九年级物理（人教版）第十三章第2节“内能”探究式教学设计

九年级物理（人教版）第十三章第2节“内能”探究式教学设计

一、课程基本信息与设计理念

  1.学科与年级：初中三年级（九年级）物理。

  2.教材版本：人民教育出版社《物理》九年级全一册。

  3.课题名称：第十三章《内能》第2节内能。

  4.课时安排：2课时（共90分钟）。

  5.设计理念：本设计以发展学生物理核心素养为宗旨，遵循“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。以建构主义学习理论为基础，通过创设真实、复杂的问题情境，引导学生在主动探究、协作对话中自主建构“内能”概念，深刻理解其微观本质及改变方式。设计强调跨学科视角，融入热学与分子动理论、化学变化、生命科学及工程应用的联系，培养学生的系统思维与科学本质观。教学过程采用“情境-问题-探究-生成-应用-评价”的闭环模式，注重科学探究能力、批判性思维及创新意识的培养，体现“教-学-评”一致性。

二、学情分析与教学重难点

  1.学情分析：学生在学习本章第1节“分子热运动”后，已经初步建立了物质由大量分子组成、分子在永不停息地做无规则运动、分子间存在相互作用力的微观图景，并了解了“分子动能”、“分子势能”的初步概念。这为理解“内能”这一宏观物理量的微观本质奠定了基础。九年级学生具备一定的抽象逻辑思维能力，但对于将微观粒子群体的行为与宏观物理量（如温度、内能）建立定量和定性联系仍存在困难。在生活中，学生对“热”、“温度”、“能量”有丰富的感性经验，但常常混淆这些概念，对于“内能”这一看不见、摸不着的能量形式缺乏清晰认知，特别是对“做功”和“热传递”在改变内能上具有等效性但本质不同的理解容易存在偏差。

  2.教学重点：

    (1)内能的概念及其微观本质。

    (2)影响物体内能大小的因素。

    (3)改变物体内能的两种方式：做功和热传递。

  3.教学难点：

    (1)理解内能是系统内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，而非单个分子的能量。

    (2)区分“内能”与“机械能”，理解内能是不同于机械能的另一种能量形式。

    (3)深刻理解“做功”和“热传递”在改变物体内能上的等效性及其本质区别。

    (4)运用内能知识解释复杂的自然现象和工程技术问题。

三、素养导向的教学目标

  1.物理观念：

    形成基于分子动理论的物质观念和能量观念。能准确阐述内能的定义，从微观角度（分子动能和分子势能）解释内能的本质。理解内能是物质的一种基本属性，与物体的质量、物态、温度等因素有关。建立“做功”和“热传递”是能量转移或转化的过程的观念。

  2.科学思维：

    发展模型建构和科学推理能力。能够运用分子动理论模型，通过类比（如将分子热运动类比为人群的无序运动，将分子势能类比为弹簧势能）理解抽象概念。通过分析宏观现象（如摩擦生热、压缩气体发热）推理其微观机理。能对“温度、热量、内能”进行辨析，形成清晰的逻辑框架。运用控制变量思想分析影响内能大小的因素。

  3.科学探究：

    提升问题提出、方案设计和证据分析能力。能针对“如何改变铁丝的内能”等问题提出可检验的猜想。设计并实施简单的实验（如弯折铁丝、用砂纸摩擦铁丝、加热铁丝），观察现象，收集证据，归纳出改变内能的两种基本方式。能对实验方案进行评估与优化。

  4.科学态度与责任：

    激发探索自然界热现象的兴趣和热情，养成实事求是、严谨认真的科学态度。认识内能知识在热机、制冷、材料加工、生命活动等领域的重要应用，体会物理学对技术进步、社会发展的推动作用，树立将科学服务于人类的意识，关注能源利用与可持续发展问题。

四、教学资源与环境准备

  1.演示实验器材：空气压缩引火仪、硝化棉；配有橡胶塞和温度计的大号厚壁玻璃瓶（模拟“焦耳实验”简化装置）；铁丝数根；酒精灯；砂纸；盛有冷水和热水的烧杯各一个；气球；红外热成像仪（可选，用于可视化展示温度变化）。

  2.分组探究器材（每组一套）：细铁丝（约20cm）、小木块、蜡烛、火柴、砂纸、凡士林少许、温度计（或数字温度传感器）。

  3.数字化学习工具：交互式电子白板、分子运动模拟软件（展示不同温度下分子动能分布、分子间距离变化对势能的影响）、微课视频（展示内能在实际中的广泛应用，如发动机工作、金属焊接、地热发电等）。

  4.学习材料：结构化导学案（内含学习目标、探究任务单、概念辨析图、分层练习题）、实物模型（用于类比分子势能）。

  5.教学环境：配备分组实验条件的物理实验室或智慧教室，支持小组协作与成果即时展示。

五、教学实施过程（两课时，共90分钟）

第一课时：建构内能概念，探究其影响因素

  （一）情境激疑，导入课题（预计用时：8分钟）

    教师活动：播放两段对比视频。视频一：冰天雪地中，一块巨大的冰块。视频二：熊熊燃烧的炼钢炉中，炽热的钢水。提出问题链：“这两个场景中，物质的状态和温度有何不同？”“根据分子动理论，构成冰和钢水的分子，其运动情况有何差异？”“分子有动能，分子间有作用力因而有势能。那么，冰块和钢水，谁所具有的分子动能和分子势能的总和更大？为什么？”

    学生活动：观察视频，联系已有知识，思考并尝试回答教师问题。可能产生“钢水温度高，分子动能大，所以总能量大”、“但冰是固体，分子势能情况复杂”等初步想法，产生认知冲突。

    设计意图：利用极端对比的宏观现象，迅速聚焦于微观粒子能量的总和这一核心，从复习旧知（分子动理论）自然过渡到新知（内能），并制造认知冲突，激发探究欲望。

  （二）概念生成，模型建构（预计用时：22分钟）

    1.内能定义的提出与微观阐释

      教师活动：明确指出，物理学中把“构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能”。板书定义。利用分子运动模拟软件，动态展示：（1）同一物体，温度升高时，分子平均动能增大，总动能增大；（2）同一物体，发生物态变化（如冰熔化成水）时，分子间距变化，重点展示分子势能的显著变化；（3）不同物体（如1g水和1g铁），在温度相同时，因分子质量、分子数不同，总动能也不同。

      学生活动：观看模拟，聆听讲解，在导学案上记录内能的定义。尝试用自己的语言描述软件展示的现象与内能定义中各部分（所有分子、热运动动能、分子势能、总和）的对应关系。

    2.深化理解：“一切物体都具有内能”

      教师活动：提出挑战性问题：“能否找到一个绝对没有内能的物体？比如，在绝对零度（-273.15℃）时？”引导学生思考：绝对零度时，分子热运动停止，动能为零，但分子间依然存在相互作用力，分子势能是否为零？（结合固体模型讲解，即使处于最低能量状态，势能也不为零，且不为负）。因此，结论是：一切物体，在任何温度、任何状态下都具有内能。

      学生活动：进行深度思考与推理，理解“一切物体都具有内能”这一结论的微观根源，突破“冷的物体没有内能”这一常见迷思概念。

    3.内能与机械能的辨析

      教师活动：展示两个场景：（A）静止在地面上的篮球。（B）同一篮球，被抛到空中运动。提问：“场景A和B中，篮球的内能是否相同？机械能是否相同？为什么？”组织小组讨论。

      学生活动：小组讨论后汇报。明确：内能取决于大量分子的微观运动（热运动）和相互作用，与物体宏观的运动状态（速度、高度）无关。篮球是否运动、位置高低，改变的是其宏观的机械能（动能和重力势能），而不影响其分子层面的热运动和分子间距，故内能不变。由此清晰区分两种不同形式的能量。

    设计意图：通过定义解析、软件模拟、思辨性问题、对比辨析等层层递进的活动，引导学生从微观本质深入理解内能概念，建立“内能是物体的固有属性”这一基本物理观念，并完成关键的概念辨析。

  （三）探究研讨：影响内能大小的因素（预计用时：15分钟）

    教师活动：提出核心探究问题：“一个物体的内能大小由哪些因素决定？”引导学生基于内能的定义（分子动能总和+分子势能总和）和内能的普遍性进行推理猜想。提供思维支架：“哪些因素会影响‘所有分子热运动动能的总和’？哪些因素会影响‘所有分子势能的总和’？”

    学生活动：以小组为单位进行讨论与推理，提出猜想并说明理由。可能的猜想：温度（影响分子平均动能）、质量（影响分子总数）、体积/物态（影响分子间距，从而影响分子势能）、物质种类（分子本身的结构和相互作用力特性）。

    教师活动：组织全班进行猜想汇报与论证。对每个猜想，引导用实例或反例进行论证。例如：①温度：同质量同种物质，温度越高，内能越大。（钢水vs.常温钢块）。②质量：同温同种物质，质量越大，分子数越多，内能越大。（一杯水vs.一桶水）。③体积/物态：一定质量的物质，物态改变时（如冰融化成水），温度可能不变（分子平均动能不变），但需要吸热，吸收的能量用于增加分子势能，从而增加内能。④物质种类：同温同质量的不同物质（如水和油），因分子质量和相互作用力不同，内能可能不同。

    学生活动：参与论证过程，完善自己的推理。在导学案上以思维导图或表格形式归纳总结影响内能大小的因素，并理解各因素如何通过影响分子动能或分子势能来影响内能。

    设计意图：将影响因素探究作为应用概念进行科学推理的训练场。学生不是被动接受结论，而是基于定义主动建构，锻炼运用微观模型解释宏观性质的能力，形成系统的分析框架。

第二课时：探究改变内能的方式及其应用

  （四）实验探究：如何改变物体的内能？（预计用时：25分钟）

    1.提出问题与猜想

      教师活动：展示一根常温铁丝。提问：“你能想出哪些方法，让这根铁丝的内能增加？（让它‘热’起来）”。将学生提出的方法（如：放在火上烤、用力反复弯折、用砂纸摩擦、放在热水里、通电等）记录在黑板上。

      学生活动：积极思考，根据生活经验提出各种方法。

    2.设计实验与进行探究

      教师活动：分发探究任务单和器材。任务：选择至少三种方法，使铁丝的内能增加，并提供证据（如触摸感觉变热、凡士林熔化、温度计示数上升等）。强调安全规范（如使用酒精灯、防止烫伤）。

      学生活动：分组合作，设计实验步骤，动手操作，观察现象，记录证据（将少量凡士林涂在铁丝上，观察其熔化情况是直观证据之一）。完成探究记录表。

    3.分析论证与归纳分类

      教师活动：组织各小组汇报实验方法、现象和结论。引导学生对黑板上的所有方法进行分类：“哪些方法中，铁丝的内能增加，是因为它从其他高温物体（火焰、热水）那里获得了‘热’？哪些方法中，并没有其他高温物体直接给它‘热’，而是通过人对它‘做功’（弯折、摩擦）？”

      学生活动：汇报交流，参与分类讨论。通过对比分析，归纳出两类本质上不同的方式：一类是“热传递”，内能从高温物体转移到低温物体；另一类是“做功”，通过机械运动（克服摩擦、压缩）将其他形式的能（机械能）转化为内能。

    4.演示实验深化理解

      教师活动：进行两个经典演示实验。

        实验一：压缩空气引火。快速压下空气压缩引火仪的活塞，引燃硝化棉。分析：活塞压缩气体做功，机械能转化为气体的内能，温度急剧升高达到硝化棉燃点。

        实验二：气体膨胀对外做功。在厚壁玻璃瓶内滴入少量酒精，用橡胶塞塞紧，用打气筒向瓶内打气。当橡胶塞被冲出时，瓶内出现白雾。分析：瓶内气体推动瓶塞做功（对外做功），自身内能减少，温度降低，酒精蒸气液化成小液滴形成白雾。

      学生活动：观察震撼的实验现象，聆听分析，理解“做功改变内能”的本质是能量形式的转化（机械能与内能的相互转化），并且做功可以增加或减少内能。

    设计意图：本环节是科学探究素养培养的核心。学生经历完整的探究过程，从生活经验到实验验证，从现象观察到本质归纳，最终自主建构“做功”和“热传递”两种改变内能方式的模型，并理解其能量转化或转移的实质。

  （五）概念辨析与体系整合（预计用时：10分钟）

    教师活动：引导学生将“内能”置于更广阔的能量概念体系中。提出辨析任务：比较“内能”、“热量”、“温度”三个概念。并比较“做功”和“热传递”两种方式。

    学生活动：在教师引导下，以小组合作形式完成辨析图表。

      概念辨析表（归纳总结）：

      -温度：表示物体的冷热程度，是分子热运动剧烈程度的宏观表现，是状态量。

      -内能：是物体内所有分子动能和势能的总和，是状态量。其变化量可以通过做功或热传递来量度。

      -热量：是在热传递过程中，内能转移的多少，是过程量。只能说“吸收”或“放出”热量，不能说“含有”热量。

      方式比较表：

      -热传递：条件：存在温度差；实质：内能的转移（从一个物体转移到另一个物体）；方向性：内能从高温物体转移到低温物体。

      -做功：条件：对物体做功或物体对外做功；实质：其他形式的能与内能之间的转化；无方向性限制。

      -联系：做功和热传递在改变物体内能上是等效的。

    设计意图：通过系统化的比较与辨析，帮助学生厘清易混淆的概念，构建清晰、结构化的知识网络，深化对能量观念的理解。

  （六）应用迁移与跨学科视野（预计用时：10分钟）

    教师活动：展示一系列与内能相关的自然现象、生活应用和科技前沿问题，引导学生运用所学知识进行解释或提出设想。

      问题链示例：

      1.（物理-工程）为什么高速行驶的汽车轮胎温度会升高？刹车时，刹车盘为什么会发烫？这其中能量是如何转化的？

      2.（物理-地理）请用热传递和做功的观点解释“做功可以生热，但摩擦冰面可以使冰熔化”这一现象。这与“下雪不冷化雪冷”的谚语有何关联？

      3.（物理-化学-生物）在化学实验中，有时需要加热使反应发生（热传递增加内能）；有时研磨或撞击反应物也能引发反应（做功增加内能）。生物体内，食物中的化学能最终如何转化为维持体温的内能？这与“做功”和“热传递”有什么关系？

      4.（物理-技术）请分析电钻钻孔时，钻头和工件温度升高的主要原因是什么？工程师在设计时需要考虑哪些散热（减少内能）方式？（热传递：散热片、冷却液；做功？）

    学生活动：选择感兴趣的问题进行思考、讨论和简要阐述。感受物理概念在解释复杂真实问题时的力量，体会学科交叉的趣味与价值。

    设计意图：将知识置于真实、复杂的跨学科情境中，促进深度理解和迁移应用。培养学生综合运用知识解决问题的能力，并拓宽科学视野，认识物理学的普适性和基础性。

六、教学评价设计

  1.过程性评价：

    -课堂观察：记录学生在概念生成讨论、实验探究、问题辨析等活动中的参与度、思维逻辑、协作能力和表达交流情况。

    -探究报告：评价学生分组实验的探究任务单，关注其方案设计、操作规范性、现象记录准确性以及结论归纳的科学性。

    -导学案反馈：检查导学案中概念图、辨析表的完成质量，了解学生知识建构的个体差异。

  2.总结性评价：

    -分层作业设计：

      基础巩固层：辨析概念，解释简单现象（如：搓手取暖、晒太阳暖和），完成课本基础练习题。

      能力提升层：分析综合现象（如：解释“钻木取火”全过程涉及的能量转化；比较冷天对手“哈气”和“搓手”取暖方式的异同），设计小实验验证猜想。

      拓展挑战层：撰写小论文或制作科普微视频，主题如：《从内能角度看“低碳生活”》、《摩擦焊接技术中的物理原理探秘》、《生命系统中的能量流动与内能》等。

    -单元测验：设计包含情境应用题、实验探究题、概念辨析题的试卷，全面评估学生对内能概念的理解深度和应用能力。

七、板书设计（思维导图式）

  中心主题：内能

  分支一：是什么？（概念）

    定义：所有分子热运动的动能与分子势能之总和。

    微观本质→（图示：分子动能+分子势能）

    特性：一切物体都具有内能（永不为零）。

  分支二：跟谁比？（辨析）

    内能vs.机械能：宏观运动与微观运动。

    内能vs.温度：状态vs.剧烈程度。

    内能vs.热量：状态量vs.过程量。

  分支三：有何关？（影响因素）

    温度（T）↑→分子平均动能↑→内能可能↑

    质量（m）↑→分子总数↑→内能↑

    体积/物态→分子间距→分子势能→内能

    物质种类→