初中物理人教版九年级全册第2节 内能教学设计及反思

13.2内能

教学目标：

（一）知识与技能

1.了解内能的概念，能简单描述温度与内能的关系。

2.能区别物体的内能和机械能。

3.知道做功和热传递在改变物体内能上是等效的，知道两者的区别。

（二）过程与方法

通过演示实验，感知分子动能与势能。

（三）情感、态度与价值观

通过探究，使学生体验探究过程，激发学生主动学习的兴趣。

教学重点：

1. 对内能概念的理解。
2. 做功和热传递都能改变物体的内能。

教学难点：

内能与温度变化的关系。

教学方法：

    以实验探究为主的综合启发式教学。

教学用具：

足球、弹簧、冰块等。

教学过程：

（一）引入新课

我们知道做机械运动的物体具有机械能，那么热现象发生过程中，也有相应的能量变化。另一方面，我们又知道热现象是大量分子做无规律热运动产生的。那么热运动的能量与大量的无规律运动有什么关系呢？这是今天学习的问题。

（二）新课教学

1．分子的动能、温度

物体内大量分子不停息地做无规则热运动，对于每个分子来说都有无规则运动的动能。由于物体内各个分子的速率大小不同，因此，各个分子的动能大小不同。由于热现象是大量分子无规则运动的结果，所以研究个别分子运动的动能是没有意义的。而研究大量分子热运动的动能，需要将所有分子热运动动能的平均值求出来，这个平均值叫做分子热运动的平均动能。

学习扩散现象时，我们知道扩散现象与温度有关系，温度越高，分子运动越激烈，扩散也加快。依照分子动理论，这说明温度升高后分子无规则运动加剧。用上述分子热运动的平均动能来说明，就是温度升高，分子热运动的平均动能增大。如果温度降低，说明分子热运动的平均动能减小。因此从分子动理论观点来看，温度是物体分子热运动的平均动能的标志。“标志”的含义是指物体温度升高或降低，表示了物体内部大量分子热运动的平均动能增大或减小。温度不变，就表示了分子热运动的平均动能不变。其他宏观物理量如时间、质量、物质种类都不是分子热运动平均动能的标志。但是，温度不是直接等于分子的平均动能。

另一方面，温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应，对于个别分子或几十个、几百个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的。

我们知道，温度这个物理量在宏观上的意义是表示物体冷热程度，而它又是大量分子热运动平均动能大小的标志，这是温度的微观含义。

2．分子势能

分子间存在着相互作用力，因此分子间具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能。

如果分子间距离约为10-10m数量级时，分子的作用力的合力为零，此距离为r0。

当分子距离小于r0时，分子间的作用力表现为斥力，要减小分子间的距离必须克服斥力做功，因此，分子势能随分子间距离的减小而增大。这种情形与弹簧被压缩时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧压缩，弹性势能Ep增大。

如果分子间距离大于r0时，分子间的相互作用表现为引力，要增大分子间的距离必须克服引力做功，因此，分子势能随分子间的距离增大而增大。这种情况与弹簧被拉伸时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧拉伸，Ep增大。

从以上两种情况综合分析，分子间距离以r0为数值基准，r不论减小或增大，分子势能都增大。所以说，分子在平衡位置处是分子势能最低点。如果分子间距离是无限远时，取分子势能为零值，分子间距离从无限远逐渐减少至r0以前过程，分子间的作用力表现为引力，而且距离减少，分子引力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小为负值。当分子间距离到达r0以后再减小，分子作用力表现为斥力，在分子间距离减小过程中，克服斥力做功，使分子势能增大。其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正值。分子势能随分子间距离r的变化情况可以在图2的图象中表现出来。从图中看到分子间距离在r0处，分子势能最小。

既然分子势能的大小与分子间距离有关，那么在宏观上什么物理量能反映分子势能的大小变化情况呢？如果对于确定的物体，它的体积变化，直接反映了分子间的距离，也就反映了分子间的势能变化。所以分子势能的大小变化可通过宏观量体积来反映。

3．物体的内能

（1）物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成，因此任何物体都是有内能的。

提问学生：宏观量中哪些物理量是分子热运动的平均动能和分子势能的标志？

根据学生的回答，引导到一个确定的物体，分子总数是固定的，那么这物体的内能大小是由宏观量——温度和体积决定的。如果不是确定的物体，那么物体的内能大小是由质量、温度、体积和物态来决定。

课堂讨论题：下列各个实例中，比较物体的内能大小，并说明理由。

①一块铁由15℃升高到55℃，比较内能。

②质量是1kg，50℃的铁块与质量是0.1kg，50℃的铁块，比较内能。

③质量是1kg，100℃的水与质量是1kg，100℃的水蒸气，比较内能。

（2）物体机械运动对应着机械能，热运动对应着内能。任何物体都具有内能，同时还可以具有机械能。例如在空中飞行的炮弹，除了具有内能，还具有机械能——动能和重力势能。

提问学生：一辆汽车的车厢内有一气瓶氧气，当汽车以 60km/h行驶起来后，气瓶内氧气的内能是否增加？

通过此问题，让学生认识内能是所有分子热运动动能和分子势能之总和，而不是分子定向移动的动能。另一方面，物体机械能增加，内能不一定增加。

4. 物体的内能改变的两种方式

1）列举锯木头和用砂轮磨刀具，锯条、木头和刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，可以使物体的内能增加。如果外力对物体做功全部用于物体内能改变的情况下，外力做多少功，物体的内能就改变多少。如果用W表示外界对物体做的功，用ΔE表示物体内能的变化，那么有W=ΔE。功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳。

演示压缩空气，硝化棉燃烧。说明外力压缩空气过程，对气体做功，使气体的内能增加，温度升高到棉花的燃点而使其燃烧。

以上实例说明做功可以改变物体的内能。

2）在炉灶上烧热水，火炉烤热周围物体，这些物体温度升高内能增加。这些实例说明依靠热传递方式也可以使物体的内能改变。物体吸收热量，内能增加。物体放出热量，物体的内能减少。如果传递给物体的热量用Q表示，物体内能的变化量是ΔE，那么，Q=ΔE。

热量的单位是焦耳，过去的单位是卡。

所以做功和热传递是改变物体内能的两种方式。

3）做功和热传递对改变物体的内能是等效的。

一杯水可以用加热的方法（即热传递方式）传递给它一定的热量，使它从某一温度升高到另一温度。这过程中这杯水的内能有一定量的变化。也可以采取做功的方式，比如用搅拌器在水中不断搅拌，也可以使这杯水从相同的初温度升高到同一高温度，这样，水的内能会有相同的变化量。两种方式不同，得到的结果是相同的。除非事先知道，否则我们无法区别是哪种方式使这杯水的内能增加的。

因此，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。

4）虽然做功和热传递对改变物体的内能是等效的，但是这两种方式的物理过程有本质的区别。做功使物体内能改变的过程是机械能转化为内能的过程。而热传递的过程只是物体之间内能的转移，没有能量形式的转化。

（三）课堂小结

     同学们，你本节课都学会了什么？请同学们考虑一下。然后请一个学生总结，大家认真听着，最后老师补充。

板书设计

16.2 内能

                一、分子的动能、温度

                二、分子势能

                三、物体的内能

四、物体的内能改变的两种方式

布置作业

一、下列过程中，属于通过热传递改变物体内能的是           （    ）

    A. 钻木取火　　　　　　　　　　　　B．锯木头时，锯片发热

    C．卫星进人大气层时外壳发热　　　　D．热水中放人冰块，水温下降

二、关于分子动理论和内能，下列说法正确的是（    ）

A．物体内能增大，温度一定升高

B．物体的温度升高，分子运动一定加剧

C．分子之间存在引力时，就没有斥力

D．0℃的冰没有内能

三、“钻木取火”是通过           的方式改变木头的内能的；太阳能热水器是通过        的方式改变水的内能的。

答案：

一、D　　二、B　　三、做功  热传递