2019-2020年高中物理熱力學第二定律教案6 新人教版選修3-3【教材分析】本節(jié)介紹熱力學第二定律，該定律與熱力學第一定律是構(gòu)成熱力學知識的理論基礎(chǔ)，熱力學第一定律對自然過程沒有任何限制，只指 出在任何熱力學過程中能量不會有任何增加或損失，熱力學第二定律解決哪些過程可以發(fā)生，教學時要注意講清二者的關(guān)系。 對于熱力學第二定律，教材先從學生比較熟悉的熱傳導過程的方向性入手，研究與分子熱運動有關(guān)的過程的方向性問題，以期引起學生思維的深化，也作為學習熱力學第二定律的基礎(chǔ)。教材介紹了熱力學第二定律的兩種表述：一種是按照熱傳導過程的方向性表示，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?！驹O(shè)計思想】1. 從實際問題導入，從簡單的實驗開始，盡可能引導學生聯(lián)系自己熟悉的，身邊的生活現(xiàn)象的實例，在教學內(nèi)容上使物理貼近學生生活、聯(lián)系社會實際，體現(xiàn)標準倡導的“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習，使教學過程能夠確立學生在教學活動中的中心地位，讓學生從自己的學習體驗和感悟中獲得知識，向?qū)W生學習活動要效益，體現(xiàn)以學生為中心的原則。3.熱力學第二定律不象以往的實驗定律可以推導和驗證，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，教師要引導學生對關(guān)鍵詞的作深刻地理解，要引導學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目標中第一要素，本節(jié)課除了使用教材中“問題與練習”外，還設(shè)計了四道練習題，在教學過程中結(jié)合學生的學習狀況靈活使用，幫助學生更好理解定律。課后思考題有助于學生更深刻地理解定律?！窘虒W目標】一、 知識與技能1.了解熱傳遞過程的方向性。2.知道熱力學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，都可以作為熱力學第二定律的表述，學習本節(jié)時注意這一方法。三、 情感、態(tài)度與價值觀1 通過學習熱力學第二定律，可以使學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?！局攸c、難點分析】：重點：熱力學第二定律兩種常見的表述。 難點：1.熱力學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?！菊n時安排】： 1課時 【課前準備】：教師：多媒體課件，一個電冰箱模型，一盆涼水，準備一個酒精燈和一個鐵塊，鐵鉗。學生：課前預習課文，在家觀察自家的電冰箱?！窘虒W設(shè)計】： 引入新課：【問題】我們在初中學過，當物體溫度升高時，就要吸收熱量；當物體溫度降低時，就要放出熱量。而且熱量公式Q = cmt，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。學生計算：Q = 4.21031.410181030.1 J = 5.81023J這相當于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，這涉及物理學的一個基本定律，這就是本節(jié)要討論的熱力學第二定律?！驹O(shè)計意圖】：從實際問題入手，喚起學生對學習的興趣。從學生已有的熱學知識出發(fā)引入新的知識，使過渡自然，減少學生對新知識的唐突性?！景鍟?第四節(jié) 熱力學第二定律【板書】一、熱傳遞的方向性教師實驗，點燃酒精燈，用鉗夾住事先準備好的鐵塊，在火焰上灼燒一段時間后，問學生現(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？學生思考，教師給予啟發(fā)學生答：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。學生思考討論一會后，有的同學可能產(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，請同學做簡要的回答，教師進行點撥。然后，展示電冰箱模型給學生簡要講解(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?！緦W生總結(jié)】熱傳導的方向性：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?！景鍟拷Y(jié)論:熱力學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?！驹O(shè)計意圖】：1. 聯(lián)系學生熟悉的，身邊的生活現(xiàn)象，使知識的學習貼近學生的生活，使學生感受物理知識就在身邊，存在于生活，強化學生的實踐意識，使情感成為學習動力。2. 通過師生的對話交流，在互動中實現(xiàn)思維的碰撞，突出學生的學習過程，體現(xiàn)以學生為中心的原則，從自己的學習體驗和感悟中獲得知識，向?qū)W生學習活動要效益。3. 熱力學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，教師要引導學生作深刻理解?！景鍟慷?、熱力學第二定律的另一種表述(第二類永動機)前面我們學習了第一類永動機，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？分組合作學習，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，用表示=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。這是熱力學第二定律的開爾文表述 (也稱第二類永動機)。教師應該強調(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。 學生思考回答，教師引導點撥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）?！景鍟繜崃W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，可以從一種表述導出另一種表述，所以他們都稱為熱力學第二定律。熱力學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?！咀⒁狻?：不管如何表述，熱力學第二定律的實質(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?！颈竟?jié)小結(jié)】:回過頭分析引入的例子,學生應用熱力學第二定律分析,老師點撥總結(jié)。進一步說明第二類永動機不能制成的,違背熱力學第二定律?！驹O(shè)計意圖】：1.熱力學第二定律的開爾文表述比較抽象和難以理解，需要學生通過合作學習，在討論和交流中認識規(guī)律，再通過教師的點撥指導才能更好的理解和掌握規(guī)律。2. 熱力學第二定律是在大量實驗事實的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，教學過程要引導學生多運用實例來輔助理解。3. 分析引入的例子，學生應用熱力學第二定律分析，師生共同小結(jié)本節(jié)內(nèi)容，首尾呼應，學以致用。三、【隨堂練習】1、熱力學第二定律使人們認識到，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)銘牌標注有如下指標：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，是指標注錯誤還是能量不守恒呢？四、作業(yè)：p73問題與練習:2、3【教學感悟】1.從有趣的問題引入，學生利用初中的熱學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)學生積極思考的問題，學生對此特別感興趣，學習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，學生整體對熱力學第二定律的克勞修斯表達能夠較好的理解，教學過程的關(guān)鍵點是由實例引導學生對兩個關(guān)鍵詞“自發(fā)”和“不可逆”的理解。3.對于本節(jié)的教學難點 熱力學第二定律的開爾文表述，學生對此理解有一定的難度，引導學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，才能幫助學生理解機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性，到此學生有一個誤區(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.熱力學第二定律的兩種表述，一種是按照熱傳導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，都可以作為熱力學第二定律的表述，必須向?qū)W生交代清楚的這一特點。