1、第一节 温度与内能 学案学习目标：1、知道温度的概念，能说出生活和自然环境常见的温度值。能用温度术语描述生活中的“热”现象。2、了解液体温度计的工作原理，会使用温度计测量温度。知道测量度的方法有许多种。3、知道温度的常用单位和国际单位制单位。4、根据分子动理论，用类比的方法建立内能的概念。5、通过探究活动，认识改变物体内能的途径。6、了解“热量”概念。能在生活和相关的物理活动中正确使用热量术语。7、在科学探究活动中，培养了学生初步分析概括能力，具有对科学的求知欲。学法指导：本节学习内能、热量这两个重要的热学物理量及温度计这一重要的测量仪器，应掌握的知识较多，可以用知识网络的形式总结、巩固。本节
2、知识的学习过程，主要运用了观察法、实验探究和类比法。释疑解难1、温度（1）温度表示物体的冷热程度，决定于物体的冷热状态，温度的同低可以凭感觉来判断，但感觉并不完成正确，例如冬天，用手触摸室外的铁块和木块时，会感到铁块更冷些，于是认为铁块的温度比木块的低，实际上它们的温度是相同的，都与气温相同，只是由于铁块比木块善于传热，要准确判断温度的高低需要用温度计来测量。（2）温度的单位温度的常用单位是摄氏度，用表示，摄氏温度是这样规定的：把冰水混合物的温度规定为 0 摄氏度，把标准大气压下沸水的温度规定为 100 摄氏度，0 摄氏度和 100 摄氏度间分成 100 等份，每一等份是摄氏温度的一个单位，叫
3、做 1 摄氏度，20读作 20 摄氏度，不能读成 20 度，温度的国际单位是开尔文，简称开，用 K 表示。2、温度计（1）常用温度计有实验室温度计，寒暑表和体温计，它们是根据液体热胀冷缩的原理制成的。三种常见温度计的比较项目种类实验室温度计 体温计 寒暑表构造 玻璃泡上部是均匀细管（水银）玻璃泡上方有一段细的缩口（水银）玻璃泡上部是均匀细管，有一个刻度板（酒精）测量原理 液体的热胀缩 液体的热胀缩 液体的热胀缩刻度范围 -20 110 3542 -30 50分度值 1 0.1 1区别 玻璃泡上方有段细的缩口读数 不能离开被测物体读数 可以离开人体读数 不能离开被测物体读数（2）使用温度计前：选
4、择量程合格的温度计，若待测温度高于温度计的最高温度，温度计会胀破；若待测温度低于温度计的最低温度，则测不出温度值。认清温度计的分度值，以便测量时能准确读数。使用温度计时：应将温度计的玻璃泡全部浸入被测液体中，不能碰到容器底和容器壁。温度计的玻璃泡浸入待测液体中要稍候一会儿，待示数稳定后再读数。读数地玻璃泡 能离开被测液体，否则示数会降低。同时，视线要与温度计中液柱的上表面相平，若斜视会产生误差。如图 068 所示。3、物体的内能（1）物体内部所有分子由于热运动而具有的动能和分子之间势能的总和叫做物体的内能，内能是指物体内所有分子具有的以量，而不是指单个分子的能量。（2）决定物体内能大小的因素主
5、要是物体质量、温度和体积，因为质量决定了分子的数目，温度决定了分子热运动的快慢，而体积与分子势能有关。（3）内能与机械能的区别与联系内能是物体内部所有分子由于热运动而具有的动能和分子之间势能的总和；机械能是整个物体做机械运动时具有的动能和势能的总和。物体的内能与温度密切相关；物体的机械能与温度无关。物体的内能大小取决于物体的质量、体积和温度，一切物体在任何情况下都具有内能；物体的机械能大小取决于物体的质量，相对位置和速度，在一定条件下，机械能可能为零。机械能和内能可以相互转化。（4）内能的国际单位是焦耳，简称焦，用“J”表示。4、改变物体内能的两种途径改变物体的内能有两种方式：做功和热传递，这
6、两种方式是等效的。做功改变物体的内能，实质是内能和其他形式的能的相互转化，对物体做功，它的内能增加，是其他形式的能转化为内能；物体对外做功，它的内能减少，是内能转化为其他形式的能。用热传递的方式改变物体的内能，实质是内能在物体间的转移，能的形式不变，物体吸收了热量，它的内能就增加，物体放出了热量，它的内能就减少。5、热量热量是物体通过热传递方式所改变的内能。（1）热量本身不是能量，不能说某个物体具有多少热量，也不能比较两个物体热量的大小。（2）热量是物体在热传递过程内能的变化量，所以说它是一个过程量，是内能变化的量度，若无热传递发生，则不存在热量。（3）热量的多少与物体内能的多少、温度的高低没
7、有关系。（4）热量的单位是焦耳，热量通常用 Q 表示。6、温度、热量、内能的联系和区别区别：温度是指物体的冷热程度，从分子动理论的观点来看，温度是分子热运动激烈程度的标志，热量是物体通过热传递方式所改变的内能，是内能的变化量，内能是物体内所有分子由于热支动而具有的动和分子之间势能的总和。联系：在不发生物态变化时，一个物体吸收了热量，它们的内能增加，温度升高；一个物体放出了热量，它的内能减少，温度降低。在发生物态变化时，物体吸收了热量，内能增加，温度可能不变；物体放出了热量，内能减少，温度可能不变。自我检测1、王楠同学测量体温后，体温计的示数如图 069 所示，体温计的分度值是_，他的体温是_
8、。2、在古代，人类就掌握了钻木取火的方法，钻木之所以能取火，可以用下面的三句话来解释：甲：木头内能增大，温度升高乙：达到木头的着火点，使木头燃烧起来丙：钻木头时克服摩擦做功这三句话的正确顺序是：A.甲乙丙 B.丙甲乙 C.乙甲丙 D.甲丙乙3、关于热量和热传递，下列说法正确的是（ ）A.温度高的物体含的热量一定多 B.比热大的物体含有的热量一定多C.热总是从含有热量多的物体传递到含有热量少的物体D.热总是从温度高的物体传向温度低的物体参考答案：1、0.1；36.5 2、B 3、D交流园地课外空间1、为什么有的温度计里装酒精，有的装水银。天气冷了，温度计里的液柱一天天在下降；天气暖了，这个液柱又
9、一天天回升，它能迅速告诉我们气温的变化。温度计中的液柱是什么物质呢？红色的液柱通常是酒精，银白色的液柱是水银，为什么有的温度计里装酒精，有的装水银呢？原来酒精和水银各有不同的职能，酒精是很“耐寒”的，它在-117才会凝固，就是在地球上温度最低的南极洲，酒精温度计也能用，水银就不同了，在-39 就凝固，水银凝固后失去了流动性，即使周围的温度继续下降，水银也不能再指示温度了。在我国东北有些地区冬季的气温常在-40，因此这些地方只适宜用酒精温度计。酒精温度计还有一个优点，就是读数清楚。因为酒精柱的膨胀能力比水银要大几十倍，在同样的温度变化下，酒精温度计中的红色酒精柱（加红颜色）比水银温度计里银白色水
10、银柱升降变化要显著得多。可是酒精也有个大缺点，就是同样质量的酒精和水银，要使它们都升高1所需的热量，酒精比水银多。使酒精升高（或降低）1的热量大约可使水银升高（或降低）20。对于同样的温度变化，水银温度计比酒精温度计又灵敏得多。因此做科学实验或测量人体温度，一般都用水银温度计。水银温度计还有一个优点，就是能用来测量高温，因为它的沸点高达 356。除了用水银、酒精做液柱的温度计以外，还有丙酮、甲醇、苯、乙醚、甘油等物质做液柱的温度计。2、温室效应当太阳辐射能达到地球表面时，地球大气层中的 CO2 和水蒸气等在允许太阳能透过产到达地面的同时，即吸收太阳和地面的长波辐射，也把部分长波辐射能反射回地球
11、表面，使地球表面温度升高，这犹如把地球置进了一个巨大的“玻璃罩”内， “玻璃罩”允许太阳辐射透过，但却阻止地面温度上升，这种作用叫做“温室效应” ，如图070 所示。3、趣味实验温室效应试验取两只 250ML 的锥形瓶。一只装满制得的二氧化碳气体，另一只内是空气，用连有温度计的单孔橡皮塞塞住瓶口，把它们彼此靠近地置于实验桌上，锥形瓶底部放一块面积大于两个锥形瓶瓶底面积的黑色纸板，如图 071 所示。在锥形瓶上方用功率为 100W 的反射灯泡均匀地照射，观察瓶内温度升高的情况。约 1min2min 内，装有二氧化碳的锥形瓶内温度高出邻瓶 78。在这个实验中黑色纸板的存在是吸收可见光产生红外辐射引
12、起温室效应气体变暖的要素。这个实验相对简单，而且也只是粗略地测试温室效应。4、热力学发展简史第一阶段：从远古到 18 世纪初。这是系统科学还没有建立的阶段，人们只是在生产和生活上，利用热来达到生产和生活的目的。如考古发掘出来的史前的陶器，上古时时期的铜器和铁器，显示了古代用火制造的器具，以及生活中用火的情景等。由于古代和中世纪生产发展比较缓慢，人们在生产上和生活中所积累的知识不够丰富，所以热学还不能作为一门系统科学建立起来。对于热的本质的理解，也只能是一些不成熟的想法，还不能成为科学的理论。如，中国古时候的五行说（五行说认为万物的根本是五样东西，它们是指土、火、木、金、土） ，把火作为万物的根
13、本之一；古希腊的赫喇利突，提出的四元素说（四元素是指土、水、火、气） ，也把火当作自然界的一个独立的基本元素。在这阶段，古希腊还有另一个学说，认为火是一种运动的表现形式，这个学说是根据摩擦生热的现象而提出的，但是却被埋没了约 2000 年，到了 17 世纪，当实验科学开始发展时，得到了一些哲学家和科学家的支持，其中表达得最明确的是培根(Francis Bacon,1561-1626)，他根据摩擦生热的现象认为，热是物体微小的运动。第二阶段：从 18 世纪初到 19 世纪中叶。这是热机发展和热学实验发展的阶段。18 世纪初，在欧洲由于航海和海外贸易的巨大发展，钢铁和各种工业品的需要大大增加，出现
14、了蒸汽机。1763 年，瓦特（James Watt, 1736-1819）给蒸汽机加上了一个分离的冷凝器，大大提高了蒸汽机的效率。以后他又作出了其他改进，因而使蒸汽机可以方便地应用到其他工业部门。蒸汽机在工业上的广泛应用促进了工业的迅速发展，同时，人们对蒸汽机的效率提出更高的要求。这样就促使人们对于水和蒸汽以及其他物质的热的性质作深入的研究，因而推动了热学实验的发展。在热学实验里，第一个问题是温度的测量。随着温度计的不断改进，人们确定了温标，从而能对各种物质的热的性质作定量的研究，这些都为热学这门科学的建立积累了所需要的资料。在这一个时期，关于热的本质的讨论经历了由热质说到运动说的过程。热质说
15、能成功地解释混合量热法的规律，但是不能解释摩擦生热中出现的情况。由于当时关于热与机械运动相互转化的思想还没有明确提出，电磁现象的研究还刚刚开始，电磁现象与热的关系还没有被揭示出来，化学现象与热的关系也还没有弄清楚，能量守恒定律才建立起来。卡诺（1796-1832）在热机工作原理方面作了出色的工作，他总结了热机工作过程的最本质的东西，发现热机必须工作在两个热源之间，一个高温热源供给热量，一个低温热源吸收热量，只有这样，热机才能有效地把从高温热源所供给的热量转化为有用的机械功。卡诺在这篇论文中提出了热机的最高效率的概念，并且得到了可逆机效率的最高的定理。直到 1850 年，在能量守恒定律建立以后，
16、克劳修斯才从卡诺定理中发现热力学第二定律。第三阶段：19 世纪后半叶。这是热力学定律建立和完善的阶段。1842 年迈尔（1814 1878）发表论文阐述能量守恒定律，这是人们公认的第一个发表这个定律的人。虽然这个定律是建立应该归功于不同国家的不同科学家，他们都独立地发现了这个定律，而且从各个方面丰富这个定律。然而，迈尔的这篇论文在当时并没有引起物理学界的重视。能量守恒定律得到物理学界的公认，是在焦耳（1818-1889）的实验工作结果发表之后。焦耳的第一篇证明热功等当实验的论文发表于 1843 年，在这篇论文里除了直接的热功当量以外，还有电与热相当的数值。之后，焦耳共用了 20 多年的时间，作
17、过多种多样的实验，如用叶片搅动水的方法，用撞击的方法，用膨胀和压缩的方法，还用电加热的方法等，他的各种实验结果的一致性，为能量转化和守恒定律奠定了无可辩驳的坚实基础，这时才确认热力学第一定律已经完全建立了。第四阶段：20 世纪。这是热力学和统计物理学相结合进一步发展的阶段，是物质在特低温、高温或高压下的热力学和统计物理学的发展阶段。当人们把热力学的原理用到低温现象和化学反应的过程中后，1912 年，能斯脱发表了热力学第三定律。回顾热力学发展的历史我们看到，自然科学的发展受生产发展的推动，反过来又推动生产的进一步发展。在今天科学和技术的进一步发展下，热力学这门古老的科学，一方面作为一门基础学科，
18、在各个方面继续不断地起着重要的作用；另一方面，新的科学和技术的发展又向热力学提出了新的课题，推动热力学继续向前发展。4、关于热的本质的讨论热与分子运动联系紧密，热的本质就是大量分子的无规则的运动。但是，在历史上却有两种对立的观点进行过长期的争论。一种是把热看作某种特殊物质（热质） ，叫做热质说；另一种是把热看作物体内部微粒的某种运动，叫做运动说。为了鉴别这两种观点熟是熟非，人们做了大量实验研究。可以说，热学发展史的一条主线就是如何科学地认识热的本质。热学这门科学起源于人类对冷热现象的探索，对温度的测量，或者说温度计的发展为热学业定量实验打下了基础。然而，在 18 世纪中叶之前，人们往往把热和温
19、度混为一谈，如 1724 年，著名的化学家布尔哈夫曾写道：“相同体积的不同物体应含有相同的热量，因为不管温度计插在哪里，都指示相同的热度。”显然，他在温度和热量间没有找到正确的关系。不过，布尔哈夫对热学还是有贡献的，他根据物体混合时热量交换的现象，首先提出热量守恒的思想。他写道“物体混合时，热不能创造，也不能消灭。 ”但是，他当时不能解释为什么“40的水和同体积 80的相混合，混合后的水温为 60，而 40的水和同休积的 80酒精相混合，混合后的温度却低于60。 ”热量守恒定律是热学中最核心的内容。英国化学家布莱克（17281799）在这个定律的发现和运用上发挥了特殊的贡献。布莱克研究了不同温
20、度的水和汞混合后的温度，认识到：混合后的温度既不与这两种物质的体积成正比，也不与质量成正比。以等量的热质加热汞比加热等量的水更有效，要使等量（指质量）的汞增加同样的“热度” （指温度） ，更少的热质就已足够可见，汞比水对热质具有更小的容量。因此，布莱克发现了“热容量” 。后来，他的学生罗巴松在 1803 年将他的概念加以发展，提出：不同物质具有不同的比热。布莱克对多从热学现象进行解释，一方面研究了其中的规律，另一方面，他通过认真的分析，区分出热量和温度是两个不同的概念。但是，由于时代的局限性，他的工作也促使了错误概念的巩固，这就是所谓的热质。热质说的大意是：热是一种特殊的物质，这种物质在自然界
21、中普遍存在，总量守恒。它既不看见，也摸不着，没有固定的形状，总是伴随着各种物体。物体温度升高，所含热增多；物体温度降低，热质就转移到别的物体上。热质说能解释许多热现象，特别是混合量热实验，所以到 18 世纪末，热质说成了热学的统治学说，大多数科学家都相信热质说。然而，热质说在联系到更多的现象时，如解释摩擦生热时发现了漏洞，甚至遇到无法解决的矛盾。首先，关于热质是否具有重量的问题，引起了人们的怀疑。其中，美国人汤普森（也称伦福德，17531814）为了驳斥热质说，在1799 年公布了他做过的一个实验，这个实验的目的是测量热质的重量，看看一定重量的物质在温度变化前后重量有何变化。他的实验是这样做的
22、：用三个完全一样的瓶子分别装有等量的水、酒精和汞，放在一个恒温（16）的大房间内，搁置 24h 后，用当时欧洲最精密的天平（灵敏度达到百万分之一）来称量重量。为了保证三个瓶子重量相等，他在较轻的瓶颈上挂一小段极细的银丝。然后将三个瓶子都移到 0的房子里，保持完全静止不受扰动，48 小时后再称其重量，结果是重量丝毫也没有发生变化，这时水已结成了冰。再将瓶子移回温室，即使冰又化成了水，重量仍无变化。伦福德宣称，他证明了热对物体的重量没有任何影响。然而，仅以此实验结果来否定热质说是不够的，因为热质说者还可以假设热质不具有重量。伦福德接着又做了一个实验，无可辩驳地证明了热质说的荒谬。 当时，伦福德在德
23、国的一家兵工厂监制大炮镗孔，他注意到铜炮被钻削时会产生大量的热，切下的铜屑更热，用水冷却，竟可使水立即沸腾。对于这个现象，热质说者也作了自圆其说的解释：这是物体在摩擦时，热质被拉拽，金属屑在从金属块中切削下来时带走了大量的热质，因此显得特别热。伦福德对此予以否定，他通过实验比较了金属屑和金属片的比热，从量热实验判定它们的比热是相同的，于是驳斥了金属屑比热大的论点。接着，伦福德又做了一个专门设计的大炮钻孔实验。他取一只重约 51kg 的圆筒铸件，放在钻孔机上，故意拿已经磨钝了的钻头钻孔。经过 30min，铸件温度从 16升高到 55。他在炮孔里共收集到切削下来的金属屑约 54g，只占圆筒质量的
24、1/944。伦福德问道：炮筒升温 39所需的热质是金属屑提供的吗？如果是这样，那么金属屑的温度不是要降低 39944=36816吗？伦福协又做了一个实验，他把圆筒放在一只水箱中，水重 8.5kg。他用马带动钝钻头在圆筒中转，经过 2.5h 水竟沸腾了。当时周围的观众都感到非常惊讶，这么多的水不用火烧居然能沸腾，真是个奇迹。伦福德自己也无法抑制喜悦的心情。他想，这些热量从哪里来？是从金属切削的微粒里来，事实证明不可能。从空气里来，也不可能，因为实验是在水箱中做的，和空气是隔绝的。从水里来，更不对！水本身也热了，而且没有发生任何化学变化。只要摩擦在继续，热就会源源不断地产生，这说明，热是来源于运动
25、。伦福德的报告在 1798 年发表，立即得到英国化学家戴维（1778-1829 ）的响应。戴维对热质说也持怀疑的态度，他在 1799 年发表了自己的摩擦生热的实验，并且致力于宣传热的运动说。戴维的实验是把两块温度为-2的冰固定在由时钟改装的机构上，使两块冰不停地互相摩擦，整个装置放在大玻璃罩内再抽成真空。经过几分钟的剧烈摩擦，冰几乎全化了，温度达到 2。戴维根据这一类的实验论证道：热质是不存在的，摩擦和碰撞引起了物体内部微粒的特殊运动或振动，这种运动和振动就是热的本质。伦福德和戴维的实验为热的运动说提供了有力的支持，后来人们逐渐认识到热现象是与物质内部的热运动相联系，并不存在热质。5、课本中图片介绍图 12-3 的温度计是测量体温的。它的工作物质不是液体汞，是根据半导体的导电性能与温度有关的原理制成的。银色的细棒为测量探头，测温时将探头消毒后放入口中或其他测温部位，几分钟后取出，从液晶窗口直接读出温度值。图 12-4 是利用不同金属的热胀冷缩原理制成的温度计。图 12-5 的彩色高温温度计的原理是：炽热物体发光的颜色与温度有关。将与温度相关的颜色预先制成的彩色温度表与炽热物体的颜色对照，就可以知道被测物体的温度。图 12-8 右边的台灯没有通电，灯丝是冷的，左边则表示台灯通电了，灯丝热到炽热状态，温度很高，左图灯丝内能比右图灯丝内能高。
