熱力學(xué)第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)教案

1、熱力學(xué)第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)與反思課題：熱力學(xué)第一定律科目：物理教學(xué)對象：高二選用教材：人教版選修3-3 第十章 第3節(jié)教師：師范班 林琬晴 一、教學(xué)內(nèi)容分析本節(jié)內(nèi)容選自人教版選修3-3第十章熱力學(xué)定律的第3節(jié)熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律。從教材結(jié)構(gòu)上來看，本章從研究絕熱過程中功和內(nèi)能關(guān)系開始，到討論單純的熱傳遞過程中熱與內(nèi)能的關(guān)系，逐步剖析功、熱量以及內(nèi)能三者之間的關(guān)系，引出了熱力學(xué)第一定律以及能量守恒定律的內(nèi)容（能量守恒定律在人教版必修2第七章第10節(jié)已學(xué)習(xí)，因此并未在本課的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)）。在學(xué)習(xí)了守恒律后，學(xué)生能夠通過學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律來了解自然過程的不可逆性，認(rèn)識自然界的一切自發(fā)過程都是朝著熵

2、增大的方向進(jìn)行的這一規(guī)律。從課程標(biāo)準(zhǔn)來看熱力學(xué)第一定律在高考中是I級要求，了解其內(nèi)容及含義并且能進(jìn)行簡單運(yùn)用即可。熱力學(xué)第一定律為同學(xué)們建立了“做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的”這一圖像，是高中教學(xué)的重點(diǎn)但非難點(diǎn)。從教材內(nèi)容來看，教材的思路是從焦耳的實(shí)驗(yàn)出發(fā)得到“做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的”的觀念，從而總結(jié)出U=Q+W的規(guī)律，進(jìn)而推廣得到能量守恒定律，并介紹永動(dòng)機(jī)的不可能性。而本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)是在教材的基礎(chǔ)上，用一個(gè)新穎的實(shí)驗(yàn)作為引入，承接原來學(xué)過的“單純做功熱傳遞改變系統(tǒng)內(nèi)能”引出“做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面的等價(jià)性”，激發(fā)學(xué)生樂趣，有助學(xué)生理解物理圖像。從功能上講，學(xué)習(xí)熱力

3、學(xué)第一定律完善了學(xué)生對于能量及其規(guī)律的知識體系，且讓學(xué)生能更深一步了解熱與內(nèi)能，并且為下一節(jié)學(xué)習(xí)熵的原理打下基礎(chǔ)。二、教學(xué)目標(biāo)物理觀念1. 能夠從能量轉(zhuǎn)化的角度理解熱力學(xué)第一定律的形式和內(nèi)涵。2. 理解、掌握能量守恒定律，會(huì)用能量守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象，明確其優(yōu)越性。3. 了解第一類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因?？茖W(xué)思維會(huì)用U=Q+W解決一些簡單的問題。了解建立熱力學(xué)第一定律的歷史過程、事實(shí)依據(jù)以及科學(xué)方法。通過教材中J.R.邁爾船醫(yī)的故事讓學(xué)生對創(chuàng)造性思維中最活躍因素“猜想與假設(shè)”有一定的啟發(fā)。鍛煉學(xué)生能從抽象公式內(nèi)化為思維從而解釋生活中現(xiàn)象的能力，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用。科學(xué)探究通過獨(dú)立分析和思考，理

4、解W、Q、U正負(fù)號的意義。能將其運(yùn)用到生活實(shí)際，結(jié)合自身體會(huì)，理解能量守恒定律。從實(shí)際出發(fā)體會(huì)永動(dòng)機(jī)的不可能性?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任學(xué)習(xí)科學(xué)家們探索自然規(guī)律的精神，增強(qiáng)學(xué)生開發(fā)新能源、合理利用能源、發(fā)展節(jié)能技術(shù)的責(zé)任感。同時(shí)在學(xué)習(xí)了第一類永動(dòng)機(jī)不可行后，學(xué)生能夠建立健康積極的科學(xué)觀。三、學(xué)習(xí)者特征分析1. 知識層面：1) 學(xué)生已掌握了內(nèi)能的定義及其微觀解釋。2) 本章前兩節(jié)已經(jīng)學(xué)習(xí)了在絕熱過程中U=W ，以及在單純的熱傳遞過程中U=Q的關(guān)系。且建立了在改變系統(tǒng)內(nèi)能上做功和熱傳遞是等價(jià)的觀念。3) 學(xué)生在必修2已經(jīng)學(xué)習(xí)了能量守恒定律，對于能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化已經(jīng)有較成熟的理解。2. 能力層面：符號的規(guī)定是

5、本節(jié)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，而高二學(xué)生在學(xué)習(xí)加速度、力時(shí)就掌握了用符號來表示方向的技巧，為本節(jié)學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。高中的知識規(guī)律較初中而言普遍更為抽象和偏向解題技巧，而本節(jié)學(xué)習(xí)的精髓應(yīng)是讓學(xué)生能夠從抽象的公式回歸到生活中的物理現(xiàn)象，學(xué)以致用。所以需要教師帶領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)熱學(xué)的樂趣。3. 認(rèn)知困難：第一類永動(dòng)機(jī)的不可能性。四、教學(xué)方法及策略教學(xué)方法：談話法、討論法、講授法、觀察法、閱讀法。教學(xué)策略：實(shí)驗(yàn)總結(jié)法、理論歸納法。五、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)【教學(xué)重點(diǎn)】 （1）用熱力學(xué)第一定律分析內(nèi)能改變的問題。 （2）掌握U=Q+W的符號法則并熟練應(yīng)用。 【教學(xué)難點(diǎn)】 （1）表達(dá)式U=Q+W中各物理量的符號及其物理意

6、義。 （2）第一類永動(dòng)機(jī)的不可能性。六、教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖（一）引入：在本書第一章，我們學(xué)習(xí)了分子動(dòng)理論，知道任何系統(tǒng)都具有內(nèi)能，且永不為零，它的大小可以由溫度、體積影響。那在實(shí)際操作中，我們可以采用哪些方式來改變系統(tǒng)的內(nèi)能呢？接下來我們來看兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，在觀察過程中，大家注意思考它們分別是采用什么方式改變系統(tǒng)內(nèi)能的。教師播放熱刀切乒乓球?qū)嶒?yàn)和演示往塑料瓶中加壓“造云”實(shí)驗(yàn)。由上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)我們知道，做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)內(nèi)能?！咎釂枴磕侨绻到y(tǒng)在跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞，內(nèi)能的變化與熱量及做功之間有什么關(guān)系呢？這就是我們這節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。播放視頻、做實(shí)驗(yàn)、寫板書（標(biāo)題

7、）、提出問題思考教師提出的問題激發(fā)學(xué)生興趣，承上啟下（二）新課教學(xué)：1、熱力學(xué)第一定律早在19世紀(jì)，克勞修斯就在熱力學(xué)理論研究方面建樹卓著，更在1850年在他發(fā)表的論文中首次用數(shù)學(xué)的形式表達(dá)了內(nèi)能與熱量及做功的關(guān)系，這就是熱力學(xué)第一定律。 （1）內(nèi)容： 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功之和。 （2）表達(dá)式：U=Q+W 其中U表示系統(tǒng)內(nèi)能的增量，Q表示系統(tǒng)吸收的熱量，W表示外界對系統(tǒng)做的功。【提問】請同學(xué)們思考：一定量的氣體膨脹，是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？那如何表示這個(gè)方向問題？答：正負(fù)符號。我們知道功有正負(fù)，且正負(fù)號所代表的物理意義不同，那么上式中U

8、和Q是否又有正負(fù)之分呢？如果有正負(fù)號代表的物理意義相同嗎？ （3）對公式U、Q、W符號的規(guī)定：教師引導(dǎo)學(xué)生從熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容來分析上述三物理量的符號的規(guī)定。具體如下：內(nèi)容中的提到的是內(nèi)能的增加量，如果系統(tǒng)的內(nèi)能是減少，則U的符號為“-”，相反則為“+”；同理，系統(tǒng)放出熱量，Q符號取“-”，吸收熱量則取“+”；氣體對外界做功，W符號取“-”， 外界對系統(tǒng)做的功則取“+”?？偠灾c定律內(nèi)容相反的取“-”號，否則取“+”號。詳見下表：2、氣體狀態(tài)變化與物理量對應(yīng)方法（1）絕熱過程：過程是絕熱的,則Q=0,W=U,外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。（2）等容過程：無做功過程,即W=0,則Q=

9、U,系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。（3）等溫過程：在過程的始末狀態(tài),系統(tǒng)的內(nèi)能不變,即U=0,則W+Q=0或W=-Q,表示吸收的熱量全部用來做功或外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出。學(xué)習(xí)完熱力學(xué)第一定律后歸納到能量守恒定律，從而提出與能量守恒定律相違背的第一類永動(dòng)機(jī)。3、能量守恒定律和第一類永動(dòng)機(jī) (1).能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到別的系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)移過程中其總量保持不變?；貞浤芰渴睾愣傻膬?nèi)容，再引入第一類永動(dòng)機(jī)問題。 (2).第一類永動(dòng)機(jī)：在17-18世紀(jì)，資本主義發(fā)展初期，為了滿足生產(chǎn)對于動(dòng)力日益增加的需求，

10、許多人致力于制造一種機(jī)器，它不需要任何動(dòng)力或燃料卻能不斷對外做功，稱其為“第一類永動(dòng)機(jī)”。如圖是最早的永動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)于13世紀(jì)的法國。第一類永動(dòng)機(jī)由于違反了能量守恒定律所以不可能實(shí)現(xiàn)。介紹了第一類永動(dòng)機(jī)，可以順勢引出第二類永動(dòng)機(jī)，為下節(jié)課熱力學(xué)第二定律的學(xué)習(xí)做鋪墊。講述了趣味性較強(qiáng)的物理學(xué)史之后需要讓同學(xué)們回歸課標(biāo)與高考，總結(jié)解題步驟并利用例題檢驗(yàn)。4、應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟：(1)首先選定研究對象是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)根據(jù)符號法則判斷已知量的正、負(fù)。(3)根據(jù)方程U=Q+W求出未知量。(4)再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來確定熱傳遞或做功方向的情況。寫板書、提出問題聯(lián)系所做“制云”實(shí)驗(yàn)以

11、及教材思考與討論例子給學(xué)生講解符號的規(guī)定以及物理意義。聯(lián)系所做“制云”實(shí)驗(yàn)給同學(xué)們拓展氣體狀態(tài)變化與物理量對應(yīng)方法。寫板書寫板書思考問題、【回答】利用符號表示方向閱讀教材思考與討論、記筆記記筆記同學(xué)們聽故事，思維可稍放松。計(jì)算課件上例題問題的設(shè)置與解決有助于培養(yǎng)學(xué)生利用熱力學(xué)第一定律解決問題的思維。符號規(guī)則的本質(zhì)是不難的，但是學(xué)生很容易被表象牽著鼻子走，死記硬背。所以要幫助學(xué)生抓住其根本，利用直觀的表格幫助學(xué)生理清規(guī)律。該部分屬于拓展內(nèi)容，有助于同學(xué)將實(shí)際問題模型化，抽象化，對解題能力有所提高?；仡櫮芰渴睾愣?。培養(yǎng)同學(xué)們健康的科學(xué)觀念。回歸課標(biāo)，回歸高考，給出一般解題步驟后例題加以鞏固。并檢測教學(xué)效果。（三）課堂小結(jié)：本節(jié)課的主要內(nèi)容是熱力學(xué)第一定律及其運(yùn)用，該內(nèi)容在高考的3-3選考題中，出現(xiàn)的概率非常高，屬于本書比較重要的內(nèi)容。布置作業(yè)檢測教學(xué)效果。七、教學(xué)評價(jià)設(shè)計(jì)八、板書設(shè)計(jì)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律 1、內(nèi)容：一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于系統(tǒng)吸收的熱量與外界對系統(tǒng)所做的功之和。 2、表達(dá)式：U=Q+W 3、對公式U、Q、W符號的規(guī)定：二、氣體狀態(tài)變化與物理量對應(yīng)方法三、能量守恒定律及第一類永動(dòng)機(jī)四、應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟：九教學(xué)反思 1請簡單描述這節(jié)課的教學(xué)或?qū)W習(xí)流程；2有哪些精彩的瞬間；這節(jié)課中你最滿意的地方或者讓