2019-2020年高中物理 10.4《熱力學(xué)第二定律》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版選修3-3.doc

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2019-2020年高中物理 10.4《熱力學(xué)第二定律》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版選修3-3 　　這節(jié)課的內(nèi)容是人民教育出版社xx年版高中《物理》選修3－3教材第十章第五節(jié)。 　　【教學(xué)目標(biāo)】 　　一、知識(shí)和技能 　　1、能判斷涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程是具有方向性的； 　　2、知道并理解熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述； 　　3、形成關(guān)于宏觀熱現(xiàn)象都具有不可逆性的概念； 　　4、認(rèn)識(shí)到熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律具有同樣重要的意義。 　　二、過(guò)程和方法 　　分析各種熱學(xué)現(xiàn)象的過(guò)程，歸納出現(xiàn)象背后的普遍規(guī)律──熱力學(xué)第二定律。 　　三、情感、態(tài)度和價(jià)值觀 　　1、體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折性和必然性； 　　2、體會(huì)熱力學(xué)第二定律對(duì)于人類實(shí)踐的指導(dǎo)意義。 　　【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】 　　重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律內(nèi)容的理解。 　　難點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的兩種表述的理解。 　　【設(shè)計(jì)思路與教學(xué)流程】 　　設(shè)計(jì)思路： 　　本節(jié)內(nèi)容的課程標(biāo)準(zhǔn)是：“通過(guò)自然界中宏觀過(guò)程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律?！睙崃W(xué)第二定律是緊跟在熱力學(xué)第一定律之后的一節(jié)內(nèi)容。學(xué)生早在初中就知道了能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律，在學(xué)完了熱力學(xué)第一定律之后，對(duì)于能量守恒的認(rèn)識(shí)就更深刻了。因此在此基礎(chǔ)上提出“利用海水降溫釋放的熱量作為新能源”這一設(shè)想，讓學(xué)生思考、討論而引入新課。然后再列舉一些自發(fā)的熱學(xué)現(xiàn)象，歸納出其中共同的特征：過(guò)程的不可逆性。然后就其中的熱傳導(dǎo)與功熱轉(zhuǎn)化兩個(gè)過(guò)程具體分析，歸納出熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述：克勞修斯表述和開(kāi)爾文表述。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)就是指宏觀自發(fā)的涉及熱現(xiàn)象的過(guò)程都是不可逆的，任何一類宏觀自發(fā)的熱學(xué)過(guò)程都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。本節(jié)課的難點(diǎn)在于如何理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，特別是開(kāi)爾文表述。教學(xué)中盡可能多地讓學(xué)生分析實(shí)例，再借助于一些多媒體素材（我利用了一些視頻及熱機(jī)、內(nèi)燃機(jī)兩個(gè)flash動(dòng)畫(huà)），從正、反兩方面幫助學(xué)生形成對(duì)熱學(xué)現(xiàn)象中的過(guò)程認(rèn)識(shí)：熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體；功可以全部轉(zhuǎn)化為熱；熱量可以從低溫物體傳到高溫物體（但要有條件）；熱可以轉(zhuǎn)化為功（但不完全）。最終認(rèn)識(shí)到熱力學(xué)第二定律是與熱力學(xué)第一定律并重的一條客觀規(guī)律。 　　教學(xué)流程： 　　【教學(xué)資源】 　　多媒體課件（包括視頻及flash動(dòng)畫(huà)） 　　【教學(xué)實(shí)錄】 　　一、引入新課 　　師：我們剛剛學(xué)過(guò)了熱力學(xué)第一定律，即能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律。既然能量的總量是不變的，但為什么還說(shuō)有能源危機(jī)，還要提倡節(jié)約能源呢？曾經(jīng)有這樣一個(gè)設(shè)想（展示幻燈片），試圖來(lái)解決我們的能源危機(jī)。 　?。ɑ脽羝瑑?nèi)容）地球上有大量的海水，它的總質(zhì)量約為1．41018t，如果這些海水的溫度降低0．1oC，將要放出多少焦耳的熱量？海水的比熱容為C=4．2103J/（kg℃） 　　師：請(qǐng)大家計(jì)算一下，上述過(guò)程將釋放多少能量？ 　　生：放出5．81023J的熱量。 　　師：這相當(dāng)于1800萬(wàn)個(gè)大亞灣核電站一年的發(fā)電量。（秦山核電站裝機(jī)容量為30萬(wàn)千瓦、大亞灣核電站裝機(jī)容量為百萬(wàn)千瓦）（幻燈片） 　　師：請(qǐng)大家相互討論一下，該方案可行嗎？ 　　……（學(xué)生分組討論） 　　生1：這個(gè)方案可行，因?yàn)椴贿`背能量守恒定律。 　　生2：這個(gè)方案不可行，若可行的話，科學(xué)家早就將這一想法付諸實(shí)踐了。 　　生3：不同意2的說(shuō)法。并不是我們能想到的就一定能實(shí)現(xiàn)的。 　　…… 　　二、提出熱力學(xué)第二定律 　　師：那么這一想法實(shí)現(xiàn)的困難是技術(shù)上的障礙呢？還是理論上根本不可能？是否還存在一些除了能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律之外的一些我們還必須遵循的客觀規(guī)律呢？現(xiàn)在讓我們一起來(lái)學(xué)習(xí)本章第五節(jié)：熱力學(xué)第二定律。 　　師：我們先從分析一組物理現(xiàn)象開(kāi)始。請(qǐng)看下面的一些視頻：①空氣和二氧化氮?dú)怏w的擴(kuò)散；②燒紅的鐵棒浸入水中冷卻；③向密閉的廣口瓶中充氣，將瓶塞充開(kāi)；④在草坪上滾動(dòng)的足球最終停下來(lái)；⑤一玻璃杯從桌子邊緣摔在地面上破碎。（展示視頻） 　　師：這些是我們眼中能看到的現(xiàn)象，大家能否描述一下上述現(xiàn)象的逆過(guò)程？并判斷這些逆過(guò)程可能實(shí)現(xiàn)嗎？注意語(yǔ)言表述的準(zhǔn)確性，大家相互討論一下。 　　……（學(xué)生分組討論） 　　生1：現(xiàn)象①的逆過(guò)程是均勻混合的空氣與二氧化氮?dú)怏w過(guò)一段時(shí)間變的涇渭分明：上面是空氣，下面是二氧化氮。該過(guò)程不可能。 　　生2：現(xiàn)象②的逆過(guò)程是浸在水中的鐵棒過(guò)一段時(shí)間后吸收水的熱量變紅了，而水溫降低了。該過(guò)程不可能。 　　生3：現(xiàn)象③的逆過(guò)程是從瓶中沖出去的氣體又自動(dòng)回到瓶中，瓶中氣體的壓強(qiáng)達(dá)到了將瓶塞沖開(kāi)時(shí)的壓強(qiáng)。該過(guò)程不可能。 　　生4：現(xiàn)象④的逆過(guò)程是靜止在草坪上的足球自動(dòng)地吸收草地的熱量轉(zhuǎn)化為足球的動(dòng)能，足球滾了起來(lái)。該過(guò)程不可能。 　　生5：現(xiàn)象錯(cuò)誤！鏈接無(wú)效。的逆過(guò)程是碎在地面上的玻璃杯自動(dòng)地變成完整的杯子，并跳回桌面。該過(guò)程不可能。 　　師：所有的這些現(xiàn)象有何共同特征？ 　　生：都是不可逆的。 　　師：既然在不同的現(xiàn)象背后存在著一個(gè)共同特征，那么就應(yīng)該存在著一個(gè)普遍的客觀規(guī)律。事實(shí)上，許多科學(xué)家已經(jīng)從不同的角度分別進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了熱力學(xué)第二定律。 　　三、熱傳導(dǎo)過(guò)程分析──克勞修斯表述 　　師：分析諸如②的熱傳導(dǎo)過(guò)程，要發(fā)生熱傳導(dǎo)必須具備什么條件？ 　　生：要有溫度差。 　　師：那么自發(fā)的熱傳導(dǎo)過(guò)程有什么特征？ 　　生：總是從高溫物體向低溫物體傳導(dǎo)。 　　師：熱量能否從低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體？ 　　生1：不能，諸如②中不可能出現(xiàn)鐵棒變紅、水溫降低的現(xiàn)象。 　　生2：可能的，電冰箱工作時(shí)就是將熱量從低溫環(huán)境傳導(dǎo)到高溫環(huán)境。 　　師：很好，讓我們一起來(lái)分析電冰箱的工作過(guò)程。請(qǐng)考慮三個(gè)問(wèn)題：一是電冰箱中熱量傳導(dǎo)的方向性；二是電冰箱中這種熱量傳導(dǎo)有沒(méi)有條件？三是分析電冰箱工作時(shí)能量轉(zhuǎn)化情況。請(qǐng)大家相互討論一下。 　　……（學(xué)生分組討論） 　　生1：電冰箱工作時(shí)是將熱量從低溫環(huán)境傳到高溫環(huán)境； 　　生2：只有在電冰箱插上電源后，才能實(shí)現(xiàn)上述熱量傳導(dǎo)過(guò)程； 　　生3：電冰箱工作時(shí)，消耗了電能。 　　師：電冰箱工作時(shí)，消耗了電能，再考慮電冰箱制冷劑在箱內(nèi)吸收的熱量與在箱外釋放的熱量，該過(guò)程中能量守恒嗎？ 　　生4：能量肯定是守恒的，也許釋放到電冰箱外的熱量大于在電冰箱內(nèi)吸收的熱量。 　　師：你的說(shuō)法不錯(cuò)，諸如過(guò)程②和電冰箱的工作過(guò)程可以用下面的流程圖來(lái)表示： 　　　　　　　　 　　可見(jiàn)，熱量傳導(dǎo)可以從低溫物體到高溫物體。可以設(shè)想，拔掉電源的冰箱是不可能達(dá)到制冷效果的，也就是下面的過(guò)程不可能： 　　（展示幻燈片） 　　師：早在1850年德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯總結(jié)了熱傳導(dǎo)過(guò)程的規(guī)律，稱之為熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。請(qǐng)大家再將這一意思換一種表述方法。 　　生：也可以說(shuō)成：熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響。 　　四、功熱轉(zhuǎn)化過(guò)程分析──開(kāi)爾文表述 　　師：足球在草坪上滾動(dòng)最終停下來(lái)，試分析該過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化情況。 　　生：足球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 　　師：再比如小球從高處落下掉進(jìn)沙坑，能量的轉(zhuǎn)化情況怎樣？ 　　生：小球的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 　　師：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，那么內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機(jī)械能？ 　　生1：不能，因?yàn)樯厦娴倪^(guò)程是不可逆的。 　　生2：可以的，熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，但也可以由低溫物體傳到高溫物體。 　　師：你的類比不錯(cuò)。這一問(wèn)題先擱一下，我們?cè)俜治鰞蓚€(gè)實(shí)例：一是熱機(jī)；二是內(nèi)燃機(jī)。（展示flash動(dòng)畫(huà)） 　　請(qǐng)觀察熱機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的工作流程，并分析能量轉(zhuǎn)化的情況。 　　生1：熱機(jī)工作過(guò)程中，鍋爐中的水被加熱變成水蒸氣，水蒸氣推動(dòng)汽缸活塞對(duì)外做功，然后排出的尾氣經(jīng)過(guò)冷凝器變成液態(tài)水回到鍋爐。該過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是：煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為水蒸汽的內(nèi)能，再變?yōu)榛钊\(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。 　　生2：內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中，先吸入空氣與汽油的混合氣體，接著活塞向上運(yùn)動(dòng)壓縮混合氣體，點(diǎn)火后混合氣體爆炸，推動(dòng)活塞對(duì)外做功，最后將汽缸中的尾氣排出。該過(guò)程中混合氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 　　師：以上兩個(gè)過(guò)程都存在內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象。請(qǐng)分析這些過(guò)程中，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎？ 　　生3：不能，因?yàn)闄C(jī)械裝置存在摩擦損耗，要消耗部分能量。 　　生4：從汽缸中排出的尾氣也帶走了部分能量。 　　師：這樣看來(lái)，機(jī)械能與熱能之間的轉(zhuǎn)化也可以用下面的流程圖來(lái)表示： 　?。ㄕ故净脽羝? 　　師：熱機(jī)或內(nèi)燃機(jī)就是從高溫?zé)嵩次諢崃縌1，其中對(duì)外做功為W，到低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2。這一過(guò)程是通過(guò)工作物質(zhì)如水蒸氣、汽油和空氣混合氣體的燃燒等來(lái)完成，這些工作物質(zhì)簡(jiǎn)稱為工質(zhì)。即使將摩擦損耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾氣帶走的熱量。在1851年，開(kāi)爾文就功與熱的轉(zhuǎn)化提出了：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其它影響。這就是熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述。所以熱機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的效率總有：。即下面的過(guò)程是不可能完成的： 　?。ㄕ故净脽羝? 　　師：大家能否就開(kāi)爾文表述換一種說(shuō)法？ 　　生：不可能有效率為100%的熱機(jī)。 　　師：這種說(shuō)法更簡(jiǎn)潔。事實(shí)上，一般的汽車上的汽油機(jī)械效率只有20%～30%，蒸汽輪機(jī)的效率比較高，也只能達(dá)到60% 。 　　五、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 　　師：熱傳導(dǎo)過(guò)程與功熱轉(zhuǎn)化過(guò)程的分析，得到了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開(kāi)爾文表述。這兩種表述的共同點(diǎn)是什么？ 　　生：都指明了物理進(jìn)程的一種方向性。 　　師：不錯(cuò)，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)就是指明了自發(fā)的宏觀熱現(xiàn)象具有方向性。任何一類宏觀自然過(guò)程進(jìn)行方向的說(shuō)明可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。請(qǐng)觀察擴(kuò)散現(xiàn)象、氣體向真空擴(kuò)散的過(guò)程（展示幻燈片）。大家能否結(jié)合這些現(xiàn)象給出熱力學(xué)第二定律的其他表述呢？ 　　生1：熱力學(xué)第二定律也可表述為：擴(kuò)散過(guò)程是不可逆的。 　　生2：熱力學(xué)第二定律也可表述為：氣體向真空中自由膨脹的過(guò)程是不可逆的。 　　師：這些說(shuō)法都不錯(cuò)，當(dāng)然還有其他不同的表述，所有的這些表述都是等價(jià)的。請(qǐng)同學(xué)們課后相互討論交流。 　　六、回顧與思考 　　師：現(xiàn)在讓我們來(lái)回顧一開(kāi)始提出的設(shè)想：能否利用海水降溫的方法獲取有用功？ 　　生1：不行，該過(guò)程盡管不違背能量守恒定律，但卻違背了熱力學(xué)第二定律。 　　師：違背了熱力學(xué)第二定律中的哪種表述？ 　　生2：違背了開(kāi)爾文表述。即不可能從海水這單一熱源吸收熱量，使之變?yōu)橛杏霉Γ划a(chǎn)生其他影響。 　　師：不錯(cuò)。但是在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律之前，有許多科學(xué)家就試圖制造諸如此類的機(jī)器，這稱之為第二類永動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在看來(lái)，第二類永動(dòng)機(jī)也不可能實(shí)現(xiàn)。開(kāi)爾文表述是從功能關(guān)系來(lái)表述的，因此開(kāi)爾文表述也可說(shuō)成：第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)我們不僅要受制于能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律，還要受到能量轉(zhuǎn)化方向的制約。也可以說(shuō)熱力學(xué)第一定律指明了我們所擁有的“資本”總量；熱力學(xué)第二定律則規(guī)定了我們“資本”運(yùn)營(yíng)的方式和方法。 　　課后請(qǐng)同學(xué)們?cè)倮脽崃W(xué)定律說(shuō)明開(kāi)始的五個(gè)視頻的逆過(guò)程為什么不能完成，并完成教材后的問(wèn)題與練習(xí)題。 　　【板書(shū)設(shè)計(jì)】 　　第十章第五節(jié) 熱力學(xué)第二定律 　　【教學(xué)反思】 　　與熱力學(xué)第一定律不同的是，熱力學(xué)第二定律與日常的生活、學(xué)習(xí)較遠(yuǎn)，并且熱力學(xué)第二定律的兩種表述實(shí)質(zhì)上是通過(guò)大量實(shí)例歸納出來(lái)的，因此教學(xué)過(guò)程中利用好學(xué)生熟悉的熱學(xué)現(xiàn)象和曾經(jīng)接觸過(guò)的物理模型就非常重要。而課堂中學(xué)生積極主動(dòng)地發(fā)表個(gè)人的看法，不管是對(duì)的，還是錯(cuò)的，都對(duì)本課達(dá)成教學(xué)目標(biāo)起到的推進(jìn)作用。教學(xué)中利用流程圖形象地將能量轉(zhuǎn)化與守恒的特征與轉(zhuǎn)化的方向性特征并重地表示出來(lái)，并從多角度描述熱力學(xué)第二定律，有效地幫助學(xué)生建構(gòu)了比較完整的宏觀熱學(xué)規(guī)律體系。