功、熱和內(nèi)能的改變【教學(xué)目標(biāo)】一、知識與技能1．知道絕熱過程的含義。2．從熱力學(xué)的角度認(rèn)識內(nèi)能的概念。3．理解做功與內(nèi)能改變之間的關(guān)系。4．知道熱傳遞過程中，物體吸收（放出）熱量，溫度升高（降低），內(nèi)能改變。5．了解熱量的概念，熱量的單位是焦耳。二、過程與方法1．通過觀察、思考，知道物體的內(nèi)能是系統(tǒng)的一個狀態(tài)量。2．通過探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力、提高學(xué)生科學(xué)思維水平。3．通過類比方法，幫助學(xué)生建立內(nèi)能的概念。三、情感、態(tài)度與價值觀1．通過主動參與學(xué)習(xí)活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。2．通過實驗活動，培養(yǎng)學(xué)生的實事求是的科學(xué)態(tài)度?！窘虒W(xué)重點】1．做功與內(nèi)能改變關(guān)系的探究。2．熱量與內(nèi)能改變關(guān)系的探究。3．內(nèi)能概念的建立。【教學(xué)難點】內(nèi)能概念的建立?！窘虒W(xué)過程】一、新課導(dǎo)入指導(dǎo)學(xué)生實驗：冬天手冷，通常采取什么辦法變暖和？演示實驗：活塞快速壓縮氣體，猜猜會發(fā)生什么？指導(dǎo)學(xué)生實驗：沒有熱源，有什么辦法讓桌子上的鐵絲變熱？演示實驗：銅管中的氣體被橡皮塞密封，給你一條繩子，有沒有辦法把橡皮塞彈開？引出猜想：做功可改變物體的熱學(xué)狀態(tài)。二、新課教學(xué)（一）焦耳的實驗 1．提出問題：如何探究做功和系統(tǒng)熱學(xué)狀態(tài)改變之間的確切關(guān)系呢？①用什么物理量標(biāo)識熱學(xué)狀態(tài)？②我們應(yīng)該選擇固、液、氣哪個系統(tǒng)研究比較好？為什么？③手舉量熱器量筒，問：放入水后，還需什么器材？④問：溫度可以用溫度計監(jiān)測了，裝置完善了嗎？⑤問：如何做功呢？用什么方式做功呢？⑥討論：我們該如何設(shè)計機(jī)械做功呢？用手?jǐn)嚢鑶幔?．焦耳實驗一（機(jī)械做功）①焦耳實驗是如何測定做功的？②這個實驗需要滿足什么條件？③焦耳實驗是如何準(zhǔn)確測量做功的？④我們需要記錄哪些實驗數(shù)據(jù)？表格怎么設(shè)計？⑤介紹這個實驗的結(jié)論。系統(tǒng)只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程。重物下落帶動輪葉旋轉(zhuǎn)，通過攪拌對絕熱容器內(nèi)的液體做功，使液體升溫，即狀態(tài)發(fā)生變化。結(jié)論：只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化是相同的。3．焦耳實驗二（電流做功）①如何設(shè)計電流做功？②這個實驗需要滿足什么條件？③如何準(zhǔn)確測量電流做功的？④介紹：當(dāng)時條件所限，焦耳改用重物帶動發(fā)電機(jī)做功來實現(xiàn)。⑤介紹這個實驗的結(jié)論。電流通過電熱絲使絕熱容器內(nèi)的液體溫度升高。結(jié)論：對同一系統(tǒng)，在絕熱過程中只要所做的電功相同，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同。4．引導(dǎo)得出實驗結(jié)論：對于絕熱系統(tǒng)，從狀態(tài)1到狀態(tài)2，做功的值是一個定值，與具體做功的過程、方式無關(guān)。 （二）功與內(nèi)能的改變組織討論：從狀態(tài)1到狀態(tài)2，系統(tǒng)做的功是定值，與做功的過程、方式無關(guān)，這說明了什么？我們有沒有類似的經(jīng)驗：確定了初狀態(tài)、末狀態(tài)，中間做功就是定值了，跟做功方式無關(guān)了？分析動能定理、動量定理、重力勢能，思考確定初末狀態(tài)后，過程量也被唯一確定了。引導(dǎo)學(xué)生得出：一個狀態(tài)存在一個特定的物理量，此物理量應(yīng)該是能量。引導(dǎo)建立內(nèi)能概念1．內(nèi)能任何一個熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把這個物理量稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。得出功和內(nèi)能改變關(guān)系：當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時，內(nèi)能的增加量△??=??2???1就等于外界對系統(tǒng)所做的功??，即△??=??。2．利用功和內(nèi)能變化規(guī)律解釋現(xiàn)象（1）組織學(xué)生實驗：橡皮筋做功①拉伸橡皮筋，觸碰，感受溫度變化；②拉升狀態(tài)的橡皮筋收縮，觸碰，感受溫度變化；③組織學(xué)生解釋現(xiàn)象。（2）兩位同學(xué)上臺演示實驗：可樂瓶充氣①高個子同學(xué)打氣，矮個子同學(xué)固定打氣筒；②現(xiàn)象：橡皮塞彈開，可樂瓶里充滿白霧?？偨Y(jié)：做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能。功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度。（1）外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加。在絕熱過程中，內(nèi)能的增量就等于外界對系統(tǒng)做的功。即Δ??＝??2－??1＝??。（2）系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。在絕熱過程中，系統(tǒng)對外界做多少功，內(nèi)能就減少多少，即??＝Δ??。例題1：下圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M 向下滑動的過程中（）A．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小答案：A例題2：地面附近有一正在上升的空氣團(tuán)，它與外界的熱交換忽略不計。已知大氣壓強(qiáng)隨高度增加而降低，則該空氣團(tuán)在上升過程中（不計氣團(tuán)內(nèi)分子間的勢能）（）A．體積減小，溫度降低B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低D．體積減小，溫度不變答案：C（三）熱與內(nèi)能的改變1．熱傳遞定義師：有熱從高溫端傳到低溫端，究竟有多少熱過去？我們把這個量稱為熱量。熱量從高溫端傳到低溫端的過程叫熱傳遞。2．熱傳遞的方式展示實驗：現(xiàn)場制造大火燒烤金屬絲并引導(dǎo)：在金屬絲里傳遞熱量的方式叫熱傳導(dǎo)。提問：上方空氣也熱，熱量是怎么傳上來的？通過冷熱空氣對流將熱量傳遞上來的，這叫熱對流。提問：在火的側(cè)邊也能感受到熱，熱量又是怎么過來的？主要不是熱對流，是熱輻射，什么叫熱輻射？高溫?zé)霟岬奈矬w向外向外輻射電磁波，也叫紅外線，它有顯著的熱效應(yīng)，被我們?nèi)梭w接收到就會感受到熱，所以熱輻射是高溫?zé)霟岬奈矬w向外輻射電磁波的過程。教師總結(jié)：熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。分析三種方式的特點：熱傳導(dǎo)：熱沿著物體傳遞的熱傳遞方式，不同物質(zhì)傳到熱的能力各不相同，容易傳到熱的物體稱之為熱的良導(dǎo)體，所有金屬都是熱的良導(dǎo)體，不容易傳導(dǎo)熱的物體稱之為熱的不良導(dǎo)體，如空氣、橡膠、絨毛、棉紗、木頭、水、油等。 熱對流：靠液體或氣體的流動來傳遞熱的方式，熱對流是液體和氣體所特有的熱傳遞方式。熱輻射：熱從高溫物體向周圍以電磁波的形式沿直線射出去的方式，熱輻射不依賴媒介質(zhì)，可在真空中進(jìn)行，溫差越大，表面顏色越深，物體向外的熱輻射能力越強(qiáng)。3．感知熱傳遞過程提問：熱傳遞過程究竟是怎么進(jìn)行的，熱量又是如何從高溫端傳到低溫端的？我們能否親眼見證傳熱過程？引導(dǎo)：熱傳遞過程最明顯的痕跡是什么？生：溫度變化引導(dǎo)提問：感知到溫度變化也就間接感受到了熱傳遞，有什么辦法可以感知到溫度變化？生：溫度計（操作性不行）（1）演示實驗（一）實驗器材：感溫勺子、冰淇淋操作：感溫勺子放入冰激凌中現(xiàn)象：勺子顏色發(fā)生變化理答：感溫材料，遇到不同的溫度會顯示不同的色彩，可以幫助我們觀察熱傳遞。（2）演示實驗（二）（熱感攝像儀觀察銅絲中的熱量“傳遞”）實驗儀器：熱感攝像儀、銅絲、打火機(jī)（酒精燈）、顏色相同材料一致的背景、手機(jī)及手機(jī)支架步驟：銅絲、手機(jī)固定，手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)銅絲，用酒精燈給金屬絲一端加熱，觀察攝像儀里的現(xiàn)象?，F(xiàn)象：熱量從高溫端逐漸向低溫端傳遞，能看到傳遞的動態(tài)效果。師：通過熱感儀可以看到熱量從高溫端向低溫端傳遞。提問：熱傳遞過程何時終呢？終結(jié)的特征是什么？生：等溫反問：親眼見證過嗎？（3）演示實驗（三）（熱感攝像儀觀察液體中的熱量“傳遞”）實驗儀器：透明上下層玻璃管、熱水、冷水、熱感攝像儀、溫度傳感器步驟：在玻璃管下層倒入熱水，再倒入冷水（量不一樣多），打開隔熱板，分別將兩個溫度計插入上下兩層水中，用熱感儀觀察現(xiàn)象。 現(xiàn)象：經(jīng)過一段時間的熱對流，在熱感儀畫面中上下層顯示亮度一樣，溫度相同，借助溫度傳感器也發(fā)現(xiàn)溫度相同。教師總結(jié)：熱傳遞結(jié)束的特征是兩個系統(tǒng)等溫。那么如果物體間要發(fā)生熱傳遞，有什么條件？4．發(fā)生熱傳遞的條件：當(dāng)物體之間或物體的不同部分之間存在溫度差時才能發(fā)生熱傳遞。例題3：關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是（）A．熱傳遞的實質(zhì)是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進(jìn)行D．物體內(nèi)能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量答案：C5．熱與內(nèi)能的改變提問：對于這杯水，攪拌，也就是摩擦做功可以讓他系統(tǒng)內(nèi)能增加，如果不攪拌，拒絕一切做功，如果使其內(nèi)能增加？生：加熱，熱傳遞提問：熱傳遞時如何使系統(tǒng)內(nèi)能增加的？將熱量從其他物體轉(zhuǎn)移到這個系統(tǒng)中來。提問：內(nèi)能的增量和傳遞的熱量有什么關(guān)系？引導(dǎo)提問：假設(shè)有2J的熱量從外界轉(zhuǎn)移到這個系統(tǒng)當(dāng)中，內(nèi)能如果改變？生：增加2J反問：熱傳遞能不能使系統(tǒng)內(nèi)能減少？如何去描述？生：可以，將熱量從這個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去提問：將2J的熱量從這個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去，系統(tǒng)內(nèi)能怎么變化？生：減少2J教師總結(jié)：熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2，內(nèi)能的增量△??=??2???1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量??，即△??=??。當(dāng)熱量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)當(dāng)中，稱為吸熱，內(nèi)能增加。當(dāng)熱量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去，稱為放熱，內(nèi)能減少。6．內(nèi)能與熱量的區(qū)別： （1）內(nèi)能是一個狀態(tài)量，一個物體在不同的狀態(tài)下有不同的內(nèi)能。（2）熱量是一個過程量，它表示由于熱傳遞而引起的變化過程中轉(zhuǎn)移的能量，即內(nèi)能的改變量。（3）如果沒有熱傳遞，就沒有熱量可言，但此時仍有內(nèi)能。（四）做功和熱傳遞的區(qū)別師：做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)內(nèi)能，對于某個系統(tǒng)（指著水，言中有物），做功可以讓它內(nèi)能增加2J，熱傳遞也可以讓他內(nèi)能增加2J，結(jié)果一樣，方式不同。提問：做功和傳熱有什么區(qū)別？引導(dǎo)提問：從能量守恒角度思考，內(nèi)能增加，能從哪來？內(nèi)能減少，能又去了哪？師：能的來去對于做功和熱傳遞來說是不一樣的，所以我們有必要從能的來去角度去比較做功和傳熱的區(qū)別。提問：從做功的角度來說說生活中有哪些實例是通過做功使內(nèi)能增加的，增加的內(nèi)能從哪來？生：搓手，摩擦生熱，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；通電，電阻發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；太陽能熱水器，光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。反問：反過來，內(nèi)能減少，能量又去了哪？給大家2分鐘時間討論下，到時候一起分享下。生：蒸汽機(jī)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；反問：內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成電能？生：燒煤發(fā)電，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能理答：燒煤發(fā)電，內(nèi)能是直接轉(zhuǎn)化為電能嗎？他內(nèi)能先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。反問：有沒有直接從內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能的例子？演示實驗（四）實驗器材：溫差發(fā)電器、冷水、熱水操作：演示倒水形成水流；在溫差發(fā)電器的左右兩邊分別放入冷水和熱水，插入溫差發(fā)電器現(xiàn)象：電動機(jī)轉(zhuǎn)動現(xiàn)象解釋：水流可以發(fā)電，一邊是熱水一邊是冷水，形成溫差，產(chǎn)生熱傳遞，也就是熱流，熱流也可以發(fā)電。反問：內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化成光能嗎？ 生：白熾燈，發(fā)熱后，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能教師總結(jié)：其他能與內(nèi)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中能量形式在發(fā)生變化，熱傳遞過程只是把系統(tǒng)的內(nèi)能轉(zhuǎn)移到另一個物體上去，還是內(nèi)能，能量形式并沒有發(fā)生變化。做功和熱傳遞在本質(zhì)上是不同的：做功使物體的內(nèi)能改變，是其他形式的能量和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化（不同形式能量間的轉(zhuǎn)化）。熱傳遞使物體的內(nèi)能改變，是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移（同種形式能量的轉(zhuǎn)移）?！揪毩?xí)鞏固】1．如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱（即與外界不發(fā)生熱交換）容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞。今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體（）A．溫度傳感器B．壓力傳感器C．磁傳感器D．光傳感器答案：C2．如圖所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側(cè)裝有氣體，右側(cè)為真空?，F(xiàn)將隔板抽掉，使左側(cè)氣體自由膨脹直至達(dá)到平衡，則在此過程中（不計氣體的分子勢能）（）A．氣體對外界做功，溫度降低，內(nèi)能減少B．氣體對外界做功，溫度不變，內(nèi)能減少C．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能不變D．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能減少答案：C3．下列說法正確的是（）A．分子的動能與分子的勢能的和叫做這個分子的內(nèi)能B．物體的分子勢能由物體的溫度和體積決定C．物體的速度增大時，物體的內(nèi)能增大D．物體的內(nèi)能減小時，物體的溫度可能增加答案：D 4．一個鐵塊沿斜面勻速滑下，關(guān)于物體的機(jī)械能和內(nèi)能的變化，下列判斷中正確的是（）A．物體的機(jī)械能和內(nèi)能都不變B．物體的機(jī)械能減少，內(nèi)能不變C．物體的機(jī)械能增加，內(nèi)能增加D．物體的機(jī)械能減少，內(nèi)能增加答案：D5．如圖所示，絕熱具有一定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁的摩擦忽略不計，置于真空中的輕彈簧的一端固定于理想氣體容器的底部。另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為EP（彈簧處于自然長度時的彈性勢能為零），現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運(yùn)動，經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動后活塞靜止，氣體達(dá)到平衡態(tài)，經(jīng)過此過程（）A．EP全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能B．EP一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能C．EP全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D．EP一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能答案：D6．一定質(zhì)量的氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程。設(shè)氣體分子間的勢能可忽略，則在此過程中（）A．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能增加B．外界對氣體做功，氣體分子的平均動能減少C．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能增加D．氣體對外界做功，氣體分子的平均動能減少答案：D7．在下述現(xiàn)象中沒有通過做功而使物體內(nèi)能改變的是（）A．電流通過電爐而使溫度升高B．在陽光照射下，水的溫度升高C．鐵錘打鐵塊，使鐵塊溫度升高D．夏天在室內(nèi)放幾塊冰，室內(nèi)會變涼快 答案：BD8．對于熱量、功、內(nèi)能三個量，下列說法中正確的是（）A．熱量、功、內(nèi)能三個量的物理意義是等同的B．熱量和功二者可作為物體內(nèi)能大小的量度C．熱量、功和內(nèi)能的國際單位都相同D．熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體的狀態(tài)決定的答案：CD