初中物理九年级全一册第十三章第一节《内能》教学设计

初中物理九年级全一册第十三章第一节《内能》教学设计

  一、课标要求与核心素养分析

  本节课内容对应于《义务教育物理课程标准（2022年版）》中“能量”主题下的“内能”部分。课标要求为：1.了解内能和热量。2.通过实验，了解比热容，尝试用比热容说明简单的自然现象。从核心素养角度审视，本节课旨在达成以下目标：物理观念：建构“内能”这一核心概念，理解内能是能量的一种重要形式，与机械能形成区分与联系，初步形成物质观和能量观。科学思维：通过类比法（分子动能与物体动能、分子势能与弹性势能/重力势能）建立微观模型，理解宏观物理量的微观本质；运用分析、综合、推理等思维方法，探究影响内能大小的因素。科学探究：经历“探究影响物体内能大小因素”的猜想、设计与交流过程，培养实验设计能力和基于证据得出结论的科学态度。科学态度与责任：通过探讨内能利用与环境保护、热机效率等议题，认识到科学技术对社会发展和自然环境的影响，培养可持续发展的责任感。

  二、教材分析与整合

  本节课是人教版九年级全一册第十三章《内能》的起始节，属于“能量”大概念体系中的核心章节。本章继“机械能”之后，将能量的研究从宏观物体拓展到微观粒子，是学生认识能量形式多样性的关键转折点，也是后续学习“内能的利用”、“热机”以及高中“热力学定律”、“分子动理论”的基石。教材编排遵循从现象到本质、从宏观到微观的认知规律，通过生活实例引入，借助类比方法建构概念，最后落脚于内能改变的实践应用。本节内容逻辑严密，但微观世界的不可视性对学生抽象思维能力提出了较高挑战。因此，教学设计需着力于将微观过程宏观化、可视化，通过多重类比和探究活动，搭建认知脚手架。跨学科联系方面，可与化学的“分子与原子”、地理的“热力环流与气候”、生物的“生命活动中的能量转化”等知识进行有机整合，体现STEM教育理念。

  三、学情分析

  教学对象为九年级学生。其认知特点与知识基础如下：已有知识与经验：学生已经学习了机械能（动能和势能）的概念，掌握了分子动理论的基本观点（物质由分子构成、分子在永不停息地做无规则运动、分子间存在引力和斥力）。在生活中，对“热”、“温度”、“摩擦生热”、“加热”等现象有丰富的感性经验。认知障碍与困难：1.抽象思维障碍：学生难以直接感知分子无规则运动的动能和分子间相互作用的势能，将微观粒子行为与宏观物理量“内能”相联系存在困难。2.概念混淆风险：容易将“内能”与“热量”、“温度”混为一谈，对三者关系理解模糊。3.思维定式影响：受机械能概念影响，可能误认为静止的、位置低的物体内能一定小。学习心理与能力：九年级学生逻辑思维能力正从经验型向理论型过渡，具备一定的抽象概括和推理能力，对探究性学习活动兴趣浓厚，但设计完整实验方案、控制变量的严谨性有待提升。信息技术的熟练运用能力为开展数字化探究提供了可能。

  四、教学目标

  依据课程标准、教材分析和学情分析，确立以下三维教学目标：

  1.知识与技能

  （1）能准确复述内能的定义，知道内能的单位是焦耳（J）。

  （2）能运用类比方法，解释物体内能是分子动能和分子势能的总和。

  （3）能辨析内能与机械能的区别与联系。

  （4）能通过实例分析，归纳总结影响物体内能大小的主要因素（物质种类、质量、温度、体积/状态），并说明理由。

  （5）能正确区分“内能”、“热量”、“温度”三个概念。

  2.过程与方法

  （1）经历“建构内能概念”的类比推理过程，体会用微观模型解释宏观现象的科学研究方法。

  （2）通过小组合作，参与“探究影响内能大小因素”的实验方案设计、讨论与优化，提升控制变量法和转化法（如通过观察物体温度变化、状态变化来间接推断内能变化）的应用能力。

  （3）通过分析生活与科技实例，学习用物理原理解释现象、解决简单实际问题的方法。

  3.情感·态度·价值观

  （1）通过了解人类对内能的探索和利用史（如从钻木取火到蒸汽机），感受科学发现的艰辛与乐趣，培养探索未知世界的科学热情。

  （2）在小组探究中养成主动参与、乐于合作、尊重证据、交流反思的科学态度。

  （3）通过讨论“提高热机效率”、“开发新能源”等议题，初步建立能源利用的效益观和环境保护的可持续发展观。

  五、教学重点与难点

  教学重点：内能概念的建立；影响内能大小的因素。

  教学难点：从微观角度（分子动理论）理解内能本质；内能、热量、温度三者的区别与联系。

  六、教学策略与方法

  总体策略：采用“大概念统领、情境线贯穿、问题链驱动、探究活动主体”的设计思路。以“能量”大概念为背景，创设“从钻木取火到现代动力”的宏观情境线索，设计环环相扣的问题链，引导学生思维层层深入。以学生小组探究和数字化实验为主要活动形式，促进深度学习。

  主要教学方法：

  1.类比教学法：核心策略。将“分子动能”类比为“物体动能”，将“分子势能”类比为“重力势能/弹性势能”，借助学生已有的机械能知识框架，顺利建构内能概念。

  2.探究式教学法：针对“影响内能大小因素”设计开放度适中的探究任务，学生经历“猜想-设计-论证-评估”的完整探究过程。

  3.支架式教学法：针对难点，提供“概念对比表”、“微观动画模拟”、“数字化传感器实时监测”等多种认知工具和学习支架。

  4.讨论法与讲授法结合：关键节点由教师精讲点拨（如概念辨析），同时组织小组讨论、全班辩论，激发思维碰撞。

  七、教学资源与准备

  教师准备：

  1.多媒体课件（内含：钻木取火、蒸汽机工作、冰山与熔岩对比等视频/图片；分子运动与内能关系的动态模拟动画；概念辨析图表）。

  2.数字化实验系统：温度传感器、数据采集器、计算机及投影设备。

  3.分组实验器材（6-8组）：相同规格的烧杯两个、温度计两支、质量相同的铁块和铝块、酒精灯、石棉网、三脚架、冷水、热水、冰块、细沙、小锤、铁丝（用于反复弯折实验）、凡士林少许。

  4.演示实验器材：空气压缩引火仪、硝化棉、带活塞的厚壁玻璃筒（配合乙醚演示做功改变内能）。

  5.学案（导学案），包含学习目标、问题链、探究任务单、概念图框架、梯度练习等。

  学生准备：预习教材相关内容，复习分子动理论和机械能知识；分好学习小组（4-6人一组）。

  八、教学过程设计

  第一课时：内能概念的建构与影响因素探究

  （一）创设情境，悬疑导入（预计时间：8分钟）

    （教师播放两段对比视频：一段是远古人类钻木取火，木屑冒烟最终燃烧；另一段是现代火箭发动机尾部喷出炽热火焰，推动火箭升空。）

    师：“请同学们仔细观察这两个场景。它们发生在相隔万年的不同时代，使用的工具天差地别，但背后却有一个共同的物理本质——它们都在利用一种‘隐藏’的能量来做事。这种能量不是飞箭具有的动能，也不是高山巨石具有的势能。它是什么？它从哪里来？为什么摩擦木头、燃烧燃料就能释放出它？”

    （学生观看、思考、议论，产生认知冲突和探究欲望。）

    师：“今天，我们就一起揭开这种‘隐藏’能量的神秘面纱。它就是——‘内能’。让我们先从最熟悉的现象入手。”

    （教师出示一杯热水和一杯冷水。）

    师：“请触摸杯壁，感受不同。‘热’是什么？温度计的示数高低又代表了什么？让我们回到物质的微观世界去寻找答案。”

  （二）温故知新，搭建类比桥梁（预计时间：12分钟）

    活动1：微观世界的“运动会”回顾

    师：“请各小组回顾并快速回答：分子动理论的三个基本观点是什么？”

    （学生小组抢答，教师板书要点：1.物质由大量分子组成；2.分子永不停息地做无规则运动；3.分子间存在相互作用的引力和斥力。）

    师：“很好。那么，正在做无规则运动的分子，具有动能吗？为什么？”

    生：“具有。因为任何运动的物体都具有动能，分子虽然小，但在运动，所以具有动能。”

    师：“精彩！我们给这种动能一个专门的名称——‘分子动能’。那么，温度与这个‘分子动能’有什么关系？请结合冷水、热水的例子思考。”

    （教师播放不同温度下分子运动剧烈程度的模拟动画。学生观察并讨论。）

    生：“温度越高，分子运动越剧烈，说明分子的平均动能越大。所以，温度是分子平均动能的标志。”

    师：“非常准确的科学表述！那么，存在相互作用力的分子之间，具有势能吗？类比一下。”

    （教师引导学生回忆：被举高的重物具有重力势能，因为与地球间有引力；被拉伸的弹簧具有弹性势能，因为分子间有相互作用力。学生进行类比推理。）

    生：“分子间有引力和斥力，所以它们之间也应该具有势能，可以叫‘分子势能’。”

    师：“完美！分子势能的大小由什么决定呢？类比重力势能（与高度、质量有关）、弹性势能（与形变程度有关）。”

    生：“应该与分子间的距离有关，也就是跟物体的体积和状态有关。比如，物体被压缩或拉伸时，分子间距离改变，分子势能就变了。”

  （三）归纳建构，形成核心概念（预计时间：10分钟）

    活动2：给“总和”起个名字——内能

    师：“现在，我们把目光从单个或一对分子，放大到物体内所有分子。物体内部所有分子的分子动能，和所有分子的分子势能，把它们加起来，这个总能量在物理学上有一个专有名称，就是我们今天要学的——内能。”

    （教师板书核心定义：内能（internalenergy）：物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和。）

    师：“内能的单位是什么？能量的单位都是焦耳（J）。”

    深化理解与辨析：

    1.一切物体都有内能吗？（引导学生思考：绝对零度达不到，分子永不停息运动，所以一切物体在任何情况下都具有内能。）

    2.内能与机械能的区别与联系？（出示表格支架，学生小组讨论后填写）

      |对比项|机械能|内能|

      |:---|:---|:---|

      |研究对象|宏观物体（整体）|微观粒子（分子等）|

      |能量形式|动能、重力势能、弹性势能|分子动能、分子势能|

      |影响因素|质量、速度、高度、形变|分子数量、种类、温度、体积/状态|

      |联系|在一定条件下可以相互转化（如摩擦生热、蒸汽机）||

    3.冰山和熔岩，谁的内能大？（抛出认知冲突。学生常认为温度高的熔岩内能大。引导分析：内能是“总和”，取决于分子数（质量）、分子种类（比热容）、温度、状态。冰山质量巨大，虽然分子平均动能小，但分子数量极多，且冰熔化成水需要吸收大量能量增加分子势能，所以总内能可能非常巨大。强调“内能大小不能单看温度”。）

  （四）合作探究，揭秘影响因素（预计时间：25分钟）

    驱动问题：“既然内能是‘总和’，那么哪些因素会影响这个‘总和’的大小呢？请结合生活经验和刚才所学，提出你的猜想。”

    （学生小组讨论，提出猜想，可能包括：温度、质量、物质种类（材料）、体积、状态等。教师板书所有合理猜想。）

    探究任务：“如何设计实验来验证‘温度’和‘物质种类’对物体内能大小的影响？请注意，内能无法直接测量，我们可以观察什么现象来间接推断内能的变化？（提示：温度变化、状态变化是内能变化的常见标志）”

    活动3：设计并实施探究方案

    1.探究“温度”的影响：

      各小组领取等质量的两杯冷水（如50ml），一杯保持室温，另一杯用酒精灯缓慢加热。每隔30秒用温度传感器（或温度计）测量并记录两杯水的温度，同时描述手触摸杯壁的感觉差异。思考：加热后，水的内能如何变化？标志是什么？

    2.探究“物质种类”的影响（对比实验）：

      领取质量相同的铁块和铝块，初始温度相同（可均置于室温下足够长时间）。用凡士林在两金属块上各粘一粒小绿豆（或火柴梗）。同时用酒精灯火焰加热两金属块的另一侧相同时间。观察哪块金属上的绿豆先脱落。思考：绿豆脱落说明什么？吸收相同热量后，温度变化不同的金属，其内能变化相同吗？这对“内能大小与物质种类有关”有何启示？（关联后续“比热容”概念伏笔）

    3.体验“做功”改变内能（为下节课铺垫）：

      体验活动一：反复弯折一段铁丝十余次，用手触摸弯折处，感受温度变化。

      体验活动二：将一小块冰块放在木板上，用锤子快速敲击几十下，观察冰块接触木板处的变化（可能略有融化）。

      思考：这些过程中，没有热传递，物体的内能如何改变了？是什么形式能转化成了内能？

    （学生分组实验，教师巡视指导，重点关注实验设计的严谨性、变量的控制、观察记录和结论推导的科学性。）

    活动4：交流论证，形成结论

    各小组派代表汇报实验现象、数据分析及初步结论。全班进行质疑、补充和评估。

    教师引导学生归纳并精讲：

    1.影响物体内能大小的因素：

      -温度：在状态、质量、材料不变时，温度升高，分子平均动能增大，物体内能增大。

      -质量（分子数量）：在温度、材料、状态相同时，质量越大，分子总数越多，物体内能越大。

      -物质种类（比热容）：在质量、温度变化相同时，不同物质由于分子结构和相互作用不同，改变相同的温度所需吸收或放出的热量不同，即内能变化的“能力”不同，这反映了物质本身储存内能的本领不同。

      -体积与状态：对于气体，体积变化显著影响分子间距离，从而影响分子势能。对于固体和液体，状态变化（如熔化、汽化）是分子势能发生显著变化的标志，此过程中温度不变，但内能大幅增加。

    2.内能变化的标志：温度变化是内能变化的常见标志（对应分子动能变化），但并非唯一标志。状态变化、体积变化也可能导致内能变化（对应分子势能变化）。

    （教师演示“空气压缩引火仪”实验，进一步强化做功可以改变内能，为第二课时做铺垫。）

  （五）课堂小结与概念图构建（预计时间：5分钟）

    师：“请各小组合作，利用概念图的形式，将本节课的核心概念——‘内能’、以及它与‘分子动理论’、‘影响因素’、‘机械能’等概念的关系梳理出来。”

    （学生小组绘制概念图，教师选择有代表性的进行展示和点评。教师呈现完整的概念图框架作为总结。）

    附：课堂小结概念图（框架）

    [核心概念：内能]

    ├─定义：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)

    ├─微观本质（源于分子动理论）

    │ ├─分子动能→与温度有关

    │ └─分子势能→与分子间距（体积、状态）有关

    ├─特性：一切物体在任何情况下都具有内能

    ├─影响因素（决定内能大小）

    │ ├─温度（↑，平均动能↑，内能↑）

    │ ├─质量/分子数量（↑，内能↑）

    │ ├─物质种类/比热容（固有属性）

    │ └─体积与状态（影响分子势能）

    └─与机械能的关系

      ├─区别（研究对象、形式）

      └─联系：可以相互转化

  九、板书设计（第一课时）

  第十三章内能

  第1节认识内能

  一、内能（U）

  1.定义：物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和。

  2.单位：焦耳（J）。

  3.普遍性：一切物体，任何情况，都具有内能。

  二、从微观理解内能

  分子动理论→分子在运动（具有动能）→分子间有作用力（具有势能）

  温度↑→分子平均动能↑

  状态/体积变→分子间距变→分子势能变

  三、影响内能大小的因素

  -温度（T）-质量（m）

  -物质种类（c）-体积与状态

  四、内能与机械能

  ||机械能|内能|

  |---|---|---|

  |对象|宏观物体|微观分子|

  |形式|动能、势能|分子动能、势能|

  |联系|可相互转化|

  十、作业设计（第一课时）

  A层（基础巩固，全体完成）：

  1.请用自己的话给一位小学生解释“什么是内能”，要求至少使用一个类比。

  2.教材课后练习题第1、2题。（针对性练习：判断有无内能，分析内能变化）

  3.列举三个生活中的实例，分别说明物体的内能发生了变化，并指出是哪个因素导致的变化。

  B层（能力提升，选做）：

  4.思辨题：“一杯50℃的水的内能一定比一桶30℃的水的内能小吗？为什么？”请撰写一段约200字的分析短文，要求论证清晰，有理有据。

  5.小调查：查阅资料（或询问家人），了解家庭常用的取暖设备（如空调、暖气、电暖器）主要是通过哪种方式（做功还是热传递）来改变室内空气的内能的？简要说明其工作原理。

  C层（拓展探究，兴趣小组）：

  6.微型项目设计：设计一个简单的实验方案，验证“质量”是影响内能大小的因素。列出所需器材、步骤、预期现象和结论。考虑如何控制温度、物质种类等其他变量不变。

  ---

  （第二课时：内能的改变方式及热量概念辨析）

  教学过程设计（续）

  （一）复习导入，聚焦新问题（预计时间：5分钟）

    师：“上节课我们认识了内能，知道它是一个与物体内部微观世界相关的能量。现在有两个问题：第一，如何‘测量’或比较不同物体的内能大小？第二，我们如何才能改变一个物体的内能？今天，我们先攻克第二个问题。”

    （教师快速回顾上节课探究中涉及的改变内能实例：加热水、摩擦铁丝、敲击冰块、压缩空气等。）

    师：“观察这些实例，改变物体内能的方法似乎可以归为两大类。你能试着分类吗？”

  （二）实验探究，归纳改变方式（预计时间：20分钟）

    活动1：热传递改变内能——以“热”之名

    1.演示与观察：教师将一段粗金属丝的一端插入热水杯中，另一端用手持温度传感器监测。学生观察温度示数上升。

    2.分析本质：师：“热水的内能减少了，金属丝的内能增加了。内能从高温物体（热水）转移到了低温物体（金属丝）。这种内能的转移过程，在物理学上叫做‘热传递’。”教师板书：热传递：内能从高温物体向低温物体转移的过程。

    3.生活举例：学生列举生活中热传递的例子（晒太阳、用暖手宝、冰块降温等）。

    4.方向性与条件：强调热传递发生的条件是存在温度差，方向是自发地从高温物体指向低温物体，直到温度相同（热平衡）。

    活动2：做功改变内能——以“力”之功

    1.重温经典演示：教师再次演示“空气压缩引火仪”。详细解释：活塞快速下压，压缩筒内空气，对空气做功，机械能转化为空气的内能，温度骤升，达到硝化棉的燃点。

    2.学生实验深化：

      -对物体做功，内能增加：各小组进行“压缩气体”体验：用带活塞的注射器（出口堵住），快速压缩管内空气，用手触摸注射器下部管壁，感受温度变化。

      -物体对外做功，内能减少：教师演示“气体膨胀对外做功”实验：在厚壁玻璃瓶内滴入少许乙醚，塞紧活塞，稍等片刻使瓶内充满乙醚蒸汽。然后突然松开活塞（或触发机构使活塞被冲开），学生观察瓶口出现的“白雾”。分析：乙醚蒸汽推动活塞对外做功，自身内能减少，温度降低，部分蒸汽液化成小液滴形成“白雾”。

    3.归纳本质：师：“无论是压缩气体还是气体膨胀，都是通过‘做功’的方式，实现了机械能与内能之间的相互转化。”教师板书：做功：其他形式的能量（如机械能）与内能相互转化的过程。

    活动3：对比与辨析

    师：“热传递和做功，这两种改变物体内能的方式，有什么本质区别？”引导学生小组讨论后填写对比表。

      |方式|热传递|做功|

      |:---|:---|:---|

      |本质|内能的转移过程|能量形式的转化过程|

      |条件|存在温度差|需要对物体做功或物体对外做功|

      |能量变化|一个物体内能减少，另一个增加，总能量不变（转移）|一种形式的能（如机械能）减少，另一种形式的能（内能）增加，或反之（转化）|

      |表述|“吸收热量”或“放出热量”|“外界对物体做功”或“物体对外界做功”|

    教师强调：两种方式在改变内能上是等效的。做功和热传递是改变物体内能的两种途径。

  （三）概念辨析：内能、热量、温度（预计时间：15分钟）

    核心难点突破：学生最易混淆的三个概念。

    活动4：“法官”断案——厘清概念关系

    教师呈现一系列说法，由学生小组扮演“物理小法官”，判断正误并说明理由。

    1.“物体的温度越高，含有的热量越多。”（误。热量是过程量，不能说“含有”。）

    2.“物体内能增加，一定是吸收了热量。”（误。也可能是外界对物体做了功。）

    3.“热量总是从内能大的物体传给内能小的物体。”（误。热传递方向只取决于温度。）

    4.“物体吸收热量，温度一定升高。”（误。如晶体熔化、液体沸腾时，吸热但温度不变，内能增加体现在分子势能增加。）

    5.“物体的温度不变，内能一定不变。”（误。可能发生状态变化，分子势能改变。）

    （通过激烈辩论和教师精讲，澄清概念。）

    精讲总结：

    -温度：状态量。表示物体的冷热程度，微观上是分子平均动能的标志。

    -内能：状态量。物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和。取决于物质的量（m）、温度（T）、体积（V）、状态等。

    -热量：过程量。只在热传递过程中出现，是内能转移多少的量度。单位是焦耳（J）。表述时必须说“吸收”或“放出”热量。

    关系：热传递可以改变物体的内能（转移内能），传递内能的多少叫热量。温度变化是内能变化的常见标志之一，但非充要条件。

  （四）联系实际，科技前沿与责任（预计时间：8分钟）

    活动5：内能利用的“效率”与“未来”

    1.从蒸汽机到内燃机：播放简短视频，展示热机（蒸汽机、汽车发动机）基本工作原理：燃料燃烧释放化学能（通过热传递）转化为工质的内能，高温高压工质推动活塞做功，将部分内能转化为机械能。

    2.抛出问题：“燃料燃烧释放的内能，能全部用来做有用功吗？为什么？”（引导学生思考：废气会带走大量内能，机器部件摩擦会生热等，从而引出“热机效率”概念，为下节铺垫。）

    3.讨论与责任：小组讨论“提高热机效率、开发新能源汽车（如电动汽车、氢燃料电池车）对于节约能源、保护环境的意义”。引导学生认识科学、技术、社会、环境（STSE）的紧密联系，培养可持续发展观。

  （五）课堂总结与整体建构（预计时间：7分钟）

    师生共同完成本节课的知识脉络梳理，并整合到第一课时的概念图中，形成关于“内能”的完整知识结构。

    新增部分至概念图：

    [核心概念：内能]

    ├─...

    └─改变内能的方式（两种等效途径）

      ├─热传递

      │ ├─本质：内能的转移

      │ ├─条件：温度差

      │ ├─方向：高温→低温

      │ └─量度：热量（Q）（过程量）

      └─做功

        ├─本质：其他能与内能的转化

        ├─种类：对物体做功（内能↑）；物体对外做功（内能↓）

        └─实例：压缩、摩擦、气体膨胀...

  十一、板书设计（第二课时增补）

  （接第一课时板书）

  五、改变物体内能的方式

  1.热传递

  -本质：内能的转移。

  -条件：存在温度差。

  -方向：高温→低温。

  -量度：热量(Q)。

  2.做功

  -本质：能量转化（如：机械能↔内能）。

  -种类：外界对物体做功→内能↑；物体对外界做功→内能↓。

  -特点：与热传递在改变内能上等效。

  六、内能、热量、温度辨析

  -温度：冷热程度（状态量），分子平均动能标志。

  -内能：所有分子动能和势能总和（状态量）。

  -热量：热传递中内能转移的多少（过程量）。

  十二、作业设计（第二课时）

  A层（基础巩固）：

  1.教材课后练习题第3、4题。（判断改变内能方式）

  2.完成概念辨析表：分别举例说明“物体内能增加，可能由于吸收热量，也可能由于外界对它做功”。

  3.解释现象：冬天手冷时，搓手可以取暖，哈气也可以取暖，这两种方法在改变内能的方式上有何不同？

  B层（能力提升）：

  4.