3.1 热力学第一定律 教学设计 -2026-2027学年高二下学期物理教科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，通过桨叶搅拌和功电热转换两套焦耳实验图解导入，承接前两章气体实验定律与分子内能知识，为后续热力学第二定律学习搭建能量守恒认知支架。 该资料以实验图解归纳、分层推导、史料漫画辨析为特色，通过焦耳实验培养科学探究能力，分层推导热力学第一定律表达式及符号规则发展科学思维，结合永动机史料与漫画渗透科学态度与责任，助力学生构建能量观念，提升教师教学效率。

教学设计 课程名称 热力学第一定律 选用教材 高中物理教科版选修三 教学章节 第三章第一节 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 本节课是热学能量守恒核心奠基课，承接前两章气体实验定律、分子内能相关知识，整体分为四大递进知识板块。第一板块展示焦耳两个经典做功生热实验，桨叶搅拌实验依靠重物下落带动叶片摩擦水体做功，功电热转换实验依靠重物发电、电阻丝通电给水加热，两类绝热实验证明外界对系统做功能够提升系统内能；搭配气体对外做功示意图，说明系统对外做功会消耗自身内能，温度下降，由此总结做功是改变内能的第一种途径。第二板块讲解热传递改变内能，仅发生热量交换、无机械做功时，内能变化量等于吸收的热量，建立单一热传递过程能量关系。第三板块综合做功、热传递同时存在的普遍过程，推导热力学第一定律完整表达式，规范热量、做功、内能变化的正负取值规则，分段解读每一项物理意义。第四板块结合永动机科普漫画，从能量守恒角度论证不需要输入能量就能持续对外做功的第一类永动机违背热力学第一定律，不可能实现，补充相关科学史料完善科学价值观。整节课遵循 “实验证明做功改变内能 — 热传递改变内能 — 综合推导普适能量规律 — 规律拓展辨析永动机” 逻辑链条，将机械能、电能与内能转化统一在能量守恒框架内，为后续热力学第二定律、能量守恒综合应用奠定理论基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握分子内能、分子热运动相关概念，知道温度是内能高低宏观标志；初中阶段初步了解摩擦生热、热传递升温现象，但未定量建立做功、热量、内能变化三者数学关系；能够识别机械能、电能、内能不同能量形式，但是不清楚绝热过程的定义，对热力学公式内各物理量正负符号规则完全陌生；无法从能量守恒角度完整拆解永动机设计的核心矛盾。 2. 能力基础 学生具备基础实验装置读图、现象描述能力，但自主从两组焦耳实验提炼 “做功等效改变内能” 结论的归纳总结能力薄弱；区分外界对系统做功、系统对外做功两种过程的对比辨析能力不足；依靠公式正负符号判断内能增减的定量分析建模能力偏弱；不能自主运用热力学第一定律完整拆解生活中能量转化实例。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：只有热传递可以改变物体内能，做功不会改变内能；气体膨胀对外做功时温度只会小幅变化，内能不会减少；只要装置设计精巧，永动机可以持续对外输出能量；吸收热量物体内能一定增加，对外做功物体内能一定减少，忽略两种过程同时存在的抵消效果；绝热过程代表物体不会有温度变化。 三、教学目标 1. 物理观念 建立热力学能量守恒核心物理观念：做功与热传递是改变系统内能的两种等效途径，外界对系统做功、系统吸收热量都会让内能增加，系统对外做功、系统放出热量都会让内能减少；热力学第一定律完整描述任意热过程能量转化总量不变，吸收的热量一部分用于提升系统内能，另一部分用于系统对外做功；第一类永动机违背能量守恒，无法制造，一切热现象都服从能量守恒约束。 2. 科学思维 依托桨叶搅拌实验装置图建立机械做功转化内能的实验归纳思维；借助功电热转换实验装置图建立电能转化内能的类比推理思维；利用气体对外做功示意图建立做功消耗内能的逆向演绎思维；结合永动机漫画建立利用能量守恒规律辨析伪科学设计的批判性思维，四层思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察两套焦耳做功实验装置，梳理重物下落做功、水体升温完整实验现象，归纳做功改变内能结论；观察气体膨胀对外做功示意图，总结系统对外做功内能减少的规律；结合单一热传递过程推导热力学基础关系式，综合两类能量交换过程得到普适热力学第一定律；结合永动机图文从能量守恒角度论证其不可实现；完整经历 “多组实验探究做功改内能 — 热传递过程规律铺垫 — 综合推导热力学第一定律 — 利用定律辨析永动机伪科学设计” 标准化探究流程。 4. 科学态度与责任 焦耳耗费大量时间设计多组定量实验精准验证功热等效，传递持之以恒、严谨定量测量的科研钻研精神；法国科学院永久停止审核永动机设计的史料，引导学生树立尊重物理规律、辨别伪科学的理性科学观；做功、热传递两类途径实现不同形式能量互相转化，体现自然界能量总量守恒、相互转化的统一和谐；热力学第一定律广泛支撑热机、制冷设备、能源工程研发，让学生体会能量守恒规律支撑现代能源工业发展的实用价值。 四、教学重难点 重点 做功、热传递两种改变内能的途径；焦耳两类做功实验现象与结论 热力学第一定律表达式、各项物理含义与正负取值规则 难点 区分外界对系统做功、系统对外做功对应的内能变化趋势 同时存在做功与热传递时，综合判断系统内能增减变化 五、教学方法 实验图解归纳法：桨叶搅拌、功电热转换两套实验装置图对比归纳做功生热规律； 逆向示意图分析法：气体对外做功示意图反向推导做功消耗内能； 分层推导讲授法：分单一热传递、综合做功加热传递两步推导热力学第一定律； 正负符号辨析讨论法：小组交流热量、做功正负取值对应的物理过程； 史料漫画批判教学法：永动机漫画结合科学史料辨析第一类永动机谬误。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第三册课本；桨叶搅拌实验装置图、气体对外做功示意图、功电热转换实验装置图、永动机漫画四张教材配图；焦耳实验简化演示器材；能量转化动态动画；法国科学院永动机相关史料文字；生活摩擦生热、蒸汽机实景图片。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 内能旧知回顾，两套焦耳做功实验图解导入（5 分钟） · 带领学生回顾内能基础知识点：物体内能由分子动能、分子势能共同组成，温度升高分子平均动能变大，物体内能随之增大。顺势抛出探究问题：除了用火加热这种热传递方式，还有什么办法可以提升水体的温度、增大系统内能？百年前焦耳设计了两组经典定量实验证明做功同样可以改变内能。 · 展示桨叶搅拌实验实物装置图 · 完整拆解装置与实验全过程：装置包含悬挂重物、传动轮、搅拌桨叶、绝热储水容器；重物依靠重力下落，拉动传动结构带动容器内部桨叶持续搅动水体；容器外壁做绝热处理，系统和外界不存在热量交换，属于绝热过程；叶片和水摩擦、水分子之间摩擦，机械能完全转化为水的内能，最终水温明显上升。顺势抛出思辨矛盾问题：本实验全程没有用火加热，水体温度依旧升高，内能增加的能量来源是什么？ · 组织学生两分钟同桌自由交流，教师巡回倾听学生猜想，收集学生普遍误区，多数学生会认为容器依旧会和空气发生大量热交换，水温升高来自外界热量流入。 · 梳理学生猜想漏洞：装置绝热隔绝热量交换，没有外部热量传入，水体内能增加全部来自重物下落输出的机械能，外界对系统做功能够提升系统内能。本节课将对比两套焦耳实验，再研究气体对外做功的反向过程，综合推导描述内能变化的热力学第一定律。 · 过渡铺垫：除了机械摩擦做功，电能同样可以转化为内能，下一张功电热转换实验示意图完整展示另一组焦耳定量实验。 · 跟随教师回顾内能、温度关联知识点，记录本节课核心探究方向：做功能否等效改变系统内能，能量如何转化。 · 认真观看桨叶搅拌实验装置图，逐一识别重物、传动轮、搅拌桨、绝热容器各结构，完整复述重物下落带动叶片摩擦水体、绝热无热交换、水温升高整套实验过程。 · 和身旁同桌相互交流水体内能增加能量来源的猜想，完整说出绝热容器隔绝热量，升温能量来自重物下落的机械能，标记自身对 “做功改变内能” 的全新认知。 · 跟随教师梳理猜想误区，初步建立 “绝热环境下外界做功提升系统内能” 的实验结论。 · 带着 “电能能否转化内能、系统对外做功会产生什么变化” 的疑问，进入第二套焦耳实验学习环节。 环节二 功电热转换实验讲解，对比气体对外做功逆向过程（12 分钟） · 展示功电热转换实验装置图 · 分层讲解整套实验能量转化链条：重物下落带动发电机转动，重力机械能转化为电能；电流通过浸没在水中的电阻丝，依靠电流热效应将电能转化为水的内能；整套装置同样做绝热处理，无外界热量进出；实验定量验证：只要转化的电功总量相等，水体上升的温度完全相同，证明电能做功和机械摩擦做功等效，都能定量改变内能。横向对比两套焦耳实验：机械做功、电流做功两类不同形式的功，都可以在绝热条件下等量改变系统内能，做功是改变内能的独立途径。 · 抛出同桌两分钟思辨讨论：两套实验均设置绝热容器，绝热条件在实验中有什么关键作用，如果撤除绝热外壳会对实验结论造成什么干扰，教师巡回倾听各组发言，梳理学生理解难点。 · 统一梳理绝热装置作用结论：绝热隔绝系统与外界热量交换，排除热传递对内能变化的干扰，实验内能变化仅由做功单一因素决定，能够定量验证做功与内能变化的等量关系；撤除绝热外壳后热量自由散失，无法精准计量做功转化的内能数值。 · 展示气体对外做功示意图 · 讲解逆向能量转化过程：手握打气装置向密闭瓶内打气后松开阀门，高压气体向外喷出，气体对外界推动气流做功；触摸瓶身可以感受到温度明显降低，说明气体自身内能减少。总结反向规律：系统对外界做功，自身内能消耗，温度下降。 · 过渡铺垫：热传递同样可以单独改变内能，当做功、热传递两种过程同时发生时，我们可以推导统一的定量规律，也就是热力学第一定律。 · 认真观看功电热转换实验装置图，理清重物、发电机、电阻丝、水体完整能量转化顺序：机械能转为电能，电能再转为内能，记住两套焦耳实验共同证明做功等效改变内能。 · 和身旁同桌相互交流绝热容器作用的思辨问题，分工从排除热传递干扰、精准计量做功内能转化两层梳理论据，理解定量实验控制单一变量的设计逻辑。 · 认真观看气体对外做功示意图，完整记录气体膨胀对外做功、自身内能减少、温度降低的逆向变化规律，区分 “外界对系统做功” 和 “系统对外做功” 两种相反过程。 · 自主整理两种改变内能的途径清单：外界做功、热传递，能够分别口述正向、反向做功对应的内能变化趋势。 · 建立双向做功与内能变化的清晰对应关系，为综合推导热力学第一定律做好现象铺垫。 环节三 分层推导热力学第一定律，规范正负符号取值规则（10 分钟） 分两步分层推导核心公式：第一步，仅存在热传递、无做功过程，系统内能增加量等于从外界吸收的热量；系统向外放热，内能减少，此时热量取负值。第二步，普遍过程同时发生热传递与做功，系统吸收的热量分为两部分，一部分用于增加自身内能，另一部分用于系统对外输出机械功，板书书写热力学第一定律表达式：Q = ΔU + W。统一规定符号含义：Q 为正代表系统吸热，Q 为负代表系统放热；W 为正代表系统对外做功，W 为负代表外界对系统做功；ΔU 为正代表内能增加，ΔU 为负代表内能减少。逐句拆解表达式物理意义：系统吸收的热量，一部分储存为系统内能，另一部分以做功形式向外输出。 布置四人小组三分钟简短讨论任务，给出讨论主题：外界摩擦用力快速压缩密闭气体，容器绝热无热量交换，结合公式判断气体内能、温度变化，小组梳理符号取值、公式推导两层论据准备发言。 汇总各小组代表发言内容，完整梳理例题分析逻辑：绝热条件 Q 等于 0；外界压缩气体，外界对系统做功，W 取负值；代入公式后 ΔU 为正值，气体内能增大，温度升高，对应生活中打气筒压缩发热现象。 出示全班辨析思考题，题目内容为：物体吸收热量内能一定增加、气体对外做功内能一定减少，判断两句话对错，随机点名学生作答并完整说明判断依据。 过渡铺垫：违背热力学第一定律的典型设计就是第一类永动机，下一张永动机漫画结合定律辨析其无法制成的根本原因。 跟随教师分两步推导热力学第一定律，完整抄写表达式与三套物理量正负取值规则，区分吸热放热、对外做功 / 外界做功、内能增减对应的正负符号。 四人小组围绕绝热压缩气体内能变化思辨问题充分交流，分工代入符号、代入公式推导内能变化趋势，小组代表举手完整分享小组整理的推导结论。 逐句口述表达式三层物理含义，能够独立区分单一热传递、单一做功、两者共存三类过程的公式应用方法。 独立完成辨析判断题，完整书写两句错误表述对应的纠正内容，明白做功与热量可以相互抵消，单一条件无法确定内能最终变化。 掌握利用热力学第一定律定量分析任意热过程能量转化的完整步骤。 环节四 永动机漫画辨析、分层习题巩固课堂整体总结（13 分钟） 展示关于永动机的明信片漫画 结合热力学第一定律拆解第一类永动机设计矛盾：第一类永动机设想装置不吸收任何外界热量，却能持续不断对外输出机械功；根据公式，无热量输入 Q 为零，系统对外做功 W 为正，ΔU 必然持续负值，系统内能会快速耗尽，无法永久输出能量，因此这类永动机违背能量守恒，不可能制造。补充科学史料：1755 年法国科学院发布公告，不再审核任何永动机相关设计，百年间无数设计者的尝试全部失败，侧面印证热力学第一定律的普适性。 出示四道分层课堂思考题，完整题目如下： ① 简述两套焦耳实验的共同结论，绝热容器在做功实验中的作用是什么； ② 写出热力学第一定律表达式，分别说明 Q、W、ΔU 取正值、负值对应的物理过程； ③ 高压气体向外喷射对外做功，结合定律判断气体内能、温度如何变化； ④ 从热力学第一定律角度，解释第一类永动机不可能制成的根本原因。 带领学生复盘本节课四张配图对应的核心知识：桨叶搅拌实验图认识机械做功生热；功电热转换实验图了解电能做功改变内能；气体对外做功示意图掌握逆向做功消耗内能；永动机漫画辨析违背能量守恒的伪科学设计，串联实验现象、定律推导、规律应用三层探究逻辑。 集中梳理本节课四类典型认知误区，在黑板逐条书写标注：仅热传递可改变内能、绝热过程温度不变、吸热内能一定增加、永动机依靠精巧结构可永久做功，带领学生逐条回顾对应纠正知识点。 布置分层课后作业：基础作业完整抄写热力学第一定律表达式、正负符号规则、两种改变内能途径；提升作业独立完成四道课堂分层思考题，完整书写答题内容；拓展作业列举三个生活中做功改变内能的实例，并用热力学第一定律简单分析能量转化。 · 认真观看永动机漫画，跟随教师代入热力学公式推导永动机能量矛盾，记住法国科学院相关史料，建立 “一切永动机设计违背能量守恒” 的科学认知。 · 独立动笔完成四道分层课堂思考题，每一道题目都完整书写对应的分析、简答依据，完成后自行对照课堂四张装置、示意图、漫画笔记梳理错题，标记自己理解模糊的符号取值、绝热实验知识点。 · 跟随教师复盘本节课两套焦耳实验图解、逆向做功示意图、热力学公式推导、永动机辨析完整探究主线，理清四张配图对应的三大知识板块逻辑关联。 · 在课本对应页面记录四类典型认知误区，标注对应的纠正知识点，方便课后复习规避错误理解。 环节五 课堂收尾 · 回扣开篇桨叶搅拌实验装置图进行收尾总结：本节课我们通过两组焦耳绝热实验证明外界做功可以提升系统内能，结合气体喷射实验知道系统对外做功会消耗内能，明确做功、热传递是改变内能的两条等效途径；综合两种能量交换过程推导出热力学第一定律，规范各项正负取值；最后依靠定律论证不需要吸热就能持续做功的第一类永动机违背能量守恒，无法制成。下一节课我们将学习热力学第二定律，研究热过程自发进行的方向限制。 · 完整回顾本节课全部核心内容：两套焦耳做功实验现象与结论、气体对外做功逆向变化、热力学第一定律表达式与符号规则、第一类永动机谬误成因，清晰记住四张教材图片对应的完整探究主线，为后续热力学第二定律、能量守恒综合计算夯实理论基础。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托桨叶搅拌实验装置图、气体对外做功示意图、功电热转换实验装置图、永动机科普漫画四组教材素材，沿着焦耳定量实验探究、做功与热传递规律归纳、热力学第一定律推导、永动机伪科学辨析的完整脉络落实多维育人目标。第一，焦耳数十年反复设计不同类型绝热定量实验，精准验证功与内能转化的等量关系，不简化实验、不粗略估算，传递脚踏实地、精益求精、依靠定量实验求证物理猜想的严谨科研品格；第二，机械能、电能、内能之间可以相互等量转化，热力学第一定律统一概括全部热过程能量变化，展现自然界各类运动形式内在统一、总量守恒的和谐物理美感，培养学生挖掘事物底层统一规律的思维习惯；第三，法国科学院永久停止审核永动机设计，是科学界尊重基础物理定律、主动辨别伪科学的典型范例，引导学生树立理性客观、拒绝空想、以物理规律为判断标准的科学价值观；第四，做功改变内能的规律广泛应用于内燃机、供暖设备、发电装置，基础热学实验规律直接支撑现代能源产业发展，让学生真切体会物理基础研究具备巨大民生与工业实用价值；第五，外界做功、系统对外做功两种相反过程能量变化可逆但需要能量输入，帮助学生建立能量不会凭空产生、不会凭空消失的辩证唯物主义能量观。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课四幅实验、示意图、漫画素材直观易懂，小组符号取值讨论、永动机辨析课堂参与度较高，但学生存在四类顽固认知误区，知识理解存在明显薄弱点：第一，多数学生依旧认为只有加热才能改变内能，忽视摩擦、压缩等做功途径；第二，容易混淆 W 正负对应的做功主体，代入公式时符号取值颠倒，推导内能变化出现相反结果；第三，忽略做功与热量可以同时存在、相互抵消，片面认为吸热内能一定升高；第四，无法结合公式完整推导永动机能量矛盾，仅依靠记忆背诵结论；同时部分学生自主区分外界对系统做功、系统对外做功两种过程的对比归纳能力偏弱，处理多过程综合习题时逻辑混乱。 2. 修改措施 第一，课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：做功同样可以改变内能、W 符号区分做功主体、吸热不代表内能一定增加、永动机违背能量守恒； 第二，课堂增加四轮抢答互动练习：焦耳实验结论、做功内能变化趋势、公式符号取值、永动机谬误原因，快速纠正基础认知误区； 第三，延长四人小组公式代入、符号辨析讨论时长，帮扶逻辑薄弱学生，分绝热压缩、气体喷射、加热升温三类典型场景整理符号代入步骤清单； 第四，课后配套分层作业，基础层抄写两种内能改变途径、热力学公式与符号规则；提升题完整完成四道课堂分层思考题；拓展作业搜集生活做功生热实例并代入定律分析； 第五，下节课课前两分钟快速复盘热力学第一定律表达式、正负取值、第一类永动机相关结论，衔接热力学第二定律新课，巩固能量守恒定量分析思维。 学科网（北京）股份有限公司 $