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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 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】 　　一、知識和技能 　　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、認識到熱力學(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)度和價值觀 　　1、體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折性和必然性； 　　2、體會熱力學(xué)第二定律對于人類實踐的指導(dǎo)意義。 　　【教學(xué)重點和難點】 　　重點：熱力學(xué)第二定律內(nèi)容的理解。 　　難點：熱力學(xué)第二定律的兩種表述的理解。 　　【設(shè)計思路與教學(xué)流程】 　　設(shè)計思路： 　　本節(jié)內(nèi)容的課程標準是：“通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律?！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，對于能量守恒的認識就更深刻了。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)生分析實例，再借助于一些多媒體素材（我利用了一些視頻及熱機、內(nèi)燃機兩個flash動畫），從正、反兩方面幫助學(xué)生形成對熱學(xué)現(xiàn)象中的過程認識：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）。最終認識到熱力學(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動畫） 　　【教學(xué)實錄】 　　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，還要提倡節(jié)約能源呢？曾經(jīng)有這樣一個設(shè)想（展示幻燈片），試圖來解決我們的能源危機。 　　（幻燈片內(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：請大家計算一下，上述過程將釋放多少能量？ 　　生：放出5．81023J的熱量。 　　師：這相當于1800萬個大亞灣核電站一年的發(fā)電量。（秦山核電站裝機容量為30萬千瓦、大亞灣核電站裝機容量為百萬千瓦）（幻燈片） 　　師：請大家相互討論一下，該方案可行嗎？ 　　……（學(xué)生分組討論） 　　生1：這個方案可行，因為不違背能量守恒定律。 　　生2：這個方案不可行，若可行的話，科學(xué)家早就將這一想法付諸實踐了。 　　生3：不同意2的說法。并不是我們能想到的就一定能實現(xiàn)的。 　　…… 　　二、提出熱力學(xué)第二定律 　　師：那么這一想法實現(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。請看下面的一些視頻：①空氣和二氧化氮氣體的擴散；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現(xiàn)嗎？注意語言表述的準確性，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氣體過一段時間變的涇渭分明：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回到瓶中，瓶中氣體的壓強達到了將瓶塞沖開時的壓強。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地吸收草地的熱量轉(zhuǎn)化為足球的動能，足球滾了起來。該過程不可能。 　　生5：現(xiàn)象錯誤！鏈接無效。的逆過程是碎在地面上的玻璃杯自動地變成完整的杯子，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)象背后存在著一個共同特征，那么就應(yīng)該存在著一個普遍的客觀規(guī)律。事實上，許多科學(xué)家已經(jīng)從不同的角度分別進行了歸納總結(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。請考慮三個問題：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能量轉(zhuǎn)化情況。請大家相互討論一下。 　　……（學(xué)生分組討論） 　　生1：電冰箱工作時是將熱量從低溫環(huán)境傳到高溫環(huán)境； 　　生2：只有在電冰箱插上電源后，才能實現(xiàn)上述熱量傳導(dǎo)過程； 　　生3：電冰箱工作時，消耗了電能。 　　師：電冰箱工作時，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，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：足球的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 　　師：再比如小球從高處落下掉進沙坑，能量的轉(zhuǎn)化情況怎樣？ 　　生：小球的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 　　師：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，那么內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機械能？ 　　生1：不能，因為上面的過程是不可逆的。 　　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。這一問題先擱一下，我們再分析兩個實例：一是熱機；二是內(nèi)燃機。（展示flash動畫） 　　請觀察熱機與內(nèi)燃機的工作流程，并分析能量轉(zhuǎn)化的情況。 　　生1：熱機工作過程中，鍋爐中的水被加熱變成水蒸氣，水蒸氣推動汽缸活塞對外做功，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\動的機械能。 　　生2：內(nèi)燃機工作過程中，先吸入空氣與汽油的混合氣體，接著活塞向上運動壓縮混合氣體，點火后混合氣體爆炸，推動活塞對外做功，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)化為機械能。 　　師：以上兩個過程都存在內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象。請分析這些過程中，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能嗎？ 　　生3：不能，因為機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，機械能與熱能之間的轉(zhuǎn)化也可以用下面的流程圖來表示： 　?。ㄕ故净脽羝? 　　師：熱機或內(nèi)燃機就是從高溫熱源吸收熱量Q1，其中對外做功為W，到低溫熱源放出熱量Q2。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?，而不產(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、內(nèi)燃機的效率總有：。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。 　　師：這種說法更簡潔。事實上，一般的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% 。 　　五、熱力學(xué)第二定律的實質(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是什么？ 　　生：都指明了物理進程的一種方向性。 　　師：不錯，熱力學(xué)第二定律的實質(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行方向的說明可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。請觀察擴散現(xiàn)象、氣體向真空擴散的過程（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，當然還有其他不同的表述，所有的這些表述都是等價的。請同學(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。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器，這稱之為第二類永動機?，F(xiàn)在看來，第二類永動機也不可能實現(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：第二類永動機不可能實現(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”運營的方式和方法。 　　課后請同學(xué)們再利用熱力學(xué)定律說明開始的五個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】 　　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，并且熱力學(xué)第二定律的兩種表述實質(zhì)上是通過大量實例歸納出來的，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)生積極主動地發(fā)表個人的看法，不管是對的，還是錯的，都對本課達成教學(xué)目標起到的推進作用。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。