“内能”概念再认识

【摘 要】“内能”知识本身有一定的难度，对于初中学生理解起来更上难上加难，虽说《初中物理课程标准》对这部分内容要求不高，但不完整的认识，学生在实际的应用中容易出现片面的认识。鉴于此，本人通过浅显易懂的文字对内能的概念、影响内能的因素、改变内能的方法等做了详尽的阐述，尤其对影响内能的因素之一――体积，结合图像来攻克难点。

【关键词】温度；体积；热量；做功

人教版初中物理《内能》一节，是初中热学部分的重点，也是难点。说是重点，因为内能是热学部分的核心，它把热学的各个知识点贯穿到了一起。说是难点，由于内能与微观的分子有关，且内能与质量、温度、体积、做功、热传递之间存在着较为复杂的关系。通过多年的教学，我发现学生对内能、热量、温度之间的关系比较模糊。鉴于初中学生的已有知识水平，要从理论的高度讲深、讲透，有一定困难。但作为教师，首先需要自己把内能这个概念真正的理解透，通过各种与内能有关的现象的分析、判断，在教学中才能构建一个完整的内能概念，引导学生真正认识内能的本质特点。下面就我对内能的理解，谈谈自己粗浅的认识。

一、推敲教材中的内能概念的表述

在教材中，内能的概念是在分子动理论的基础上，结合物体的动能、势能等知识，通过“类比”的方法来引入：“分子在不停地做着无规则的热运动，同一切运动的物体一样，运动的分子也具有动能。物体温度越高，分子运动越快，它们的动能就越大。”引出分子动能；“由于分子间有相互作用的引力和斥力，所以分子间还具有势能。”引出分子势能；“物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。”归纳出定义。

教材通过与机械能类比，完整、准确、自然的建立起了内能的概念。从定义中我们可知：内能是一个状态量，它的大小取决于物体的质量、温度和体积。但教材在定义之后的讲述中，重点突出了温度对内能的影响，对其他因素一带而过，这样学生容易片面的认为内能只与温度有关。在教学中发现，学生对“分子的动能”容易理解，但为什么是所有分子呢？如何理解分子势能？这两个问题解释起来本身就有一定的难度，初中阶段不做过多的要求，所以好多学生并未真正理解，表现在处理关于内能的具体问题时只从温度去考虑，而忽略了其它两个因素，从而形成一个不完整的内能概念。

二、探讨影响内能的因素

无容置疑，温度是影响内能的因素之一，学生也很容易理解，这里不再细说。

内能定义中提到了所有分子，说明质量也是影响内能的因素之一。组成物体的分子是大量的，物体内部各个分子运动的速率都不尽相同，因而每个分子的动能也不相同。由于分子在不停的做无规则的运动，它们会相互碰撞，这些发生碰撞的分子动能还会变化。因此，研究每个分子的动能是无意义的，也是不可能的，只能研究物体所有分子的动能的平均值。

教材中有这么一句话：“同一个物体，在相同物态下，温度越高，分子热运动越剧烈，内能越大。物体温度降低时，内能会减小”。这句话充分运用了物理上的“控制变量法”。“同一个物体”说明质量不变；“相同物态”说明体积不变，在此前提下得出“温度越高，内能越大。”显然合情合理。但在实际教学中，往往过于强调内能与温度的关系，而忽视内能与体积的关系，得出：“温度越高，内能越大。”的错误结论，从而淡化体积对内能的影响。温度是分子平均动能的标志，显然体积的改变不会影响分子的动能，但从内能定义可知，体积的改变会引起分子势能的变化，从而影响内能的。

分子动理论告诉我们，分子之间既有引力，又存在着斥力，引力和斥力的大小跟分子间的距离有关。下面我们应用高中提到的图像进行分析：

图1说明：图1中，CQ=DP，r0处为平衡位置，图1中右上方曲线表示斥力，右下方曲线表示引力，中间的曲线表示合力，与图2间的虚线为平衡位置r0。

从图1可知：①在分子间距r>r0的区域内，F引>F斥,合力表现为引力，当分子间距减小时，分子力做正功，分子势能减小；②在分子间距r

从上分析，分子势能与分子间距的关系可用图2表示。从图可知：当分子距离增大时，即体积增大时，其分子势能有可能增加，也有可能是减小的。所以①当物体的温度升高时，内能不一定增加。物体的温度升高，分子动能增加，若分子势能减小的量大于分子动能增加的量时，则内能减小。只有在温度升高前后，物质的体积基本不改变，分子势能无变化时，内能才增加。②物体的温度不变，物体的内能可能改变。如晶体的熔化和凝固过程。晶体在熔化过程中，温度保持不变，即分子动能不变，但其体积变化了，分子势能增加了，因而内能增大了。

三、改变内能方法的准确表述

我们从教材中已经知道：热传递和做功是改变内能的两种方法，但在具体的表述中一定要注意它的前提。比如：“物体吸收热量，内能一定增加。物体放出热量，内能一定减少。”是在没有做功参与的前提下说的。“物体对外做功，内能一定减少。”是在没有热传递的情况下说的。但在没有热传递的情况下，“外界对物体做功，物体的内能可能增加。”，是因为外界做功可以转化为其它形式的能，如用力推物体，可以使机械能增加；教材中的“压缩空气引火仪”实验，活塞对气体做功，气体温度升高，内能增加。

由上可知，在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，物体内能的增量U就等于从外界吸收的热量Q和对外界做功W之和。即U=W+Q（外界对物体做功W为正，物体对外界做功W为负，吸收热量Q为正，放出热量Q为负，U为正则内能增加，为负则内能减少。）虽然此公式在高中物理中才会学到，但借助于它更有利于初中学生理解内能的变化，但不要求用此公式进行数值上的计算，通过这个公式可将内能的变化准确、完整、清晰的表述出来。

其实上面涉及到的改变内能的方法，不管是通过热传递还是做功来改变内能，最终还是改变了物质的温度或体积，从而使物体内能变化。所以说温度和体积对内能都有影响，不能顾此失彼。

四、内能、热量、温度三者的关系

“物体吸收热量，温度一定升高。”这是日常生活中常见的现象。但事实上，情况并非如此，例如，晶体在熔化过程中，吸收热量但温度保持不变。甚至有时，物体吸收热量，温度会降低，如固态的二氧化碳升华时，吸收热量，温度反而降低。实质上，可以说是物体减少的分子动能转变为分子势能。有关内能与温度间的关系，在第二部分已做了详尽的叙述；内能与热量间的关系，第三部分已经探讨了，这里不再一一赘述。

总之，我们在初中物理《内能》一节的教学中，由于学生已有知识的限制，的确应该让学生重点掌握内能与温度的关系，但对于体积、质量的影响应该做简要的说明，在此基础上，让学生随着学业的变化，知识面的拓展，去更加深刻、完整的理解内能。