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

该高中物理课件聚焦“功、热和内能的改变”及热力学第一定律，通过硝化棉点燃实验导入，结合初中改变内能的两种方式，引导学生从能量角度分析现象，搭建从旧知到绝热过程、做功与传热区别的学习支架。 其亮点是以焦耳实验为核心，通过实验原理、数据记录及重力势能与内能的类比分析，培养科学探究和科学思维，结合汽缸压缩、喷水壶等实例题深化能量观念。资料含学习目标、实验探究、评价练习，学生能通过具象实验理解抽象概念，教师可直接用于课堂提升教学效率。

从对一切其他的已知物理和化学过程的这类研究中可以得出这样的结论，自然界作为整体来说它蕴藏着一定数量的能量，它既不会减少，也不会增加…… ——亥姆霍兹 完成一个小目标，需要一个大智慧！ 授课教师：李长青 3.1 功、热和内能的改变 学习目标 人教版(2019)选必修 第三册 1.会用功能关系构建内能的概念。知道做功与传热在改变系统内能上的区 别，并会 区分热量和内能的概念 2.理解做功与内能的改变和传热与内能的改变的关系，会解释相关的现象。 3.了解焦耳两个实验的原理，认识焦耳实验探究对建立热力学规律的意义。 4.能以系统为对象，用综合分析的方法导出热力学第一定律; 5.能运用热力学第一定律解释和计算能量转化和转移问题。 2 复习回顾 1、什么是内能？内能大小的影响因素是什么？ 物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 内能与物体的摩尔数、温度、体积有关。 2、质量、温度相同的物体，内能必定相等对吗？ 不一定。比如0°C的冰和水。 3、回顾初中所学知识，改变物体内能有哪些方法？ 改变物体内能方法有:做功和热传递。 热传递使得水的内能增大，温度升高 热量Q： Q=Cm△t 吸热+Q 放热-Q 热量：热传递过程中传递能量的多少； 热量是过程量、是能量转移的量度； 3 新课导入 观察思考 做功使得密闭气体内能增大，温度升高 为什么棉花（硝化棉）会被点燃，为什么瓶口会出现白雾？你能否解释这一现象？ 1、从能量的角度来讲，棉花着了 说明什么？ 2、棉花增加的内能哪来的？ 3、空气的内能如何增加的？ 1.绝热过程: 案例总结： 系统状态变化过程中，与外界之间没有热传递。 对气体做功，内能增加，温度升高； 气体对外做功，内能减少，温度降低。 例如：热力学系统状态变化太快，系统与外界“来不及”发 生热交换，可视为绝热过程。 2.绝热过程中， 用力按压活塞时要迅速？ 学习任务一：焦耳的实验 实验1. 重物下落带动叶片搅拌容器中的水 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。 焦耳通过实验发现：绝热条件下，只要重力所做的功相同，容器中水温上升的数值就是相同的，即系统的状态变化是相同的。 实验条件： 绝热过程 数据记录： W 0 W1 W2 … T T0 T1 T2 … 实验2. 通过电流的热效应给水加热 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。 焦耳通过实验发现：对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，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。 实验条件： 绝热过程 数据记录： W T （电阻丝和水） （水和搅拌器） （绝热过程） ⑴两个实验的研究对象（即系统）分别是什么？ ⑵实验条件是什么？ ⑶两个实验做功的方式有什么不同? 思考： 结论： ⑷两个实验中的共性是什么？ 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。 系统状态：实质就是物体的内能U 绝热过程 系统初状态 系统末状态 外界做功W一定 （W的数值与做功的具体过程和方式无关） 机械功 电功 做功方式 状态变化 能量转换 系统温度上升↵ 类比分析 功是能量转化的量度 描述系统始末两个状态1、2的物理量必定是系统的一种能量 我们把它称为系统的内能 (1)内能的宏观定义： （热力学对内能的定义）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。 ⑵内能的微观定义（分子动理论对内能的定义）：物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 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，这样的过程叫做绝热过程。 系统状态：实质就是物体的内能U。 给出了内能的宏观定义 ●焦耳实验的意义是什么？ 1.内能：系统在某一热力学状态所具有的能量，叫内能 内能U： 物体内所有分子动能和势能的总和； 内能由自身状态决定： 宏观：由质量和状态温度、体积决定； 微观：由分子个数和分子平均动能、分子间距离决定； 联系： 质量决定分子个数；温度决定分子平均动能；体积决定分子势能； 内能的变化量△U： △U=U2-U1 学习任务评价一 【例1】在下列三幅图中，有关功与内能的说法正确的是(　　) A．图1中迅速下压活塞，硝化棉会燃烧起来，说明热传递可以使物体的温度升高 B．图2中重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传递热量而使水的温度升高 C．图3中降落的重物使发电机发电，电流对水做功使水的温度升高 D．做功和热传递都可以使物体的内能增加 D 学习任务二： 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 ΔU=U2-U1 = 系统内能增量 外界对系统所做的功W 热量交换Q = 0 U1 U2 内能变化和做功的关系 : 绝热过程中，内能的变化等于外力对系统所做的功。 ∆U = U2 - U1 = W 若外界对系统做功 (压缩气体)，W > 0，则∆U > 0，系统的内能增加 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 2.理解 （1）系统在确定的热学状态下，有确定的内能；状态改变，内能也将改变。 2） （2）在绝热过程中，系统内能改变等于外界对系统所做的功 外界对系统做功 (压缩气体)，取正值，内能增加 系统对外界做功(气体不自由膨胀)，取负值，内能减小 压杆快速压缩空气，筒底的易燃棉花会被点燃的原因： 在绝热过程中，外界对气体做功，气体内能增加 压杆快速压缩空气，对空气做功，空气内能迅速增加，由于来不及散热，温度短时间内急剧升高，从而点燃棉花。 在绝热过程中，气体对外界所做功，气体的内能减少 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 学习任务评价二 【例2】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 A 【例3】如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的 高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能 增加了多少？(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2) 由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh ＝(5＋15)×10×0.1 J＋1.01×105×0.1×0.1 J＝1 030 J。 m塞g P0S PS m物g =PS·L 【例4】如图所示,一定质量的理想气体封闭在绝热容器中,在变力F的作用下缓慢由A到B,已知气体的P-V图像如图所示，求外界对气体做的功? PS 0 P/Pa V/m3 2 4 6 8 6 4 2 A B 解:WAB= =(mg+P0S+F)L =20J A B P0S L P-V图线的面积表示气体对外界做功的绝对值 F外L 若缓慢做功，则外界对气体和气体对外界做的功绝对值相等 F =PΔV mg ②若缓慢做功，则外界对气体和气体对外界做的功绝对值相等。 ①若活塞缓慢移动F外= 总结：理想气体： W外=F外ΔL 气体 F P V 0 A B ΔL PS PS A B W外=PSΔL =PΔV ③P-V图线与横轴的面积表示气体对外界做功的绝对值。 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 = 热与内能的改变 学习任务三： 热与内能的改变 1. 热传递：两个温度不同的物体互相接触时，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，这个过程称之为热传递。 2. 热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。 4. 热传递具有方向性：热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。 3. 单纯的热传递过程中系统内能变化的量度：热量 Q 5. 传递的热量与内能改变量的关系 : 6. 做功和热传递的区别 (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。 若物体吸热，Q>0，则 ΔU>0，内能增加； 若物体放热，Q<0，则 ΔU<0，内能减少. 单纯传热 系统状态1 系统状态2 U1 U2 ∆U = U2 - U1 = Q 做功 传热 发生条件 本质 比较：做功与传热在改变系统内能上的不同 转化 转移 内能 内能 其它形式能 内能 系统与外界存在温差 任何温度下均发生 做功与内能的改变和传热与内能的改变的联系是什么？ 思考： 做功和传热在改变系统内能上是等价的。 学习任务评价三 【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 BD 【例4】 关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有( ) A.热水的内能比冷水的内能多 B.温度高的物体其热量必定多，内能必定大 C.在传热过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将 增大，直到两物体的内能相等 D.在传热过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度 相同为止 A 温度、内能、热量和功的区别与联系 思考与讨论 如何用数学表达式表示这三个物理量的关系？ 增加220J 一定质量的理想气体从外界吸收100J的热量，同时外界对它做功120J， 它的内能的变化是多少？ 学习任务四： 热力学第一定律 1.内容：一个热力学系统内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和。 2.表达式： ⊿U=Q+W 3.公式各量符号的意义 ＋ － W Q ⊿U 【例4】（课本P51）一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1m,这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图甲)。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。 ⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。 ⑵燃烧后的高压气体对活塞做功， 气体推动活塞移动0.1m,其做的功 相当于9×103N的恒力使活塞移动 相同距离所做的功(图乙),该做功过 程气体传递给汽缸的热量为30J,求 此做功过程气体内能的变化量。 学习任务评价四 解：⑴压缩过程活塞对气体做的功W1= F1l1= 2x103×0.1J= 200J 气体内能的变化量ΔU1=W1+Q1=200J-25J=175J ⑵气体膨胀过程中外界对气体所做的功W2=-F2l2=-9×103×0.1J=-900J 气体内能的变化量ΔU2= W2+ Q2=- 900J- 30J=-930J 汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175J,在膨胀做功过程中气体内能减少了930J。 解题步骤 ⑴明确研究对象和过程 ⑵明确W、Q 的正负 ⑶根据热力学定律列方程求解 注意：明确各量的正负及其物理意义。 课堂小结 等容过程： 绝热过程： Q＝0，则ΔU＝W W＝0，则ΔU＝Q 热力学第一定律 表达式： ⊿U=Q+W 内容： 功、热和内能的改变 热力学定律 做功和传热在改变物体的内能上是等效的 课堂练习 【1】如图，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。今对活塞施以一竖直向下的压力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 【2】如图所示，固定容器及可动活塞P 都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P 缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高。则在移动P的过程中(　　) A．外力对乙做功；甲的内能不变 B．外力对乙做功；乙的内能不变 C．乙传递热量给甲；乙的内能增加 D．乙的内能增加；甲的内能不变 C 思考： (1)若将活塞P 缓慢地向外拉动，则甲、乙的内能如何改变？ (2)若隔板B 绝热但可以自由移动，当活塞P 缓慢地向B 移动时， 甲、乙的内能如何变化？ ⑴气体状态变化的几种特殊情况 讨论与总结 ②等容过程： ③等温过程： ①绝热过程： Q＝0，则ΔU＝W ΔU＝0，则W＝－Q W＝0，则ΔU＝Q (过程不做功) ⑵分析气体内能的变化 ⊿U=Q+W U — T ⑶判断气体是否做功思路： 依据： 依据： 看气体的体积是否变化 【3】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，今对活塞施以一竖直向下的压力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，则对被密封的气体，下列说法正确的是 (　 　) 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.分子的平均动能增加，分子对器壁的单位面积碰撞的冲力增大 D.分子的平均动能减小，分子对器壁的单位面积碰撞的冲力增大 C 【4】如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中 (　　) A．E甲不变，E乙减小　　 B．E甲不变，E乙增大 C．E甲增大，E乙不变 D．E甲增大，E乙减小 D 【5】(新情景题)(多选)如图是某喷水壶示意图。未喷水时阀门K闭合，压下压杆A可向壶内储气室充气。多次充气后按下按柄B打开阀门K，水会自动经导管从喷嘴喷出。储气室气体可视为理想气体，充气和喷水过程温度保持不变，则 (　 　) A．充气过程中，储气室内气体的内能增大 B．充气过程中，储气室内气体分子平均动能减小 C．喷水过程中，储气室内气体压强减小 D．喷水过程中，储气室内气体放热 AC 【6】(多选)如图所示，绝热的汽缸与绝热的活塞A、B密封一定质量的理想气体后水平放置在光滑地面上，不计活塞与汽缸壁的摩擦，现用电热丝给汽缸内的气体加热，在加热过程中，下列说法正确的是 (　 　) A.汽缸仍保持静止 B.活塞A、B均向左移动 C.密封气体的内能一定增加 D.汽缸中单位时间内作用在活塞A和 活塞B上的分子个数相同 AC 【解析】对汽缸整体分析，外部各个方向上受到的压力平衡，所以汽缸保持静止，故A正确； 用电热丝给汽缸内的气体加热后，汽缸内的气体温度升高，内能增大，压强变大，活塞A、B 均向外运动，故B错误，C正确； 活塞A的面积大于活塞B 的面积，单位时间内作用在活塞A和活塞B上的分子个数不同，故D错误。 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 热功当量（功、热量之间的数量关系）： 焦耳（英国物理学家）通过实验测 定了热量Q与做功W间的数量关系； 重物下落带动绝热容器内的叶片做功ΔW，水温升高ΔT吸收热量ΔQ； 据：ΔW=CmΔT；可得：功W和热量Q之间数量关系：1卡=4.186焦； 实验意义： 揭示了热量与功之间确定的当量（数量）关系，表明内能和其他形式的能可以相互转化，为能量转化和守恒定律的建立奠定了基础； 【拓展】 $