让内能变化“看得见”教学设计-2026-2027学年人教版物理九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦“做功改变物体内能”核心知识点，以神舟二十三号发射视频导入引出能量转化猜想，通过旧知回顾内能与热传递，结合铁丝分组实验区分热传递与做功路径，搭建知识学习支架。 特色在于融合数字化实验（BMP280传感器实时监测温度压强动态曲线）与“酒精炮”演示，以科学探究（动手操作、数据处理）和科学思维（证据推理能量转化）为核心，课堂小结用AI生成思维导图，提升学生探究能力与证据意识，为教师提供直观突破重难点的教学方案。

让内能变化“看得见” ——数字化传感赋能“做功改变物体内能”一体化实验设计 一、教学目标 1.物理观念：知道做功可以改变物体内能，能解释“压缩气体温度升高”和“气体膨胀温度降低”的现象，初步形成从能量转化与守恒的视角认识物理现象的意识。 2.科学思维：经历完整的探究过程，能够基于温度、压强数据曲线，分析做功过程中气体内能的变化，发展基于证据推理与论证的思维能力。 3.科学探究：能正确操作课本打气装置完成分组实验，能观察、记录并分析教师演示的注射器-三通阀数字化实验数据，在动手操作与数据处理的实践中归纳做功与内能变化的关系。 4.科学态度与责任：在实验操作中自觉遵守安全规范，体验数字化技术对实验教学的促进作用，形成基于证据、实事求是的科学态度。 二、教学重难点 重点：理解做功可以改变物体的内能，通过数字化实验获取证据。 难点：区分“外界对气体做功”和“气体对外做功”两种情境。 三、实验资源 1.演示实验：压缩空气引火仪、BMP280传感器、ESP8266-12E开发板、注射器、三通阀、玻璃胶枪、饮料瓶、打火机点火器、酒精。 2.分组实验：铁丝、热水、锤子、数显温度计、塑料瓶、打气筒。 四、教学流程 环节一：新课引入 教师活动：播放我国神舟二十三号发射的视频。 教师提问1：上升的火箭主要具有什么能量？ 学生回答：机械能。 教师提问2：火箭的机械能是怎么获得的呢？ 学生猜想：内能转化来的。 设计意图：以神舟二十三号发射视频开场，既能激发民族自豪感，又能将“火箭上升需要能量”这一核心问题自然抛出。学生对“内能转化为机械能”的猜想，正是本节课探究的主线起点。 环节二：旧知回顾 学生活动：完成学习任务单上的知识点填空，快速回顾内能、热传递改变内能、热量三个已学习知识点。 设计意图：采用填空回顾，目的是让学生自己把内能、热传递、热量这三个旧知识调动出来。这三个概念是本节课的逻辑基础，学生只有分得清“热传递”和“做功”的区别，后续实验结论的归因才不会混淆。 环节三：分组实验，增大铁丝的内能 教师提问：给大家准备了一根铁丝，如何使铁丝内能增大？根据什么可以表明铁丝的内能增加了？ 学生活动：利用桌上的实验器材，设计尽可能多的方案，增大铁丝的内能。将自己的方案简要地记录在学习任务单上。 教师提示：实验过程中注意安全。 学生活动：小组展示自己的方案。 （常见方案举例：①放在热水中烫②放在火上烧③在砂纸上摩擦④用力反复弯折⑤用身体捂热⑥用锤子敲打） 教师提问1：这些方案可以怎样分类？ 学生回答：①②⑤是热传递。其他三个不是热传递。 教师指出：③④⑥是利用做功改变了铁丝内能。 教师提问2：做功改变了铁丝的内能，能量转化过程是怎样的？ 学生回答：机械能转化为内能。 教师提问3：做功改变了物体内能，那做功了，物体内能一定增大吗？ 学生猜想：有的认为一定增大，有的认为不一定。 设计意图：铁丝是学生生活中最常见的东西，用它来研究内能改变，门槛低、体验感强。让学生自己设计方案再分类，既锻炼了发散思维，又自然引出了除热传递改变内能之外的另一条路径。最后抛出一个有冲突感的问题“做功了内能一定增大吗”，让学生带着疑问进入下一环节。 环节四：演示实验，压缩空气引火 教师提问1：如果要提高钻木取火的成功率，可以怎么做？ 学生回答：增大钻木的速度，用手捂住引火绒的位置减小热量散失。 教师指出：课本实验中的压缩空气引火仪密封设置，就在一定程度上减小热量散失。 教师活动：在配有活塞的厚玻璃筒里放一小团脱脂棉，把活塞迅速压下 去，观察发生的现象。 教师提问2：实验观察到了什么现象？ 学生回答：脱脂棉燃烧。 教师提问3：这个实验现象说明了什么？ 学生回答：活塞压缩空气对其做功，空气内能增大，温度升高。脱脂棉达到了燃点。 教师提问4：但是这个脱脂棉燃烧的实验现象非常短暂不易被观察到，虽然脱脂棉燃烧能证明温度升高，但无法定量测量。怎样直接测量筒内温度呢？ 学生回答：温度计。 教师提问5：我们能把温度计放入引火仪吗？ 学生回答：放不下，即使体积小的体温计放下去也会被压碎。 教师指出：既然玻璃筒无法安装温度计，我们可以改用开口大、可密封的容器，并在其底部固定一个数显温度计的探头，容器内部空气温度升高，即说明内能增大了。 设计意图：这个实验学生能看到脱脂棉燃烧，但时间很短，只靠看是不够的。通过追问“怎样测量温度”，引导学生自己想到学习过的常见温度计，再发现一般温度计放不进去的矛盾，这个冲突很自然地把数显温度计的引入变成了学生的内在需求，而不是老师的强行安排。 环节五：分组实验，打气筒打气 学生活动：仿照课本图13.3-5乙图，组装桌上的实验器材。学生先摸瓶身感受冷热，读出数显温度计示数，记录在学习任务单上。利用打气筒对瓶内打气。再次触摸瓶身感受冷热并读数。填写学习任务单上对应表格的内容。 教师提问1：瓶内气体内能是通过什么方式增大的？ 学生回答：外界（打气筒）做功。 学生活动：指导学生拧开瓶盖并迅速松手，发现瓶盖飞出。再次摸瓶身感受冷热，读出数显温度计示数。填写学习任务单上对应表格的内容。 教师提问2：瓶内气体内能是通过什么方式减小的？ 学生回答：瓶内气体对外界（瓶盖）做功。 教师提问3：刚刚瓶盖飞出的时候，大家在瓶内还观察到了什么现象？ 师生活动：安排一名学生用更大的实验装置再次演示一遍，教师拧开瓶盖并松手，学生仔细观察。 学生回答：产生白雾。 教师提问4：它是水蒸气还是小水珠？ 学生回答：小水珠。 教师提问5：小水珠（白雾）是如何产生的？ 学生活动：小组讨论小水珠的产生过程。瓶内气体对外做功后，内能减小，温度降低，瓶内水蒸气液化成小水珠。 教师提问6：瓶盖飞出的过程中，发生了什么样的能量转化？ 学生回答：瓶内气体的内能转化为瓶盖的机械能。 教师提问7：该实验过程中，瓶内气体压强是怎样变化的？ 学生回答：打气时，气压增大；对瓶盖做功时，气压减小。 教师提问8：如何准确知道内部气压的变化呢？ 学生回答：安装一种可以测量气压的仪器在瓶子内部。 设计意图：本环节是学生动手的核心环节，打气时温度升高、放气时温度降低，两个互逆的过程在同一个装置里完整呈现，对比效果非常直观。白雾的分析是一条很巧妙的线索，从现象追问到液化方式再到温度降低的原因，把宏观现象和微观机制串在了一起，训练了学生的推理能力。同时这个实验的结论与后面的热机模型直接相关，起到了承上启下的作用。 环节六：数字化实验，外界对气体做功 教师活动：刚才的分组实验，我们用数显温度计看到了打气前后温度的变化，但它只能显示两个时刻的数值。为了更精细地捕捉整个过程中温度和压强的动态变化，我们接下来使用传感器来实时监测。对照图示介绍实验装置（玻璃胶枪、注射器、输液三通阀、BMP280传感器、带WiFi模块的ESP8266-12E开发板、手机、充电宝）。 教师活动：电脑连接开发板WiFi，在浏览器地址栏输入192.168.4.1，闭合三通阀。 学生活动：观察电脑屏幕，记录初始的温度、压强值，填写学习任务单上的实验数据。 学生活动：指导一名学生使用玻璃胶枪推动左侧活塞，活塞压缩左侧注射器内空气，然后保持活塞位置不变。安排另一名学生助手协助操作数据界面，其余学生观察温度、压强的变化趋势，记录温度、压强值。 教师提问：分析这一过程温度、压强与做功的关系。 学生回答：外界对气体做功，温度升高，压强增大。 设计意图：BMP280传感器把温度和压强同时呈现在屏幕上，学生看到的是实时变化的数据和图像，而不再是凭感觉判断，这对建立“做功改变内能”的定量观念很有帮助。同时这个环节也为下一环节的气体膨胀对外做功提供了高压气体的初始条件。 环节七：数字化实验，气体对外界做功 教师活动：重复上述实验，然后迅速打开三通阀，左侧高压气体自动推动另一侧注射器活塞向外运动。 学生活动：观察打开三通阀后温度、压强的变化趋势，记录最终的温度、压强值。 教师提问：分析这一过程温度、压强与做功的关系。 学生回答：气体对外界做功，温度降低，压强减小。 教师指出：前面的打气实验中瓶盖飞出的过程和这个实验中活塞被气体推动的过程，都存在着内能转化为机械能的过程。 教师引导：但以上两个现象都要先有高压的气体才能有后续的能量转化的过程，而获得高压气体通常需要费力压缩气体。有没有更容易的方法获得高压的气体呢？新课引入中火箭发射升空，采取的方法是点燃燃料产生高温高压的燃气，高压燃气对外做功。我们能否像火箭那样，通过燃烧燃料产生高温高压气体？下面我们通过“酒精炮”实验来演示这一过程。 设计意图：本环节和上一环节形成了完整的“压缩膨胀”对比，学生在同一套设备上看到温度随做功方向的变化而升降，结论的说服力远远大于两个独立实验的简单叠加。更重要的是，通过这两个数字化实验，学生自然认识到“高压气体是实现内能向机械能转化的前提”，这个认知是理解下一环节“酒精炮”的基础。最后将实验结论与火箭发射情境呼应，使整节课的首尾有了关联。 环节八：演示实验,学习制作“酒精炮” 教师活动：介绍一个用注射器和打火机点火器组装成的发射装置。向注射器筒内喷洒一些雾状酒精，再压入注射器的配套活塞，上下用力摇晃注射器，摁下打火机点火器开关，活塞就可以飞出去了。（注意：酒精使用量仅限喷洒一次，不超过1mL，活塞飞出方向严禁对人。） 教师提问1：活塞飞出去时，它的什么能增加了？ 学生回答：机械能。 教师提问2：活塞获得的机械能是由谁提供的？ 学生回答：注射器筒内的高温高压酒精燃气提供的。 教师提问3：此时注射器内的高温高压燃气具有较大的什么能？ 学生回答：内能。 教师提问4：活塞飞出过程中有什么能量转化？ 学生回答：注射器筒内燃气的内能转化为活塞的机械能。 教师指出：这个发射装置的原理就是将内能转化为机械能。科学家就是利用这一原理，将质量巨大的火箭送上了太空。我们课堂上制作的这个“酒精炮”中的活塞，就像一个小型的火箭。 设计意图：活塞发射的瞬间是整节课的高潮。前面花了大量时间做的所有探究，在这个简单装置中综合呈现出来。这个装置虽然简陋，但它的工作原理与真正的热机并无本质区别，为后续学习四冲程内燃机积累了直观经验。 环节九：课堂小结 学生活动：利用AI工具辅助本节课的课堂小结，打开任一AI工具，学生代表口述关键词，或由教师协助输入（如“做功”“压缩”“内能增加”“白雾”等），再向AI下达“用以上关键词生成本节课的思维导图”的指令，生成本节课的思维导图，师生根据生成的思维导图，共同评价完善。 设计意图：AI工具的引入使小结环节从教师单向总结转变为学生、教师与AI的三方互动。学生向AI输入关键词的过程，本身就是对整节课内容的主动梳理和提取。AI生成的思维导图经过师生共同评价完善后，既是对本节课知识的系统梳理，也在无形中渗透了合理使用AI工具的学习方法。 环节十：实践作业 基础作业：结合课堂所学，对课堂上的某一个实验提出改进建议。 拓展作业：利用手边的物品，设计制作一个“酒精炮”。 设计意图：基础作业让学生改进课堂实验，目的是把课上产生的疑问延续到课后，推动深度思考；拓展作业鼓励自制“酒精炮”，则是对整节课能量转化知识的创造性运用。两类作业分层设计，让不同能力水平的学生都能有抓手。 - 12 - 学科网（北京）股份有限公司 $