《物體的內(nèi)能》設(shè)計 省賽一等獎

《物體的內(nèi)能》教學設(shè)計教學目標1．知識與技能（1）知道分子的動能，知道溫度是分子熱運動平均動能的標志。（2）知道分子勢能，知道分子勢能跟物體的狀態(tài)和體積有關(guān)。（3）知道物體的內(nèi)能。（4）知道內(nèi)能變化的兩個途徑：做功和熱傳遞。知道做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。2．過程與方法（1）通過學習分子勢能，認識“類比”的科學方法。（2）通過學習內(nèi)能的概念，感受統(tǒng)計規(guī)律的研究方法。（3）通過研究做功使物體內(nèi)能發(fā)生變化的學習過程，認識“實驗探究”的方法。3．情感、態(tài)度價值觀（1）通過觀察和動手操作實驗，體驗樂于科學探究的情感。（2）通過對焦耳的簡單介紹，感悟科學家在探究真理過程中的科學精神。教學重點與難點重點和難點：物體的內(nèi)能；內(nèi)能變化的兩個途徑。課時安排一課時教學過程拋磚引玉本單元內(nèi)容也是非常抽象的，它是分子動理論的發(fā)展。要引導(dǎo)學生在分子動理認的基礎(chǔ)上利用牛頓力學的知識，利用統(tǒng)計學的初步知識去理解分子的內(nèi)能，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學生區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量、熱能、熱運動、熱現(xiàn)象、熱平衡等熱學概念的不同含義。在弄清物體的內(nèi)能后，可通過實驗研究物體內(nèi)能的變化與做功和熱傳遞這兩上物理過程間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，從能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的闡述出發(fā)，建立起做功和熱傳遞與內(nèi)能變化間的能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的規(guī)則。本單元重點內(nèi)容是內(nèi)能的概念和能的轉(zhuǎn)換和守恒定律。這些內(nèi)容是比較抽象的，不易掌握，所以要多聯(lián)系實際，同時能較好地結(jié)合初中已學過的熱學初步知識，使學生掌握好物體的內(nèi)能和能的轉(zhuǎn)換和守恒定律。指點迷津物體的內(nèi)能本部分知識是用物質(zhì)分子動理論的觀點來闡述分子的動能、分子的勢能和物體的內(nèi)能的概念，我們在這里要清楚以下內(nèi)容：分子的動能：分子的動能是指分子無規(guī)則運動時所具有的能量，也即是分子作熱運動時的能量。它不包括由于物體運動所具有的機械能。分子的無規(guī)則運動的動能包括分子的平動動能。分子或原子的轉(zhuǎn)動動能和其振動動能。大量分子的平動動能，是一個統(tǒng)計性的規(guī)律。在一定溫度下，物體分子的平均平動動能具有一定的數(shù)值，并且隨著溫度的升高，平均平動動能都要增大。因此可以說物體溫度是分子平均平動動能大小的標志，溫度的變化反映了物體內(nèi)分子平均平動動能的改變。分子的勢能：從分子的理論可知：分子間存在著引力和斥力，所以有由分子間相對位置所決定的勢能，叫分子的勢能。在分子間的距離r>r0時分子力表現(xiàn)為引力，這時，要增大分子間的距離，必須克服分子間引力做功，分子勢能逐漸增大。在分子間距r<r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，這時在減小分子間距離時，必須克服分子間斥力做功，分子熱能也越來越大。在分子間距離r=r0時，分子勢能為極小值。如圖6-3所示。物體的內(nèi)能：物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的無規(guī)則運動的動能和分子勢能的總和。其大小是決定于物體的狀態(tài)（溫度和體積）的。內(nèi)能和機械能是兩種不同形式的能量，一個物體可以同時具有內(nèi)能和機械能，而且二者在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。一個物體當狀態(tài)確定時，內(nèi)能就一定。但究竟有多少內(nèi)能，要計算出來是不可能的。重要的是當物體狀態(tài)發(fā)生改變時，我們可以量度物體內(nèi)能的變化。圖6-3物體內(nèi)能的變化通過對物體做功和熱傳遞兩種物理過程，可以改變物體的內(nèi)能。做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)能上是等效的，都能表示物體內(nèi)能的變化，在國際單位制中都是用同一能量單位來度量：焦耳（J）。在實用單位中，熱量用卡做單位，功用焦耳做單位，那么卡與焦耳的等效關(guān)系由實驗得到的結(jié)果是1卡熱量相當于做焦耳的功。這個數(shù)值被稱為熱功當量。做功使物體的內(nèi)能變化，使其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。熱傳遞的過程則是物體間分子無規(guī)則運動能量的轉(zhuǎn)移，是物體內(nèi)能的傳遞，兩上過程是有本質(zhì)上的區(qū)別的。尤其是我們以后在研究氣體時，由于采取不同的做功過程和熱傳遞過程，使物體發(fā)生同樣的內(nèi)能變化時，所需做的功和傳遞的熱量是不相同的，這說明做功的多少和傳遞熱的多少與發(fā)生的過程是密切相關(guān)的。能的轉(zhuǎn)化和守恒定律各種形式的物質(zhì)運動對應(yīng)著各種形式的能。各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化的，這種轉(zhuǎn)化意味著物質(zhì)運動可由一種形式轉(zhuǎn)化成其他形式。大量事實證明，任何形式的能轉(zhuǎn)化為別種形式的能時，總的能量都是守恒的。能量的利用和能源的開發(fā)。思維基礎(chǔ)知道物體的分子具有動能和勢能例：組成物質(zhì)的分子總是處于不斷地運動著，因此像一切運動著的物體一樣，運動著的分子具有由于分子間存在著相互作用力，因此分子又具有由它們的所決定的勢能。答案：動能；相對位置。知道溫度是物體分子平均動能的標志例：我們把物體內(nèi)的平均值叫做分子的平均動能，從分子動理論的觀點來看是物體分子平均動能的標志。答案：所有分子的動能，溫度。了解分子的勢能跟物體分子距離的關(guān)系，與物體體積的關(guān)系例：如果分子間的相互作用顯引力時，分子勢能隨著分子間的距離增大而；而分子間的相互作用為斥力時，分子勢能隨分子間的距離減小而。所以分子勢能跟物體的有關(guān)系。答案：增大，增大，體積掌握物體內(nèi)能的定義，并了解內(nèi)能與哪些因素有關(guān)例；關(guān)于內(nèi)能的說法，正確的是：溫度高的物體內(nèi)能大；熱的物體把溫度傳給冷的物體，最后兩物體的溫度相同，它們具有相等的內(nèi)能；比熱大的物體容易吸收內(nèi)能；質(zhì)量和溫度都相同的物體，不一定具有相同的內(nèi)能。分析：這個問題就是讓我們必須對內(nèi)能、溫度、比熱、熱量、熱傳遞等概念要清楚。而后再用內(nèi)能的知識去分析它。物體的內(nèi)能是決定于它本身的狀態(tài)的，溫度高只表明了物體分子的動能大，因此不能確定內(nèi)能大小。熱傳遞傳遞的是能量，不能傳遞溫度，所以（2）是錯的。比熱大的物體在相同條件下吸收熱量多，不能說吸收內(nèi)能。只有（4）是正確的。會辨認物體的內(nèi)能和物體的機械能之間的區(qū)別例：一塊木塊沿著粗糙的曲面滑下，在它下滑的過程中，它的：機械能是守恒的；機械能在逐漸地增加，內(nèi)能逐漸減少；機械能逐漸減少，內(nèi)能逐漸增多；總能量是守恒的。分析：從運動物體的運動條件可看出，機械能是不能守恒的，因為運動著的物體是在粗糙曲面上滑下，勢能減小，動能也減小。那么機械能減小，機械能變成了什么呢？變成了物體的內(nèi)能，物體溫度要升高。因此，（3）、（4）正確。例：下列產(chǎn)法中正確的是：運動著的物體機械能和內(nèi)能都不為零，而靜止著的物體機械能和內(nèi)能都為零；質(zhì)量大的物體一定比質(zhì)量小的物體具有較多的機械能和熱能；溫度高的物體具有較多的機械能和內(nèi)能；和體的機械能為零時，它的內(nèi)能不為零；在一定條件下，物體的內(nèi)能和機械能可以相互轉(zhuǎn)化；物體的機械能減少，同時它的內(nèi)能也減小。分析：靜止的物體，其內(nèi)能也不為零；機械能和內(nèi)能的多少，不僅決定于物體的質(zhì)量的多少；物體機械能的多少不能決定于溫度的高低，物體機械能減少，其內(nèi)能要增大，所以只有（4）、（5）正確。能區(qū)分溫度、熱量、內(nèi)能、熱能、熱現(xiàn)象、熱平衡等概念的不同含義例：下列的說法中正確的是溫度高的物體比溫度低的物體熱量多；溫度高的物體不一這比溫度低的物體內(nèi)能多；溫度高的物體比溫度低的物體機械能多；在達到熱平衡時，兩物體的內(nèi)能相等。分析：第一個備選答案要弄清物體溫度的高低說明什么問題？熱量是個什么物理量？第二個備選答案廉潔是要弄清內(nèi)能是個什么樣的物理量？它是由哪些因素確定的？第三個備選答案要明白機械能的大小決定于什么？它與溫度有沒有關(guān)系？第四個備選答案要弄清熱平衡的條件是什么？把以上問題都討論清楚了，那熱學的諸概念就都清楚了。本題答案為（2）。會敘述使物體內(nèi)能改變的兩種物理過程例：關(guān)于物體內(nèi)能的變化，在下列敘述中錯誤的是：當物體的溫度升高時，它的內(nèi)能一定隨著增加；當物體的機械能不變時，它的內(nèi)能也保持不變；質(zhì)量小的物體比質(zhì)量大的物體內(nèi)能容易發(fā)生變化；在一定條件下物體的內(nèi)能和機械能之間可相互轉(zhuǎn)化；做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式；做功和熱傳遞是以不同的能量轉(zhuǎn)換方式來改變物體的內(nèi)能；傳遞相同熱量的兩個物體，具有相同的內(nèi)能；若物體從粗糙的斜面滑下，物體的機械能減少，其內(nèi)能也減少；若物體從粗糙的斜面滑下，物體的機械能減少，其內(nèi)能要增加。分析：這個題目關(guān)鍵是要清楚內(nèi)能的改變可以通過兩種不同的過程實現(xiàn)，一個是熱傳遞，一個是做功。熱傳遞是由溫度高的物體向溫度低的物體傳遞熱量而使物體內(nèi)能發(fā)生變化的過程。而做功是由于物體的機械能改變時使物體內(nèi)能發(fā)生變化的過程?？赡苁嵌咄瑫r發(fā)生，也可能是其一發(fā)生，可能是二者發(fā)生都是使物體內(nèi)能增加，也可能二者發(fā)生，一使物體內(nèi)能增加，另一使物體內(nèi)能減少。所以考慮總是時要進行全面分析。本題（4）、（5）、（6）、（9）是正確的，其余則為錯誤的。8.對焦耳測定熱功當量的實驗要了解，明白其工作原理，知道人類探討熱的本質(zhì)的過程及它的科學史上的重要意義9.能熟記熱功當量例：功當量的數(shù)值為，它表明功和熱量之間存在著確定的數(shù)量關(guān)系，即1cal=，或者1J=。答案：cal；；。10.能說明并區(qū)分做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)以上的區(qū)別和聯(lián)系例：以下敘述中正確的是：做的功和傳遞1cal的熱量在改變物體的內(nèi)能上是等效的；的功和1cal的熱量本質(zhì)上是相同的；1cal=；熱就是功，功就是熱，所以熱功相當。分析：做功和熱傳遞是物體內(nèi)能改變的兩種不同機制。做功是由物體外部的運動來促使物體內(nèi)部分子的運動，即通過宏觀變化來改變內(nèi)能的。而熱傳遞則是通過微觀變化來改變物體的內(nèi)能。所以做功和熱傳遞在改變內(nèi)能的方式和本質(zhì)上都是不同的，但它們的效果是一致的。熱功當量就是表明二者效果一致的物理量。所以（1），（3）是正確的。11.會進行卡和焦耳間的數(shù)值換算例：從高處落下的水，若它的熱能全部變成熱能，問它應(yīng)從我高處降落才可使水的溫度升高1C？（取g=10m/s2）分析：水在高處它具有勢能，E=mgh溫度升高1C所需熱量Q=CmΔt，熱和功是等效的，所以mgh=J·CmΔt；其中J=cal因此：h=這里要特別注意，單位必須按國際單位制所規(guī)定的單位，因為水的熱能其單位為國際單位制單位，所以等號后面部分的公式也應(yīng)用相同單位。12.知道的轉(zhuǎn)化和守恒定律的內(nèi)容例：能量既不能，也不能，它只能從一種形式成另一種形式，或者從一個物體到另外的物體上，這就是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。答案：憑空產(chǎn)生、憑空消失、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移。13.能通過推理來探討能的轉(zhuǎn)化和守恒定律例：水平馬路上行駛的汽車，在發(fā)動機熄火后，速度越來越慢，最后停止。這一現(xiàn)象符合能的轉(zhuǎn)化和守恒定律嗎？如果符合，汽車失去的動能變成了什么？分析：汽車發(fā)動機熄火后，汽車要克服阻力做功，當所克服阻力做的功等于其熄火時的動能時，汽車即停止運動。在這一過程中，汽車克服阻力做的功要轉(zhuǎn)變成輪胎的內(nèi)能，所以在這個過程中能量還是守恒的，是機械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能了。14.結(jié)合“西部大開發(fā)”的戰(zhàn)略，了解常規(guī)能源的利用和新能源的開發(fā)例：“西部大開發(fā)”能源開發(fā)是重頭戲，說說開發(fā)能源和節(jié)約能源的意義。分析：略。學法指要例1：在圖6-4中，容器A、B的底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界沒有熱傳遞，原先，A中水面比B中水面高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡，在這個過程中：大氣壓對水做功，水的內(nèi)能增加；水克服大氣壓做功，水的內(nèi)能減少；大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能不變。大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能增加。圖6-4分析：打開閥門后，根據(jù)連通器原理，A中水面要下降，B中水面要上升，到二者相平為止。此時，大氣壓對A中做功，設(shè)為WA，，而B則是水對大氣壓做功，設(shè)為WB。則：WA=P0SAhAWB=P0SBhB其中：P0為大氣壓，SA為A活塞的面積，SB為B活塞的面積，hH為A水面下降的高度，hB為B水面上升的高度。由于容器中水的體積不變，因此有：SAhA=SBhB∴WA=WB∴水受到的大氣壓力所做的功為零。A水面下降，B水面上升，容器中水的重心下降了，所以重力勢能減少，水的重力做功，且在這個過程中沒有熱傳遞，則重力做功全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗膬?nèi)能，從以上分析可看出（4）是正確的。例2：太陽光垂直照射地面時，每平方厘米的面積上每年共獲得×102kcal的熱量，則：用這些熱量給水加熱，可使多少kg的20℃水溫度升到35℃？若使這些熱量全部用來做功，能做多少J的功？這些熱量與完全燃燒多少汽油所產(chǎn)生的熱量相等？（汽油燃燒值為11000kcal/kg）分析：應(yīng)弄清獲得的總熱量為多少？這些熱量能使我少kg20℃的水溫度升高到35℃，怎么計算？水的比熱？這些熱量相當于多少機械功？熱功當量為多少？最后要知道燃燒汽油產(chǎn)生熱的規(guī)律和汽車油的燃燒值。解：獲得總熱量，Q=×102kcalQ=CmΔt×102=1×m(35-20)(m單位為千克)∴m=W=J·Q=××105=428400JQ=mqq=11000kcal/kg×102=m·11000∴m=思維體操例：用l=的長細繩懸吊一質(zhì)量為的木塊，木塊被水