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、過程和方法 分析各種熱學(xué)現(xiàn)象的過程,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:“通過自然界中宏觀過程的方向性,了解熱力學(xué)第二定律。”熱力學(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)象的過程都是不可逆的,任何一類宏觀自發(fā)的熱學(xué)過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),從正、反兩方面幫助學(xué)生形成對(duì)熱學(xué)現(xiàn)象中的過程認(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) 【教學(xué)實(shí)錄】 一、引入新課 師:我們剛剛學(xué)過了熱力學(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,上述過程將釋放多少能量? 生:放出5.81023J的熱量。 師:這相當(dāng)于1800萬個(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30萬千瓦、大亞灣核電站裝機(jī)容量為百萬千瓦)(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;④在草坪上滾動(dòng)的足球最終停下來;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)象的逆過程?并判斷這些逆過程可能實(shí)現(xiàn)嗎?注意語言表述的準(zhǔn)確性,大家相互討論一下。 ……(學(xué)生分組討論) 生1:現(xiàn)象①的逆過程是均勻混合的空氣與二氧化氮?dú)怏w過一段時(shí)間變的涇渭分明:上面是空氣,下面是二氧化氮。該過程不可能。 生2:現(xiàn)象②的逆過程是浸在水中的鐵棒過一段時(shí)間后吸收水的熱量變紅了,而水溫降低了。該過程不可能。 生3:現(xiàn)象③的逆過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)到了將瓶塞沖開時(shí)的壓強(qiáng)。該過程不可能。 生4:現(xiàn)象④的逆過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。該過程不可能。 生5:現(xiàn)象錯(cuò)誤!鏈接無效。的逆過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)過程分析──克勞修斯表述 師:分析諸如②的熱傳導(dǎo)過程,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,讓我們一起來分析電冰箱的工作過程。請(qǐng)考慮三個(gè)問題: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:你的說法不錯(cuò),諸如過程②和電冰箱的工作過程可以用下面的流程圖來表示: 可見,熱量傳導(dǎo)可以從低溫物體到高溫物體??梢栽O(shè)想,拔掉電源的冰箱是不可能達(dá)到制冷效果的,也就是下面的過程不可能: ?。ㄕ故净脽羝? 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)化過程分析──開爾文表述 師:足球在草坪上滾動(dòng)最終停下來,試分析該過程中的能量轉(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^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) 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)過冷凝器變成液態(tài)水回到鍋爐。該過程中的能量轉(zhuǎn)化過程是: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,機(jī)械能與熱能之間的轉(zhuǎn)化也可以用下面的流程圖來表示: (展示幻燈片) 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。這一過程是通過工作物質(zhì)如水蒸氣、汽油和空氣混合氣體的燃燒等來完成,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Γ划a(chǎn)生其它影響。這就是熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。所以熱機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的效率總有:。即下面的過程是不可能完成的: (展示幻燈片) 師:大家能否就開爾文表述換一種說法? 生:不可能有效率為100%的熱機(jī)。 師:這種說法更簡(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)過程與功熱轉(zhuǎn)化過程的分析,得到了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述。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程進(jìn)行方向的說明可以作為熱力學(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程是不可逆的。 師:這些說法都不錯(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)在讓我們來回顧一開始提出的設(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?,而不產(chǎn)生其他影響。 師:不錯(cuò)。但是在沒有發(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,第二類永動(dòng)機(jī)也不可能實(shí)現(xiàn)。開爾文表述是從功能關(guān)系來表述的,因此開爾文表述也可說成:第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)??梢娢覀儾粌H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)定律說明開始的五個(gè)視頻的逆過程為什么不能完成,并完成教材后的問題與練習(xí)題。 【板書設(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)上是通過大量實(shí)例歸納出來的,因此教學(xué)過程中利用好學(xué)生熟悉的熱學(xué)現(xiàn)象和曾經(jīng)接觸過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,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。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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