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

该高中物理教学设计聚焦“功、热和内能的改变”核心知识点，通过空气压缩引火仪演示外界做功使气体内能增大，承接分子动理论对内能的微观认识，为热力学第一定律搭建从定性现象到定量规律的认知支架。 资料亮点在于实验驱动与概念深度辨析，依托焦耳绝热定量实验建立ΔU=W规律培养科学思维，塑料瓶分组实验验证气体对外做功内能减小落实科学探究，对比传热过程区分能量转化与转移强化物理观念，助力教师突破重难点，帮助学生构建能量观念与严谨实证精神。

教学设计 课程名称 功、热和内能的改变 选用教材 高中物理人教版选修三 教学章节 第三章一节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课是热力学第一定律的铺垫基础，承接分子动理论内能微观含义，整体分为四大模块：第一部分利用空气压缩引火仪趣味演示导入，直观感受外界做功使气体内能增大；第二部分介绍焦耳两组定量绝热实验，定义绝热过程，得出绝热过程中内能变化等于外界做功；第三部分开展塑料瓶塞弹出分组小实验，说明气体对外做功内能减少，完整梳理做功改变内能双向规律；第四部分区分传热改变内能，辨析做功与传热的本质区别 —— 做功是不同形式能量转化，传热仅为内能转移，明确热量的物理定义。课程遵循 “做功升温演示→焦耳定量实验建立绝热与内能关系→绝热膨胀反向实验验证→传热对比辨析两种改变内能方式” 逻辑，从定性现象到定量实验，再区分两类改变内能途径，为热力学第一定律搭建核心认知基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经通过分子动理论知道内能是分子动能与分子势能总和；生活中见过摩擦生热、烧水升温现象，但无法从能量转化角度解释；不了解绝热过程、热量的严谨物理定义；混淆 “温度、内能、热量” 三个概念，分不清做功与传热改变内能的本质差异；未接触过定量测定功与内能变化关系的焦耳实验。 2. 能力基础 学生具备基础演示实验观察、分组动手操作能力，但自主由实验现象推导能量转化逻辑的推理能力薄弱；观看压缩引火、瓶塞弹出实验时，难以自主归纳做功对内能双向影响；小组讨论时不能区分能量转化与能量转移；无法理解焦耳绝热实验的定量控制变量设计思路。 3. 思维基础 学生存在多处直观认知误区：认为温度高的物体 “含有热量”；觉得只有升温才会有内能变化，忽略体积改变带来的分子势能变化；混淆外界对物体做功、物体对外做功两种相反过程的内能变化结果；难以区分机械能与内能转化、内能单纯转移两类物理过程。 三、教学目标 1. 物理观念 建立内能变化的统一能量观念，理解绝热过程定义；掌握做功、传热两种改变内能的途径，知晓做功实现不同形式能量转化，传热仅发生内能转移；能准确区分内能、温度、热量三个物理量，构建宏观热力学过程与能量转化一体化热学观念。 2. 科学思维 依托空气压缩引火仪演示图建立做功升温现象猜想建模思维；借助焦耳重物搅拌实验装置图建立定量绝热实验控制变量归纳思维；利用塑料瓶绝热膨胀实验图建立双向做功辩证分析思维；结合传热对比逻辑建立能量转化与转移区分演绎思维，趣味演示、定量实验、正反对比、概念辨析综合科学思维。 3. 科学探究 观察压缩引火仪硝化棉燃烧现象，猜想外界做功增大内能；研读焦耳绝热定量实验，归纳绝热过程 ΔU=W；动手操作塑料瓶瓶塞弹出实验，验证气体对外做功内能减小；对比摩擦生热、热水传热两类场景，辨析做功与传热本质；完整经历 “趣味演示猜想→定量实验得出规律→反向实验验证→传热对比辨析” 完整探究流程。 4. 科学态度与责任 焦耳数十年坚持定量绝热实验，依靠精准测量建立功与内能的定量关系，体现持之以恒、严谨定量的科研精神；做功、传热改变内能规律广泛用于内燃机、供暖设备、制冷工业，我国自主发动机、热泵热能设备实现国产化，培养学生依托定量实验建立物理规律、区分能量转化与转移的实证求真品格，树立掌握内能变化规律助力国产热能动力设备研发的责任意识。 四、教学重难点 重点 绝热过程概念，绝热过程中内能变化与做功的定量关系 做功改变内能的双向规律：外界做功内能增加，对外做功内能减小 做功与传热改变内能的本质区别，热量的物理定义 难点 区分能量转化（做功）与能量转移（传热）的本质不同 纠正 “物体含有热量” 的概念误区，准确使用热量术语 理解焦耳绝热实验的控制变量设计思路与定量结论 五、教学方法 趣味演示导入法：空气压缩引火仪实验直观展示外界做功升温； 定量实验分析法：焦耳搅拌重物实验讲解绝热定量关系； 分组动手实验法：塑料瓶打气塞弹出实验，反向验证对外做功降温； 对比辨析教学法：摩擦生热、热水传热对比区分转化与转移； 小组讨论辨析法：互助区分内能、温度、热量，辨析做功传热本质； 逻辑推导法：由两组正反实验归纳做功改变内能双向规律。 六、教学资源 人教版选择性必修第三册课本；空气压缩引火仪演示实物图、焦耳重物搅拌实验装置图、塑料瓶绝热膨胀实验装置图；压缩引火仪、硝化棉、绝热水桶、重物搅拌装置、透明塑料瓶、打气筒、清水、多媒体课件、黑板、内能变化对比记录表格。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 压缩引火仪演示导入，猜想做功可以改变内能 · 展示空气压缩引火仪演示实物图 · 完整演示操作与现象：筒底放置硝化棉，快速下压活塞，筒内瞬间出现火光，硝化棉燃烧。顺势抛出核心导学思考题：下压活塞是外界对筒内空气做功，硝化棉燃烧说明空气温度升高，内能增大，这一现象说明做功对内能有什么影响？ · 递进出示同桌交流问题：如果反过来，气体膨胀推动活塞对外做功，气体内能、温度会如何变化？给学生两分钟同桌交流，结合生活摩擦生热经验猜想作答。 · 待学生交流完毕点明本节课探究主线：先通过焦耳定量绝热实验，确定绝热过程做功与内能变化的定量关系；再通过塑料瓶膨胀实验验证气体对外做功内能减小；最后对比传热升温，区分做功、传热两种改变内能方式的本质差异。 观看空气压缩引火仪演示实物图，跟随教师记住下压活塞做功、空气升温引燃硝化棉的实验现象；同桌之间猜想气体膨胀对外做功会降温、内能减少；带着 “绝热过程如何定量描述内能变化、两种做功过程内能变化为何相反、传热和做功改变内能有什么本质不同、热量能不能说物体含有” 四大疑问进入新课主体学习。 焦耳定量绝热实验，建立绝热过程 ΔU=W 规律 · 第一步，展示焦耳重物搅拌实验装置图 · 完整讲解实验条件、操作与结论：容器外壁包裹绝热材料，属于绝热过程，系统与外界无热量交换；重物下落带动叶片搅拌水，重力做功转化为水的内能；多次实验证明，只要外界做功数值相等，水温上升幅度完全相同，系统内能变化一致。同步配套随堂提问：绝热过程中外界对系统做功，系统内能会如何变化？ · 在学生作答后给出核心结论：绝热过程中，内能变化量等于外界对系统做的功 ΔU=W；外界做功内能增加，系统对外做功内能减少。拓展另一组焦耳电功实验，说明机械功、电功效果一致，只要绝热、做功相等，内能变化相同。 · 第二步，展示塑料瓶绝热膨胀实验装置图 · 组织分组动手实验：塑料瓶内加少量水，打气加压，瓶塞弹出瞬间瓶内出现白雾。讲解原理：瓶内高压气体推动瓶塞对外做功，绝热条件下内能减小，温度降低，水蒸气液化形成白雾，反向验证对外做功内能减少。组织三分钟四人小组讨论思考题：冬天双手摩擦变暖、开水倒入冷杯升温，分别依靠什么方式改变内能，能量发生了怎样的变化？每组推选代表完整说明。 观看焦耳重物搅拌实验装置图，记住绝热过程、外界做功内能增大、ΔU=W 定量规律；分组操作塑料瓶实验，观察白雾现象，理解气体对外做功内能减小；四人小组围绕摩擦、热水传热两类场景辨析讨论；整理绝热过程、双向做功改变内能笔记，初步区分做功带来能量转化。 传热改变内能辨析，课堂总结、分层课后任务 · 对比热水倒入冷水杯传热实例，讲解传热改变内能：高温物体向低温物体传递内能，仅发生内能转移，没有其他形式能量参与；定义热量：热量是传热过程中内能变化的量度，只能描述吸收、放出，不能说物体 “含有热量”。对比做功与传热本质：做功是机械能、电能等与内能相互转化，传热只是内能在物体间转移。 · 整合四张配图梳理课堂主线：空气压缩引火仪演示实物图提出做功升温猜想→焦耳重物搅拌实验装置图得出绝热定量 ΔU=W 规律→塑料瓶绝热膨胀实验装置图验证对外做功降温→传热逻辑对比区分转化与转移，完整覆盖演示猜想、定量实验、反向验证、概念辨析四大核心板块。 · 按照教材行文梳理整节课完整脉络：压缩引火仪做功升温演示→焦耳绝热定量实验建立功与内能定量关系→塑料瓶膨胀实验验证对外做功内能减小→对比传热过程，辨析做功、传热本质差异，黑板同步思维导图，标记绝热过程、双向做功规律、热量概念、转化与转移区别四大高频易错点。 · 分层布置贴合教材的课后任务：基础任务整理绝热过程定义、ΔU=W 文字规律，写出做功、传热改变内能的区别；提升任务分别解释压缩引火仪、塑料瓶白雾两个实验的内能变化过程；拓展任务列举 3 个做功改变内能、3 个传热改变内能的生活实例，区分能量转化或转移，下节课分享。 整合本节课四张配图对应的压缩引火演示、焦耳定量实验、塑料瓶分组实验、传热对比全部知识点，重点纠正 “物体含有热量” 误区、区分做功能量转化 / 传热能量转移、牢记双向做功内能变化三类高频易错内容；记录分层课后作业要求，规划规律整理、实验解释、实例搜集的完成顺序。 课堂收尾 · 回扣开篇空气压缩引火仪演示实物图完整总结本节课全部内容：本节课我们由压缩硝化棉演示入手，通过焦耳绝热定量实验得到绝热过程内能变化等于外界做功，外界做功内能增加，气体对外做功内能减小；对比传热过程可知，做功是不同形式能量转化，传热仅发生内能转移；热量只用于描述传热过程内能变化，不能描述物体自身存储的能量，以上内容是热力学第一定律的基础核心知识。 完整回顾绝热过程定量规律、双向做功对内能影响、做功与传热本质区别、热量严谨定义全部知识点，整理四幅配图对应的演示、定量实验、分组动手实验、概念对比笔记，理清 “定性演示猜想→定量实验得出规律→反向实验验证→对比辨析本质” 的内能变化探究核心思路，规划课后分层任务完成顺序。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托空气压缩引火仪演示实物图、焦耳重物搅拌实验装置图、塑料瓶绝热膨胀实验装置图三组教材素材，开展趣味演示猜想、焦耳定量绝热实验、分组绝热膨胀动手实验、做功与传热概念辨析教学，培养学生由直观现象到定量实验逐层探究能量规律、区分能量转化与转移的严谨实证科研品格；焦耳耗费多年完成大量绝热定量实验，依靠反复精准测量建立功与内能的定量联系，体现坚持不懈、严谨定量测量的科研精神；做功、传热改变内能规律是内燃机、工业热泵、供暖制冷设备的核心理论，我国自主高效发动机、节能热泵热能装备实现国产化，让学生认识绝热实验、内能变化规律是热能动力设备研发的基础，引导学生扎实掌握绝热过程、双向做功、热量概念、能量转化转移完整知识体系，树立依托热力学基础规律助力国产热能动力、节能温控设备自主研发的责任意识。 十、教学反思和修改 教学反思：本节课使用三张教材配图结合演示、定量实验、分组动手实验完整完成功与内能教学，但学生普遍存在三处典型认知误区：一是混淆内能、温度、热量，经常表述 “物体含有热量”；二是记反气体对外做功时内能变化，误以为膨胀升温；三是无法清晰区分能量转化（做功）、能量转移（传热）；部分小组打气力度不足，塑料瓶实验看不到明显白雾，现象不直观。 修改措施：课前印制内能、温度、热量概念辨析填空预习单，提前纠正热量表述误区；播放压缩、膨胀两个实验微观分子动能动态示意图，直观区分两种做功过程内能变化；延长四人小组生活实例辨析讨论时长，增设摩擦取暖、开水降温随堂应用题即时纠错；课前调试打气筒保证气压充足，课后配套绝热过程规律、实验内能解释分层基础习题，配套生活做功传热实例搜集作业，强化双向做功变化、能量转化转移、热量规范表述三重训练。 学科网（北京）股份有限公司 $