高二物理(人教版教科版) 热力学第一定律 能量守恒定律 1教学设计(一)

热力学第一定律、能量守恒定律

莫艳萍

一、教材分析：

本节教学内容选自人教版选修3-3热力学定律。本章的核心物理观念能量，能量贯穿这整个高中物理的

学习。在学习节内容之前，学习了功和内能，热和内能，热力学第一定律的学习，将继续巩固内能概念的

理解，将内能的宏观定义和微观解释相结合，。同时热力学第一律是发展学生.能量观的重要内容，将前面学

习的力学范围的机械能守恒定律，电学范围的闭合电路欧姆定律、楞次定律，结合本节热学领域的热力学

第•定律等各个物理学领域的能量转化关系综合起来，上升到普遍适用的能量守恒定律，是学生能量观的

一次完善和发展。教材是以做功和热传递在改变内能方面是等价的来引入，得出热力学第一定律，通过讨

论和思考辨析概念，明确物理量正负的含义。再以机械能守恒定律为切入点介绍更普遍适用的能量守恒定

律的发现过程，分别介绍了迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的突出贡献。并以中微子发现和永动机不可能制成

的事实来说明能量守恒定律的普适性,

二、学情分析：

经过前一阶段的学习，学生对生活中做功、热传递改变内能的现象较为熟悉，但是做功、热传递与内

能变化的定量关系并不清楚，对功、热量是过程量，内能是状态量需要进一步的巩固，对内能这〜概念的

理解还需要进一步的深入。另外，学生对能量转化现象有着丰富的认识，井IL对不同形式能量间的转化已

经定性的了解到了定量的描述，通过力学、电磁学的学习，在问题解决过程中也能够初步的运用能量的观

点分析。经过机械能守恒定律、动量守恒定律的学习，对守恒思想、科学史上物理学家对守恒量的追寻有

一定的了解但学生对能量描述物理过程的普适性，对能量守恒定律的建立过程，科学家的艰辛探索历程

并不清楚。对物理学的发展中理论和实验相互促进的关系的理解、科学技术社会三者间的关系等科学本质

理解有待进一步的加强。

三、教学设计思想

高中物理课程的目标是培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等核心素养，结合

本⑰内容的特点，充分挖掘物理学史.显化科学思维、科学态度与责任的教育，促进学生物理学科核心素

养的培养。其中通过热力学第一定律和能量守恒定律的建立过程，可以侧重渗透科学本质、科学方法。目

前的教育研究认为科学本质包括科学世界观、科学探究、科学事业三个方面\具体内涵包括以下几点：建

构性、实证性、条件性、暂定性、逻辑一致性、可预测性。梳理本节内容所具体的史实对应的科学思维和

科学态度与责任如下表所示：

物理学史科学态度与责任科学思维

热质说与热动说之争科学的建构性、暂定性、实证性质疑

各种能量转化现象的发生科学的实证性分析综合

迈尔动物热研究得到的启示科学信念科学推理

焦耳测量热功当量科学态度科学论证、创新

亥姆霍兹的理论科学信念强纳和演绎

中微子的发现科学的可预测性科学推理

同时通过创设基于实际问题的情景，设计有层次的探究问题，在运用热力学第一定律和能量守恒定律

的解决问题的过程着重培养学生模型建构、科学推理能力，促进学生科学思维的发展，激发学生的学习兴

趣，同时还将整合己学的知识，发展能量观念。

本节课可以分成以下几个环节：

1、热力学第一定律：如果外界即对物体做功，同时也给物体传热.内能变化如何描述呢？能否简单将

做的功和传的热加？从热量的单位“cal”提出疑问，并引入历史上热质说和热动说之争，厘清对热现象本

质的认识。

2、能量守恒定律建立：（1）能量守恒定律孕育的背景：①守恒思想的萌芽：②各种能量转化现象的发

现：③永动机不可能制成：（2）能量守恒定律的建立：迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的贡献。

3、能量守恒定律的应用、意义：中微子的发现，永动机不可能制成。

四、教学目标

1、理解热力学第一定律，知道W、。、正负号的意义，会用分析和计算问题。

2、了解热力学第一定律和能量守恒定律的建立过程，加深对科学本质的理解，知道科学的发展过程中，

认识是逐渐深入的，是以实验为基础的。

3、通过了解科学家的探索和挫折，树立正确的科学观。

4、理解能量守恒定律，发展能量观点，深化守恒思想。

5、知道第一类永动机不可能成功的原因。

五、教学重难点

教学重点分析：理解热力学第一定律，能够运用热力学第一定律进行分析和计算。了解能量守恒定律

的历史，发展能量观念。

教学难点及突破：木节课的教学难点有两个：1、热力学第一定律的理解，突破策略：通过概念辨析明

确概念含义，厘清物理量含义，通过问题解决巩固概念理解；2、能量守恒定律的建立过程中蕴含的科学本

质：突破策略：梳理物理学史，在关键问题、关键环节、关键的方法上进行显化。

六、教学流程图

二、能量守恒定律

IlI能量守恒定律的孕育期：机械守恒定律、各种能量的转

rI化、水动机的失败

能量守恒定律的建立期：盖斯、迈尔、焦耳、亥姆霍兹

七、教学资源

PPT、实验视频资料，饮水鸟、牛顿摆、乒乓球等。

八、教学过程

教师活动学生活动设计意图

（一）引入新课

知识问顾,通过前面的学习我们知道做功和热传递都可以改变回顾知识，并进行推

物体的内能，若一个物体不与外界发生热交换，物体的内能增量等测。在已有的基础

于外界对系统做的功，也就是在绝热过程中△u=w。若物体只与外上引出研究的

界进行热传递，那这个过程中，物体的内能增量等于外界对系统传问题

的热。也就是在单纯的热传递过程△U=Qc如果外界即对物体做功，

同时外界也给物体传热，内能变化如何描述呢？

猜测：△〃=。+卬。

这个猜想是否合理？我们从历史中科学家们的研究中找找证据

吧。

（二）新课教学：

一、热力学第一定律

1、热质说和热动说之争简介相关学

热质说热动说史，让学生体

观热是一种没有重量、可以在物体中流热是粒子运动的表会到物理研究

点动的物质。现，物体由于粒子的科学理论的建

剧烈运动而发热构性、实证性、

证物体有一定的温度，是因为里面含有摩擦生热现象中，热学史可以了解课本后暂定性，在科

据一定要的热质，物体的温度变化是因可以源源不断的产生面的阅读材料。了解学发展的过程

为热质的流入或者放出。人类对热现象本质的中，质疑创新

伦福德的实验时人们对当时普遍委受的热质说产生怀疑，焦耳认识过程。是推动理论发

的通过近四十年精益求精的做了400多次的实验精确的测量热功当展的动力。

量，以强有力的证据说支持r热动说.克劳修斯就在热力学理论研

究方面建树卓著，更在1850年在他发表的论文中首次用数学的形式

表达了内能与热量及做功的关系，这就是热力学第•定律。

（1）内容：一个热力学系统的内能增量等于物体吸收的热量与外

界对物体所做的功之和。

（2）表达式:4U=Q+W通过讨论让学

研究对象:热力学系统生理解相关符

号的物理意义

其中AU表示物体内能的变化量：^b=U2-Uf,

Q表示系统吸收的热量,W表示外界对系统做的功。

教师提问：经过辨析，同学们知道力”Q、卬正负号所代表的

物理意义了吗?

（3）总结对公式W符号的规定：明确概念，理解热力

学第一定律

名称内能的改变热M做功

符号AUQW理解热力学第

一定律，能正

取正值“+”内能增加吸热外界对物体做功

确运用4U、

取负值“-”内能减少放热物体对外界做功W的符号

进行定性的分

例题1：密闭容器内有一定质量的气体。

析。

（1）气体吸收热量的同时外界对它做功，气体的内能如何变化？

（2）一定质量的理想气体吸收热量,体积膨胀并对外做功，则此过

学生分析题意，进

程的末态与初态相比，气体的内能如何变化？

行解答

解析：（1）Q>0.\V>0;AU=Q+\V

<2）我们的研究热力学系统就是这定质量的气体，根据热力

学第一定律AU=Q+W,内能可能变大，可能变小，也可能不变。

理解热力学第

一定律，能正

例题2：烧瓶中橡胶塞连接一根玻曜管，玻璃管内有一段水柱，将一

定的气体密闭在烧瓶内，用手捂住后.气体膨胀，使水柱缓慢向外确运用4U、

移动。Q、W的符号

进行定量的分

析。

讨论解决问题，归纳

(1)瓶内气体的体积从％变成rv2.这个过程中瓶内的气体对水解题思路

柱做了多少功？

(2)若某密闭容器内的气体吸收了500J的热量，膨胀时对外功2U0J,

气体的内能如何变化？

(3)若在另一个过程中，测得系统的内能增大了600J,这个过程气

体膨胀时时外做了300J的功，气体是吸热还是放热了？

过渡：热力学第一定律告诉我们热是一种运动可以和机械运动

相互转化，内能与其他形式的能量发生转化过程中是守恒的。在历

史上，热力学第一定律几乎与能量守恒定律几乎是同时发现的。从

能量守恒定律的孕育到成立，科学家们都遇到了哪些困难，而对困

难时科学家是怎么想的，最后又是如何克服的，我们循着历史的足解决问题

迹来一起看看。

二、能量守恒定律

了解能量守恒

1、能量守恒定律的孕育

定律建立的过

(1)守恒思想的萌芽

程。体会其中

(2)各种能量间的转化现象陆续被发现

理论与实验的

(3)永动机的失败经验。

相互促进，科

随着各种能量之间的转化现象的发现，科学家们逐渐意识到要用

学方法的运

联系的观点去观察和认识自然，机械能守恒定律和永动机的失败实

用，以及科学

验也启示这人们想到能量守恒，在19世纪30年代末、40年代初，

家们的科学精

不同领域的科学家从不同的角度发现了不同形式能量转化之间的关

神。

系，提出了能量守恒的思想"

2、能量守恒定律的建立

(1)化学过程中的能量关系的发现

(2)迈尔从生物学方面的研究

理解能量的转

(3)焦耳热动当量的测定

分析讨•论解决问题化和守恒

(4)亥姆霍兹的理论概括

3、能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消

失，它只能从一•种形式转化为另一•种形式，或者从一个物体转移到

别的物体，在转化和转移过程中其总量不变。

问题：你能说说生活中的许多能量转化现象吗？总结

原子核裂变过程中给能量守恒吗？

永动机违背了能量守恒定律，不可能制成。

4、能量守恒定律的意义：

①揭示了自然规律的多样性和统一性。②能量守恒是普遍适

用的规律；③指导着人们的生产、科研

5、运用能量守恒定律解释生活中的现象

乒乓球从高处下落，注意观察实验现象。

问题1：乒乓球卜落过程受到了哪些力？回顾本节课的

问题2：乒乓球下落的过程中能量是如何转化的？内容，对所讲

问题3：乒乓球在与地面碰撞的过程中能量是如何转化的？内容进行提

问题4：乒乓球与地面碰撞后反弹后到达的高度越来越低，为什炼。

么？

三、小结

热力学第一定律、能量守恒定律

一、热力学第一定律：

1、内容：一个物体的内能增量等于物体吸收的热量与外界对物体所做的功之和。

2、表达式：AU=W+Q

板3、对公式AU、Q、W符号的规定：

书

名称内能的改变热量做功

设

符号AUW

计Q

取正值内能增加吸热外界对物体做功

取负值内能减少放热物体对外界做功

二、能量守恒定律

1.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只脆从一种形式转化为另一种形式，或

者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移过程中其总量不

2.第一类永动机违反了能量守恒定律，不能制成

作业拓展任务和巩固练习

热力学第一定律能量守恒定律学习任务单

课前回顾：

问题1:在我们生活中离不开各种各档的能量，请举出生活中的实例说说物体具有哪些形式的能量，这些能

量在具体的过程中经历了转化成了什么形式的能量？

问题2：改变内能有哪些方式？如果给你一小段铁丝，你有哪些办法可以让它升温？

1.改变内能的两种方式：―与.两者在改变系统内能方面是.

2.热力学第一定律

（1）人们关于热本质的争论：

热质说热动说

观点

问题：热质说在解释什么实验现象遇到了困难？

（2）内容：一个热力学系统的内能增星等于外界向它传递的—与外界对它所的和.

（3）热力学第一定律的表达式：°此式是标量式，应用时除了要注意热量的单

位应统一为“焦耳”，，同时还要注意。和卬的正、负。

物理量符号意义符号意义

△U十—

Q+—

W+一

3.能量守恒定律

（1）能量守恒定律的建立过程伏“即第希簿

孕育期：①科学家一直在追寻守恒量的道路匕并且己化雄《卜松■田

m经发现了机械

能守恒定律；②各种形式的能量之间的转化现象逐渐被。芭X®4mx国工运X调）发现；③各种水

动机的实验失败3危艮褊，贝力电d品

建立期：、、的贡献最大。

（2）能量守恒定律的内容；

（3）永动机不可能制成的原因是

拓展学习任务：

I.查找资料了解历史上的永动机。

2.在能量守恒定律的建立过程中有很多科学家做出了贡献，请查阅资料了解他们的生平和科学研究经历。

3.有一种“永动”玩具一一饮水鸟.小鸭的头和身由两个玻璃球构成，并通过细玻璃管相连。下球盛有一

些乙醛，上球连同尖嘴被吸水毛毡包起来。我们将鸟俯下身去，把嘴浸到水里，“喝”「一口后，直立起来。

可是直立摇晃一会儿后它又会俯下身去，等到鸟嘴浸到了水，“喝”了一口，又会直立起来摇晃，如此循环

往复,，它不停地点头喝水。似乎达到了•种“永动”的状态，但是经过这节课的学习我们知道不存在不消耗

能源却能够一直工作的机械，那你能够尝试说明饮水鸟的能量来源吗？

参考：小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙壁蒸气被液化，

压强减小，液柱上升，小鸭重心上移,直到小鸭倾倒。处于倾倒位置的小鸭，头部再次被浸湿，上下玻璃

球内的气体相通，压强相等，乙罐流回下玻璃球内，重心下移，小鸭站立。如此循环往梵。可见，正是因

为小鸭头部“饮水”后水不断蒸发，吸收了察觉不到的空气的热量，才使小鸭能够持续工作下去。

课前回顾：

问题1、生活中存在电能、化学、光能、核能等，比如：水力发电，机械能转化为电能，电能通过电灯转化

成光能和内能：通过给手机充电，电能转化成化学能和内能。

问题2、改变内能的方式：做功和热传递。是铁丝升温的方式：反复弯折它，会发现弯折的地方，铁丝的温

度升高，还可以把铁丝与砂纸摩擦等，还可以把铁丝放进热水里。

1、改变内能的两种方式：与.两者在改变系统内能方面是______.做功、热传递、等价的

2、热力学第一定律

(1)人们关于热本质的争论

热质说热动说

观点热是一种没有重量、可以在物体中流动的热是粒子运动的表现，物体由于粒子的剧烈运动

物质而发热

热质说在解释摩擦生热现象时遇到了困难，摩擦生热中只要摩擦，热不断的产生，如果热是一种物质，不

可能凭空产生。

(2)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的_热量.与外界对它所一功_的和.

(3)热力学笫一定律的表达式：。此式是标星式，应用时除了要注意热量的单位应统

一为“焦耳”，同时还要。和W的正、负值。

物理量符号意义符号意义

△U+系统的内能增加-系统的内能减少

Q+系统从外界吸热—系统向外界放热

W+外界对系统对功—系统对外界做功

3.能量守恒定律

（1）能量守恒定律的建立过程伏打册按第送公不

孕育期：①科学家一直在追寻守恒量的道路匕并且已『n支］..孝q&勰诃经发现了机械

能守恒定律：②各种形式的能量之间的转化现象逐渐被公司•:嬴［葩户出工运好就）发现：③各种永

动机的实验失败

««,«*电港峥瑞?器懿溜

建立期：_连尔、一隹耳一、一亥姆霍兹一的贡献最大。

（2）能量守恒定律的内容：

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别

的物体，在转化和转移的过程中，其总量不变。

（3）永动机不可能制成的原因是违背能量守恒定律_____________

【课后练习】

1.在热力学第一定律的表达式AUnW+Q中，关于△（7、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是（）

A.外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时AU为正

B.物体对外界做功时W为负，吸热时。为正，内能增加时为负

C.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时AU为正

D.外界对物体做功时W为负，吸热时。为负，内能增加时△（/为负

2.气体膨胀对外做功100J,同时从外界吸收了120J的热量，它的内能的变化是（）

A.减小20JB.增大20J

C.减小220JD.增大220J

3.关于物体内能变化，以下说法中正确的是（

A.物体对外做功,温度一定降低，内能i定减少

B.物体吸收热量,温度一定增加，内能一定增大

C.物体吸收热量,同时对外做功，内能可能不变

D.物体放出热量,同时刻外做功，内能可能不变

4.一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相比（）

A.气体内能一定增加

B.气体内能一定减小

C.气体内能一定不变

D.气体内能的增减不能确定

5.有些地方出租车常以天然气作为燃料。加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气

体体积及质量均不变，则罐内气体（可视为理想气体）（）

A.压强增大,内能减小

B.吸收热量,内能增大

C.压强减小,分子平均动能增大

D.对外做功,分子平均动能减小

6.某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨

胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体

分子间相互作用，则缸内气体（）

A.对外做正功，分子的平均动能减小

B.对外做正功,内能增大

C.对外做负功，分子的平均动能增大

D.对外做负功，内能减小

7.如图所示，・演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻

杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转形状记忆合金轮后，进入热水的

叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动.离开热水后,叶片形状迅速恢

复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（）

A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量

B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高历

D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量

8.如图所示，/、8两点表示•定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态力变

化到状态4时（）

A.气体内能一定增加B.气体压强变大

C.气体对外界做功D.气体对外界放热

9.（多选）下面设想符合能量守恒定律的是（）

A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械

B.做一条船，利用流水的能量逆水行舟

C.通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行

D.利用核动力，驾驶地球离开太快系

10.行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中

匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。卜.述不同现象中所包含的相同的物理

过程是（）

A.物体克服阻力做功

B.物体的动能转化为其他形式的能量

C.物体的势能转化为其他形式的能量

I）.物体的机械能转化为其他形式的能量

11.约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰・维尔金斯设计了一种磁力“永

动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小

孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道.维尔金斯认为：如果在斜

坡底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球

运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底

端。处，由丁•有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小

孔P处又掉下。在以后的二百多年里.维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878

年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，而且竟在德国取得了专利权。

请你分析一卜，维尔金斯“永动机”能实现吗？

【课后练习参考答案】

1.解析:根据公式A〃二秒0中的符号法