1、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
2、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，
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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。 一块铁由 15升高到 55，比较内能。 质量是 1kg，50的铁块与质量是 0.1kg，50的铁块，比较内能。 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
8、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 E 表示物体内能的变 化，那么有 W=E。功的单位是焦耳，内能
9、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 E，那么， Q=E。 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，
10、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
11、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 D0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
