高中物理选修3-3教案101《功和内能》(人教版)

普通高中课程标准实验教科书—物理选修3－3[人教版]

第十章热力学定律

1功和内能

一、教学目标

1. 通过焦耳的热功当量实验明确做功与物体内能变化的关系．

2. 理解什么是绝热过程．

3. 明确内能是仅与物体的自身状态有关的物理量．

4. 理解做功是改变物体内能的一种方式，在绝热状态下有△Ｕ＝Ｗ

二、教学重点：理解做功是改变物体内能的一种方式，在绝热状态下有△Ｕ＝Ｗ

三、教学难点：通过焦耳的热功当量实验明确做功与物体内能变化的关系

四、教具准备:叶片、两条绳子、滑轮、重物、盛水的容器、叶片等

五、学具准备：有机玻璃筒、活塞、易燃物质等

六、教学过程：

（一）实验

过程：有机玻璃筒中放少许易燃物质，在迅速向下压活塞时会看到筒内物质燃烧起来，为什么？（让学生自己做实验，并分析原因）

分析：现象——物质燃烧起来

↓

物质燃烧的条件——有助燃物，温度上升到着火点

（在此题中说明筒内温度在向下压活塞时上升了）

↓

筒内温度上升充分说明在向下压活塞时筒内气体内能增加了

↓

结论：对气体做正功时，气体内能可以增加。

扩展：刚才做实验时下压活塞的速度非常快，如果我们慢慢压活塞又会怎样？（做实验观察现象，并分组讨论找出原因）

结果：不容易看到燃烧现象。

原因：虽然也对气体做了等量的正功，但是由于筒壁能向外放热，所以气体温度很难上升到着火点。

说明：虽然这个实验很简单，但是为方便理解下面焦耳的热功当量实验，我们把这个实验过程设计的尽量详细，以启发学生的思维。在教学环节处理上注意了这样两个细节：一是让学生亲自上讲台做演示实验，这样可以锻炼学生的动手能力，让学生充分参与到教学活动中，体现了学生的主体地位，课堂上师生互动效果也很好，比老师自己做学生在下面看效果要好。二是对应实验现象设计的两个问题，让学生通过观察现象并讨论思考得出结论，这样可以锻炼学生的观察能力，分析并思考问题的能力。对第二个问题让学生分组讨论，这样可以锻炼学生的合作意识，让他们体验到合作学习的快乐，也体现了教师为主导学生为主体的教学理念，让学生充分参与到教学活动中。

提问：上个实验说明外界对气体做功时气体温度可以升高，如果能够做出一个理想的容器，使得它可以将内部与外界隔开，使物体与外界没有热交换，再对物体做功时，会有什么结果

呢？

（二）焦耳的实验

1、热功当量实验

（1）方法：在水中放置叶片，叶片上缠绕两条绳子，每条绳子各跨过一滑轮，且分别悬挂一重物，盛水的容器的绝热性能良好，当重物下落时便带动叶片转动，容器中的水受叶片的搅动，水由于摩擦而温度上升。

（2）分析：由于容器绝热，所以外界所做的功全部用来使水温上升。

（3）结论：只要对容器内的物体做相同的功，容器内水温上升的数值就相同，即物体的状态将发生相同的变化。

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

2、利用电流的热效应给水加热的实验

（1）方法：利用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。

（2）结论：对同一个绝热系统，只要做相同的电功，系统温度上升的值就相同，即系统状态改变量相同。

从以上两个实验可以看出，对同一个绝热系统，要使系统的状态发生变化，做功数量的多少不取决于做功过程和方式，而是取决于系统本身状态的变化。换句话说，要使系统发生相同的变化，外界应对系统做相同的功，而与具体的做功方式无关。

（三）内能

（从焦耳的实验中可知，外界对绝热系统做功时，改变了系统的某种只与其自身状态有关的东西，而功是改变能量的一种方式，所以改变的一定是系统的一种能量，这是什么能呢？）1、内能：任何一个热力学系统都存在一个只依赖系统自身状态的物理量，称为内能。（这时同学们肯定想起在第七章中我们也学过一个内能的定义，内能是系统中所有分子热运动的动能和分子势能的总和。这两个内能有什么区别和联系呢？其实这两个内能是同一个内能，后者是前者的微观解释）

2、功和内能变化的关系

对同一绝热系统做相同的功时，系统的内能将发生相同的变化，即Ｗ＝△Ｕ。

（分析：这一过程很类似于重物下落时重力做功的过程，做功多少与路径无关，仅与初末状态有关）

３、练习

（１）采用绝热的方式使一定量的气体由初状态Ａ变化到末状态Ｂ，对不同的绝热方式下面说法正确的是（）

Ａ、对气体所做的功不同

Ｂ、对气体所做的功相同

Ｃ、对气体不需做功，因为没有能量的传递

Ｄ、以上说法都不对

☆分析：根据焦耳的实验知道，同一个热力学系统，状态发生相同的变化时，所需的功是相同的，而与具体的做功方式无关，所以应该Ｂ。

（２）在绝热性能良好的封闭房间里，夏天为了降低温度，同时打开电冰箱和电风扇，两电器工作较长时间后，室内温度会怎样？

☆分析：电冰箱是将里面的热量传到外面，电风扇是通过扇叶转动带动空气流动，使体表汗液加快蒸发，感觉凉爽，实际并没有起到降低室温的作用，但由于两电器都消耗电能，最终都转化成内能，所以最后房间温度上升。

（四）绝热膨胀对外做功

提问：以上我们只研究了外界对气体做正功的过程，如果气体膨胀对外做正功时怎样呢？

分析：根据公式△Ｕ＝Ｗ可知，气体膨胀时相当与外界对气体做负功，则△Ｕ为负值，气体内能将减少，如果气体与外界绝热，则气体温度将降低。

问题解答（课本练习）大口玻璃瓶内有些水，水的上方有水蒸汽，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。

分析：瓶塞跳出时，瓶内气体膨胀对外做功，气体内能减少，温度降低，则水蒸气将要液化，所以在瓶口将看到有水务产生。

（五）课后练习

暖瓶中盛有的０．５ｋｇ２５℃的水，一个学生想用上下摇晃的方法使冷水变为开水，设每摇晃一次的落差为１５ｃｍ，每分钟摇晃３０次，不计所有热散失，他约要多长时间可以把水摇开？（Ｃ水＝４．２×１０³Ｊ／kg℃,g=10m/s²）

七、小结

１理解焦耳实验的含义及其说明的道理

２理解两个内能的定义及其相互联系，会用公式△Ｕ＝Ｗ解释一些物理现象

３了解绝热的含义

八、课后反思

本节内容从总体看不多，也不难，它与第二节的内容结合在一起，是为学习热力学第一定律打基础的。由于前面已有了内能的基础知识，所以更便于理解焦耳的实验。

为了让学生能更好的理解焦耳的实验，本教案从学生熟悉的实验入手，让学生亲身体会做功对物体内能的影响，分析工作先由学生自己尝试，在从不足处加以补充，即能启发学生又可以锻炼学生的全面分析能力。实验完毕，再次提问，将实验条件稍做修改，探讨新的实验结果，将非常利于学生理解焦耳实验中的绝热条件；并且，还可以阔宽学生的思路，培养学生的创新精神。虽然略现罗嗦，但还是值得一试。

为防止学生出现只知其一不知其二的现象，在每个知识点后都缀有相应练习题，使学生对知识的理解进一步加深和巩固。比如在电冰箱和电风扇同时打开的题目中，如果只开电风扇，学生可以很快的回答出来，可加上电冰箱后，学生由于不清楚电冰箱的工作原理，可能不容易回答正确。这里，可以从焦耳实验的角度，先解释电冰箱工作是要消耗电能，而消耗的能量如果把室内温度降低后却没有引起其他变化，与理讲不通，为热力学第一定律埋下伏笔，再向学生讲解电冰箱的工作原理，使学生全面的理解室内温度上升的原因。

本节课中的几个实验全都是外界对系统做正功的题目，所以在结束时特意设计了系统对外做功或者说是外界对系统做负功的问题，防止出现类似问题时，不知如何下手。