高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变教案

高中物理人教版(2019)选择性必修第三册1功、热和内能的改变教案教学内容分析一、教学内容分析

1.本节课的主要教学内容。人教版选择性必修第三册第一章“功、热和内能的改变”，主要内容包括：热力学中功的定义（如气体体积变化做功）、热传递的概念、内能的物理意义及改变方式（做功和热传递），通过焦耳实验定量说明功与热量的关系。

2.教学内容与学生已有知识的联系。学生在必修中已学习内能的概念及机械功的知识，本节课在此基础上，从宏观角度分析做功和热传递如何改变内能，深化对能量转化与守恒的理解，为后续学习热力学第一定律奠定基础。核心素养目标二、核心素养目标学习者分析三、学习者分析

1.学生已经掌握了哪些相关知识。学生在必修三已学习内能的概念、分子动理论初步知识，以及机械功的计算（W=Fs）和能量守恒定律的宏观表述，为本节课理解“做功和热传递改变内能”奠定了基础。

2.学生的学习兴趣、能力和学习风格。学生对生活中热现象（如摩擦生热）有好奇心，具备一定的逻辑推理和数学计算能力，但抽象思维和微观分析能力较弱；部分学生偏好直观实验演示，部分学生擅长理论推导。

3.学生可能遇到的困难和挑战。一是难以理解“做功改变内能”的微观机制（如气体做功与分子动能的关系）；二是混淆“做功”与“热传递”改变内能的本质区别；三是焦耳实验中功与热量定量关系的推导及单位换算易出错。教学资源软硬件资源：压缩空气引火仪、活塞式打气筒、金属棒、酒精灯、温度传感器、焦耳实验装置（电流热效应装置、量热器）、投影仪、电脑、白板。

课程平台：智慧课堂系统、希沃白板。

信息化资源：PPT课件（含实验视频、微观模拟动画）、焦耳实验过程视频、课堂互动习题。

教学手段：演示实验法、小组合作探究、多媒体辅助教学、讲练结合。教学过程五、教学过程

**【导入环节】**

同学们，冬天的时候，你们有没有搓过手？搓手后手会变热，这是为什么呢？（学生回答：摩擦生热）没错，这里涉及到能量的转化。再想想，给自行车轮胎打气时，打气筒会发热，这又是怎么回事？（学生思考）今天我们就来探究“功、热和内能的改变”，看看能量是如何通过做功和热传递发生转化的。

**【新课讲授：功改变内能】**

首先，我们回顾一下必修中学过的内能概念——物体内所有分子动能和分子势能的总称。那么，内能可以通过哪些方式改变呢？我们先来看“做功”如何改变内能。

老师演示实验：取一个压缩空气引火仪，迅速压缩活塞，观察棉花是否燃烧。（学生观察：棉花燃烧了）为什么压缩后棉花会燃烧？你们能从能量角度解释吗？（学生回答：压缩做功，温度升高，达到燃点）很好！这里外界对气体做功，气体内能增加，温度升高。

再做一个实验：用活塞式打气筒给轮胎打气，摸一摸打气筒的筒壁，有什么感觉？（学生回答：发热）这是因为压缩气体时，外界对气体做功，同时气体与筒壁摩擦，也做了功，使内能增加，温度升高。

现在思考：如果气体膨胀对外做功，内能会如何变化呢？比如，打开充好气的气球，气体喷出，气球本身的温度会怎样？（学生讨论：降低）没错，气体对外做功，自身内能减少，温度降低。这就是“做功改变内能”的规律：外界对物体做功，物体内能增加；物体对外做功，物体内能减少。

**【新课讲授：热传递改变内能】**

除了做功，还有什么方式能改变内能呢？（学生回答：热传递）对！热传递是改变内能的另一种方式。当两个物体存在温度差时，热量会从高温物体传到低温物体，直到温度相同。

举个例子：把一杯热水放在桌上，水会慢慢变凉，这是热量传递到空气中，水的内能减少；同时，空气吸收热量，内能增加。再比如，冬天用手摸暖气片，手会变热，这是暖气片的热量传递到手上，手的内能增加。

同学们注意：做功和热传递在改变内能上有什么本质区别吗？（学生思考）做功是其他形式的能与内能的转化，比如机械功转化为内能；而热传递是内能的转移，只是从一个物体传到另一个物体，没有形式的变化。比如，摩擦生热是机械能转化为内能，而热传递只是内能的转移。

**【新课讲授：焦耳实验——功与热量的定量关系】**

既然做功和热传递都能改变内能，那么它们之间有什么定量关系呢？19世纪，焦耳通过大量实验研究了这个问题，我们今天来重现他的实验思路。

老师展示焦耳实验装置（电流热效应装置）：在一个绝热容器中装满水，用电阻丝通电，记录电流I、电压U、时间t，计算电流做功W=UIt；同时用温度传感器测量水的温度变化Δt，计算水吸收的热量Q=cmΔt（c是水的比热容，m是水的质量）。

分组实验：第一组用1A电流通电2分钟，记录Δt；第二组用2A电流通电1分钟，记录Δt。（学生操作，记录数据）现在请各组汇报结果：第一组W=UIt=6V×1A×120s=720J，Q=cmΔt=4.2×10³J/(kg·℃)×0.5kg×0.34℃≈714J；第二组W=6V×2A×60s=720J，Q=4.2×10³×0.5×0.34℃≈714J。

同学们发现什么规律？（学生回答：W≈Q）没错！焦耳通过多次实验发现，在热现象中，功和热量可以相互转化，且数值相当，即1卡热量相当于4.2焦耳功，这个比值叫做“热功当量”。这说明，做功和热传递在改变内能上是等效的！

**【巩固练习】**

现在我们来做几道题，巩固一下所学知识。

例1：外界对气体做功50J，同时气体向外界放出30J的热量，气体的内能如何变化？（学生计算：ΔU=W+Q=50J+(-30J)=20J，内能增加20J）

例2：判断下列过程中内能改变的方式：（1）钻木取火；（2）热水放在室温中变凉；（3）压缩空气引火。（学生回答：（1）做功；（2）热传递；（3）做功）

**【课堂小结】**

同学们，今天我们学习了“功、热和内能的改变”，重点掌握了两个知识点：一是做功和热传递是改变内能的两种方式，做功是能量转化，热传递是能量转移；二是焦耳实验证明了功和热量在改变内能上的等效关系，为能量守恒定律奠定了基础。

**【作业布置】**

课后完成课本第10页“问题与练习”第1、2题，并思考：生活中还有哪些现象体现了做功或热传递改变内能？下节课我们一起分享。教师随笔Xx拓展与延伸1.**拓展阅读材料**

-《物理学史》中“焦耳与热功当量”章节：详细记录焦耳1843年通过搅拌水实验测定热功当量的过程，及其对能量守恒定律建立的贡献。

-《热学基础》中“热力学第一定律的建立”部分：分析卡诺、迈尔、亥姆霍兹等科学家在能量转化研究中的关键突破，理解科学发展的协作性。

-课本“科学漫步”栏目：现代热机效率提升技术（如斯特林循环、燃气轮机余热回收），结合实例说明能量转化的实际应用。

-教材“STS”专栏：制冷技术中的能量传递（如冰箱工作原理），分析压缩机做功与热量转移的关系。

2.**课后自主探究任务**

-**实验探究**：

-用温度传感器测量不同材质（金属、塑料、泡沫）保温杯中热水降温速率，绘制温度-时间图像，分析热传递效率差异。

-设计简易热机：利用橡皮筋和纸杯制作斯特林模型，观察热能与机械能转化过程，记录输出功率与温差的关系。

-**数据分析**：

-收集常见热机（汽车发动机、空调）的能效比数据，计算其能量损耗比例，撰写《热机效率优化建议报告》。

-调查家庭用电设备（电饭煲、热水器）的能效标识，结合焦耳实验结论，提出节能使用方案。

-**理论深化**：

-推导绝热过程中气体做功公式\(W=-\DeltaU\)，结合理想气体状态方程分析膨胀/压缩时内能变化。

-对比焦耳实验与焦耳-汤姆逊效应，解释实际气体节流膨胀中温度变化的微观机制。

-**生活应用**：

-观察摩擦生热现象（如刹车片发热），分析机械能转化为内能的效率损失，提出改进设想。

-研究地暖系统中的水循环与热传递过程，绘制能量流向图，标注各环节能量形式。

3.**跨学科拓展**

-**化学关联**：分析化学反应中的热效应（如中和热测定），比较化学能与内能转化的异同。

-**工程应用**：查阅核电站汽轮机工作流程图，标注蒸汽膨胀做功、冷凝放热环节，计算整体热效率。

-**环境科学**：计算1kg标准煤完全燃烧释放的热量（29.3MJ），折算成电能（按火电厂效率40%），讨论能源利用的可持续性。

4.**前沿科技链接**

-热电材料（如碲化铋）如何实现热能直接转化为电能，分析其在废热回收中的潜力。

-磁制冷技术原理：利用磁熵变实现无压缩循环，对比传统压缩制冷的能耗差异。

-量子热力学中的“单原子热机”研究，理解微观尺度能量传递的新规律。

5.**深度思考题**

-若焦耳实验中改用油代替水，热功当量数值是否变化？结合比热容与密度数据定量分析。

-宇宙飞船在太空中通过辐射散热，其能量传递方式与地球环境有何本质区别？

-设计一个永动机模型，尝试用热力学第一定律论证其不可行性，撰写《能量守恒的哲学意义》短文。

6.**资源整合建议**

-利用学校实验室资源：复现焦耳实验，对比不同搅拌速率下的水温变化。

-借助虚拟仿真平台：操作理想气体做功模拟软件，可视化等温/绝热过程内能变化。

-参与科技馆互动展项：体验热机模型、温差发电装置，撰写《能量转化技术演进史》观后感。

7.**成果展示与评价**

-举办“能量转化创意大赛”：展示自制热机模型或节能装置，现场测试并答辩。

-编制《家庭用能效率手册》：结合热传递原理，指导家人优化空调、热水器使用策略。

-撰写《从焦耳实验到碳中和》研究报告，探讨热力学定律在当代能源议题中的应用价值。教师随笔Xx教学反思七、教学反思

这节课围绕"功、热和内能的改变"展开，实验环节的压缩空气引火仪演示效果很好，学生通过棉花燃烧直观理解了做功改变内能。焦耳实验分组操作时，学生能准确记录数据并验证W≈Q，但部分小组在计算热量时混淆了比热容单位，下次需提前强调单位换算。

热传递与做功的本质区别是难点，学生容易混淆"能量转化"和"能量转移"概念。课后通过热水降温实例再对比摩擦生热，多数学生能清晰区分。不过对绝热过程的理解仍较薄弱，下节课可增加气体自由膨胀实验，强化微观解释。

时间分配上，实验操作占时较多，导致课堂小结仓促。下次可压缩导入环节，将STS专栏的冰箱案例融入新课，既节省时间又联系生活。作业中"家庭用能效率"调查反馈良好，学生能分析空调能效比，但建议增加定量计算任务，深化能量守恒应用。

整体而言，学生基本掌握两种改变内能的方式，但对热力学第一定律的综合应用还需加强。后续将在习题课中增加内能变化与热机效率的综合题，并补充卡诺循环的科普视频，为选修内容铺垫。板书设计①**内能改变方式**

-做功：外界对物体做功→内能增加（如压缩气体）；物体对外做功→内能减少（如气体膨胀）

-热传递：热量从高温物体传到低温物体→内能转移（如热水降温）

-本质区别：做功是能量转化；热传递是能量转移

②**焦耳实验**

-实验结论：做功与热传递在改变内能上等效

-热功当量：1cal=4.2J

-公式：W=Q（功与热量的定量关系）

③**热力学第一定律**

-表达式：ΔU=W+Q

-符号规则：

-W：外界对物体做功为正，物体对外做功为负

-Q：物体吸热为正，放热为负

-ΔU：内能增加为正，减少为负课堂课堂评价主要通过分层提问实现：针对基础概念，如“做功和热传递改变内能的本质区别”，观察学生能否准确回答“能量转化”与“能量转移”；针对实验结论，提问“焦耳实验中W≈Q说明了什么”，检验对等效关系的理解；针对应用能力，设计“外界对气体做功20J，气体吸热15J，内能如何变化”的即时计算题，观察ΔU=W+Q的公式运用。同时，观察学生分组实验操作中温度传感器的使用、数据记录的规范性，以及小组讨论中“摩擦生热”与“热水降温”的案例辨析，及时纠正“做功与热传递混为一谈”的错误认知。