第十四章内能与热机

1第十四章内能与热机一、课标要求1．了解内能的概念，能简单描述温度与内能的关系。解读：对于内能的概念，这里是从物体内所有分子的动能和分子势能之和来定义的。“能简单描述温度和内能的关系”是要求学生知道物体的温度越高，内能越大；温度越低，内能越小。内能是能量的一种重要形式，它与人们的生活息息相关，也是后面理解能量守恒定律的基础。因此，应通过生活实例和实验，让学生了解内能、温度及其相互关系。课标没有要求从分子运动论的角度解释内能与温度的关系，但对部分水平较高的学生来说，不仅能够接受，而且有助于学生形成将宏观现象与物质的微观状况联系起来的意识，提高分析思维水平，教师可以根据学生实际灵活处理。2．了解热量的概念。解读：热量是在热传递过程中，物体吸热、放热的多少，是内能变化的量度。课标对热量概念的要求是“了解”。要通过实例，让学生了解热量的物理意义和单位，知道物体吸热时内能增加，物体放热时内能减少。3．通过实验，了解比热容的概念。尝试用比热容解释简单的自然现象。解读：比热容是热学中的一个重要概念，在热量的计算和热现象的解释中都要用到比热容。标准对比热容概念的要求是“了解”，但明确提出了通过“实验”，学生需要在观察、感受实验现象的基础上发现和认识物质的这种热学属性，提高观察、分析和归纳能力。而对于比热容概念的应用，“尝试”和“解释”都属于理解水平，要求较高。这主要是为了强调物理知识的应用，突出物理知识与生活和社会的联系。4．从能量转化的角度认识燃料的热值。了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义。解读：人类利用燃料是把燃料储存的化学能转化为内能、光能，标准要求从能的转化的角度认识燃料的热值，就是让学生理解热值反映的是燃料燃烧时把化学能转化为内能的本领，知道不同燃料的热值不同，而且要树立节约能源和保护环境的意识。这些既体现了对知识和技能的要求，也体现了情感态度与价值观的要求。内能的利用在人类社会发展的历史上曾经起过而且目前仍然起着非常重要的作用，标准要求学生了解这些，是为了渗透STS教育，引导学生关注科技发展，培养学生将科学知识服务于人类的使命感与责任感。二、本章教材分析21．本章概述本章教材主要介绍内能、热量、热值和比热容等概念，改变物体内能的方法，热机对社会发展所起的作用和对环境产生的影响。本章内容是在前面学习机械能概念及其转化的基础上，进一步了解更为抽象的内能概念，认识内能的转化及其应用。这些内容是解释许多常见热现象和进一步学习能量转化与守恒定律的必备基础，也是培养学生运用能量转化观点认识事物，形成科学世界观的很好素材。本章内容的编写顺序是先引入内能，再介绍热量。内能是状态量，教材通过类比力学中的动能、势能，从分子动理论直接引出。建立内能的概念后，介绍改变物体内能的方法（做功和热传递），再由热传递过程中物体内能改变的多少定义热量；在热量概念的基础上介绍热值和比热容；最后以汽油机为例，从能量转化的角度分析热机的工作过程，并渗透提高效率和环境保护的意识，引导学生关注科学、技术对社会产生的作用和影响。本章各知识点均属“了解”、“认识”或“初步认识”的层次。考虑到初中学生刚刚接触热学知识，“内能”、“热量”等概念都比较抽象，因此教材从日常生活现象入手，采用“类比”、“联想”等方法引入概念，不追求概念过分严密的表述。教师教学时不必让学生死记硬背这些概念的文字表述，而要注重指导学生用自己的语言来对相关现象进行归纳、概括，进而形成概念。本章教材大都来自于学生生活的经验，应充分利用学生的经验，激发他们的学习兴趣，让他们积极地参与教学活动，以提高教学效律。本章教学的重点：热量、热值、比热容以及汽油机工作过程都是以内能的概念为基础展开的，所以内能是本章的重点。比热容的概念可以解释许多常见的热现象，热机在社会发展过程中曾经发挥过极其重要的作用，这些内容都有利于学生把物理与生活和社会联系起来，也是本章的重点内容。本章教学的难点：尽管为了帮助学生更好地理解，教材采用了通过与机械能类比的方法来建立内能的概念，通过科学探究让学生认识比热容这种热学属性，但内能和比热容都比较抽象，仍然会形成教学中的难点。另外，从能量转化的角度分析改变内能的方法、燃料的燃烧和汽油机的工作过程，需要学生联系实际和具有综合分析能力，也是本章的难点。2．编写特点⑴强调物理知识与生活和社会的联系。如14.1节介绍改变物体内能的方法时引入了许多生活实例；14.2节让学生通过计算来选择燃料，在“信息浏览”栏目中介绍了西气东输工程，在“课外活动”栏目中引入了数据表“青少年每天正常需要的热量”；14.3节利用比热容概念解释沙漠地区的气候特点、汽油发动机和发电机用水作冷却剂；14.4节介绍了热机对环境的影响和我国长征系列火箭。这些内容的安排都体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，对帮助学生更好地理解物理概念，从生活中学物理，把学到的物理知识应用于生活中，进一步认识物理对社会发展的影响，都有十分重要的意义。⑵突出了学生活动、实验和科学探究。由于本章的几个重要概念比较抽象，因此教材注意充分运用实验和学生的生活经验，丰富学生的感性认识，为学生理解这些科学概念提供支撑。如改变内能的两种方式，探究水的吸热与其质量、温度变化的关系，怎样选择燃料，比较吸热情况相同时砂石与水温度的变化，研究汽油机的工作原理等都是通过学生活3动的形式呈现的；物质的吸、放热性能则安排为学生通过实验进行科学探究。这些内容大多以实验为主，因此突出实验也是本章的特色之一。⑶图文并茂，形象生动。如类比机械能引入内能，利用热传递和做功改变内能的一系列实验和实例，气体、液体和固体燃料的介绍，比热容的引入，使用热机的重大意义，汽油机的结构，热机与环境污染等，都是通过图片来呈现的。这些图片作为课文主体的重要组成部分，避免了枯燥、冗长的文字陈述。这种以视觉信号为主的呈现方式，具有直观形象的优势，对提高学生的学习效率会产生明显的效果。⑷注重科学方法教育。如引入内能概念时运用了类比法，探究水的吸热与其质量、温度变化的关系和探究物质的吸、放热性能时，都运用了控制变量法。掌握这些科学方法既是进一步学习的需要，也符合课程标准对过程和方法的目标要求。3．课时安排本章共4节，建议全章教学用5课时，其中新课每节1课时，复习总结1课时。三、各节教材说明与教学建议14.1认识内能1．教学目标◆知识与技能⑴了解内能的概念，知道内能的单位焦耳。⑵能简单描述温度与内能的关系，知道对于同一个物体，温度越高，内能越多，温度越低，内能越少。⑶知道做功和热传递可以改变物体的内能。◆过程与方法⑷通过机械能认识内能，领会其中的类比方法。⑸经历用热传递和做功方式改变物体内能的活动过程。◆情感态度与价值观⑹通过实验和实例，养成联系实际学习物理的习惯。2．教材说明本节主要内容有：内能的概念，物体的内能与温度的关系，改变物体内能的两种方式：做功和热传递。内能是物理学中的重要概念，是学习本章后面热量、比热容、热机等内容必不可少的基础，因此本节课在全章具有重要的基础性地位。本节的编写思路是：首先通过汽车、火车等交通工具做功的能量来源问题引入新课，然后通过与机械能的类比，建立内能的概念，再结合分子动理论说明物体内能与温度的关系，最后通过学生活动展示改变物体内能的两种方式。这样安排符合学生的认识过程，思路比较顺畅，有助于学生逐步建立内能的概念。由于内能的概念比较抽象，教材采用与机械能类比的方法处理，是为了使学生更形象地认识和理解内能。学习改变物体内能的方法4则采用实验和活动的形式，给学生提供更多、更充分的感性认识素材。本节教学重点：内能的概念是全章乃至整个热学的基础；通过温度高低来判断一个物体内能的多少，在后面学习中会经常用到；改变内能的方法，尤其是通过做功来改变物体的内能，更是分析许多常见现象和汽油机工作过程的理论依据。因此，以上内容都是本节课的重点。本节教学难点：内能概念比较抽象，是本节课的难点。3．教学建议由于本节课是全章的第一节，所以首先应引入章标题《内能与热机》。因为学生此时对内能一无所知，但对利用热机的一些机器比较熟悉，因此建议这样引入章标题：利用挂图或多媒体投影展示各种热机，展示种类应尽量丰富一些，如汽油机、柴油机、汽车、火车、拖拉机、轮船、喷气式飞机、火箭等，让学生看图比较，讨论交流，找出它们的相同点。学生的发现可能很多，教师最后要归结到两点：⑴都需要燃烧燃料；⑵最后都产生动力，带动其他机器工作。对于这两点，要让学生在交流的基础上形成认识。然后教师指出，热机实质上是利用燃料燃烧释放出的内能来产生动力的。由此引出本章标题《内能和热机》，之后引出第一节课题《认识内能》。什么是内能关于物体的内能，教材采用了与机械能类比的方法引出，这非常符合学生的知识基础和理解水平，通俗易懂。这一段内容的教学，可以采用学生自学讨论的方法处理。教师可以设计如下思考题：⑴什么叫做物体的内能？对于物体具有内能，你是怎样理解的？⑵内能的单位与机械能的单位相同，为什么？⑶同一物体的内能与其温度有什么关系？为什么？⑷为什么说“一切物体，不论温度高低，都具有内能”？⑸在引入内能概念时，教材采用了与机械能类比的方法，你认为用这种方法学习新的物理概念有什么好处？教学中，教师可以组织学生认真阅读分析，充分交流讨论，最后通过小组向全班汇报、教师及时点评总结的形式，达到全面细致地落实教学要求的目的。这段教学的关键是学生活动要充分，教师总结要精炼。最后，可向学生介绍：以往教科书通常把“内能”成为“热能”，而且目前的科技资料或日常生活中，人们仍习惯将内能成为热能。但不宜介绍内能与热能的区别和联系，因为这远远超出初中学生的知识基础和理解能力。怎样改变物体的内能这段内容的教学，教师需要首先引出内能是可以改变的。这可以根据前面物体内能跟温度有关自然引出，然后提出这一段的核心问题：“怎样才能改变物体的内能”。这段内容的教学可以采取两种方法进行：⑴教材图14－3所示两幅图片展示了改变物体内能的两种方式：做功和热传递。教学5中可以利用这两幅图，让学生观察图片、阅读图下文字，知道改变物体内能可以采取两种途径：做功和热传递。⑵还可以设计一个学生活动：学生以小组为单位，每个小组准备铁丝、酒精灯、热水、锤子、铁砧、砂布等，让学生自己想办法并实际操作，改变铁丝的内能。学生可能会想出许多办法，如用热水烫、用酒精灯烧、来回弯折铁丝的某一部位、用锤子敲打铁丝的某一部位、把铁丝在砂布上来回摩擦等。教师组织学生汇报展示时，对各种不同方法，要引导学生梳理归类，使学生明确改变物体的内能有两种不同的途径：做功和热传递。活动1主要介绍用做功的方式可以改变物体的内能。教学的关键是为学生提供充分的感性素材，如简单易行、效果新奇的实验和常见的生活事例。这部分内容对进一步学习能量转化与守恒定律也具有重要作用。这里也可以分为两个环节进行：⑴亲自实验，感受体验。可以采用图14－4所示的实验，如果前面引入“怎样改变物体的内能”时没有采用“改变铁丝的内能”实验，可以在这里运用。总之，要尽量多做实验，让学生亲自做实验。需要补充说明的是，图14－4(b)所示的实验中，如果实验室没有乙醚，可以用硝化棉代替。本实验也有用酒精或火柴头的，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。可以找一些瓶装酒瓶口上的封口薄膜，最常见的为白色，也有玫瑰色的，其主要成分就是硝化棉。实验时，可取一块黄豆大小的这种封口薄膜，放入活塞筒底部作为点燃物，通常压缩一次即可点燃，且火光明亮，可见度大。如果找不到，还可以自制硝化棉，具体方法见章末课程资源。另外，酒精、火柴头、乙醚和硝化棉，都是为了显示空气被压缩后温度升高了，属于实验效果显示器。如果条件许可，把温度传感器安装在筒内，也可起到同样的作用。教学中可以把这种设计思想介绍给学生，有助于提高学生理解实验和设计实验的能力。⑵列举事例，分析解释。除了上面的实验外，教师还应让学生讨论列举生活中的有关事例，并进行分析解释。有了感性认识不代表就有了深刻理解，还需要进行分析，使之由感性认识上升到理性认识。活动2主要介绍用热传递的方式可以改变物体