《物体的内能》设计 省赛一等奖

《物体的内能》教学设计教学目标1．知识与技能（1）知道分子的动能，知道温度是分子热运动平均动能的标志。（2）知道分子势能，知道分子势能跟物体的状态和体积有关。（3）知道物体的内能。（4）知道内能变化的两个途径：做功和热传递。知道做功和热传递对改变物体的内能是等效的。2．过程与方法（1）通过学习分子势能，认识“类比”的科学方法。（2）通过学习内能的概念，感受统计规律的研究方法。（3）通过研究做功使物体内能发生变化的学习过程，认识“实验探究”的方法。3．情感、态度价值观（1）通过观察和动手操作实验，体验乐于科学探究的情感。（2）通过对焦耳的简单介绍，感悟科学家在探究真理过程中的科学精神。教学重点与难点重点和难点：物体的内能；内能变化的两个途径。课时安排一课时教学过程抛砖引玉本单元内容也是非常抽象的，它是分子动理论的发展。要引导学生在分子动理认的基础上利用牛顿力学的知识，利用统计学的初步知识去理解分子的内能，并在此基础上引导学生区分温度、内能、热量、热能、热运动、热现象、热平衡等热学概念的不同含义。在弄清物体的内能后，可通过实验研究物体内能的变化与做功和热传递这两上物理过程间的关系。在此基础上，从能的转化和守恒定律的阐述出发，建立起做功和热传递与内能变化间的能的转化和守恒定律的规则。本单元重点内容是内能的概念和能的转换和守恒定律。这些内容是比较抽象的，不易掌握，所以要多联系实际，同时能较好地结合初中已学过的热学初步知识，使学生掌握好物体的内能和能的转换和守恒定律。指点迷津物体的内能本部分知识是用物质分子动理论的观点来阐述分子的动能、分子的势能和物体的内能的概念，我们在这里要清楚以下内容：分子的动能：分子的动能是指分子无规则运动时所具有的能量，也即是分子作热运动时的能量。它不包括由于物体运动所具有的机械能。分子的无规则运动的动能包括分子的平动动能。分子或原子的转动动能和其振动动能。大量分子的平动动能，是一个统计性的规律。在一定温度下，物体分子的平均平动动能具有一定的数值，并且随着温度的升高，平均平动动能都要增大。因此可以说物体温度是分子平均平动动能大小的标志，温度的变化反映了物体内分子平均平动动能的改变。分子的势能：从分子的理论可知：分子间存在着引力和斥力，所以有由分子间相对位置所决定的势能，叫分子的势能。在分子间的距离r>r0时分子力表现为引力，这时，要增大分子间的距离，必须克服分子间引力做功，分子势能逐渐增大。在分子间距r<r0时，分子力表现为斥力，这时在减小分子间距离时，必须克服分子间斥力做功，分子热能也越来越大。在分子间距离r=r0时，分子势能为极小值。如图6-3所示。物体的内能：物体的内能是指物体内所有分子的无规则运动的动能和分子势能的总和。其大小是决定于物体的状态（温度和体积）的。内能和机械能是两种不同形式的能量，一个物体可以同时具有内能和机械能，而且二者在一定条件下可相互转化。一个物体当状态确定时，内能就一定。但究竟有多少内能，要计算出来是不可能的。重要的是当物体状态发生改变时，我们可以量度物体内能的变化。图6-3物体内能的变化通过对物体做功和热传递两种物理过程，可以改变物体的内能。做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，都能表示物体内能的变化，在国际单位制中都是用同一能量单位来度量：焦耳（J）。在实用单位中，热量用卡做单位，功用焦耳做单位，那么卡与焦耳的等效关系由实验得到的结果是1卡热量相当于做焦耳的功。这个数值被称为热功当量。做功使物体的内能变化，使其他形式的能转化为内能。热传递的过程则是物体间分子无规则运动能量的转移，是物体内能的传递，两上过程是有本质上的区别的。尤其是我们以后在研究气体时，由于采取不同的做功过程和热传递过程，使物体发生同样的内能变化时，所需做的功和传递的热量是不相同的，这说明做功的多少和传递热的多少与发生的过程是密切相关的。能的转化和守恒定律各种形式的物质运动对应着各种形式的能。各种形式的能可以相互转化的，这种转化意味着物质运动可由一种形式转化成其他形式。大量事实证明，任何形式的能转化为别种形式的能时，总的能量都是守恒的。能量的利用和能源的开发。思维基础知道物体的分子具有动能和势能例：组成物质的分子总是处于不断地运动着，因此像一切运动着的物体一样，运动着的分子具有由于分子间存在着相互作用力，因此分子又具有由它们的所决定的势能。答案：动能；相对位置。知道温度是物体分子平均动能的标志例：我们把物体内的平均值叫做分子的平均动能，从分子动理论的观点来看是物体分子平均动能的标志。答案：所有分子的动能，温度。了解分子的势能跟物体分子距离的关系，与物体体积的关系例：如果分子间的相互作用显引力时，分子势能随着分子间的距离增大而；而分子间的相互作用为斥力时，分子势能随分子间的距离减小而。所以分子势能跟物体的有关系。答案：增大，增大，体积掌握物体内能的定义，并了解内能与哪些因素有关例；关于内能的说法，正确的是：温度高的物体内能大；热的物体把温度传给冷的物体，最后两物体的温度相同，它们具有相等的内能；比热大的物体容易吸收内能；质量和温度都相同的物体，不一定具有相同的内能。分析：这个问题就是让我们必须对内能、温度、比热、热量、热传递等概念要清楚。而后再用内能的知识去分析它。物体的内能是决定于它本身的状态的，温度高只表明了物体分子的动能大，因此不能确定内能大小。热传递传递的是能量，不能传递温度，所以（2）是错的。比热大的物体在相同条件下吸收热量多，不能说吸收内能。只有（4）是正确的。会辨认物体的内能和物体的机械能之间的区别例：一块木块沿着粗糙的曲面滑下，在它下滑的过程中，它的：机械能是守恒的；机械能在逐渐地增加，内能逐渐减少；机械能逐渐减少，内能逐渐增多；总能量是守恒的。分析：从运动物体的运动条件可看出，机械能是不能守恒的，因为运动着的物体是在粗糙曲面上滑下，势能减小，动能也减小。那么机械能减小，机械能变成了什么呢？变成了物体的内能，物体温度要升高。因此，（3）、（4）正确。例：下列产法中正确的是：运动着的物体机械能和内能都不为零，而静止着的物体机械能和内能都为零；质量大的物体一定比质量小的物体具有较多的机械能和热能；温度高的物体具有较多的机械能和内能；和体的机械能为零时，它的内能不为零；在一定条件下，物体的内能和机械能可以相互转化；物体的机械能减少，同时它的内能也减小。分析：静止的物体，其内能也不为零；机械能和内能的多少，不仅决定于物体的质量的多少；物体机械能的多少不能决定于温度的高低，物体机械能减少，其内能要增大，所以只有（4）、（5）正确。能区分温度、热量、内能、热能、热现象、热平衡等概念的不同含义例：下列的说法中正确的是温度高的物体比温度低的物体热量多；温度高的物体不一这比温度低的物体内能多；温度高的物体比温度低的物体机械能多；在达到热平衡时，两物体的内能相等。分析：第一个备选答案要弄清物体温度的高低说明什么问题？热量是个什么物理量？第二个备选答案廉洁是要弄清内能是个什么样的物理量？它是由哪些因素确定的？第三个备选答案要明白机械能的大小决定于什么？它与温度有没有关系？第四个备选答案要弄清热平衡的条件是什么？把以上问题都讨论清楚了，那热学的诸概念就都清楚了。本题答案为（2）。会叙述使物体内能改变的两种物理过程例：关于物体内能的变化，在下列叙述中错误的是：当物体的温度升高时，它的内能一定随着增加；当物体的机械能不变时，它的内能也保持不变；质量小的物体比质量大的物体内能容易发生变化；在一定条件下物体的内能和机械能之间可相互转化；做功和热传递是改变物体内能的两种方式；做功和热传递是以不同的能量转换方式来改变物体的内能；传递相同热量的两个物体，具有相同的内能；若物体从粗糙的斜面滑下，物体的机械能减少，其内能也减少；若物体从粗糙的斜面滑下，物体的机械能减少，其内能要增加。分析：这个题目关键是要清楚内能的改变可以通过两种不同的过程实现，一个是热传递，一个是做功。热传递是由温度高的物体向温度低的物体传递热量而使物体内能发生变化的过程。而做功是由于物体的机械能改变时使物体内能发生变化的过程。可能是二者同时发生，也可能是其一发生，可能是二者发生都是使物体内能增加，也可能二者发生，一使物体内能增加，另一使物体内能减少。所以考虑总是时要进行全面分析。本题（4）、（5）、（6）、（9）是正确的，其余则为错误的。8.对焦耳测定热功当量的实验要了解，明白其工作原理，知道人类探讨热的本质的过程及它的科学史上的重要意义9.能熟记热功当量例：功当量的数值为，它表明功和热量之间存在着确定的数量关系，即1cal=，或者1J=。答案：cal；；。10.能说明并区分做功和热传递在改变物体的内以上的区别和联系例：以下叙述中正确的是：做的功和传递1cal的热量在改变物体的内能上是等效的；的功和1cal的热量本质上是相同的；1cal=；热就是功，功就是热，所以热功相当。分析：做功和热传递是物体内能改变的两种不同机制。做功是由物体外部的运动来促使物体内部分子的运动，即通过宏观变化来改变内能的。而热传递则是通过微观变化来改变物体的内能。所以做功和热传递在改变内能的方式和本质上都是不同的，但它们的效果是一致的。热功当量就是表明二者效果一致的物理量。所以（1），（3）是正确的。11.会进行卡和焦耳间的数值换算例：从高处落下的水，若它的热能全部变成热能，问它应从我高处降落才可使水的温度升高1C？（取g=10m/s2）分析：水在高处它具有势能，E=mgh温度升高1C所需热量Q=CmΔt，热和功是等效的，所以mgh=J·CmΔt；其中J=cal因此：h=这里要特别注意，单位必须按国际单位制所规定的单位，因为水的热能其单位为国际单位制单位，所以等号后面部分的公式也应用相同单位。12.知道的转化和守恒定律的内容例：能量既不能，也不能，它只能从一种形式成另一种形式，或者从一个物体到另外的物体上，这就是能的转化和守恒定律。答案：凭空产生、凭空消失、转化、转移。13.能通过推理来探讨能的转化和守恒定律例：水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后，速度越来越慢，最后停止。这一现象符合能的转化和守恒定律吗？如果符合，汽车失去的动能变成了什么？分析：汽车发动机熄火后，汽车要克服阻力做功，当所克服阻力做的功等于其熄火时的动能时，汽车即停止运动。在这一过程中，汽车克服阻力做的功要转变成轮胎的内能，所以在这个过程中能量还是守恒的，是机械能转变成内能了。14.结合“西部大开发”的战略，了解常规能源的利用和新能源的开发例：“西部大开发”能源开发是重头戏，说说开发能源和节约能源的意义。分析：略。学法指要例1：在图6-4中，容器A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界没有热传递，原先，A中水面比B中水面高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中：大气压对水做功，水的内能增加；水克服大气压做功，水的内能减少；大气压对水不做功，水的内能不变。大气压对水不做功，水的内能增加。图6-4分析：打开阀门后，根据连通器原理，A中水面要下降，B中水面要上升，到二者相平为止。此时，大气压对A中做功，设为WA，，而B则是水对大气压做功，设为WB。则：WA=P0SAhAWB=P0SBhB其中：P0为大气压，SA为A活塞的面积，SB为B活塞的面积，hH为A水面下降的高度，hB为B水面上升的高度。由于容器中水的体积不变，因此有：SAhA=SBhB∴WA=WB∴水受到的大气压力所做的功为零。A水面下降，B水面上升，容器中水的重心下降了，所以重力势能减少，水的重力做功，且在这个过程中没有热传递，则重力做功全部转变为水的内能，从以上分析可看出（4）是正确的。例2：太阳光垂直照射地面时，每平方厘米的面积上每年共获得×102kcal的热量，则：用这些热量给水加热，可使多少kg的20℃水温度升到35℃？若使这些热量全部用来做功，能做多少J的功？这些热量与完全燃烧多少汽油所产生的热量相等？（汽油燃烧值为11000kcal/kg）分析：应弄清获得的总热量为多少？这些热量能使我少kg20℃的水温度升高到35℃，怎么计算？水的比热？这些热量相当于多少机械功？热功当量为多少？最后要知道燃烧汽油产生热的规律和汽车油的燃烧值。解：获得总热量，Q=×102kcalQ=CmΔt×102=1×m(35-20)(m单位为千克)∴m=W=J·Q=××105=428400JQ=mqq=11000kcal/kg×102=m·11000∴m=思维体操例：用l=的长细绳悬吊一质量为的木块，木块被水