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2019-2020年高中物理《熱力學(xué)第二定律》教案6 新人教版選修3-3 【教材分析】 本節(jié)介紹熱力學(xué)第二定律，該定律與熱力學(xué)第一定律是構(gòu)成熱力學(xué)知識的理論基礎(chǔ)，熱力學(xué)第一定律對自然過程沒有任何限制，只指 出在任何熱力學(xué)過程中能量不會有任何增加或損失，熱力學(xué)第二定律解決哪些過程可以發(fā)生，教學(xué)時要注意講清二者的關(guān)系。 對于熱力學(xué)第二定律，教材先從學(xué)生比較熟悉的熱傳導(dǎo)過程的方向性入手，研究與分子熱運動有關(guān)的過程的方向性問題，以期引起學(xué)生思維的深化，也作為學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)。 教材介紹了熱力學(xué)第二定律的兩種表述：一種是按照熱傳導(dǎo)過程的方向性表示，另一種是按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述，這兩種表述都表明：自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的，教學(xué)時，要注意說明這兩種不同表述的內(nèi)在聯(lián)系，講清這兩種表述的物理實質(zhì)。 第二類永動機是指設(shè)想中的效率達到100%的熱機，由于在自然界中把熱轉(zhuǎn)化為功時，不可避免地把一部分熱傳遞給低溫的環(huán)境，所以第二類永動機不可能制成。 【設(shè)計思想】 1. 從實際問題導(dǎo)入，從簡單的實驗開始，盡可能引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系自己熟悉的，身邊的生活現(xiàn)象的實例，在教學(xué)內(nèi)容上使物理貼近學(xué)生生活、聯(lián)系社會實際，體現(xiàn)《標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)的“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。 2. 積極創(chuàng)設(shè)情景，開展師生、生生間的對話交流，開展小組合作討論學(xué)習(xí)，使教學(xué)過程能夠確立學(xué)生在教學(xué)活動中的中心地位，讓學(xué)生從自己的學(xué)習(xí)體驗和感悟中獲得知識，向?qū)W生學(xué)習(xí)活動要效益，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的原則。 3.熱力學(xué)第二定律不象以往的實驗定律可以推導(dǎo)和驗證，是在大量實驗事實的基礎(chǔ)上總結(jié)出來，內(nèi)容的表述比較抽象和難以理解，教師要引導(dǎo)學(xué)生對關(guān)鍵詞的作深刻地理解，要引導(dǎo)學(xué)生多運用實例來輔助理解。 4.夯實知識基礎(chǔ)，靈活運用技能是三維教學(xué)目標(biāo)中第一要素，本節(jié)課除了使用教材中“問題與練習(xí)”外，還設(shè)計了四道練習(xí)題，在教學(xué)過程中結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況靈活使用，幫助學(xué)生更好理解定律?！墩n后思考題》有助于學(xué)生更深刻地理解定律。 【教學(xué)目標(biāo)】 一、 知識與技能 1.了解熱傳遞過程的方向性。 2.知道熱力學(xué)第二定律的兩種不同的表述，以及這兩種表述的物理實質(zhì)。 3.知道什么是第二類永動機，為什么第二類永動機不可能制成。 二、 過程與方法 1．熱力學(xué)第二定律的表述方式與其他物理定律的表述方式有一個顯著不同，它是用否定語句表述的。 2．熱力學(xué)第二定律的表述不只一種，對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述，學(xué)習(xí)本節(jié)時注意這一方法。 三、 情感、態(tài)度與價值觀 1． 通過學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律，可以使學(xué)生明白熱機的效率不會達到100%，我們只能想辦法盡量提高熱機的效率，但不能渴求達到100%。 2． 自然界發(fā)生的一切過程中的能量都是守恒的，但不違背能量守恒定律的宏觀過程并都能發(fā)生。 【重點、難點分析】： 重點：熱力學(xué)第二定律兩種常見的表述。 難點：1.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。 2.自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。 【課時安排】： 1課時 【課前準(zhǔn)備】： 教師：多媒體課件，一個電冰箱模型，一盆涼水，準(zhǔn)備一個酒精燈和一個鐵塊，鐵鉗。 學(xué)生：課前預(yù)習(xí)課文，在家觀察自家的電冰箱。 【教學(xué)設(shè)計】： 引入新課： 【問題】我們在初中學(xué)過，當(dāng)物體溫度升高時，就要吸收熱量；當(dāng)物體溫度降低時，就要放出熱量。而且熱量公式Q = cm△t，這里有一個有趣的問題：地球上有大量的海水,它的總質(zhì)量約為1.41018 t , 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℃)。下面請大家計算一下。 學(xué)生計算：Q = 4.21031.410181030.1 J = 5.81023J 這相當(dāng)于1800萬個功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量。為什么人們不去研究這“新能源”呢？原來，這樣做是不可能的，這涉及物理學(xué)的一個基本定律，這就是本節(jié)要討論的熱力學(xué)第二定律。 【設(shè)計意圖】：從實際問題入手，喚起學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。從學(xué)生已有的熱學(xué)知識出發(fā)引入新的知識，使過渡自然，減少學(xué)生對新知識的唐突性。 【板書】 第四節(jié) 熱力學(xué)第二定律 【板書】一、熱傳遞的方向性 教師實驗，點燃酒精燈，用鉗夾住事先準(zhǔn)備好的鐵塊，在火焰上灼燒一段時間后，問學(xué)生現(xiàn)在如果用手摸會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？下面把灼熱的鐵塊放入冷水中，過一段時間，拿出鐵塊現(xiàn)在你們敢用手摸嗎？通過這個實驗說明什么問題？ 學(xué)生思考，教師給予啟發(fā) 學(xué)生答：熱量從溫度高的物體自發(fā)地傳給溫度低的物體 再讓學(xué)生列舉一些這樣的例子，例如：雪花落在手上就融化，挨著火爐就溫暖等等。 利用課本中“思考與討論”開展小組討論并進行對話交流。 教師反問學(xué)生：有沒有可能發(fā)生這樣地現(xiàn)象，熱量自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，使低溫物體的溫度越來越低，高溫物體的溫度越來越高。這里所說的“自發(fā)地”，指的是沒有任何外界的影響或幫助。學(xué)生思考討論一會后，有的同學(xué)可能產(chǎn)生疑問：電冰箱內(nèi)部的溫度比外部低，為什么致冷系統(tǒng)還能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳給外界的空氣？ 事前我們讓大家觀察自家的電冰箱，請同學(xué)做簡要的回答，教師進行點撥。然后，展示電冰箱模型給學(xué)生簡要講解(多媒體課件)。 這是因為電冰箱消耗了電能，對致冷系統(tǒng)做了功。一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了。相反，外界的熱量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高。 【學(xué)生總結(jié)】熱傳導(dǎo)的方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。要實現(xiàn)相反過程，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。 【板書】結(jié)論:熱力學(xué)第二定律的一種表述:熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。 老師講解對定律的理解:這里闡述的是熱傳遞的方向性.在這個表述中,“自發(fā)”二字指的是:當(dāng)兩個物體接觸時,不需要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響,熱量就能從一個物體傳向另一個物體.當(dāng)兩個溫度不同的物體接觸時,這個“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體的。 教師指出：熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述實質(zhì)上就是：熱傳遞過程是不可逆的。 【設(shè)計意圖】： 1. 聯(lián)系學(xué)生熟悉的，身邊的生活現(xiàn)象，使知識的學(xué)習(xí)貼近學(xué)生的生活，使學(xué)生感受物理知識就在身邊，存在于生活，強化學(xué)生的實踐意識，使情感成為學(xué)習(xí)動力。 2. 通過師生的對話交流，在互動中實現(xiàn)思維的碰撞，突出學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的原則，從自己的學(xué)習(xí)體驗和感悟中獲得知識，向?qū)W生學(xué)習(xí)活動要效益。 3. 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述中的“自發(fā)”是定律表述的關(guān)鍵詞，教師要引導(dǎo)學(xué)生作深刻理解。 【板書】二、熱力學(xué)第二定律的另一種表述(第二類永動機) 前面我們學(xué)習(xí)了第一類永動機，不能制成的原因是什么？（違背了能量守恒），什么是第二類永動機呢？ 分組合作學(xué)習(xí)，思考討論下列問題： 1.熱機是一種把什么能轉(zhuǎn)化成什么能的裝置？ 2.熱機的效率能否達到100%？ 3.第二類永動機模型 4.機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性 然后由各小組代表回答，教師進行思路點撥 1.熱機是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置 2.熱機的效率不能達到100% 原因分析： 以內(nèi)燃機為例，氣缸中的氣體得到燃燒時產(chǎn)生的熱量為Q1，推動活塞做工W，然后排出廢氣，同時把熱量Q2散發(fā)到大氣中， 由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2 我們把熱機做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫做熱機的效率，用η表示 η=W / Q1 實際上熱機不能把得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作時，總要向冷凝器散熱，不可避免的要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q2，所以有：Q1>W 因此，熱機的效率不可能達到100%，汽車上的汽油機械效率只有20%～30%，蒸汽輪機的效率比較高，也只能達到60%，即使是理想熱機，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百的轉(zhuǎn)化成機械能，總要有一部分散發(fā)到冷凝器中。 師生總結(jié):熱力學(xué)第二定律的另一種表述: 【板書】不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。這是熱力學(xué)第二定律的開爾文表述 (也稱第二類永動機)。 教師應(yīng)該強調(diào)定律內(nèi)容“而不產(chǎn)生其他影響”這個條件，舉出“絕熱膨脹”的例子加以說明。 第二類永動機并不違反能量守恒定律，人們?yōu)榱酥圃斐龅诙愑绖訖C作出了各種努力，但同制造第一類永動機一樣，都失敗了。 為什么第二類永動機不可能制成呢？ 因為機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。機械能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化。 再舉實例，說明有些物理過程具有方向性。 〈學(xué)生思考回答，教師引導(dǎo)點撥〉 1.氣體的擴散現(xiàn)象。 2.書上連通器的小實驗（氣體向其中膨脹）。 【板書】熱力學(xué)第二定律的兩種表述 表述一：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化 （按照熱傳遞的方向性來表述的） 表述二：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。也可表述為第二類永動機是不可能制成的。（機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化具有方向性） 這兩種表述是等價的，可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，所以他們都稱為熱力學(xué)第二定律。 熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性。（自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性）。 因此,對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明,都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。如圖中,盒子中間有一個擋板,左室為真空,右室有氣體。撤去擋板后右室的氣體自發(fā)地向左室擴散,而相反的過程不可能自發(fā)地進行。因此，熱力學(xué)第二定律也可以表述為:氣體向真空的自由彭脹是不可逆的。 【注意】 ：不管如何表述，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于揭示了：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的。 【本節(jié)小結(jié)】:回過頭分析引入的例子,學(xué)生應(yīng)用熱力學(xué)第二定律分析,老師點撥總結(jié)。進一步說明第二類永動機不能制成的,違背熱力學(xué)第二定律。 【設(shè)計意圖】： 1.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述比較抽象和難以理解，需要學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)，在討論和交流中認(rèn)識規(guī)律，再通過教師的點撥指導(dǎo)才能更好的理解和掌握規(guī)律。 2. 熱力學(xué)第二定律是在大量實驗事實的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，教學(xué)過程要引導(dǎo)學(xué)生多運用實例來輔助理解。 3. 分析引入的例子，學(xué)生應(yīng)用熱力學(xué)第二定律分析，師生共同小結(jié)本節(jié)內(nèi)容，首尾呼應(yīng)，學(xué)以致用。 三、【隨堂練習(xí)】 1、熱力學(xué)第二定律使人們認(rèn)識到，自然界中進行的涉及 現(xiàn)象的宏觀過程都具有 性，例如機械能可以 轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能 全部轉(zhuǎn)化成機械能，而不引起其他變化。 2.熱傳導(dǎo)的規(guī)律為： （ ） A、熱量總是從熱量較多的物體傳遞給熱量較少的物體 B、熱量總是從溫度較高的物體傳遞給溫度較低的物體 C、熱量總是從內(nèi)能較多的物體傳遞給內(nèi)能較少的物體 D、熱量總是從比熱容較大的物體傳遞給比熱容較小的物體 3.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是（ ） A．電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能 B．在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔? C．熱機中，燃氣內(nèi)能不可能全部變?yōu)闄C械能 D．在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫度物體． 4.第二類永動機不可以制成，是因為（ ） A．違背了能量的守恒定律 B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體 C．機械能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 D．內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化 【課后思考題】： 一種冷暖兩用型空調(diào)銘牌標(biāo)注有如下指標(biāo)：輸入功率1KW，制冷能力1.2104KJ/h，制熱能力1.3104 KJ/h。這樣，該空調(diào)在制熱時，每消耗1J電能，將放出3J多熱量，是指標(biāo)注錯誤還是能量不守恒呢？ 四、作業(yè)：p73問題與練習(xí):2、3 【教學(xué)感悟】 1.從有趣的問題引入，學(xué)生利用初中的熱學(xué)知識能夠計算出地球上海水降低0.1 oC時釋放出巨大的能量，是否是新能源？在能源緊缺的今天，無疑是一個能引發(fā)學(xué)生積極思考的問題，學(xué)生對此特別感興趣，學(xué)習(xí)積極性也有此受到激發(fā)，求知欲望強烈，這是一個成功的引入。 2.通過實例的討論和分析，學(xué)生整體對熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表達能夠較好的理解，教學(xué)過程的關(guān)鍵點是由實例引導(dǎo)學(xué)生對兩個關(guān)鍵詞“自發(fā)”和“不可逆”的理解。 3.對于本節(jié)的教學(xué)難點―― 熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，學(xué)生對此理解有一定的難度，引導(dǎo)學(xué)生對教材中的熱機工作過程的分析，用好“熱機能流圖”和“熱機工作時能流分配圖”，明確熱機效率不可能100％，才能幫助學(xué)生理解機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性，到此學(xué)生有一個誤區(qū)，以為內(nèi)能一定不可能100％的轉(zhuǎn)化為機械能，教師應(yīng)該強調(diào)定律內(nèi)容“而不產(chǎn)生其他影響”這個條件，舉出“絕熱膨脹”的例子加以說明。 4.熱力學(xué)第二定律的兩種表述，一種是按照熱傳導(dǎo)過程的方向性表述的另一種是按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述的。這兩種表述是等價的，它們都表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的。教學(xué)時，要注意說明這兩種不同表述的內(nèi)在聯(lián)系，講清這兩種表述的物理實質(zhì)。 5．熱力學(xué)第二定律跟其它的物理規(guī)律不同的是：用一種現(xiàn)象作為定律的內(nèi)容，對任何一類宏觀自然過程方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述，必須向?qū)W生交代清楚的這一特點。