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做功和内能的改变

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(一) 教学目的
  使学生知道做功可以改变物体内能的一些事例;知道可以用功来量度内能的改变,能用做功和内能改变的关系来解释摩擦生热等常见的物理现象。
  (二)教具
  压缩空气引火器,机械能转化热能演示器,无色玻璃瓶,橡胶瓶塞,打气筒等。
  (三)教学过程
  1. 复习
  提问(1)什么叫做物体的内能?(2)物体的内能跟什么有关?
  2.引入新课
  物体的内能跟物体的温度有关,温度越高,物体的内能越大。也就是说当物体的温度发生了变化时,它的内能就发生了变化。如何改变物体的温度,同学们能够从生活实际上举出许多的事例。今天我们先研究一种改变内能的方法--做功。
  3.进行新课
  (1)对物体做功,物体的内能会增大。
  演示实验:压缩空气引火实验。出示压缩空气引火器,简单介绍它的构造。取绿豆粒大小的一块干燥硝化棉,用镊子把棉花拉得疏松一些,放入玻璃筒底。将活塞涂上少许蓖麻油(起润滑和密封作用),放入玻璃筒的上口。此时要提醒学生注意观察筒内的棉花。迅速地压下活塞,可看到硝化棉燃烧发出的火光。
  实验后,组织学生议论"实验现象说明了什么",从而得出压缩空气做功,使空气内能增大,温度升高引起棉花燃烧。实际这种现象在日常生活中,同学们也遇到过。例如,在给自行车轮胎打气时,打气筒也会变热,这也是由于压缩空气的缘故。用其他的方法对物体做功,也能使物体内能增加,摩擦生热就是一个例子。让学生解释课本图2-9、图2-11的事例,并列举其他事例。
  归纳学生所举事例,得出对物体做功,物体的内能就会增大。
  同学们所举的事例都是做功使物体的内能增加,做功能不能使物体的内能喊小呢?
  (2)物体对外做功时,本身的内能会减小。
  演示实验:气体膨胀温度降低的实验。
  按照课本图2-12所示,事前组装好仪器。课前在瓶内装入少量的水。实验时告诉学生,由于水的蒸发,瓶内存在水蒸气。由于水蒸气是无色透明的,所以水蒸气是看不到的。提醒学生注意观察瓶塞跳起时容器中有什么现象。
  实验结果,当塞子跳起时,瓶内出现了雾。引导学生分析实验现象。进而得出物体对外做功时,本身的内能会减小。
  (3)用功来量度内能的改变。做功可以改变物体的内能,对物体做的功越多,物体的内能增加得越多,物体对外做的功越多,物体的内能减小得也越多,所以,我们可以用功来量度内能的变化。这样内能的单位跟功相同,也是焦耳。如果对物体做了2焦的功,物体的内能会增加2焦。
  其实各种形式的能,都可以用功来量度,因此国际单位制规定:各种形式的能的单位都是焦耳。
  (4)小结
  通过课本本章刊头画的实验演示和本节的"想想议议",小结本节的内容。该实验是机械能和内能相互转化的演示实验。把薄壁金属筒固定在桌子上之后,注入约1/4容积的乙醚,立刻塞上塞子。用稍宽一点的布带,在金属筒下端绕二圈,然后迅速地来回拉布带,一会儿塞子就被冲起,引导学生解释所看到的现象。外力克服摩擦力做功,使金属筒温度升高、内能增加,并引起筒内乙醚的蒸发。最后由于乙醚蒸汽压强不断增大,而将塞子冲起。告诉学生,在此过程中,克服摩擦做功,转化为内能。
  此实验中的另一个现象,往往被学生忽视。即当塞子被冲起时,在管口附近也有淡淡的雾出现。应引导学竹注意这一现象,并加以解释。这是由于气体膨胀对外做功时内能减少、温度降低,从而使筒口周围的水蒸气凝成水珠。此现象恰好说明了:物体对外做功时,本身内能会减小。此过程中气体的内能转化为机械能。
  通过实验和议论,使学生进一步明确,做功能改变物体的内能。并且对物体做功时,有机械能转化为内能,物体内能增加。物体对外做功时,有内能转化为机械能,物体内能减少。
  (四)说明
  1. 压缩空气引火实验难度较高,有几个关键要注意:
  (1) 密封性要好,主要是活塞与管壁的密封。当把活塞从管内拉出时,感到阻力比较大,且当活塞离开管口的瞬间能听到"嘭"的响声。这种情况可认为密封较好。实验时应在活塞上涂少许蓖麻油,起密封和润滑作用。
  (2) 管内保持足够的氧气。实验时可用尖嘴吹风球,向管内注入新鲜空气。
  (3)所用燃料燃点要低,普通棉花难于压燃。实验中要用硝化棉。硝化棉可以自制。取浓硝酸和浓硫酸,按体积比1∶2先后倒入烧杯内混合,使其温度保持在30℃左右。将脱脂棉浸入混合酸内,约15分钟左右,取出棉花用清水反复冲洗,直至没有酸性。挤干后放在阴暗处晾干,保存时应放在密封瓶内,保持干燥。
  2.气体膨胀做功的实验,打气时速度不宜太快。通常打气筒止回阀不太灵活,打气速度就不能慢,建议在瓶塞上装一个自行车轮胎上的气门嘴。打气时气门嘴的乳胶管膨胀,能使学生观察到进气的现象。
  3.做功改变物体内能的过程,也都有能量的转化。课本只在"想想议议"的问题中提出能量的转化。能从能量转化的角度认识内能的改变,虽非本节课的重点,但能使学生有个初步的认识,有利于后面学习能量守恒定律。所以在"想想议议"的讨论中,增加了能量转化的内容。



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