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

该高中物理课件围绕功、热和内能的改变及热力学第一定律展开，通过预习检测（焦耳实验选择题）、实验视频（活塞压缩空气点燃棉花）和问题引入（解释燃烧现象），搭建从能量概念到内能改变两种方式的学习支架。 其亮点是以焦耳实验为核心，结合实验视频（科学探究）和类比思考（如重力做功与内能变化对比，科学思维），通过微观与宏观定义构建内能概念（物理观念）。采用实验分析与问题驱动教学，帮助学生深化能量观念和科学推理能力，为教师提供结构化资源，提升教学效率。

3.1 功、热和内能的改变 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，下列说法正确的是(　　) 预习检测 A．系统状态的改变只能通过传热来实现 B．系统状态的改变只能通过做功来实现 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 C 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 实验视频 分析：用活塞压缩空气对空气做功，空气内能增大，温度升高，达到燃点棉花燃烧。 为什么筒底的棉花会被点燃呢？ 你能解释这个现象吗？ 改变系统内能的方法： 热传递 做功 问题引入 ①活塞不断压缩气筒内的气体，对气体做功 ②活塞和气筒壁间的摩擦力做功 想一想 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？ 改变系统的热力学状态的方法： 做功和传热（热传递） 1818年12月24日生于英国曼彻斯特 ，起初研究电学和磁学,从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系（热功当量）。这项 焦耳在做热功当量实验 热功当量实验 研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。 ⑴实验装置 ⑵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. 焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功 1、实验1 ⑶研究对象——热力学系统： 容器中的水 ——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。 ⑷状态变化过程 系统状态变化过程中，（只由于外界对它做功而与外界交换能量）系统不从外界吸热，也不向外界放热。 绝热过程： ⑸焦耳的多次实验测量结论 尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。 ⑴实验装置 ⑵实验原理 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。 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。 ⑶焦耳的多次实验测量结论 焦耳热功当量实验装置——对系统做电功 2、实验2 实验1 重物下落重力做功 叶片搅拌容器中的水 水与叶片摩擦而温度上升 系统从状态1 变为状态2 T1 T2 实验2 系统从状态1 变为状态2 T1 T2 电机发电 电热丝发热 发热丝对水加热温度上升 重物下落重力做功 做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。 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1、2决定，而与做功的方式无关。 3、焦耳的这些实验结论 综上所述：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的.也就是说，在各种不同的绝热过程中，要使系统状态发生变化，做功的数量只由始 末两个状态决定，而与做功方式无关. 尽管第一个实验重物质量或下落高度可能不同，第二个实验各次通电时间和电流大小可能不同，做功方式及做功的具体过程也不同，但只要外界对系统做功的数值相同，系统上升的温度一定相同。 始末状态，是不是似曾相识 焦耳的实验结论 在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。 类比思考： 哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？ 重力 电场力 重力做功对应重力势能 电场力做功对应电势能（电能） ★热功当量：做功和热传递对改变物体的内能是等效的。 焦耳的实验结论 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物理量，这个物理量在初末两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我们把这个物理量称为系统的内能。 ⑵微观定义（分子动理论对内能的定义）： 物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 ⑴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。 微观：分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数。 系统的内能U 宏观：温度、体积、物质的量（状态）。 4、内能U 功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，系统初末状态内能的变化量为△U 系统内能的变化量： 外界对系统做功： 即： 在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量 外界对系统做功，系统内能____； 系统对外做功，系统内能____。 在绝热过程中， 两个温度不同的物体A、B相互接触时，热从高温物体A传到了低温物体B。 在外界对系统不做功的情况下（单纯地对系统传热），外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量。 即： 系统内能的改变量： 外界向系统传递的热量： 当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2 系统吸收热量，系统内能增加； 系统放出热量，系统内能减少。 热与内能的改变 热辐射 热传导 热对流 热传递的三种形式 如果一个过程中既有外界做功又有吸放热，那系统的内能如何变化呢？ 内能的改变 练习与应用 3.2 热力学第一定律 热力学第一定律 一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 ΔU ：物体内能的增加量 W：外界对物体做的功 Q：物体吸收的热量 思考与讨论：一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。 表达式： ΔU＝ Q + W Lavf58.29.100 Lavf56.15.102 $