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

3.1 功、热和内能的改变 一、教学目标 1. 物理观念 理解内能、功、热量的核心概念，明确做功和热传递是改变物体内能的两种方式。 掌握绝热过程中内能变化与做功的关系、单纯热传递中内能变化与热量的关系，形成完整的热力学能量观念。 2. 科学思维 通过分析焦耳实验的原理与结论，培养实验分析、逻辑推理与归纳总结能力。 区分状态量（内能）与过程量（功、热量），建立热力学状态与过程的科学思维。 3. 科学探究 亲历空气压缩引火仪、瓶内白雾生成等演示实验，能基于实验现象分析内能变化的本质。 结合焦耳实验探究过程，学习控制变量、对比实验的科学探究方法。 4. 科学态度与责任 了解焦耳对热功当量、热力学定律的贡献，学习科学家严谨求实、坚持不懈的科学精神。 认识能量守恒的普遍性，树立尊重自然规律、科学利用能量的责任意识。 二、教学重难点 （一）教学重点 做功和热传递改变物体内能的两种方式及规律。 内能、功、热量的概念辨析。 （二）教学难点 理解内能是状态量，功和热量是过程量。 绝热过程、单纯热传递中内能变化的定量关系与本质分析。 三、教学过程 （一）导入新课（5分钟） 演示实验：教师展示空气压缩引火仪，在底部放置少量硝化棉，迅速压下活塞，引导学生观察硝化棉燃烧现象。 问题驱动： 为什么快速压下活塞，筒底的硝化棉会被点燃？ 活塞的运动对筒内空气产生了什么影响？ 导入新课：学生思考讨论后，教师引出课题——做功、热传递与内能的改变，激发探究兴趣。 （二）新课讲授（30分钟） 模块1：焦耳的实验——探究改变内能的途径 科学家介绍 教师讲解：焦耳是英国物理学家，通过大量实验测定热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律奠定实验基础，其核心贡献是证明做功和热传递在改变内能上具有等效性。 实验1：对系统做机械功（绝热过程） 教师讲解：展示实验装置图（绝热容器、水、叶片、重物），说明实验为绝热过程（系统与外界无热量交换，只有做功）。 实验原理：重物下落带动叶片转动，叶片搅拌水摩擦生热，水的温度升高，热力学状态发生改变。 实验结论：只要重力做功相同，无论重物质量、下落高度如何，水温上升数值相同，系统状态变化相同。 实验2：对系统做电功（绝热过程） 教师讲解：展示实验装置（发电机、电阻丝、液体），重物带动发电机发电，电流通过电阻丝产生热量，使液体升温。 实验结论：绝热过程中，只要电功相等，无论电流大小、通电时间长短，液体温度上升数值相同。 实验总结论 教师引导学生归纳：绝热过程中，系统状态的改变仅由做功的数量决定，与做功方式（机械功/电功）无关。 模块2：内能的定义 概念推导：基于焦耳实验，任何热力学系统都存在一个只由自身状态决定的物理量，其变化量等于绝热过程中外界对系统做的功，这个物理量就是内能。 核心属性：内能是状态量，只与系统的温度、体积、物质的量等状态有关，与过程无关。 模块3：功与内能的改变 绝热过程的内能变化 公式：（，无热量交换） 外界对系统做功→→→内能增加 系统对外界做功→→→内能减少 实验验证1：空气压缩引火仪 学生分析：快速压活塞→外界对空气做功→绝热过程内能骤增→温度升高→点燃硝化棉。 教师总结：压缩气体做功是增加气体内能的典型案例。 实验验证2：瓶塞跳出实验 演示实验：向密封塑料瓶打气，瓶塞跳出时观察瓶内白雾。 小组讨论：瓶塞跳出时，瓶内气体对外做功，内能迅速减少，温度降低，水蒸气液化形成小水滴。 结论：气体膨胀对外做功，内能减少。 功与内能的区别 功是过程量，内能是状态量； 做功的本质是其他形式能与内能的转化，而非功直接变成内能。 模块4：热与内能的改变 热传递的基本概念 定义：温度不同的物体相互接触，内能从高温物体转移到低温物体的过程。 发生条件：物体间存在温度差。 三种方式： 热传导：热沿物体传递（金属导热）； 热对流：靠液体/气体流动传热（烧水）； 热辐射：电磁波形式传热（太阳取暖）。 单纯热传递的内能变化 公式：（外界对系统不做功，） 系统吸热→→→内能增加； 系统放热→→→内能减少。 内能与热量的区别 内能：状态量，物体任何状态都具有内能； 热量：过程量，只有热传递发生时，才有热量的转移，无热传递则无热量。 举例：一杯热水有内能，只有与冷水接触发生热传递时，才会传递热量。 模块5：做功和热传递的对比 等效性：做功和热传递都能改变物体内能，效果相同。 本质区别 做功：不同形式能量的转化（机械能→内能、电能→内能）； 热传递：内能的转移（同种能量从一个物体转移到另一个物体）。 模块6：课堂练习（5分钟） 教师展示课件习题，学生独立思考后作答。 师生互动解析： 救生气囊题：温度不变→内能不变，体积增大→气体对外做功→吸热（选D）； 导热气缸题：温度不变→分子平均动能、内能不变，体积增大→对外做功→吸热。 （三）课堂小结（5分钟） 知识梳理： 两个实验：焦耳机械功实验、电功实验； 两种方式：做功（）、热传递（）改变内能； 三个概念：内能（状态量）、功、热量（过程量）。 核心规律：做功是能量转化，热传递是内能转移，二者均可改变内能。 四、板书设计 3.1 功、热和内能的改变 一、焦耳实验（绝热过程） 机械功、电功→改变系统状态 结论：做功多少只由始末状态决定 二、改变内能的两种方式 做功 公式：（） 本质：其他能↔内能（转化） 实例：压缩引火、瓶塞白雾 热传递 公式：（） 方式：传导、对流、辐射 本质：内能转移 三、概念区分 内能：状态量 功、热量：过程量 五、教学反思 实验教学：空气压缩引火仪、瓶塞跳出实验直观性强，有效帮助学生理解做功改变内能，但需注意实验安全与操作规范。 概念教学：内能、功、热量的区分是难点，需结合更多生活实例（如搓手取暖、烧水）强化理解，避免学生混淆状态量与过程量。 互动设计：小组讨论实验现象环节参与度较高，后续可增加学生自主设计简单实验的环节，提升探究能力。 知识衔接：需衔接初中内能知识，帮助学生完成从定性到定量的认知升级，深化对热力学规律的理解。 学科网（北京）股份有限公司 $