高二物理（人教版教科版通用） 改变内能的两种方式教学设计

1、改变内能的两种方式 教学设计教学内容分析：本节内容在热力学第一定律之前介绍其实验基础，尤其是“焦耳实验”的重点介绍，不仅进一步给出了内能的宏观操作性定义，而且为下一些热力学第一定律及进一步的能量守恒定律的得出，提供了坚实的实验基础。学情分析： 学生在第七章的学习中已经从微观角度学习了内能的概念，第八章、第九章又学习了气体、固体、液体等相关知识，但是焦耳实现相对比较抽象且不易课上演示操作，所以讲好这两个实验，并类比重力做功引入重力势能让学生重新认识内能对学生是一个难点。 教学目标 1、了解焦耳的两个实验的原理 2、指导做功和传热是改变内能的两种方式 3、学会区分热量和内能的 4、概念指导做功和传

2、热与内能改变间简单的定量关系 5、知道做功与传热在改变系统内能上的区别 6、通过焦耳实验的探究，培养学生的科学探索精神教学重点与难点： 教学重点是焦耳的两个代表性实验， 建立内能的概念既是重点又是难点，根据绝热过程中做功的数量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，采用类比法引入内能的宏观操作性定义。教学设备和器材： 压燃实验和观察橡胶塞跳出时瓶内的变化两个实验视频、空饮料瓶、酒精、橡皮筋教学过程：引入 冬季的户外寒风刺骨，你站在公交车站等车寒风中手冻僵了，这时你会怎么办？如何让我们的后暖和起来呢？ 老师猜有同学会说把两手放一起来搓一搓，手就会暖和一点，有同学会说把手放在嘴边

3、哈气，手会暖和一点，有的同学可能会说，有个暖手宝就好了，直接拿出来捧着。其实大家提出的这些方案中还蕴含着丰富的物理知识呢！请大家思考刚才老师举出的三个方案都可以实现相同的效果，就是使手暖喝起来，即改变了手的热力学状态。但是他们有没有什么不同呢？仔细思考后我们会发现哈气和暖手宝取暖都是利用一个温度相对更高些的物体或者部分来是冰冷的手变暖和。而搓手呢？不一样，两手温度是相同的，相互搓，首先要用力，其次还在力的方向上发生了位移，聪明的你们一定知道了，这个过程是一个做功的过程！原来做功也可以改变物体的热力学状态。19世纪30年代，人们就逐渐认识到，为了使物体的热力学状态发生变化，既可以向它传热，也可以

4、对它做功。一、功与内能 环节1：介绍研究对象热力学系统 我们说起物体的热力学状态，往往会想到的是物体的温度。在上一章的学习中我们知道了温度是物体大量分子无规则运动的宏观表现，是分子平均动能的标志，所以在热力学研究中我们的研究对象有一些不同 ，以前我们的研究对象可以是一个物体或几个物体，满足条件时这些物体还可以视为质点，而不会去考虑这些物体的微观形态。而热学研究的对象称为热力学系统，简称系统，是含有大量原子、分子或其他微观粒子的体积有限的宏观物体。我们选择的研究对象将 变为由大量分子组成的系统例如容器内一定体积的液体、气缸中的气体或者一块固体。一般把对系统起作用的周围环境称为系统的外界，简称外界

5、。 环节2：焦耳实验1 介绍实验装置：焦耳的实验设计非常巧妙，我们来看他的第一个实验：用绝热性能良好的材料制作装水容器，容器中安装着由固定在转轴上的叶片和固定在容器内壁上的叶片组成的搅拌器。绝热容器内装了水后与两个滑轮和两个重物组成的实验装置如图所示 明确实验目的：研究单纯做功对系统状态的影响 明确实验条件：绝热过程，即在实验过程中，系统不从外界吸热，也不向外界放热。所以焦耳选用绝热性能良好的材料来制作容器，但是这样就可以做到真正的绝热吗？当然不是，绝对的绝热是很难实现的。但是一般来说，如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量很少，可以忽略传递的热，这样的过程可

6、以看作是绝热过程。 数据的获得：实验时释放重物，重物下落带动固定在转轴上的叶片转动，搅拌容器中的水，水的热力学状态发生变化，所以实验的研究对象是容器内的水所组成的系统，绝热容器周围的环境就是系统的外界。重物下落的高度可以由两侧竖立的刻度尺进行测量。水的状态变化情况可以使用温度计来进行测量。 数据处理: 实验过程中什么力对系统做功呢？固定在转轴上的叶片搅动水对系统做功，而转轴是重物下落带动的，重物下落过程的做功更容易测定，所以外界对系统所功可以定量的表示为两重物的重力做功，做了多少功呢？假设两重物的质量分别为m1和m2，若他们均下落高度h，重力做了多少功？你是不是也列出来了？m1gh+m2gh，

7、系统的状态呢？容器内的水由于摩擦而温度上升。做功改变了系统的热力学状态。系统温度上升了多少与哪些因素有关呢？焦耳做了大量实验后发现系统状态的改变情况既与重物的质量有关，又与重物下落高度有关。而且进一步发现一个很有趣的规律，那就是不管这些量如何改变，只要外界对系统做功相同即m1gh+m2gh的数值相同，容器内水温上升的数值都是相同的 实验结果： 在绝热过程中，只要外界对系统做功相同，系统就会发生相同的状态变化，也就是密闭容器内的水升高了相同的温度 环节3：焦耳实验2 介绍实验装置及数据获得： 实验装置如图所示，重物连接的细线缠绕在发电机的转轴上，发电机的两极与电阻丝相连，电阻丝放入绝热材料制成的

8、盛水容器内，温度计可以监测容器内水的温度变化，这个实验要研究的是哪个系统？我想大家一定都答对了，实验的研究对象是容器内的水，系统的状态变化用温度计测量 实验条件：为了得到单纯做功对系统状态的影响，所以实验条件依然是在绝热条件下进行。 实验数据： 这个实验的过程中什么力做功呢？右侧重物下落带动转轴转动，发电机发电，电流流过电阻丝做功。对容器内的水直接做功的是电流。对于纯电阻，电流做功可以用I2RT, 这个过程中系统状态呢？通过插在液体中的温度计可以看到水的温度上升！焦耳在实验中有什么发现呢？大量的实验后焦耳发现系统的状态变化与电流和通电的时间有关，但是只要电流做功的量I2RT相同，系统温度上升的

9、数值就是相同的 实验结论： 焦耳第二个实验的结果是在绝热条件下外界对系统做相同的功，系统就会发生相同的状态变化，也就是密闭容器内的水升高了相同的温度。 咦，这么巧？做功的方式改变了，但是却得到了相同的结果。这仅仅是巧合吗？ 实验结论引起的思考得出内能的宏观操作性定义 焦耳的实验告诉我们在各种不同的绝热过程中，如果要使系统从状态1 变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。也就是说，系统状态通过绝热过程发生变化时，做功的数量只由始末状态，即状态1和状态2 决定，而与做功的方式无关。对这一结论你有什么思考呢？这其中是不是藏着一个具有普遍意义的规律呢！ 内能的宏观操作性定义： 回顾我们高一学过的知识，

10、如图所示商场游乐园里的儿童大滑梯，小朋友从顶端分别沿三条不同的路径A、B、C、滑下来，走到O位置，重力的做功是不是也不同呢？大家一定在说：老师，错了，三种情况重力做功一样多，因为重力做功与路径无关，小朋友初末位置相同，三次重力做功相同。对，同学们都掌握了重力做功的特点，但是有没有想过为什么重力做的功与路径无关呢？基于对这一问题的思考，人们认识到物体具有一个与位置有关的状态量，重力做功的过程就是这个状态量发生变化的过程，重力做多少功取决初末位置这两个状态量的差而与路径无关。这个量是什么呢？因为功是能量转化的量度，所以这个状态量是一种能量，就是我们熟悉的重力势能。 在热力学系统的绝热过程中，外界对

11、系统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。这意味着什么呢？对于热力学系统必然存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量变化的过程与绝热过程中外界对系统做的功相联系。这个物理量是什么？大家一定在说功是能量转化的量度，所以这个物理量必定也是一种能量，对！我们把它称为系统的内能。 回顾内能概念：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，叫作物体的内能。所有分子热运动的动能等于分子平均动能乘以分子数，分子热运动平均动能的标志是温度，分子间的势能与分子间距离有关，宏观上表现为与物体的体积有关。所以对一定量的物质来说，内能的改变表现为温度和体积的变化，比如小朋友滑滑梯最终

12、会在滑梯底部停下来，而且经过滑下的过程屁股会因为摩擦而变热，有人就会说是因为这个过程的机械能转化为了热能。其实这个说法是不正确的，虽然内能的变化常常表现为温度的变化，但是表示系统热力学状态的物理量是内能 ，正确的表述应该是因为摩擦力做功，所以小朋友的机械能转化为系统的内能。内能是系统的状态函数。这个状态函数怎么才会改变呢？基于焦耳大量的实验研究，做功是改变内能的一种方式。 功与内能的关系：焦耳试验告诉我们，系统在绝热过程中不论以何方式对系统做功W，系统就会由相应的状态1变为状态2，以U1、U2表示状态1、状态2的内能，系统的内能变化量:U=U2U1，功是能量转化的量度，在绝热的前提下U=W。即

13、：绝热过程中外界对系统所做的功等于系统内能的增加量。 环节4：演示实验的定性分析 播放“压燃实验”和“瓶塞跳起时的现象”两个实验视频，按照研究对象、研究过程、做功情况、内能变化几个步骤分析实验现象。 环节5：小活动 布置两个小活动课下学生完成并解释现象，分别是 1：感受橡皮筋拉伸和缩短时的温度变化， 解释实验现象 2：用一个矿泉水瓶自己做一做瓶盖打开时的现象实验，并解释现象 环节6：气体做功情况分析 借由气体压强的微观解释，分析得出压缩气体，外界对气体做功，气体膨胀，气体对外界做功。 环节7：定量应用W=U完成例题二、热与内能环节1：热传递的概念和条件 两个温度不同的物体相互接触时温度高的物体

14、要降温，温度低的物体要升温，我们说，热量从高温物体传到了低温物体。结果呢？直至两物体温度热传递过程结束。从刚才对热传递的描述中我们可以分析出热传递的条件是接触的物体间存在温度差。环节2：热量与内能 在如图所示的实验中，研究对象选容器内的水，用热源对容器加热，系统地温度不断升高。这个过程外界没有对系统（水）做功，只对系统传热，同样能改变系统的状态。在单纯传热过程中系统内能变化的量度称为热量。当系统从状态 1 经过单纯传热过程变为状态 2，内能的若增加了U=U2U1，就说明系统从外界吸收了热量，且吸收的热量Q与内能的增加量U相等。即U=Q 像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递过程中才有意义

15、。所以不能说物体具有多少热量，表示系统热力学状态的物理量应该是内能，我们只能说物体具有多少内能。在单纯传热过程中系统吸收了多少热量，内能就相应的增加多少，反之系统放出了多少热量，内能就相应的减少多少U=Q环节3：定量应用Q=U完成例题三、改变内能的两种方式 要让系统从状态1变化到状态2，我们既可以通过做功来实现，又可以通过热传递来实现，两种方式都可以改变系统的内能，但是他们的本质一样吗？ 分析两种方式的本质不同。首先来看热传递过程，热传递只在系统与外界存在温度差时才发生，而且热量总是只发的从高温物体传递向低温物体，高温物体的内能减少了，低温物体的内能增加了，相当于高温物体的一部分内能以热量的形

16、式传递到了低温物体，依然是内能，所以热传递过程实际上是内能在不同物体或同一物体不同部分间发生的转移。做功过程呢？做功可以在任意温度下发生，而且焦耳的第一个实验中，重物的受到的重力做功带动扇叶转动摩擦生热，重力做功的过程重物的重力势能减少，摩擦生热系统的内能增加，这个做功的过程是将系统的机械能转化为系统的内能。焦耳的第二个实验中，重物的重力做功带动发电机机发电，将系统的机械能转化为电能，电流流过电阻丝发热系统的内能增加，是将电能转化为了系统的内能，所以做功的过程是内能与其他形式的能量间发生转化的过程。小结: 在绝热过程中外界对系统做的功等于系统内能的增加量即UW，在单纯传热过程中，系统吸热等于系统内能的增加量，即UQ，两种方式均可以改变系统的内能，但是本质不同，一种是能量的转移，而另一种是内能与其他形式能量间的转化问题与练习：以课后题