第十二讲：探秘内能与热机-初中物理中考提优深度教学设计

第十二讲：探秘内能与热机——初中物理中考提优深度教学设计一、教学内容分析

本讲内容隶属于《义务教育物理课程标准（2022年版）》“能量”主题下的“内能”部分，是学生从宏观机械能世界进入微观热运动能量世界的关键转折点，也是构建能量守恒与转化大观念的重要基石。从知识图谱看，它上承分子动理论，下启能量守恒定律，横向联系着热学、力学乃至化学能，是典型的多学科交汇点。核心概念包括内能、热量、比热容、热机效率，认知要求从识记（如定义）跃升至深刻理解（如内能与机械能的本质区别）及复杂应用（如热机效率的综合计算）。课标强调通过实验探究和实例分析来认识这些概念，蕴含着“转化与守恒”、“模型建构”等核心科学思想。这意味着教学设计需将抽象的微观机制转化为可感知的宏观现象探究活动，例如通过“摩擦生热”、“气体膨胀做功”等实验，让学生亲历“做功改变内能”的过程，从而发展“科学探究”与“科学思维”素养。同时，通过对热机发展史、热效率提升技术的探讨，可自然渗透“STSE”观念及“节能环保”的社会责任感，实现知识载体与育人价值的统一。

面对九年级中考备考学生，学情呈现显著分层与共性误区交织的特点。学生在生活中对“热”有丰富经验，但前概念牢固，常混淆“热量”、“内能”、“温度”等概念，认为“热量是物体含有的”、“内能就是热能”。在过程方法上，学生具备初步的探究能力，但设计对照实验、进行定量分析与能量流向建模的能力仍显薄弱。因此，教学必须建立在精准的学情诊断之上。对策上，我将设计“前测概念图”活动，快速暴露认知误区；在新授中嵌入阶梯式问题链与分层实验任务，让不同层次的学生都能找到思维的“最近发展区”；并通过持续的、嵌入式的形成性评价——如观察小组讨论时的观点交锋、点评学生绘制的能量转化示意图、分析随堂练习的典型错解——动态把握学习进程，及时提供个性化的提示与资源支持，实现“以评促学”。二、教学目标

知识目标：学生能清晰阐述内能的概念，从微观分子动理论角度解释其影响因素；能准确区分温度、热量、内能三个核心概念，并运用其解释相关热现象；能完整叙述做功和热传递改变物体内能的实质与等效性，并能列举生活实例；能定性与定量相结合地分析热机（以四冲程汽油机为重点）工作循环中的能量转化与损耗，并能进行简单的热效率计算。

能力目标：学生能够通过观察和分析教师演示实验及自主设计简单实验，归纳出改变内能的两种方式，并初步具备控制变量的实验设计意识；能够独立或合作完成“模拟四冲程汽油机”的物理模型组装与工作原理阐述，发展模型建构与空间想象能力；能够从燃料燃烧放热、热机做功、能量散失等多角度综合分析热机效率问题，提升解决综合实际问题的信息处理与推理论证能力。

情感态度与价值观目标：学生在探究“钻木取火”等古代技术与现代热机原理的联系中，感受科技进步的历程，激发创新意识；在讨论提高热机效率的途径与环境保护的矛盾时，能理性权衡技术应用与社会可持续发展的关系，初步树立节能环保的社会责任感与科学伦理观。

科学思维目标：本节课重点发展学生的“模型建构”思维与“能量观念”。通过将复杂的热机结构简化为“进气、压缩、做功、排气”的物理模型，引导学生学会抓主要矛盾、忽略次要因素的思维方法。通过绘制热机工作过程中的能量流向饼图或桑基图，强化能量转化与守恒的定量分析意识，形成系统的能量分析框架。

评价与元认知目标：学生能够依据教师提供的“实验操作评价量规”和“概念辨析评价标准”，对同伴或自己的学习成果进行初步互评与自评；能在课堂小结环节，通过绘制本讲知识思维导图，反思自己建构知识体系的逻辑路径，识别尚未完全内化的概念节点，并据此选择适合自己的分层作业。三、教学重点与难点

教学重点：改变物体内能的两种方式（做功和热传递）及其实质；四冲程热机的工作循环原理及能量转化分析。确立依据在于：首先，从课标“大概念”看，“能量的转化与转移”是核心，改变内能的方式正是能量转移（热传递）与转化（做功）的典型体现，是构建能量观的关键节点。其次，从甘肃中考考点分析，关于内能改变的判断、实例辨析，以及热机冲程判断、能量转化分析是高频考点，且常以图片、流程图等情境化题型出现，着重考查学生的理解与应用能力。

教学难点：对“热量”概念的理解及其与内能、温度变化的定量关系辨析；热机效率的综合性分析与计算。难点成因在于：第一，“热量”是一个过程量，与学生习惯的“物体含有”的实体思维冲突，抽象性强。第二，热机效率涉及燃料完全燃烧放热、有用机械功、能量损失等多个环节的定量关系，逻辑链较长，且需要克服“效率可达到100%”的错误前概念。预设突破方向：采用类比法（如将热量传递类比为“汇款”，内能变化类比为“存款变化”），并设计分层计算练习，从单一环节到多环节整合，逐步搭建思维阶梯。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含微观分子运动动画、四冲程汽油机工作FLASH仿真）；演示实验器材：空气压缩引火仪、铁丝、砂纸、气球、酒精灯；分组实验器材（可选拓展）：金属棒、凡士林、火柴。1.2学习材料：分层学习任务单（含前测题、探究记录表、分层巩固题）；“热机发展简史”阅读卡片；四冲程汽油机简易物理模型套件（活塞、气缸、连杆、曲轴模型）。2.学生准备2.1知识预备：复习分子动理论基本观点；预习教材中内能、热机部分内容，并记录疑惑点。2.2物品：常规文具；鼓励携带关于汽车发动机、蒸汽轮机等图片资料。3.环境布置3.1座位安排：小组合作式（46人一组），便于讨论与实验。3.2板书记划：预留左板书写核心概念与关系图，右板书记录学生探究生成的关键点与疑问。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：同学们，我们先来看一个“魔术”。（教师展示一根稍粗的铁丝）我不用火烤，也不加热，看能不能让它的温度升高。（教师迅速反复弯折铁丝某一处，然后请一名学生触摸）大家不妨摸摸这里，是不是有点发烫？生活里，搓手取暖、滑梯烫屁股，是不是类似的道理？那么，铁丝的温度为什么升高了？它的内能从哪里来的？2.问题提出与路径明晰：这个“魔术”的核心，就是我们今天要破解的谜题：物体的内能究竟如何被改变？这些改变又怎样驱动了我们现代的汽车、火车甚至火箭？本节课，我们将沿着“感知内能变化→探究改变方式→解码热机奥秘→反思能量利用”这条线索，一起深入微观与宏观交织的能量世界。刚才弯折铁丝，已经涉及了一种关键方式，另一种方式就藏在我们每天的热水袋里。让我们开始探究吧。第二、新授环节任务一：初探内能变化——从“弯折铁丝”说起教师活动：首先，引导学生回顾分子动理论，明确“内能是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和”。接着，聚焦导入实验：“我弯折铁丝时，谁对谁做了功？”（引导学生分析：手对铁丝做功）。“那么，做功的结果，直接体现为什么？”（温度升高）。此时播放微观模拟动画：展示机械功如何加剧铁丝弯折处分子间的摩擦与碰撞，导致分子平均动能增大。“所以，从能量角度看，发生了什么转化？”引导学生得出结论：机械能转化为内能。随后，反向提问：“有没有内能转化为机械能的例子？”引导学生思考并准备过渡到下一个实验。学生活动：观察教师演示，触摸感受铁丝温度变化。结合动画，小组讨论并尝试用自己的语言描述“做功改变内能”的微观过程和能量转化实质。记录结论：做功可以改变物体的内能（做功是能量转化的过程）。即时评价标准：1.讨论时能否将宏观现象（弯折、升温）与微观解释（分子运动加剧）相联系。2.表达结论时，能否准确使用“转化”一词描述能量的变化。3.能否举出一个生活中其他“做功改变内能”的实例（如钻木取火、刹车片发热）。形成知识、思维、方法清单：

★做功改变内能：对物体做功，物体内能增加（机械能转化为内能）；物体对外做功，内能减少（内能转化为机械能）。关键提示：“做功”的本质是能量形式的转化。

★内能的概念：物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和。注意：内能是状态量，不能说“含有热量”。

▲微观解释桥梁：分子动理论是连接宏观热现象（温度、内能变化）与微观粒子运动的桥梁，是理解本讲内容的基础思维工具。任务二：再探内能变化——寻找“无声”的传递教师活动：承接任务一的反问，演示实验2：将一气球套在空瓶口，将瓶子放入热水中。“大家猜猜，气球会有什么变化？为什么？”观察气球鼓胀后，提问：“这个过程中，有谁对谁做了明显的‘功’吗？”引出另一种方式——热传递。“热水把什么‘东西’给了瓶内空气？”引导学生说出“热量”。明确：热传递过程中，传递的是能量（热量），结果是内能从高温物体转移到低温物体。对比做功与热传递，用表格归纳异同（方式、实质、条件、能量变化表述）。“所以，改变内能有且仅有这两种方式，它们在效果上是等效的。”学生活动：观察气球实验，描述现象并解释。对比“弯折铁丝”与“加热鼓气球”，小组合作完成对比表格的填充。讨论“晒太阳取暖”、“炒菜锅变热”属于哪种方式改变内能。即时评价标准：1.能否准确判断给定现象属于哪种改变内能的方式，并说明依据。2.在填写对比表格时，能否清晰区分“能量转化”与“能量转移”的不同表述。形成知识、思维、方法清单：

★热传递改变内能：条件是两个物体存在温度差；实质是内能的转移，转移的能量称为热量。口诀记忆：热传递，移内能；做功改，能转化。

★热量：在热传递过程中，传递内能的多少。核心辨析：热量是过程量，只能说“吸收”或“放出”热量，不能说“具有”或“含有”热量。

★温度、内能、热量辨析（难点攻坚）：温度反映分子平均动能；内能是总能量，与质量、温度、状态等有关；热量是内能变化的过程量。打个比方：温度像学生的单科成绩，内能像总分，热量就像因补习而增加或减少的分数。任务三：定量认识——从“吸热升温”到比热容教师活动：提出新问题：“用同样的煤气灶给质量相同的水和油加热相同时间，谁的温度升得更高？同学们的生活经验告诉我们是油，对吧？这说明了什么？”引出不同物质吸热能力不同的属性——比热容。通过类比“饭量不同”，帮助学生理解比热容是物质的特性。进而讲解公式Q=cmΔt，强调各物理量的单位及意义。通过简单计算示例（如计算水升高一定温度吸收的热量），引导学生关注计算规范。学生活动：根据生活经验回答教师提问，理解比热容的物理意义。练习使用公式Q=cmΔt进行简单计算，并解释公式中每个符号的意义。讨论“为什么沿海地区昼夜温差小？”（应用比热容知识）。即时评价标准：1.能否正确说出比热容的定义式和单位。2.进行简单计算时，单位换算和公式应用是否规范。3.能否用比热容知识解释12个自然或生活现象。形成知识、思维、方法清单：

★比热容：单位质量的某种物质，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。符号c，单位J/(kg·℃)。物理意义：反映物质吸放热本领，是特性。

★热量的计算公式：Q=cmΔt（吸热：Q吸=cm(tt0)；放热：Q放=cm(t0t)）。应用关键：明确过程（吸/放）、找准初末温、统一单位。

▲应用价值：比热容是解释海陆风、设计散热器、选择供暖介质的重要科学依据，体现了物理与地理、工程的跨学科联系。任务四：应用与转化——内能驱动世界（热机原理）教师活动：“我们已经知道内能可以转化为机械能，那么，如何设计一个装置，让这种转化持续、有效地发生，从而为我们做功呢？”展示四冲程汽油机模型，简要介绍各部分结构。播放慢放FLASH动画，按“吸气、压缩、做功、排气”四个冲程逐步分解。“请大家特别关注：哪个冲程是‘飞轮带活塞’，哪个是‘活塞推飞轮’？内能主要在哪个冲程转化为机械能？”引导学生观察曲轴和飞轮的转动，理解一个工作循环中，做功一次，曲轴转两周，活塞往复两次。强调火花塞的作用（点燃式）。学生活动：分组动手组装简易物理模型，模拟四个冲程。对照动画，小组内轮流讲解每个冲程中活塞的运动方向、气门的开闭情况、能量转化情况（尤其是压缩冲程——机械能转内能；做功冲程——内能转机械能）。尝试记忆四冲程口诀。即时评价标准：1.模型组装与操作是否正确、流畅。2.口头讲解时，对每个冲程的描述是否完整、准确，特别是能量转化的表述。3.能否根据动画或静态图片，准确判断处于哪个冲程。形成知识、思维、方法清单：

★热机原理：将燃料燃烧释放的内能转化为机械能的装置。核心思想：通过工作物质（燃气）的内能膨胀对外做功。

★四冲程汽油机工作循环：吸气（进气门开）→压缩（两门关，机械能→内能）→做功（火花塞点火，内能→机械能）→排气（排气门开）。记忆技巧：顺序不能乱，能量转化在“压”和“做”。

★一个循环特点：活塞往复两次，曲轴（飞轮）转两周，对外做功一次。易错点：做功冲程是唯一对外做功的冲程，是动力的来源。任务五：效率与反思——能量利用的“代价”教师活动：“热机把燃料的内能全部转化为有用的机械能了吗？显然没有。我们听到的噪音、感受到的发热，都是‘流失’的能量。”引出热机效率的概念：η=W有用/Q放总×100%。通过图示法，画出燃料完全燃烧释放的总内能（Q放）的流向饼图：一部分转化为有用机械功（W有用），大部分被废气带走、机械摩擦损耗、散热等。“请大家估算一下，普通汽油机的效率大概是多少？为什么不能达到100%？”引导学生从能量流向和热力学第二定律的初步观念（自然过程的方向性）思考。讨论提高热机效率的途径（如减少摩擦、利用废气）。学生活动：理解效率公式的物理意义。尝试在教师引导下，画出简单的能量流向示意图。小组讨论提高热机效率的可能技术方向，并联系汽车工业的“涡轮增压”、“混合动力”等技术，感受科技与物理的紧密联系。即时评价标准：1.能否正确写出热机效率公式，并说明各物理量的含义。2.能否列举出至少两种热机能量损失的主要途径。3.讨论中，能否体现出对“节能”与“技术限制”的辩证思考。形成知识、思维、方法清单：

★热机效率：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比。公式：η=W有用/Q放。注意：η永远小于1。

★能量流向分析思维：分析任何能量利用装置时，都应建立“输入总能量→各种形式的有用输出与无用损耗”的模型，这是能量守恒观念的具体应用。

▲STSE视角：热机效率的提升史是一部科技进步史，同时也伴随着环境挑战（废气污染）。引导思考：如何在利用能量与保护环境间寻求平衡？第三、当堂巩固训练

1.基础层（全员过关）：(1)判断：物体温度升高，内能一定增加；物体内能增加，一定是吸收了热量。（辨析概念）(2)指出四冲程汽油机图中某一冲程的名称及能量转化情况。（识别与描述）

2.综合层（多数挑战）：(1)情景题：给出一段关于“某型号汽车发动机”的参数描述（含排量、效率等），以及一次行驶的相关数据，计算：①消耗的汽油完全燃烧放出的热量；②该次行驶发动机做的有用功。（公式综合应用）(2)解释：为什么柴油机比汽油机效率通常更高？（联系压缩比与点火方式）

3.挑战层（学有余力）：微型项目设计：假设你是环保工程师，请为提高社区供暖锅炉的热效率设计12条具体改进建议，并简要说明其物理原理。（开放探究，联系实际）

反馈机制：基础题采用全班齐答、快速手势判断，教师即时点评；综合题学生独立完成后，小组内交换互评，教师投影典型解答（包括优秀解法和共性错误）进行精讲；挑战题作为课堂延伸，邀请有想法的学生简要分享，教师给予激励性评价并将其思路记录在“创新角”，供课后继续研究。第四、课堂小结

同学们，现在请大家暂停一下，尝试用一张思维导图或者概念关系图，将我们今天探讨的从“内能”到“热机效率”的核心概念串联起来。“想想看，哪几个概念是‘基石’，哪些是‘桥梁’，哪些是‘应用’？”（留白23分钟自主建构）。随后请一位同学展示并讲解其构图逻辑。教师最终呈现一个结构化总结框架：以“内能”为核心，引出改变它的两种方式（做功、热传递），其中“热量”是热传递过程的量度；内能的一个重要应用是利用热机将其转化为机械能，而“效率”则是衡量这一转化过程的优劣。“今天我们不仅学了知识，更重要的是学会了用‘能量转化与守恒’的视角去分析机器、看待技术。这就是物理的眼光。”作业布置：必做题——教材对应基础练习及一道关于热机效率的计算题；选做题——查阅资料，了解斯特林发动机的原理，并对比其与内燃机的异同点（从结构、效率、环保等方面）。六、作业设计

基础性作业（必做）：1.完成课本本节后关于内能、改变方式、热机冲程判断的基础练习题。2.整理本节课的课堂笔记，用自己擅长的方式（列表、图示）清晰呈现温度、内能、热量的区别与联系。3.计算：已知一台汽油机工作时，完全燃烧0.1kg汽油释放4.6×10^6J热量，其中对外做了9.2×10^5J的功，求该汽油机的效率。

拓展性作业（建议大多数学生完成）：1.调查与报告：观察家庭中使用的热水器（燃气或电热），分析其工作过程中改变内能的主要方式，并估算（或查阅能效标识）其热效率，写一份简短的“家庭节能建议”。2.用橡皮泥、雪糕棍等材料，动手制作一个展示四冲程工作的简易动态模型，并录制一段1分钟讲解视频。

探究性/创造性作业（选做）：1.文献探究：查阅关于“卡诺循环”与“热力学第二定律”的科普资料，撰写一篇300字左右的读书笔记，阐述“为什么热机效率不可能达到100%”。2.创意设计：基于你对能量转化和环保的理解，构想一种未来新型动力装置（不限于热机），画出简易原理草图，并文字说明其能量转化路径和可能优势。七、本节知识清单及拓展

1.★内能：物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和。单位：焦耳(J)。注意：一切物体在任何情况下都有内能。内能大小与质量、温度、状态等有关。

2.★改变内能的两种方式：做功和热传递。它们在改变内能上是等效的。核心区别：做功是能量形式的转化（如机械能↔内能）；热传递是内能的转移（从高温物体到低温物体）。

3.★热量：在热传递过程中，传递内能的多少。符号Q，单位焦耳(J)。严格表述：是过程量，仅存在于热传递过程中。

4.★温度、内能、热量辨析：温度→状态量，分子平均动能的标志；内能→状态量，物体内部总能量；热量→过程量，内能变化的量度。关联：物体吸收热量，内能可能增加（温度升高或状态改变）；物体内能增加，不一定吸收热量（可能是做功）。

5.★比热容：表示物质吸放热能力的物理量。定义式：c=Q/(mΔt)。单位：J/(kg·℃)。水的比热容大：c水=4.2×10^3J/(kg·℃)，解释调节气候、作冷却剂的原因。

6.★热量的计算：Q=cmΔt。应用要点：分清吸放热，找准质量、初温、末温，注意单位统一。

7.★热机：将内能转化为机械能的机器。如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。

8.★内燃机：燃料在气缸内燃烧的热机。主要分汽油机和柴油机。

9.★汽油机四冲程：吸气冲程（进气门开，吸入油气混合物）→压缩冲程（两门关，机械能→内能，温度压强升高）→做功冲程（火花塞点火，燃气推动活塞，内能→机械能）→排气冲程（排气门开，排出废气）。循环特性：一个循环，活塞往复2次，曲轴转2周，做功1次。

10.★柴油机与汽油机主要区别：①构造：柴油机无火花塞，有喷油嘴。②点火方式：柴油机是压燃式（压缩冲程末喷油，因高温自燃），汽油机是点燃式。③效率：柴油机通常更高。

11.★热机效率：用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。公式：η=W有用/Q放。数值范围：η<1。提高途径：减少能量损失（如改善润滑、减少散热、利用废气）。

12.▲能量守恒定律（本节为下讲伏笔）：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为其他形式，或从一个物体转移到另一个物体，总量保持不变。热机是此定律的典型例证。

13.▲热值与效率综合计算：涉及公式Q放=mq(或Q放=Vq)和η=W有用/Q放。解题关键：厘清能量链条：燃料燃烧放热(Q放)→热机获得的总内能→转化为有用功(W有用)及各项损失。

14.▲环境保护：热机（尤其是内燃机）的大量使用是城市空气污染（如氮氧化物、颗粒物）和温室气体排放的重要来源。发展新能源汽车、提高效率、使用清洁燃料是重要方向。八、教学反思

（一）目标达成度分析：从预设的当堂巩固训练反馈来看，大多数学生能够准确辨析改变内能的方式，并能描述热机的基本工作过程，表明知识与能力的基础目标基本达成。但在“热量”概念的理解和热效率计算的综合应用上，仍有约三分之一的学生存在模糊或计算步骤混乱的情况，这提示“过程量”的抽象性和多环节问题的分析能力仍是需要持续突破的难点。“看来，单靠一节课的类比和强调，还不足以彻底扭转‘热量是物体含有’的根深蒂固前概念。”情感与价值观目标在讨论热机效率与环保环节中得到了较好的渗透，学生表现出了对技术与社会关系的兴趣和初步思考。

（二）环节有效性评估：导入环节的“弯折铁丝”实验起到了“一石激起千层浪”的效果，成功聚焦了核心问题。任务二（热传递）与任务一（做功）的对比设计，通过表格归纳，帮助学生建立了清晰的认识框架，效果显著。