2019-2020年高中物理 第三章3.4熱力學(xué)第二定律教案 粵教版選修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(shí)的理論基礎(chǔ)，熱力學(xué)第一定律對(duì)自然過(guò)程沒(méi)有任何限制，只指 出在任何熱力學(xué)過(guò)程中能量不會(huì)有任何增加或損失，熱力學(xué)第二定律解決哪些過(guò)程可以發(fā)生，教學(xué)時(shí)要注意講清二者的關(guān)系。 對(duì)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(guò)程的方向性入手，研究與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的過(guò)程的方向性問(wèn)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(guò)程的方向性表示，另一種是按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)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(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都是不可逆的，教學(xué)時(shí)，要注意說(shuō)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(shí)質(zhì)。第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是指設(shè)想中的效率達(dá)到100%的熱機(jī)，由于在自然界中把熱轉(zhuǎn)化為功時(shí)，不可避免地把一部分熱傳遞給低溫的環(huán)境，所以第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成?！驹O(shè)計(jì)思想】1. 從實(shí)際問(wèn)題導(dǎo)入，從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(shí)例，在教學(xué)內(nèi)容上使物理貼近學(xué)生生活、聯(lián)系社會(huì)實(shí)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(huì)”的理念。2. 積極創(chuàng)設(shè)情景，開(kāi)展師生、生生間的對(duì)話(huà)交流，開(kāi)展小組合作討論學(xué)習(xí)，使教學(xué)過(guò)程能夠確立學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的中心地位，讓學(xué)生從自己的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和感悟中獲得知識(shí)，向?qū)W生學(xué)習(xí)活動(dòng)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(shí)驗(yàn)定律可以推導(dǎo)和驗(yàn)證，是在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)，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(duì)關(guān)鍵詞的作深刻地理解，要引導(dǎo)學(xué)生多運(yùn)用實(shí)例來(lái)輔助理解。 4.夯實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)，靈活運(yùn)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(wèn)題與練習(xí)”外，還設(shè)計(jì)了四道練習(xí)題，在教學(xué)過(guò)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。課后思考題有助于學(xué)生更深刻地理解定律?！窘虒W(xué)目標(biāo)】一、 知識(shí)與技能1.了解熱傳遞過(guò)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(shí)質(zhì)。3.知道什么是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)，為什么第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成。二、 過(guò)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(gè)顯著不同，它是用否定語(yǔ)句表述的。2熱力學(xué)第二定律的表述不只一種，對(duì)任何一類(lèi)宏觀(guān)自然過(guò)程進(jìn)行方向的說(shuō)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(shí)注意這一方法。三、 情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)1 通過(guò)學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律，可以使學(xué)生明白熱機(jī)的效率不會(huì)達(dá)到100%，我們只能想辦法盡量提高熱機(jī)的效率，但不能渴求達(dá)到100%。2 自然界發(fā)生的一切過(guò)程中的能量都是守恒的，但不違背能量守恒定律的宏觀(guān)過(guò)程并都能發(fā)生?！局攸c(diǎn)、難點(diǎn)分析】重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律兩種常見(jiàn)的表述。 難點(diǎn)：1.熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述。2.自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀(guān)過(guò)程都具有方向性?！菊n時(shí)安排】 1課時(shí) 【課前準(zhǔn)備】教師：多媒體課件，一個(gè)電冰箱模型，一盆涼水，準(zhǔn)備一個(gè)酒精燈和一個(gè)鐵塊，鐵鉗。學(xué)生：課前預(yù)習(xí)課文，在家觀(guān)察自家的電冰箱。【教學(xué)設(shè)計(jì)】 引入新課：【問(wèn)題】我們?cè)诔踔袑W(xué)過(guò)，當(dāng)物體溫度升高時(shí)，就要吸收熱量；當(dāng)物體溫度降低時(shí)，就要放出熱量。而且熱量公式Q = cmt，這里有一個(gè)有趣的問(wèn)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(qǐng)大家計(jì)算一下。學(xué)生計(jì)算：Q = 4.21031.410181030.1 J = 5.81023J這相當(dāng)于1800萬(wàn)個(gè)功率為100萬(wàn)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(lái)，這樣做是不可能的，這涉及物理學(xué)的一個(gè)基本定律，這就是本節(jié)要討論的熱力學(xué)第二定律?！驹O(shè)計(jì)意圖】從實(shí)際問(wèn)題入手，喚起學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。從學(xué)生已有的熱學(xué)知識(shí)出發(fā)引入新的知識(shí)，使過(guò)渡自然，減少學(xué)生對(duì)新知識(shí)的唐突性?！景鍟?shū)】一、熱傳遞的方向性教師實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)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(shí)間后，問(wèn)學(xué)生現(xiàn)在如果用手摸會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？下面把灼熱的鐵塊放入冷水中，過(guò)一段時(shí)間，拿出鐵塊現(xiàn)在你們敢用手摸嗎？通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明什么問(wèn)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(kāi)展小組討論并進(jìn)行對(duì)話(huà)交流。教師反問(wèn)學(xué)生：有沒(méi)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(lái)越低，高溫物體的溫度越來(lái)越高。這里所說(shuō)的“自發(fā)地”，指的是沒(méi)有任何外界的影響或幫助。學(xué)生思考討論一會(huì)后，有的同學(xué)可能產(chǎn)生疑問(wèn)：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(guān)察自家的電冰箱，請(qǐng)同學(xué)做簡(jiǎn)要的回答，教師進(jìn)行點(diǎn)撥。然后，展示電冰箱模型給學(xué)生簡(jiǎn)要講解(多媒體課件)。這是因?yàn)殡姳湎牧穗娔?，?duì)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(huì)自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高?！緦W(xué)生總結(jié)】熱傳導(dǎo)的方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。要實(shí)現(xiàn)相反過(guò)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(shū)】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(duì)定律的理解:這里闡述的是熱傳遞的方向性.在這個(gè)表述中,“自發(fā)”二字指的是:當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí),不需要任何第三者的介入、不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生任何影響,熱量就能從一個(gè)物體傳向另一個(gè)物體.當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí),這個(gè)“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(shí)質(zhì)上就是：熱傳遞過(guò)程是不可逆的?！驹O(shè)計(jì)意圖】：1. 聯(lián)系學(xué)生熟悉的，身邊的生活現(xiàn)象，使知識(shí)的學(xué)習(xí)貼近學(xué)生的生活，使學(xué)生感受物理知識(shí)就在身邊，存在于生活，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，使情感成為學(xué)習(xí)動(dòng)力。2. 通過(guò)師生的對(duì)話(huà)交流，在互動(dòng)中實(shí)現(xiàn)思維的碰撞，突出學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的原則，從自己的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和感悟中獲得知識(shí)，向?qū)W生學(xué)習(xí)活動(dòng)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。二、熱力學(xué)第二定律的另一種表述(第二類(lèi)永動(dòng)機(jī))前面我們學(xué)習(xí)了第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)，不能制成的原因是什么？（違背了能量守恒），什么是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)呢？分組合作學(xué)習(xí)，思考討論下列問(wèn)題：1.熱機(jī)是一種把什么能轉(zhuǎn)化成什么能的裝置？ 2.熱機(jī)的效率能否達(dá)到100%？ 3.第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)模型 4.機(jī)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(jìn)行思路點(diǎn)撥1.熱機(jī)是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置2.熱機(jī)的效率不能達(dá)到100% 原因分析： 以?xún)?nèi)燃機(jī)為例，氣缸中的氣體得到燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量為Q1，推動(dòng)活塞做工W，然后排出廢氣，同時(shí)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(jī)做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫做熱機(jī)的效率，用表示=W / Q1 實(shí)際上熱機(jī)不能把得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱機(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)，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(jī)的效率不可能達(dá)到100%，汽車(chē)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%，即使是理想熱機(jī)，沒(méi)有摩擦，也沒(méi)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(jī)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(shū)】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(kāi)爾文表述 (也稱(chēng)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī))。教師應(yīng)該強(qiáng)調(diào)定律內(nèi)容“而不產(chǎn)生其他影響”這個(gè)條件，舉出“絕熱膨脹”的例子加以說(shuō)明。第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)并不違反能量守恒定律，人們?yōu)榱酥圃斐龅诙?lèi)永動(dòng)機(jī)作出了各種努力，但同制造第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)一樣，都失敗了。為什么第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成呢？因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性。機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化。再舉實(shí)例，說(shuō)明有些物理過(guò)程具有方向性。 學(xué)生思考回答，教師引導(dǎo)點(diǎn)撥1.氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象。2.書(shū)上連通器的小實(shí)驗(yàn)（氣體向其中膨脹）。【板書(shū)】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(lái)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(lái)做功，而不引起其他變化。也可表述為第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。（機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化具有方向性）這兩種表述是等價(jià)的，可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，所以他們都稱(chēng)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(guān)過(guò)程的方向性。（自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀(guān)過(guò)程都具有方向性）。因此,對(duì)任何一類(lèi)宏觀(guān)自然過(guò)程進(jìn)行方向的說(shuō)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(gè)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(kuò)散,而相反的過(guò)程不可能自發(fā)地進(jìn)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(shí)質(zhì)在于揭示了：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都是不可逆的?！颈竟?jié)小結(jié)】回過(guò)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(diǎn)撥總結(jié)。進(jìn)一步說(shuō)明第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不能制成的,違背熱力學(xué)第二定律?！驹O(shè)計(jì)意圖】1.熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述比較抽象和難以理解，需要學(xué)生通過(guò)合作學(xué)習(xí)，在討論和交流中認(rèn)識(shí)規(guī)律，再通過(guò)教師的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，教學(xué)過(guò)程要引導(dǎo)學(xué)生多運(yùn)用實(shí)例來(lái)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。熵：描述物體的無(wú)序程度，物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度越高，物體的熵越大?！菊n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(shí)，每消耗1J電能，將放出3J多熱量，是指標(biāo)注錯(cuò)誤還是能量不守恒呢？【教學(xué)感悟】1.從有趣的問(wèn)題引入，學(xué)生利用初中的熱學(xué)知識(shí)能夠計(jì)算出地球上海水降低0.1 oC時(shí)釋放出巨大的能量，是否是新能源？在能源緊缺的今天，無(wú)疑是一個(gè)能引發(fā)學(xué)生積極思考的問(wèn)題，學(xué)生對(duì)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(qiáng)烈，這是一個(gè)成功的引入。2.通過(guò)實(shí)例的討論和分析，學(xué)生整體對(duì)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表達(dá)能夠較好的理解，教學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)是由實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵詞“自發(fā)”和“不可逆”的理解。3.對(duì)于本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn) 熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述，學(xué)生對(duì)此理解有一定的難度，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材中的熱機(jī)工作過(guò)程的分析，用好“熱機(jī)能流圖”和“熱機(jī)工作時(shí)能流分配圖”，明確熱機(jī)效率不可能100，才能幫助學(xué)生理解機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性，到此學(xué)生有一個(gè)誤區(qū)，以為內(nèi)能一定不可能100的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，教師應(yīng)該強(qiáng)調(diào)定律內(nèi)容“而不產(chǎn)生其他影響”這個(gè)條件，舉出“絕熱膨脹”的例子加以說(shuō)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(guò)程的方向性表述的另一種是按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性表述的。這兩種表述是等價(jià)的，它們都表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都是不可逆的。教學(xué)時(shí)，要注意說(shuō)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(shí)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(duì)任何一類(lèi)宏觀(guān)自然過(guò)程方向的說(shuō)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(diǎn)。