3.2 热力学第一定律 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热力学第一定律，通过汽缸压缩加热情境图导入，承接上一节功、热单独改变内能的知识，引导学生从单一过程过渡到复合过程，构建“双途径共同作用”的学习支架。 特色在于融合情境猜想、符号规范推导与工程实例计算，借助内燃机冲程图像培养科学思维中的模型建构与科学推理能力，结合伦福德实验史料深化科学态度与责任。采用复合情境导入、图像例题演算等方法，助力学生建立能量观念，教师可高效突破符号判断、定量计算等重难点。

教学设计 课程名称 热力学第一定律 选用教材 高中物理人教版选修三 教学章节 第三章二节 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 本节课承接上一节功、热改变内能的基础内容，核心推导热力学第一定律，整体分为四大模块：第一部分借助汽缸压缩同时加热的情境图导入，说明做功、传热可同步改变内能，引出总内能变化由两者共同决定；第二部分规范符号法则，推导热力学第一定律文字与表达式，明确外界对气体做功、气体吸热为正值的统一规定；第三部分结合四冲程内燃机例题，利用压缩冲程、做功冲程图像开展定量计算，落实公式实际应用；第四部分拓展伦福德炮筒镗孔实验史料，梳理热质说被推翻、热动说确立的科学发展历程，深化能量转化认知。课程遵循 “双途径同步作用情境猜想→统一符号规则推导热力学第一定律→内燃机实例定量计算→热本质科学史拓展” 逻辑链条，实现定性规律、定量运算、科学史料三层教学目标，是热力学板块核心主干规律。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握单独做功、单独传热改变内能的规律，知晓绝热过程 ΔU=W、单纯传热 ΔU=Q；能区分能量转化与内能转移；但未接触做功、传热同时发生的复合过程，没有统一的正负符号规范，不会联立两个途径计算总内能变化；不了解热质说历史误区，对热的微观本质发展过程无认知。 2. 能力基础 学生具备单一过程定性分析、简单代数计算能力，但同步存在做功、吸放热时，容易混淆正负取值；解读内燃机压力 - 位移图像提取做功数值的图像分析能力薄弱；小组解题时容易遗漏热量散失、气体对外做功两类符号判断；无法结合史料辩证分析旧理论的局限性与新实验的突破作用。 3. 思维基础 学生存在典型认知误区：分析复合过程时只考虑做功或只考虑传热，忽略两者叠加；符号判断混乱，分不清气体对外做功、外界对气体做功正负；历史认知片面，误以为热质说完全无价值，不能辩证看待伦福德、焦耳实验逐层完善热动说的递进关系。 三、教学目标 1. 物理观念 建立复合热力学过程能量统一观念，熟记热力学第一定律文字表述与符号规定；能分析做功、传热同步发生时气体内能总变化，理解内燃机冲程内能量转化；知晓热的本质是微观分子运动，破除热质说错误认知，构建宏观热力学过程与热本质一体化热学观念。 2. 科学思维 依托汽缸压缩加热情境图建立双途径叠加猜想建模思维；借助内燃机冲程压力图像建立定量提取做功数值归纳计算思维；利用伦福德炮筒实验示意图建立科学理论迭代辩证分析思维；通过例题分步推演建立符号规范演绎运算思维，实现情境猜想、图像运算、理论辨析、定量推导综合科学思维训练。 3. 科学探究 观察汽缸压缩同时加热情境，猜想内能变化是做功、传热共同效果；统一正负符号规则，推导热力学第一定律；结合内燃机图像完成压缩、做功冲程两道定量计算题；研读伦福德镗孔实验史料，辨析热质说缺陷；完整经历 “复合情境猜想→规律推导定符号→内燃机实例定量演算→科学史料辨析热本质” 完整探究流程。 4. 科学态度与责任 伦福德定性实验、焦耳定量实验前后接续，逐步推翻热质说、确立热动说，体现物理理论依靠层层实验迭代完善的严谨科研精神；热力学第一定律是内燃机、航空发动机、热泵设备设计的核心理论，我国自主汽车、航空热动力装备持续突破，培养学生规范使用物理符号、定量分析工程热学装置、辩证看待科学理论发展的实证求真品格，树立掌握热力学第一定律助力国产热动力设备自主研发的责任意识。 四、教学重难点 重点 热力学第一定律文字内容、统一正负符号取值规范 内燃机冲程图像提取做功数值，联立热量完成定量计算 难点 复合过程中做功、吸放热正负符号准确判断 辩证理解伦福德、焦耳实验在热动说建立过程中的递进作用 五、教学方法 复合情境导入法：汽缸压缩同步加热图引入双途径共同改变内能； 规则推导教学法：分步统一做功、热量正负符号，推导热力学第一定律； 图像例题演算教学法：内燃机冲程压力图像结合例题定量计算； 史料辨析教学法：伦福德炮筒实验图梳理热质说到热动说发展历程； 小组演算讨论法：互助完成内燃机两道小问，纠正符号取值错误。 六、教学资源 人教版选择性必修第三册课本；汽缸压缩加热情境示意图、四冲程内燃机例题装置与冲程图像、伦福德炮筒镗孔实验示意图；多媒体课件、黑板、热力学第一定律符号规范演算表格、内燃机计算练习单。 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 · 展示汽缸压缩加热情境示意图 · 完整讲解情境：汽缸封闭一定质量气体，活塞下压外界对气体做功，同时底部火焰给气体加热，两种方式同步进行，气体升温更明显。顺势抛出核心导学思考题：单独压缩、单独加热都能增大内能，两种操作同时进行，内能变化效果叠加，说明内能变化由哪两个物理量共同决定？ · 递进出示同桌交流问题：如果气体膨胀对外做功，同时向外散热，内能会如何变化？给学生两分钟同桌交流，回顾上一节单一过程规律猜想作答。 · 待学生交流完毕点明本节课探究主线：统一做功、热量正负取值规则，推导同时存在做功与传热时内能变化的通用规律 —— 热力学第一定律；再借助内燃机例题完成定量计算；最后通过伦福德实验史料厘清热的科学本质。 观看汽缸压缩加热情境示意图，跟随教师记住做功、传热同步叠加增大内能的现象；同桌之间反向猜想气体对外做功 + 散热会让内能大幅减小；带着 “做功和热量正负如何规定、两个量如何联立计算内能变化、内燃机冲程怎么提取做功数值、伦福德实验为什么推翻热质说” 四大疑问进入新课主体学习。 推导热力学第一定律，内燃机例题定量演算 · 第一步，梳理统一符号规则：外界对气体做功 W 取正值，气体对外做功 W 取负值；气体从外界吸热 Q 取正值，气体向外界放热 Q 取负值；内能变化 ΔU 等于两者代数和，总结热力学第一定律文字表述：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总和。同步配套随堂提问：汽缸压缩加热情境中 W、Q 分别取正还是负，内能变化是两者相加还是相减？ · 第二步，展示四冲程内燃机例题装置与冲 程图像 · 完整讲解例题已知条件：压缩冲程等效恒力 2×10³N，移动距离 0.1m，气体向外界放热 25J；做功冲程等效恒力 9×10³N，气体推动活塞移动 0.1m。分步板书演算过程，规范每一步符号取值，依次求解两小问内能变化量。组织三分钟四人小组讨 观看内燃机例题装置与冲程图像，记录统一正负符号规范、热力学第一定律文字规律；四人小组独立演算压缩、做功冲程两道小题，互相纠正符号判断错误；整理符号规则、例题演算步骤笔记，重点区分外界对气体做功、气体对外做功两类符号取值。 伦福德实验史料拓展，课堂总结、分层课后任务 · 展示伦福德炮筒镗孔实验示意图 · 分层梳理热本质发展历史：早期热质说认为高温物体含有无形热质；伦福德镗孔时持续摩擦不断产热，不存在 “热质耗尽”，定性否定热质说，但无法定量；后续焦耳绝热定量实验，精准证明热是机械能转化的内能，彻底确立热动说，说明热本质是微观分子无规则运动。 · 整合三张配图梳理课堂主线：汽缸压缩加热情境示意图提出双途径叠加猜想→内燃机例题装置与冲程图像推导并应用热力学第一定律、规范符号演算→伦福德炮筒镗孔实验示意图梳理热质说到热动说的科学迭代历程，完整覆盖情境猜想、规律推导定量计算、科学史料辨析三大核心板块。 · 按照教材行文梳理整节课完整脉络：汽缸同步做功传热情境引入复合过程→统一正负符号，推导热力学第一定律→内燃机冲程图像例题定量计算→伦福德镗孔实验史料辨析热本质，黑板同步思维导图，标记正负符号规范、内燃机图像提取做功、热动说迭代三大高频易错点。 · 分层布置贴合教材的课后任务：基础任务完整写出热力学第一定律文字表述，列出全部正负符号规定；提升任务独立完整演算内燃机两道冲程计算题，规范标注每一步 W、Q 正负；拓展任务简述伦福德、焦耳实验各自在推翻热质说过程中的作用，下节课分享。 观看伦福德炮筒镗孔实验示意图，理解热质说缺陷、热动说建立的递进实验逻辑；整合本节课三张配图对应的汽缸导入情境、内燃机定量例题、热本质史料全部知识点，重点纠正符号取值混乱、忽略做功传热叠加、割裂两段实验历史三类高频易错内容；记录分层课后作业要求，规划规律整理、例题演算、史料梳理的完成顺序。 课堂收尾 · 回扣开篇汽缸压缩加热情境示意图完整总结本节课全部内容：本节课我们由汽缸同步压缩、加热的复合情境入手，统一做功、热量正负取值规范，推导出热力学第一定律，内能变化是做功与热量的代数和；借助内燃机冲程图像完成定量计算，掌握从压力位移图像提取做功数值的方法；通过伦福德、焦耳前后接续的实验，厘清热质说错误，确认热的本质是微观分子运动，热力学第一定律是所有热机、热力装置能量计算的基础通用规律。 完整回顾热力学第一定律内容、全套正负符号、内燃机图像计算方法、热本质科学发展历程全部知识点，整理三幅配图对应的导入情境、定量例题、史料辨析笔记，理清 “复合情境猜想→统一符号推导通用规律→工程实例定量演算→科学实验辨析理论” 的热力学规律探究核心思路，规划课后分层任务完成顺序。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托汽缸压缩加热情境示意图、内燃机例题装置与冲程图像、伦福德炮筒镗孔实验示意图三组教材素材，开展复合热力学情境猜想、内燃机工程定量计算、热本质科学史分层辨析教学，培养学生统一物理符号规范定量分析复合热过程、依托递进实验辩证推翻错误理论、结合工程实例落实物理规律的严谨实证科研品格；伦福德定性实验、焦耳定量实验前后接续，数十年逐层完善热的本质理论，体现物理科学依靠持续实验迭代发展的科研底色；热力学第一定律是汽车、航空发动机、工业热泵等热动力装备设计的核心理论，我国自主商用发动机、航空热力系统持续实现技术突破，让学生认识统一符号规范、定量图像计算、热本质实验迭代是热动力工程研发的基础热学理论，引导学生扎实掌握热力学第一定律全套符号、演算、史料完整知识体系，树立依托热力学基础规律助力国产热动力、航空热力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复合情境导入、内燃机定量例题、热本质史料完整完成热力学第一定律教学，但学生普遍存在三处典型认知误区：一是做功、热量正负符号判断极易混淆，气体对外做功、放热时常取正值；二是解读内燃机压力位移图像时，不会用恒力等效快速计算做功；三是割裂伦福德、焦耳两段实验，分不清二者分别起到定性否定、定量证实的不同作用；部分学生代数运算粗心，数值符号叠加计算出错。 修改措施：课前印制正负符号填空预习单，提前区分四类过程符号取值；课堂增加图像做功提取分步小练习，强化 F、l 乘积快速运算；延长四人小组史料辨析讨论时长，增设热质说、热动说对比随堂问答题即时纠错；课后配套热力学第一定律符号判断、内燃机图像计算分层基础习题，配套两段实验作用对比简述作业，强化符号规范、图像做功提取、科学理论递进三重专项训练。 学科网（北京）股份有限公司 $