第十三章 內能與熱機本章是在學習了機械能的基礎上，把對能量的研究拓展到內能.從分子熱運動理論出發，引出內能的概念；通過實驗說明利用內能可以做功，以改變內能的兩種不同方法，反映了內能和其他形式的能之間的相互轉化；通過實驗探究不同物質的吸熱本領，引出比熱容的概念；知道比熱容是物質的基本屬性，并進一步學習關于比熱容的熱量計算；通過內能與機械能的轉化引出內燃機，介紹汽油機和柴油機，從燃料引出熱值、熱機效率和環境保護，突出了化學能、內能和機械能的相互轉化和應用.在本章的教學中始終貫穿著能量的轉化與應用這一主線，通過逐步學習各種不同形式的能量之間的相互轉化，可以使學生逐步認識到世界是物質的，物質是運動的，物質之間是相互聯系的，也是可以相互轉化的，有利于培養學生辯證唯物主義的科學世界觀.本章共分4節：1.第1節“物體的內能”，講述了內能的概念，改變物體內能的兩種途徑，熱量以及熱量、內能、溫度的關系.2.第2節“科學探究：物質的比熱容”，這節是從日常生活常識出發，討論物體在溫度升高時吸收的熱量與它的質量及質量與升高溫度的度數之間的關系.通過探究活動加深學生對比熱容是物質的一種特性的理解，并通過熱量的計算讓學生進一步認識比熱容.3.第3節“內燃機”，本節通過四沖程內燃機工作原理的學習，使學生了解內燃機的主要結構；大致了解內燃機工作時，能量的轉化與轉移情況，了解汽油機和柴油機的區別；了解內燃機在現代生活，特別是交通方面的應用.4.第4節“熱機效率和環境保護”，本節的主要教學內容有三個，一是燃料的熱值；二是熱機效率；三是環境保護.教學中，注重讓學生理解熱值、熱機效率，會用熱值的計算公式Q放=mq進行計算，知道熱值是燃料的一種性質，知道提高熱機效率途徑和環境保護的重要性.【教學目標】1.在知識與技能方面：知道內能、熱量的概念，知道改變內能的兩種方法：做功和熱傳遞；了解比熱容的概念，能根據比熱容進行簡單的熱量計算；知道四沖程內燃機的構造和工作原理，知道汽油機、柴油機的結構、工作過程及應用中的不同；知道燃料燃燒過程中能的轉化是化學能轉化為內能，知道燃料的熱值及其單位，能通過能量的轉化和轉移認識熱機效率，能進行關于熱值、熱機效率的計算，知道環境保護的重要性.2.在過程與方法方面：通過實驗探究找到改變內能的兩種方式；通過探究，認識到不同物質的吸熱能力的不同；通過演示實驗使學生了解可以利用內能來做功；利用掛圖或模型講解四沖程汽油機和柴油機的基本結構和工作原理；從生活中體會不同燃料燃燒釋放熱能的本領不同，建立燃料熱值的概念，能根據燃料的熱值計算一定質量的燃料完全燃燒所釋放的熱量；對熱機效率有初步認識，能大致說出提高熱機效率的途徑.3.在情感、態度與價值觀方面：通過內能、熱量，、熱機、熱值的學習，知道化學能、內能、機械能之間的相互轉化，初步認識科學及其相關技術對于社會發展、自然環境及人類生活的影響，有可持續發展的意識；通過對熱機效率的學習，激發學生開發新技術、提高燃料利用率的意識.【教學重點】1.內能和熱量的概念，比熱容的概念和熱量的有關計算.2.汽油機的工作原理及能量的轉化過程，燃料的熱值，汽油機與柴油機的區別.【教學難點】1.做功與熱傳遞，利用比熱容解釋生活中的現象2.熱機效率，熱機中的能量轉化及損失.【課時建議】本章共有4節，建議7課時.第一節 物體的內能2課時第二節 科學探究：物質的比熱容2課時第1課時 初步認識比熱容第2課時 熱量的計算第三節內燃機1.5課時第四節熱機效率和環境保護1.5課時第一節 物體的內能【教學目標】一、知識與技能1.知道組成物質的分子在永不停息地做無規則運動，分子之間存在引力和斥力，并有間隔，知道分子熱運動2.了解內能的概念，知道內能是分子動能和分子勢能的總和3.能正確理解內能和機械能的區別.4.知道熱傳遞可以改變物體的內能，知道熱傳遞的三種方式.5.知道熱傳遞過程中，所傳遞內能的多少叫做熱量，熱量的單位是焦耳.6.知道做功可以使物體內能增加或減少的一些生活事例.7.知道溫度、內能和熱量的區別和聯系.二、過程與方法1.通過演示實驗說明溫度和內能之間的關系2.學會用類比的方法研究問題3.通過觀察、實驗、探究找到改變物體內能的兩種方法.4.通過演示實驗說明做功和物體內能的變化關系.三、情感、態度和價值觀1.通過探究使學生體驗探究的過程，激發學生主動學習的興趣.2.鼓勵學生自己查找資料，培養學生自學的能力3.通過演示實驗培養學生的觀察能力，并使學生通過實驗理解做功和內能變化的關系.4.通過分析、對比，學會用類比的方法研究問題.培養學生良好的科學態度和實事求是精神，幫助學生樹立勇攀科學高峰的理想和志向.【教學重點】1.內能概念的建立.2.改變物體內能的方法.【教學難點】1.正確理解內能與溫度的關系2.熱量的概念，做功和熱傳遞的比較.【教具準備】教師：多媒體課件、壓縮空氣引火儀、鐵架臺、酒精燈、帶軟木塞的試管、水、硝化棉等.學生：鐵絲、鐵錘、砂紙、火柴、保溫水瓶（盛有熱水）等.【教學課時】2課時【鞏固復習】教師引導學生復習上一節內容，并講解學生所做的課后作業（教師可針對性地挑選部分難題講解），加強學生對知識的鞏固【新課引入】教師用多媒體播放嫦娥二號奔月動畫視頻，讓學生觀察、思考與交流.利用學生的感官來激發學生的求知欲，迅速進入課題思考，同時也讓學生為祖國成就而自豪.待學生看完后，教師提問：嫦娥二號發射、進入月球軌道三次制動，依靠什么能量做動力呢？學生思考、討論，發表各自的看法.教師對學生進行啟發、引導：靠的是燃料燃燒產生高溫高壓的燃氣推動火箭做功，把衛星送上月球.燃氣為什么有這么大的能量呢？這種能量有什么特點？它與前面學習的電能、機械能有何不同呢？大家通過這節課的學習后，你就會明白.好，下面我們開始探究學習.板書課題：物體的內能【預習指導】閱讀課本P34-37文字內容和插圖，把基本概念、規律、內能與溫度的關系、熱傳遞的三種方式以及做功、熱傳遞改變物體內能的實質，用紅色筆做上記號，并完成對應練習冊中“課前預習”部分，然后，各小組內部交流討論，提出預習疑問，組長做好記錄，準備展示.【交流展示】1.各小組代表舉手發言，報告“課前預習”答案，教師評價訂正.2.學生質疑，教師指導釋疑.【拓展探究】內能的概念1.內能的概念教師可先引導學生復習動能和勢能的相關知識，指出運動的物體因運動而具有動能，高處的物體因被舉高且受重力而具有重力勢能，發生彈性形變的物體因有彈力而具有彈性勢能，然后，學生小組內部討論交流，回答下列問題.師 我們知道宏觀物體運動時具有動能，那么微觀物體分子具有什么能呢？生：分子在永不停息地做無規則運動，一切運動的物體都具有動能，那么分子也具有動能.師 分子是否有分子勢能？為什么？我們可以類比什么來理解？生：分子具有分子勢能，是因為分子之間有相互作用的引力和斥力，并且有間隔.我們可以類比重力勢能來理解（物體受重力作用，在重力方向上有被舉的高度）【師生互動歸納總結】物體內所有分子無規則運動的動能，以及分子勢能的總和叫做物體的內能.師 內能的單位是什么？物體的內能能否為零？生：內能的單位是焦耳，符號為“J”.內能是不同于機械能的另一種形式的能量，物體的速度為零，相對高度為零，彈性形變為零時，機械能可能為零.但分子在永不停息地做無規則運動，分子速度不為零，所以，一切分子都有分子動能;分子之間存在引力和斥力，并且有間隔，故一切分子也有分子勢能.【師生互動歸納總結】一切物體都具有內能，但并不是所有物體都具有機械能，如在水平面上靜止的石頭便沒有機械能.例題1（多媒體展示）下列有關物體內能的說法中，正確的是（ ）A.0的物體沒有內能B.內能是物體內部一部分分子做無規則運動所具有的能C.內能是物體具有的動能和勢能的總和D.一切物體都具有內能解析：內能是物體內部所有分子的分子運動和分子勢能的總和，一切物體在任何時刻任何溫度下都具有內能，故選D.答案：D【課堂訓練】教師引導學生做對應練習冊中的題目.內能的影響因素學生小組內部討論交流，回答下列問題：師 什么是分子熱運動？分子熱運動與溫度有怎樣的關系？生：物理學中把分子的無規則運動叫做分子的熱運動，分子的熱運動與溫度有關，物體的溫度越高，分子運動越劇烈.師 課本圖13-1、圖13-2說明內能跟什么因素有關？生1：與溫度有關，物質溫度發生變化時，分子運動速度快慢也會有變化，所以物體內能也會發生變化.生2：與質量有關，對同一物質而言，質量越大，物體內部分子數目越多，所以分子動能和勢能越大，內能越大.生3：與狀態有關，當物質的狀態發生變化.分子間的距離也會發生變化，則分子間相互作用力的強弱也會發生變化，所以分子間的勢能發生變化，內能也變化.【師生互動歸納總結】（1）內能與溫度有關，同一物體；溫度越高，內能越大；溫度越低，內能越少.（2）內能還與物體的體積（或質量、狀態）有關，同種物質，溫度相同時，體積（質量）越大，內能越大.師 請同學們思考內能與機械能有什么區別？生1：機械能是宏觀物體具有的，看得見，能直觀感受到.而內能是微觀分子具有的，看不見，只能借助它表現出來的現象感知.生2：分子總是在永不停息地運動，因此，內能應該每時每刻，不論何種狀態都具有；但物體的機械能不是每時每刻都有.【師生互動歸納總結】內能與機械能是兩種不同形式的能，內能是與分子運動相對應的能量，是物體內部分子動能與分子勢能之和，是與物體內部分子數、溫度、分子間距離有關的能量.機械能是與整個物體的機械運動相對應的能量，是物體動能與勢能之和，是由物質質量、整個運動狀態和相對位置決定的能量.例題2（多媒體展示）關于物體的內能，下列說法正確的是（ ）A.物體的質量越大，內能越小B.物體舉得越高，內能越大C.物體運動得越快，舉得越高，內能越大D.對于同一種物體，物體溫度越高，內能越大解析：在分析物體內能時，應注意物體的內能與三個因素有關，即物體的質量、溫度、狀態，與物體的運動速度和舉起的高度無關，物體的速度和舉起的高度影響的是機械能，而機械能與內能是兩種不同形式的能，對于同一種物體，溫度越高，內能越大.同種物質，溫度相同，狀態不變時，質量越大，內能越大，故選D.答案：D【課堂訓練】教師引導學生做對應練習冊中的題目.做功改變物體的內能一、教師演示課本圖13-3實驗，引導學生觀察實驗現象，并歸納實驗結論.生：現象：迅速壓下活塞，硝化棉燃燒.結論：對物體做功，物體的內能增加.二、學生分組實驗：按課本圖13-4實驗，指出實驗現象和結論. 生：鐵絲彎折處燙手，對物體做功，物體的內能增加，溫度升高.三、教師按下列裝置進行演示實驗，引導學生觀察實驗現象，并歸納結論.生：現象：軟木塞被沖出后，試管口出現白霧.結論：水蒸氣膨脹時對軟木塞做功，水蒸氣內能減小，溫度降低，水蒸氣發生液化形成“白氣”（小水滴）.【師生互動歸納總結】外界對物體做功，物體內能增加；物體對外做功，物體內能減少.做功改變物體內能的實質是內能和其他形式能的相互轉化.例題3（多媒體展示）下列所描述的場景中，不屬于做功改變物體內能的是（ ）A.冬天人們搓手取暖B.小孩從滑梯上滑下時臀部感受到熱C.加劇的溫室效應使得多年的積雪融化了D.古代的人鉆木取火解析：改變物體內能的方法有兩種，即做功和熱傳遞.加劇的溫室效應是氣候變暖，多年的積雪由于吸熱而融化，這是熱傳遞使雪內能增加的結果，而其他三項都是摩擦做功使物體內能增加.故正確選項為C.答案：C【課堂訓練】教師引導學生做對應練習冊中的題目.熱傳遞改變物體的內能學生小組合作探究，回答下列問題：師 課本圖13-5、13-6、13-7共同說明了什么？生：熱傳遞可以改變物體的內能，圖中鐵鍋、房間空氣、棉被吸熱，內能增加，溫度升高.師 熱傳遞有哪幾種方式？圖13-5、13-6、13-7各屬于什么方式？生：熱傳遞有傳導、對流和輻射三種方式，課本圖13-5、圖13-6、圖13-7的熱傳遞方式分別是傳導、對流、輻射.師 熱傳遞的三種方式有什么區別？試舉例說明.生：熱傳導時，物體內各部分的物質不發生移動，如夏天路邊沙燙腳，沙子和腳發生熱傳導.但它們的物質沒有發生移動；對流時，物體內各部分物質之間會流動，對流主要發生在氣體或液體中，如燒開水，沸騰前，壺下部的水溫度高，密度小，上升，周圍密度大的冷水流過來填補，水這樣循環流動，使整壺水變熱，同樣的道理，暖氣裝置一般安裝在窗戶下方，便于使整個房間的空氣循環流動來傳熱；熱輻射不需要介質，如曬太陽，燒火取暖都靠熱輻射傳熱的.師 發生熱傳遞的物體或同一物體的不同部分，它們的內能和溫度會有怎樣的變化？生：高溫物體（或高溫部分），內能減小，溫度降低；低溫物體（或低溫部分）內能增加，溫度升高.師 熱傳遞發生的條件是什么？終止的條件是什么？生：發生的條件是物體之間（或同一物體的不同部分）存在溫度差，終止的條件是物體之間（或同一物體的不同部分）溫度相同.【師生互動歸納總結】1.熱傳遞可以改變物體的內能，發生熱傳遞時，高溫物體內能減少，溫度降低；低溫物體內能增加，溫度升高，當兩個物體溫度相同時，熱傳遞停止.2.改變物體內能的途徑是做功和熱傳遞，一個物體的內能改變了，可能是發生了熱傳遞，也可能是做了功.例題4（多媒體展示）下列說法中正確的是（ ）A.冬天向手哈氣取暖是做功改變物體內能B.一個物體的內能增加了，一定是發生了熱傳遞C.熱傳遞傳遞的是溫度D.烈日下自行車爆胎是熱輻射使車胎的內能增加了解析：冬天哈氣取暖是熱傳遞改變物體內能，A錯誤；一個物體的內能增加了，可能是對它做了功，也可能是發生了熱傳遞，B錯誤；熱傳遞傳遞的是內能，而不是溫度，C錯誤；烈日下自行車與太陽之間是通過熱傳遞方式中熱輻射使車胎內能增加的，故D正確.答案：D【課堂訓練】教師引導學生做對應練習冊中的題目.熱量小組內部討論交流，解答下列問題，教師點撥：師 什么是熱量？其物理量符號、單位及符號是什么？生：在熱傳遞過程中，物體間內能傳遞的多少稱為熱量，用字母“Q”表示，單位是焦耳，符號為“J”.師 熱傳遞的實質是什么？生：熱傳遞的實質是內能從高溫物體向低溫物體轉移的過程，高溫物體的內能減少，溫度降低，低溫物體內能增加，溫度升高.師 請同學們試著用熱量來解釋開水溫度降低，冷水、冰塊溫度升高過程中內能的變化.生：開水溫度降低，放出熱量，內能減少；而冷水、冰塊周圍的氣體、冰箱中的氣體吸收熱量，溫度升高，內能增加.【師生互動歸納總結】熱量、溫度、內能的關系：（1）溫度是表示物體的冷熱程度的物理量（狀態量）.（2）內能是能量的一種形式，它是物體內所有分子熱運動的動能和勢能的總和（狀態量），我們可以說某種物體具有多少焦耳內能.（3）熱量是描述熱傳遞過程中傳遞能量多少的物理量（過程量），沒有內能的轉移就不能談熱量.我們不能說某個物體具有或含有多少熱量，更不能比較兩個物體熱量的大小，只有發生了熱傳遞時，有了內能的轉移，才能討論熱量問題.（4）熱量的多少與物體內能多少、物體溫度的高低沒有關系.物體吸收或放出熱量，它的內能將發生改變，但它的溫度不一定改變，如：晶體熔化、凝固.例題5（多媒體展示）下列關于溫度、熱量和內能的說法中正確的是（ ）A.物體溫度升高，一定吸收了熱量B.物體放出熱量，溫度一定降低C.物體溫度升高，內能一定增加D.物體內能增加時，溫度一定升高解析：改變物體內能的方式是做功和熱傳遞，它們在改變物體的內能上是等效的.物體溫度升高可能是對物體做了功，也可能是吸收了熱量，所以A選項錯誤；當晶體在熔化和凝固時，分別吸收和放出熱量，而溫度保持不變，所以B、D選項錯誤；物體的溫度升高，其內部分子的動能增加，所以內能一定增加，因此C選項正確.答案：C【課堂訓練】教師引導學生做對應練習冊中的題目.【課堂小結】教師引導學生歸納總結本節課學到了什么？【課后作業】1.請同學們完成課本P38作業1234.2.請同學們完成對應練習冊中的題目.【課后作業答案】1.同種物質，內能與質量、溫度、狀態有關，飲料放進冰箱一段時間后，質量不變，溫度降低，內能減小.2.D 3.B4.鉆木取火和用火柴點都是克服摩擦對物體做功，使物體的內能增加，溫度升高，達到物質燃點使物質燃燒而取火的.1.本節課教師首先用類比的方法，讓學生聯想分子具有動能和勢能，在初步給出分子的動能和勢能的基礎上，建立內能的概念，由分子永不停息地做無規則運動，導出一切物體具有內能.2.教師在利用分析比較法講述內能和機械能的區別時，可以從宏觀和微觀兩方面進行，首先說明內能與物體整體的運動無關，而機械能與物體整體的機械運動有關.例如，拋到空中的球，離開地面，具有重力勢能，它在空中飛行，具有動能，球的重力勢能和動能構成球的機械能.球內部的分子做無規則熱運動，而且分子之間有相互作用，因此球在具有機械能的同時還具有內能.3.探究實驗的設計及小組交流討論可以培養學生的探究和創造能力及合作精神，本節課力圖讓學生通過探究實驗及小組討論來完成本節重要教學內容，在教給學生學習方法的同時，讓他們體驗到成功的喜悅，加深他們對物理這門學科的感情，師生共同走進這一神奇的物理殿堂.4.構建寬容和諧的教學氛圍.在理解改變內能的方法時，教師要求學生聯系自己平時取暖的做法，體會改變內能的方法.這種事例貼近學生生活，不僅調動了學生學習的主動性，更重要的是收到了很好的教學效果，師生互動參與教學.5.在幫助學生理解熱量的概念時，可以把熱量、溫度、內能作比較，找出它們之間的聯系和區別，這樣使學生達到較深入的理解熱量概念的目的.14