内能是高中物理热学中的一个重要概念,人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-3》中有四节内容直接涉及内能,分别从宏观和微观两个角度用功能观点进行分析.教学中许多重点和难点问题现已达成共识,新教材的编写是充分体现了新课程的理念.但由于内能是对应于大量分子热运动的一种能量形式,比起机械能更抽象、更难理解,因此仍有一些问题在教学中存在着模糊甚至错误的认识,为此笔者结合教学实践作一下探讨.

1内能只决定于温度和体积吗?

人教版《物理·选修3-3》中写道:“由于分子热运动的平均动能与温度有关,分子势能与物体的体积有关,所以,一般说来物体的温度和体积变化时它的内能都要随之改变.”但如果教学中只注重“分子动能决定于温度、分子势能决定于体积”的分析,那么学生很可能就产生不全面的认识,即内能只决定于温度和体积,甚至得出“任何物体只要温度和体积相同内能就相等”的错误结论.

事实上,决定内能的宏观因素,除了温度和体积外,还有物质的量和物态;对应的微观因素是分子速率、分子间距和分子数等.要让学生全面而深刻地理解内能的决定因素,教学中应注意以下几点:

(1)在分子动能的教学中,要引导学生解读分子平均动能中“平均”的含义,强调“平均每个分子具有的动能”,因此物体内分子总动能Uk应等于分子数N与单个分子平均动能Ek的乘积,即Uk=NEk,写出该公式有助于学生理解分子总动能还跟分子数有关.

(2)在分子势能的教学中,除了分析分子合力做功导致分子势能变化,得出分子势能与分子间距的关系外,还应强调某一个分子同时受物体内所有分子的作用力,因此分子势能除了跟分子间距有关外,还跟分子数有关.

(3)突出解读内能定义中“所有”、“总和”等词的物理含义.

(4)整个教学中要强化统计思想的分析和渗透,加强学生的参与,引导学生从内能定义出发,探究决定内能大小的宏观因素和微观因素,并列表比较.

(5)辅以实际问题的辨析或进行针对练习.如100℃的物体所具有的内能一定比10℃的同样物体所具有的内能多,对吗?为什么?由于分子数与体积有一定的关联,分析这类问题时还要注意它们的区别.

2内能不会等于零吗?

这个问题在许多教师心里的答案是肯定的,在教学中也几乎是作为一个重要结论来分析的.如内能的新课教学或者在复习课中经常引导学生比较机械能和内能的区别,其中一条区别就是机械能可以等于零,而内能不会等于零.又如上教版《物理·选修3-3》第一章第5节家庭作业和活动栏目中第3题第(3)小题(原题如下文例1),就是让学生判断这一问题.查找对应的教师用书的答案,这一问题的说法也认为是正确的.

【例1】分析下列说法中,哪些是正确的?哪些是不正确的?

(1)物体的机械能大,它的内能一定也大.

(2)物体可以同时具有内能和机械能.

(3)物体的机械能可以等于零,物体的内能不会等于零.

(4)物体的机械能改变时,它的内能一定也变化;物体的内能改变时,它的机械能一定也变化.

根据分子动理论,一切物质的分子都在不停地做无规则运动,因此分子总动能在数值上不可能等于零,且一定是大于零的.理想气体只有分子动能而没有分子势能,因此其内能一定大于零.除此之外,物体既有分子动能又有分子势能,而分子势能的数值跟参考系的选择有关,且参考系的选择原则上是任意的,这点跟机械能中的重力势能类似,因此分子势能在数值上可以大于零、等于零或小于零.若选择某一合适的参考系,使得分子势能的数值为负,且绝对值跟分子动能相等,则物体的内能数值就等于零.

某物体在一个确定状态下的内能究竟有多大,是无法计算的.既然这样,就没有必要让学生花费精力去分析内能是否可以为零.那么,为什么在内能的教学和相应的练习中常常特别强调“内能不为零”呢?笔者猜测,除了上述解释被淡忘外,还可能是为了说明“任何物体都具有内能”这一重要结论.

3“内能不为零”是否就能说明“任何物体都具有内能”呢?

上教版《物理3-3》中写道:“由于任何物体的分子都在不停地运动,分子间又存在着相互作用,所以任何物体都具有内能.”让学生知道并理解“任何物体都具有内能”是很重要的.而“内能不为零”是否就能说明“任何物体都具有内能”?

如何说明“任何物体都具有内能”呢?可引导学生分析如下:

(1)任何物体内的分子都在做永不停息的无规则运动,因此任何物体都具有分子动能.

(2)任何物体内的分子之间都存在着相互作用,因此任何物体都具有分子势能.

(3)理想气体不具有分子势能,也总有分子动能;因此“任何物体都具有内能”.

因此,笔者认为内能的教学和相应的练习中,没有必要让学生花费精力去分析内能是否可以为零,最好回避这一问题.

其实,物理学中并不需要计算内能的大小,重要的是让学生认识到:

(1)内能是状态量,物体处于确定的状态下具有确定的内能.

(2)当物体状态变化时,其内能亦随之变化.

(3)通过做功和传热两种方式可改变系统的内能,并学会计算做功和传热的量值.