热力学定律教学案例1 功和内能

第一节功和内能

教学目标：

（一）知识与技能

1、了解焦耳的热功当量实验，明确实验原理。

2、理解内能的概念，并了解功是能量改变的量度。

（二）过程与方法

通过实验探究、知识类比方法分析来理解内能与功的实质关系。

（三）情感、态度与价值观

物质之间的变化是万千的，它们既相互联系，又相互影响。通过焦耳热功当量的实验培养我们去探索自然、认识自然的兴趣。

教学重点：

理解物体内能的概念，知道功与内能改变的关系。

教学难点：

内能的改变与做功的方式无关，仅与做功的数量有关。

教学方法：

观察、实验、阅读、讨论和讲解法

教学用具：

压缩空气引火器，机械能转化内能演示器，无色玻璃瓶，橡胶瓶塞，打气筒等。投影仪、投影片。

教学过程：

（一）复习提问，引入新课

提问：（1）什么是物体的内能?（2）物体的内能跟什么有关?

学生思考并回答：物体中所有分子的动能和势能的和叫做物体的内能。

物体的内能与物体内的分子数、物体的温度、体积有关。

总结：物体的内能跟物体的温度有关，温度越高，物体的内能越大。也就是说当物体的温度发生了变化时，它的内能就发生了变化。如何改变物体的温度，同学们能够从生活实际上举出许多的事例。今天我们先研究一种改变内能的方法――做功。

（二）新课教学

1、焦耳的实验

［演示实验］压缩空气引火实验。

出示压缩空气引火器，简单介绍它的构造。取绿豆粒大小的一块干燥硝化棉，用镊子把棉花拉得疏松一些，放入玻璃筒底。将活塞涂上少许蓖麻油（起润滑和密封作用），放入玻璃筒的上口。此时要提醒学生注意观察筒内的棉花。迅速地压下活塞，可看到硝化棉燃烧发出的火光。

实验后，组织学生议论“实验现象说明了什么”，从而得出压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高引起棉花燃烧。实际这种现象在日常生活中，同学们也遇到过。例如，在给自行车轮胎打气时，打气筒也会变热，这也是由于压缩空气做功的缘故。用其他的方法对物体做功，也能使物体内能增加，摩擦生热就是一个例子。

结论：以上现象说明，做功能够改变物体的内能。

教师：从19世纪以来，人们就逐渐认识到通过做功和热传递两种方式都可以使热学状态发生改变。下面我们就从焦耳的两个代表性实验来看状态的改变。实验一：焦耳热功当量的实验

教师：（投影教材60页图10.1－2）介绍实验装置和实验过程。

让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。如图，用绝热性能良好的材料将容器包好，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。

在这个过程中，系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程。

多次实验表明：只要所做功相同，系统状态的改变就相同，与悬挂物的质量和下落的高度无关。

实验二：电流热效应给水加热实验

教师：（投影教材61页图10.1－3）介绍实验装置和实验过程。

通过电流的热效应给水加热。如图所示，正在降落

的重物使磁电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，

引起液体温度上升。

多次实验结果表明，对同一个系统，如果过程是绝

热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间

或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态变化相同。

结论：通过以上两个实验，说明，在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关。

2、内能

教师：引导学生阅读教材61页有关内容，思考并回答问题。

（1）从做功的角度，如何来定义系统的内能？

（2）在绝热过程中，怎样计算内能的增量？

学生：阅读教材后回答问题。

（1）定义：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能。

（2）计算式：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量12U U U -=∆就等于外界对系统所做的功W ，即W U =∆。

［师生活动］做教材62页“做一做”中的实验，观察瓶塞跳出时瓶内的变化，并思考有关的问题，体会做功与系统内能变化的关系。

（三）课堂总结

本节课我们从宏观角度学习了功与内能的关系，了解了焦耳的热功当量实验，明确了实验的原理。理解了功是能量改变的量度，并从这个角度定义了系统内能的概念。

（四）布置作业：问题与练习1、2、3、4