、热和内能的改变 四、课堂总结 功、热和内能的改变 焦耳的实验 功与内能的改变 热与内能的改变 绝热过程 ∆U=U2-U1=W 功和内能的区别 ∆U＝Q 热量 内能与温度 做功和热传递的区别 对系统做机械功 对系统做电功 内能 四、练习与应用 第1节 功、热和内能的改变 四、练习与应用 1．地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中(不计气团内分子间的势能) (　　) A．体积减小，温度降低 B．体积减小，温度不变 C．体积增大，温度降低 D．体积减小，温度不变 C 四、练习与应用 2.对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是(　　) A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的 B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度 C．热量、功和内能的国际单位都相 D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的 CD 四、练习与应用 3．在实验室将一容积比较大的烧瓶放入冰箱冷冻室内，经过几小时后，将烧瓶从冰箱内迅速取出，并立即用小气球紧紧地套在烧瓶的瓶口，然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中，如图所示，将烧瓶及气球内的气体看成是理想气体，气球弹性良好。则下列说法正确的是( 　　) A．经过一段时间后气球会膨胀起来 B．气球的体积一直都不会发生变化 C．烧瓶及气球内的气体内能增加 D．烧瓶及气球内的气体的压强一定变大 ACD 四、练习与应用 4.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。今对活塞施加一竖直向下的压力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力，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 C FormatFactory : www.pcfreetime.com $