內能與熱機14.1認識內能

第十四章內能與熱機一、課標要求1．了解內能的概念，能簡單描述溫度與內能的關系。解讀：對于內能的概念，這里是從物體內所有分子的動能和分子勢能之和來定義的?！澳芎唵蚊枋鰷囟群蛢饶艿年P系”是要求學生知道物體的溫度越高，內能越大；溫度越低，內能越小。內能是能量的一種重要形式，它與人們的生活息息相關，也是后面理解能量守恒定律的基礎。因此，應通過生活實例和實驗，讓學生了解內能、溫度及其相互關系。課標沒有要求從分子運動論的角度解釋內能與溫度的關系，但對部分水平較高的學生來說，不僅能夠接受，而且有助于學生形成將宏觀現(xiàn)象與物質的微觀狀況聯(lián)系起來的意識，提高分析思維水平，教師可以根據(jù)學生實際靈活處理。2．了解熱量的概念。解讀：熱量是在熱傳遞過程中，物體吸熱、放熱的多少，是內能變化的量度。課標對熱量概念的要求是“了解”。要通過實例，讓學生了解熱量的物理意義和單位，知道物體吸熱時內能增加，物體放熱時內能減少。3．通過實驗，了解比熱容的概念。嘗試用比熱容解釋簡單的自然現(xiàn)象。解讀：比熱容是熱學中的一個重要概念，在熱量的計算和熱現(xiàn)象的解釋中都要用到比熱容。標準對比熱容概念的要求是“了解”，但明確提出了通過“實驗”，學生需要在觀察、感受實驗現(xiàn)象的基礎上發(fā)現(xiàn)和認識物質的這種熱學屬性，提高觀察、分析和歸納能力。而對于比熱容概念的應用，“嘗試”和“解釋”都屬于理解水平，要求較高。這主要是為了強調物理知識的應用，突出物理知識與生活和社會的聯(lián)系。4．從能量轉化的角度認識燃料的熱值。了解內能的利用在人類社會發(fā)展史上的重要意義。解讀：人類利用燃料是把燃料儲存的化學能轉化為內能、光能，標準要求從能的轉化的角度認識燃料的熱值，就是讓學生理解熱值反映的是燃料燃燒時把化學能轉化為內能的本領，知道不同燃料的熱值不同，而且要樹立節(jié)約能源和保護環(huán)境的意識。這些既體現(xiàn)了對知識和技能的要求，也體現(xiàn)了情感態(tài)度與價值觀的要求。內能的利用在人類社會發(fā)展的歷史上曾經(jīng)起過而且目前仍然起著非常重要的作用，標準要求學生了解這些，是為了滲透STS教育，引導學生關注科技發(fā)展，培養(yǎng)學生將科學知識服務于人類的使命感與責任感。二、本章教材分析本章概述本章教材主要介紹內能、熱量、熱值和比熱容等概念，改變物體內能的方法，熱機對社會發(fā)展所起的作用和對環(huán)境產(chǎn)生的影響。本章內容是在前面學習機械能概念及其轉化的基礎上，進一步了解更為抽象的內能概念，認識內能的轉化及其應用。這些內容是解釋許多常見熱現(xiàn)象和進一步學習能量轉化與守恒定律的必備基礎，也是培養(yǎng)學生運用能量轉化觀點認識事物，形成科學世界觀的很好素材。本章內容的編寫順序是先引入內能，再介紹熱量。內能是狀態(tài)量，教材通過類比力學中的動能、勢能，從分子動理論直接引出。建立內能的概念后，介紹改變物體內能的方法（做功和熱傳遞），再由熱傳遞過程中物體內能改變的多少定義熱量；在熱量概念的基礎上介紹熱值和比熱容；最后以汽油機為例，從能量轉化的角度分析熱機的工作過程，并滲透提高效率和環(huán)境保護的意識，引導學生關注科學、技術對社會產(chǎn)生的作用和影響。本章各知識點均屬“了解”、“認識”或“初步認識”的層次。考慮到初中學生剛剛接觸熱學知識，“內能”、“熱量”等概念都比較抽象，因此教材從日常生活現(xiàn)象入手，采用“類比”、“聯(lián)想”等方法引入概念，不追求概念過分嚴密的表述。教師教學時不必讓學生死記硬背這些概念的文字表述，而要注重指導學生用自己的語言來對相關現(xiàn)象進行歸納、概括，進而形成概念。本章教材大都來自于學生生活的經(jīng)驗，應充分利用學生的經(jīng)驗，激發(fā)他們的學習興趣，讓他們積極地參與教學活動，以提高教學效律。本章教學的重點：熱量、熱值、比熱容以及汽油機工作過程都是以內能的概念為基礎展開的，所以內能是本章的重點。比熱容的概念可以解釋許多常見的熱現(xiàn)象，熱機在社會發(fā)展過程中曾經(jīng)發(fā)揮過極其重要的作用，這些內容都有利于學生把物理與生活和社會聯(lián)系起來，也是本章的重點內容。本章教學的難點：盡管為了幫助學生更好地理解，教材采用了通過與機械能類比的方法來建立內能的概念，通過科學探究讓學生認識比熱容這種熱學屬性，但內能和比熱容都比較抽象，仍然會形成教學中的難點。另外，從能量轉化的角度分析改變內能的方法、燃料的燃燒和汽油機的工作過程，需要學生聯(lián)系實際和具有綜合分析能力，也是本章的難點。編寫特點⑴強調物理知識與生活和社會的聯(lián)系。如節(jié)介紹改變物體內能的方法時引入了許多生活實例；節(jié)讓學生通過計算來選擇燃料，在“信息瀏覽”欄目中介紹了西氣東輸工程，在“課外活動”欄目中引入了數(shù)據(jù)表“青少年每天正常需要的熱量”；節(jié)利用比熱容概念解釋沙漠地區(qū)的氣候特點、汽油發(fā)動機和發(fā)電機用水作冷卻劑；節(jié)介紹了熱機對環(huán)境的影響和我國長征系列火箭。這些內容的安排都體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，對幫助學生更好地理解物理概念，從生活中學物理，把學到的物理知識應用于生活中，進一步認識物理對社會發(fā)展的影響，都有十分重要的意義。⑵突出了學生活動、實驗和科學探究。由于本章的幾個重要概念比較抽象，因此教材注意充分運用實驗和學生的生活經(jīng)驗，豐富學生的感性認識，為學生理解這些科學概念提供支撐。如改變內能的兩種方式，探究水的吸熱與其質量、溫度變化的關系，怎樣選擇燃料，比較吸熱情況相同時砂石與水溫度的變化，研究汽油機的工作原理等都是通過學生活動的形式呈現(xiàn)的；物質的吸、放熱性能則安排為學生通過實驗進行科學探究。這些內容大多以實驗為主，因此突出實驗也是本章的特色之一。⑶圖文并茂，形象生動。如類比機械能引入內能，利用熱傳遞和做功改變內能的一系列實驗和實例，氣體、液體和固體燃料的介紹，比熱容的引入，使用熱機的重大意義，汽油機的結構，熱機與環(huán)境污染等，都是通過圖片來呈現(xiàn)的。這些圖片作為課文主體的重要組成部分，避免了枯燥、冗長的文字陳述。這種以視覺信號為主的呈現(xiàn)方式，具有直觀形象的優(yōu)勢，對提高學生的學習效率會產(chǎn)生明顯的效果。⑷注重科學方法教育。如引入內能概念時運用了類比法，探究水的吸熱與其質量、溫度變化的關系和探究物質的吸、放熱性能時，都運用了控制變量法。掌握這些科學方法既是進一步學習的需要，也符合課程標準對過程和方法的目標要求。課時安排本章共4節(jié)，建議全章教學用5課時，其中新課每節(jié)1課時，復習總結1課時。認識內能1．教學目標◆知識與技能⑴了解內能的概念，知道內能的單位焦耳。⑵能簡單描述溫度與內能的關系，知道對于同一個物體，溫度越高，內能越多，溫度越低，內能越少。⑶知道做功和熱傳遞可以改變物體的內能?！暨^程與方法⑷通過機械能認識內能，領會其中的類比方法。⑸經(jīng)歷用熱傳遞和做功方式改變物體內能的活動過程?！羟楦袘B(tài)度與價值觀⑹通過實驗和實例，養(yǎng)成聯(lián)系實際學習物理的習慣。2．教材說明本節(jié)主要內容有：內能的概念，物體的內能與溫度的關系，改變物體內能的兩種方式：做功和熱傳遞。內能是物理學中的重要概念，是學習本章后面熱量、比熱容、熱機等內容必不可少的基礎，因此本節(jié)課在全章具有重要的基礎性地位。本節(jié)的編寫思路是：首先通過汽車、火車等交通工具做功的能量來源問題引入新課，然后通過與機械能的類比，建立內能的概念，再結合分子動理論說明物體內能與溫度的關系，最后通過學生活動展示改變物體內能的兩種方式。這樣安排符合學生的認識過程，思路比較順暢，有助于學生逐步建立內能的概念。由于內能的概念比較抽象，教材采用與機械能類比的方法處理，是為了使學生更形象地認識和理解內能。學習改變物體內能的方法則采用實驗和活動的形式，給學生提供更多、更充分的感性認識素材。本節(jié)教學重點：內能的概念是全章乃至整個熱學的基礎；通過溫度高低來判斷一個物體內能的多少，在后面學習中會經(jīng)常用到；改變內能的方法，尤其是通過做功來改變物體的內能，更是分析許多常見現(xiàn)象和汽油機工作過程的理論依據(jù)。因此，以上內容都是本節(jié)課的重點。本節(jié)教學難點：內能概念比較抽象，是本節(jié)課的難點。3．教學建議由于本節(jié)課是全章的第一節(jié)，所以首先應引入章標題《內能與熱機》。因為學生此時對內能一無所知，但對利用熱機的一些機器比較熟悉，因此建議這樣引入章標題：利用掛圖或多媒體投影展示各種熱機，展示種類應盡量豐富一些，如汽油機、柴油機、汽車、火車、拖拉機、輪船、噴氣式飛機、火箭等，讓學生看圖比較，討論交流，找出它們的相同點。學生的發(fā)現(xiàn)可能很多，教師最后要歸結到兩點：⑴都需要燃燒燃料；⑵最后都產(chǎn)生動力，帶動其他機器工作。對于這兩點，要讓學生在交流的基礎上形成認識。然后教師指出，熱機實質上是利用燃料燃燒釋放出的內能來產(chǎn)生動力的。由此引出本章標題《內能和熱機》，之后引出第一節(jié)課題《認識內能》。什么是內能關于物體的內能，教材采用了與機械能類比的方法引出，這非常符合學生的知識基礎和理解水平，通俗易懂。這一段內容的教學，可以采用學生自學討論的方法處理。教師可以設計如下思考題：⑴什么叫做物體的內能？對于物體具有內能，你是怎樣理解的？⑵內能的單位與機械能的單位相同，為什么？⑶同一物體的內能與其溫度有什么關系？為什么？⑷為什么說“一切物體，不論溫度高低，都具有內能”？⑸在引入內能概念時，教材采用了與機械能類比的方法，你認為用這種方法學習新的物理概念有什么好處？教學中，教師可以組織學生認真閱讀分析，充分交流討論，最后通過小組向全班匯報、教師及時點評總結的形式，達到全面細致地落實教學要求的目的。這段教學的關鍵是學生活動要充分，教師總結要精煉。最后，可向學生介紹：以往教科書通常把“內能”成為“熱能”，而且目前的科技資料或日常生活中，人們仍習慣將內能成為熱能。但不宜介紹內能與熱能的區(qū)別和聯(lián)系，因為這遠遠超出初中學生的知識基礎和理解能力。怎樣改變物體的內能這段內容的教學，教師需要首先引出內能是可以改變的。這可以根據(jù)前面物體內能跟溫度有關自然引出，然后提出這一段的核心問題：“怎樣才能改變物體的內能”。這段內容的教學可以采取兩種方法進行：⑴教材圖14－3所示兩幅圖片展示了改變物體內能的兩種方式：做功和熱傳遞。教學中可以利用這兩幅圖，讓學生觀察圖片、閱讀圖下文字，知道改變物體內能可以采取兩種途徑：做功和熱傳遞。⑵還可以設計一個學生活動：學生以小組為單位，每個小組準備鐵絲、酒精燈、熱水、錘子、鐵砧、砂布等，讓學生自己想辦法并實際操作，改變鐵絲的內能。學生可能會想出許多辦法，如用熱水燙、用酒精燈燒、來回彎折鐵絲的某一部位、用錘子敲打鐵絲的某一部位、把鐵絲在砂布上來回摩擦等。教師組織學生匯報展示時，對各種不同方法，要引導學生梳理歸類，使學生明確改變物體的內能有兩種不同的途徑：做功和熱傳遞?；顒?主要介紹用做功的方式可以改變物體的內能。教學的關鍵是為學生提供充分的感性素材，如簡單易行、效果新奇的實驗和常見的生活事例。這部分內容對進一步學習能量轉化與守恒定律也具有重要作用。這里也可以分為兩個環(huán)節(jié)進行：⑴親自實驗，感受體驗?？梢圆捎脠D14－4所示的實驗，如果前面引入“怎樣改變物體的內能”時沒有采用“改變鐵絲的內能”實驗，可以在這里運用?？傊?，要盡量多做實驗，讓學生親自做實驗。需要補充說明的是，圖14－4(b)所示的實驗中，如果實驗室沒有乙醚，可以用硝化棉代替。本實驗也有用酒精或火柴頭的，但效果都不太好，乙醚又具有一定毒性，所以硝化棉是很好的替代品?？梢哉乙恍┢垦b酒瓶口上的封口薄膜，最常見的為白色，也有玫瑰色的，其主要成分就是硝化棉。實驗時，可取一塊黃豆大小的這種封口薄膜，放入活塞筒底部作為點燃物，通常壓縮一次即可點燃，且火光明亮，可見度大。如果找不到，還可以自制硝化棉，具體方法見章末課程資源。另外，酒精、火柴頭、乙醚和硝化棉，都是為了顯示空氣被壓縮后溫度升高了，屬于實驗效果顯示器。如果條件許可，把溫度傳感器安裝在筒內，也可起到同樣的作用。教學中可以把這種設計思想介紹給學生，有助于提高學生理解實驗和設計實驗的能力。⑵列舉事例，分析解釋。除了上面的實驗外，教師還應讓學生討論列舉生活中的有關事例，并進行分析解釋。有了感性認識不代表就有了深刻理解，還需要進行分析，使之由感性認識上升到理性認識?；顒?主要介紹用熱傳遞的方式可以改變物體的內能，教學中可以采用以討論交流為主的方式進行。這里可以分為兩個層次：⑴認識熱傳遞的三種方式及各自的特點。學生在小學科學課程中已經(jīng)學過熱傳遞的三種方式，但時間相隔已經(jīng)很長，教學中應引導學生復習回顧，并通過多媒體投影或板書等形式展示傳導、對流和輻射的定義：①傳導——熱沿著物體傳遞叫做傳導；②對流——靠液體或者氣體的流動來傳遞熱的方式叫做對流；③輻射——熱由物體向外發(fā)射出去叫做輻射。讓學生閱讀圖14－5思考并討論兩個問題：圖中三種情況各是通過哪種方式改變物體內能的？傳導、對流和輻射這三種熱傳遞方式有哪些相同點和不同點？待學生充分比較、討論后，教師引導學生匯報總結。圖14－5中，a圖是傳導，b圖是對流，c圖是輻射。三種方式的相同點是熱都是從高溫物體傳到低溫物體，或從物體的高溫部分傳到低溫部分；不同點是傳導是熱沿著物體傳遞，物體并不運動，對流是靠物體（液體或氣體）流動傳熱，輻射不需要媒介，熱直接射出去，如果學生基礎較好，還可告訴學生輻射是以紅外線或電磁波傳遞的。⑵學生根據(jù)生活經(jīng)驗列舉熱傳遞改變物體內能的事例。這個環(huán)節(jié)要讓學生充分交流，利用每位學生的生活經(jīng)驗，喚起他們的回憶和感受，豐富感性認識。不僅要求學生描述實例，還要指出熱從哪里傳到哪里，是通過哪種方式傳遞的。要引導學生思考回答：高溫物體溫度降低了，內能減少了，減少的內能哪里去了？低溫物體溫度升高了，內能增加了，增加的內能哪里來的？這樣才能使學生真正明確熱傳遞可以改變物體的內能，理解熱傳遞的實質是內能的轉移，即一個物體的一部分內能轉移給另一個物體，或者是內能從同一物體的高溫部分轉移給低溫部分。學生明確了這些，會為后面理解熱量概念打下基礎，有助于學生進一步學習和理解能量轉化與守恒定律。后面的“想一想”，是為了綜合運用前面學過的知識，并引出做功和熱傳遞這兩種改變內能的方式是等效的，通過學生討論交流完成即可。對于使水的內能增加，學生可能會想出許多種辦法，教師應引導學生判斷是屬于做功還是熱傳遞改變物體的內能。對于等效問題，學生往往不甚明白，教師可多列舉幾個例子，以充實學生的認識，加深理解。4．教學評價●課堂測評物體的內能是（）A．物體的動能和勢能的總和B．物體所含一切能量的總和C．物體內部所有分子做無規(guī)則運動的動能和分子勢能的總和D．物體溫度升高或降低時，吸收或放出的熱量下列說法中，正確的是（）A．溫度越高，物體內分子無規(guī)則運動越慢B．對一個物體而言，溫度越高，物體的內能越大C．物體的內能跟物體的溫度無關D．溫度為0℃時，物體沒有內能物體的內能增加了，則（）圖14-1用淬火方法冷卻工件A．一定是其他物體對它做了功圖14-1用淬火方法冷卻工件B．可能是物體吸收了熱量，也可能是其他物體對它做了功C．物體一定吸收了熱量D．物體的機械能一定增加如圖14－1所示，把燒紅的工件放入冷水中，工件會涼下來。這是利用方法改變物體內能。在此過程中，燒紅的工件熱量，溫度，內能。用手反復彎折鐵絲，鐵絲的彎折處會。這是由于彎折鐵絲時手對鐵絲，使它的內能，溫度，在這個過程中能轉化為能。指出下列現(xiàn)象中改變物體內能的方法⑴雪在陽光下融化；⑵火車駛過后，鐵軌溫度升高；⑶雙手搓一搓，使手暖和；圖14-2⑷一杯熱水慢慢變涼；圖14-2（5）暖氣片散熱，使室內溫度升高。如圖14－2所示，把一個薄壁金屬管固定在支座上，