高二物理（人教版教科版通用） 改變內能的兩種方式教學設計

1、改變內能的兩種方式 教學設計教學內容分析：本節(jié)內容在熱力學第一定律之前介紹其實驗基礎，尤其是“焦耳實驗”的重點介紹，不僅進一步給出了內能的宏觀操作性定義，而且為下一些熱力學第一定律及進一步的能量守恒定律的得出，提供了堅實的實驗基礎。學情分析： 學生在第七章的學習中已經從微觀角度學習了內能的概念，第八章、第九章又學習了氣體、固體、液體等相關知識，但是焦耳實現(xiàn)相對比較抽象且不易課上演示操作，所以講好這兩個實驗，并類比重力做功引入重力勢能讓學生重新認識內能對學生是一個難點。 教學目標 1、了解焦耳的兩個實驗的原理 2、指導做功和傳熱是改變內能的兩種方式 3、學會區(qū)分熱量和內能的 4、概念指導做功和傳

2、熱與內能改變間簡單的定量關系 5、知道做功與傳熱在改變系統(tǒng)內能上的區(qū)別 6、通過焦耳實驗的探究，培養(yǎng)學生的科學探索精神教學重點與難點： 教學重點是焦耳的兩個代表性實驗， 建立內能的概念既是重點又是難點，根據(jù)絕熱過程中做功的數(shù)量僅由過程的始末兩個狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式，采用類比法引入內能的宏觀操作性定義。教學設備和器材： 壓燃實驗和觀察橡膠塞跳出時瓶內的變化兩個實驗視頻、空飲料瓶、酒精、橡皮筋教學過程：引入 冬季的戶外寒風刺骨，你站在公交車站等車寒風中手凍僵了，這時你會怎么辦？如何讓我們的后暖和起來呢？ 老師猜有同學會說把兩手放一起來搓一搓，手就會暖和一點，有同學會說把手放在嘴邊

3、哈氣，手會暖和一點，有的同學可能會說，有個暖手寶就好了，直接拿出來捧著。其實大家提出的這些方案中還蘊含著豐富的物理知識呢！請大家思考剛才老師舉出的三個方案都可以實現(xiàn)相同的效果，就是使手暖喝起來，即改變了手的熱力學狀態(tài)。但是他們有沒有什么不同呢？仔細思考后我們會發(fā)現(xiàn)哈氣和暖手寶取暖都是利用一個溫度相對更高些的物體或者部分來是冰冷的手變暖和。而搓手呢？不一樣，兩手溫度是相同的，相互搓，首先要用力，其次還在力的方向上發(fā)生了位移，聰明的你們一定知道了，這個過程是一個做功的過程！原來做功也可以改變物體的熱力學狀態(tài)。19世紀30年代，人們就逐漸認識到，為了使物體的熱力學狀態(tài)發(fā)生變化，既可以向它傳熱，也可以

4、對它做功。一、功與內能 環(huán)節(jié)1：介紹研究對象熱力學系統(tǒng) 我們說起物體的熱力學狀態(tài)，往往會想到的是物體的溫度。在上一章的學習中我們知道了溫度是物體大量分子無規(guī)則運動的宏觀表現(xiàn)，是分子平均動能的標志，所以在熱力學研究中我們的研究對象有一些不同 ，以前我們的研究對象可以是一個物體或幾個物體，滿足條件時這些物體還可以視為質點，而不會去考慮這些物體的微觀形態(tài)。而熱學研究的對象稱為熱力學系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)，是含有大量原子、分子或其他微觀粒子的體積有限的宏觀物體。我們選擇的研究對象將 變?yōu)橛纱罅糠肿咏M成的系統(tǒng)例如容器內一定體積的液體、氣缸中的氣體或者一塊固體。一般把對系統(tǒng)起作用的周圍環(huán)境稱為系統(tǒng)的外界，簡稱外界

5、。 環(huán)節(jié)2：焦耳實驗1 介紹實驗裝置：焦耳的實驗設計非常巧妙，我們來看他的第一個實驗：用絕熱性能良好的材料制作裝水容器，容器中安裝著由固定在轉軸上的葉片和固定在容器內壁上的葉片組成的攪拌器。絕熱容器內裝了水后與兩個滑輪和兩個重物組成的實驗裝置如圖所示 明確實驗目的：研究單純做功對系統(tǒng)狀態(tài)的影響 明確實驗條件：絕熱過程，即在實驗過程中，系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱。所以焦耳選用絕熱性能良好的材料來制作容器，但是這樣就可以做到真正的絕熱嗎？當然不是，絕對的絕熱是很難實現(xiàn)的。但是一般來說，如果一個熱學過程的狀態(tài)變化發(fā)生得極快、經歷時間很短，系統(tǒng)與外界交換的熱量很少，可以忽略傳遞的熱，這樣的過程可

6、以看作是絕熱過程。 數(shù)據(jù)的獲得：實驗時釋放重物，重物下落帶動固定在轉軸上的葉片轉動，攪拌容器中的水，水的熱力學狀態(tài)發(fā)生變化，所以實驗的研究對象是容器內的水所組成的系統(tǒng)，絕熱容器周圍的環(huán)境就是系統(tǒng)的外界。重物下落的高度可以由兩側豎立的刻度尺進行測量。水的狀態(tài)變化情況可以使用溫度計來進行測量。 數(shù)據(jù)處理: 實驗過程中什么力對系統(tǒng)做功呢？固定在轉軸上的葉片攪動水對系統(tǒng)做功，而轉軸是重物下落帶動的，重物下落過程的做功更容易測定，所以外界對系統(tǒng)所功可以定量的表示為兩重物的重力做功，做了多少功呢？假設兩重物的質量分別為m1和m2，若他們均下落高度h，重力做了多少功？你是不是也列出來了？m1gh+m2gh，

7、系統(tǒng)的狀態(tài)呢？容器內的水由于摩擦而溫度上升。做功改變了系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)。系統(tǒng)溫度上升了多少與哪些因素有關呢？焦耳做了大量實驗后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的改變情況既與重物的質量有關，又與重物下落高度有關。而且進一步發(fā)現(xiàn)一個很有趣的規(guī)律，那就是不管這些量如何改變，只要外界對系統(tǒng)做功相同即m1gh+m2gh的數(shù)值相同，容器內水溫上升的數(shù)值都是相同的 實驗結果： 在絕熱過程中，只要外界對系統(tǒng)做功相同，系統(tǒng)就會發(fā)生相同的狀態(tài)變化，也就是密閉容器內的水升高了相同的溫度 環(huán)節(jié)3：焦耳實驗2 介紹實驗裝置及數(shù)據(jù)獲得： 實驗裝置如圖所示，重物連接的細線纏繞在發(fā)電機的轉軸上，發(fā)電機的兩極與電阻絲相連，電阻絲放入絕熱材料制成的

8、盛水容器內，溫度計可以監(jiān)測容器內水的溫度變化，這個實驗要研究的是哪個系統(tǒng)？我想大家一定都答對了，實驗的研究對象是容器內的水，系統(tǒng)的狀態(tài)變化用溫度計測量 實驗條件：為了得到單純做功對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，所以實驗條件依然是在絕熱條件下進行。 實驗數(shù)據(jù)： 這個實驗的過程中什么力做功呢？右側重物下落帶動轉軸轉動，發(fā)電機發(fā)電，電流流過電阻絲做功。對容器內的水直接做功的是電流。對于純電阻，電流做功可以用I2RT, 這個過程中系統(tǒng)狀態(tài)呢？通過插在液體中的溫度計可以看到水的溫度上升！焦耳在實驗中有什么發(fā)現(xiàn)呢？大量的實驗后焦耳發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)變化與電流和通電的時間有關，但是只要電流做功的量I2RT相同，系統(tǒng)溫度上升的

9、數(shù)值就是相同的 實驗結論： 焦耳第二個實驗的結果是在絕熱條件下外界對系統(tǒng)做相同的功，系統(tǒng)就會發(fā)生相同的狀態(tài)變化，也就是密閉容器內的水升高了相同的溫度。 咦，這么巧？做功的方式改變了，但是卻得到了相同的結果。這僅僅是巧合嗎？ 實驗結論引起的思考得出內能的宏觀操作性定義 焦耳的實驗告訴我們在各種不同的絕熱過程中，如果要使系統(tǒng)從狀態(tài)1 變?yōu)闋顟B(tài)2，所需外界做功的數(shù)量是相同的。也就是說，系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化時，做功的數(shù)量只由始末狀態(tài)，即狀態(tài)1和狀態(tài)2 決定，而與做功的方式無關。對這一結論你有什么思考呢？這其中是不是藏著一個具有普遍意義的規(guī)律呢！ 內能的宏觀操作性定義： 回顧我們高一學過的知識，

10、如圖所示商場游樂園里的兒童大滑梯，小朋友從頂端分別沿三條不同的路徑A、B、C、滑下來，走到O位置，重力的做功是不是也不同呢？大家一定在說：老師，錯了，三種情況重力做功一樣多，因為重力做功與路徑無關，小朋友初末位置相同，三次重力做功相同。對，同學們都掌握了重力做功的特點，但是有沒有想過為什么重力做的功與路徑無關呢？基于對這一問題的思考，人們認識到物體具有一個與位置有關的狀態(tài)量，重力做功的過程就是這個狀態(tài)量發(fā)生變化的過程，重力做多少功取決初末位置這兩個狀態(tài)量的差而與路徑無關。這個量是什么呢？因為功是能量轉化的量度，所以這個狀態(tài)量是一種能量，就是我們熟悉的重力勢能。 在熱力學系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對

11、系統(tǒng)做的功僅由過程的始末兩個狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。這意味著什么呢？對于熱力學系統(tǒng)必然存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量變化的過程與絕熱過程中外界對系統(tǒng)做的功相聯(lián)系。這個物理量是什么？大家一定在說功是能量轉化的量度，所以這個物理量必定也是一種能量，對！我們把它稱為系統(tǒng)的內能。 回顧內能概念：物體中所有分子的熱運動動能與分子勢能的總和，叫作物體的內能。所有分子熱運動的動能等于分子平均動能乘以分子數(shù)，分子熱運動平均動能的標志是溫度，分子間的勢能與分子間距離有關，宏觀上表現(xiàn)為與物體的體積有關。所以對一定量的物質來說，內能的改變表現(xiàn)為溫度和體積的變化，比如小朋友滑滑梯最終

12、會在滑梯底部停下來，而且經過滑下的過程屁股會因為摩擦而變熱，有人就會說是因為這個過程的機械能轉化為了熱能。其實這個說法是不正確的，雖然內能的變化常常表現(xiàn)為溫度的變化，但是表示系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的物理量是內能 ，正確的表述應該是因為摩擦力做功，所以小朋友的機械能轉化為系統(tǒng)的內能。內能是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。這個狀態(tài)函數(shù)怎么才會改變呢？基于焦耳大量的實驗研究，做功是改變內能的一種方式。 功與內能的關系：焦耳試驗告訴我們，系統(tǒng)在絕熱過程中不論以何方式對系統(tǒng)做功W，系統(tǒng)就會由相應的狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，以U1、U2表示狀態(tài)1、狀態(tài)2的內能，系統(tǒng)的內能變化量:U=U2U1，功是能量轉化的量度，在絕熱的前提下U=W。即

13、：絕熱過程中外界對系統(tǒng)所做的功等于系統(tǒng)內能的增加量。 環(huán)節(jié)4：演示實驗的定性分析 播放“壓燃實驗”和“瓶塞跳起時的現(xiàn)象”兩個實驗視頻，按照研究對象、研究過程、做功情況、內能變化幾個步驟分析實驗現(xiàn)象。 環(huán)節(jié)5：小活動 布置兩個小活動課下學生完成并解釋現(xiàn)象，分別是 1：感受橡皮筋拉伸和縮短時的溫度變化， 解釋實驗現(xiàn)象 2：用一個礦泉水瓶自己做一做瓶蓋打開時的現(xiàn)象實驗，并解釋現(xiàn)象 環(huán)節(jié)6：氣體做功情況分析 借由氣體壓強的微觀解釋，分析得出壓縮氣體，外界對氣體做功，氣體膨脹，氣體對外界做功。 環(huán)節(jié)7：定量應用W=U完成例題二、熱與內能環(huán)節(jié)1：熱傳遞的概念和條件 兩個溫度不同的物體相互接觸時溫度高的物體

14、要降溫，溫度低的物體要升溫，我們說，熱量從高溫物體傳到了低溫物體。結果呢？直至兩物體溫度熱傳遞過程結束。從剛才對熱傳遞的描述中我們可以分析出熱傳遞的條件是接觸的物體間存在溫度差。環(huán)節(jié)2：熱量與內能 在如圖所示的實驗中，研究對象選容器內的水，用熱源對容器加熱，系統(tǒng)地溫度不斷升高。這個過程外界沒有對系統(tǒng)（水）做功，只對系統(tǒng)傳熱，同樣能改變系統(tǒng)的狀態(tài)。在單純傳熱過程中系統(tǒng)內能變化的量度稱為熱量。當系統(tǒng)從狀態(tài) 1 經過單純傳熱過程變?yōu)闋顟B(tài) 2，內能的若增加了U=U2U1，就說明系統(tǒng)從外界吸收了熱量，且吸收的熱量Q與內能的增加量U相等。即U=Q 像做功一樣，熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞過程中才有意義

15、。所以不能說物體具有多少熱量，表示系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的物理量應該是內能，我們只能說物體具有多少內能。在單純傳熱過程中系統(tǒng)吸收了多少熱量，內能就相應的增加多少，反之系統(tǒng)放出了多少熱量，內能就相應的減少多少U=Q環(huán)節(jié)3：定量應用Q=U完成例題三、改變內能的兩種方式 要讓系統(tǒng)從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，我們既可以通過做功來實現(xiàn)，又可以通過熱傳遞來實現(xiàn)，兩種方式都可以改變系統(tǒng)的內能，但是他們的本質一樣嗎？ 分析兩種方式的本質不同。首先來看熱傳遞過程，熱傳遞只在系統(tǒng)與外界存在溫度差時才發(fā)生，而且熱量總是只發(fā)的從高溫物體傳遞向低溫物體，高溫物體的內能減少了，低溫物體的內能增加了，相當于高溫物體的一部分內能以熱量的形

16、式傳遞到了低溫物體，依然是內能，所以熱傳遞過程實際上是內能在不同物體或同一物體不同部分間發(fā)生的轉移。做功過程呢？做功可以在任意溫度下發(fā)生，而且焦耳的第一個實驗中，重物的受到的重力做功帶動扇葉轉動摩擦生熱，重力做功的過程重物的重力勢能減少，摩擦生熱系統(tǒng)的內能增加，這個做功的過程是將系統(tǒng)的機械能轉化為系統(tǒng)的內能。焦耳的第二個實驗中，重物的重力做功帶動發(fā)電機機發(fā)電，將系統(tǒng)的機械能轉化為電能，電流流過電阻絲發(fā)熱系統(tǒng)的內能增加，是將電能轉化為了系統(tǒng)的內能，所以做功的過程是內能與其他形式的能量間發(fā)生轉化的過程。小結: 在絕熱過程中外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內能的增加量即UW，在單純傳熱過程中，系統(tǒng)吸熱等于系統(tǒng)內能的增加量，即UQ，兩種方式均可以改變系統(tǒng)的內能，但是本質不同，一種是能量的轉移，而另一種是內能與其他形式能量間的轉化問題與練習：以課后題