第二屆東芝杯教案浙江師大——熱力學(xué)第二定律教案高月月

1、熱力學(xué)第二定律教學(xué)設(shè)計浙江師范大學(xué)物理系高月月一、教學(xué)設(shè)計思路以高中物理新課改的基本理念為指導(dǎo)，根據(jù)人民教育出版社高中物理選修3-3 第十章第四節(jié)熱力學(xué)第二定律的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際，本節(jié)課主要采用了“情境激疑、自主探究，對話互動，過程評價”的教學(xué)方略：通過創(chuàng)設(shè)能量守恒與能源危機悖論問題情境，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣和動機；通過學(xué)生自主的探究，領(lǐng)悟宏觀過程的方向性；通過師生對話和生生合作，歸納出熱力學(xué)第二定律的表述；通過交流評價，認(rèn)識熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)。根據(jù)學(xué)生的特點和教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)課在重視學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)方式的同時，在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)融合不同的學(xué)習(xí)方式。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過分析生活情境，

2、在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)和提出問題；針對問題，提出科學(xué)假設(shè)，構(gòu)建探究實驗的模型，并進行科學(xué)探究活動。 在學(xué)生探究性實驗的設(shè)計和操作部分，分小組引導(dǎo)學(xué)生按照 “確定問題提出解決問題的假設(shè)設(shè)計方案、 驗證假設(shè)分析數(shù)據(jù)、 得出結(jié)論反饋和反思” 的思路自主地進行探究。在課堂中進行過程性和形成性評價，采用鼓勵的方式創(chuàng)建活躍的課堂氣氛和讓學(xué)生得到積極的學(xué)習(xí)情感體驗。整個教學(xué)設(shè)計，從知識序來看，本節(jié)課主要是引導(dǎo)學(xué)生通過探究，歸納和理解熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述及熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)；從認(rèn)知序來看，則以學(xué)生已有的認(rèn)知水平為教學(xué)起點，遵循了從感性到理性，達(dá)到在最近發(fā)展區(qū)建立新的認(rèn)知；從教學(xué)序來看，則以實驗為基礎(chǔ)

3、，以問題為載體，以情境為依托，體現(xiàn)了師生對話互動的教學(xué)特點。在設(shè)計過程中，知識序、認(rèn)知序和教學(xué)序融合統(tǒng)一。二、前期分析高三的學(xué)生已部分地學(xué)習(xí)了熱力學(xué)的基本知識，并具有較強的邏輯推理能力。但是本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容豐富，且熱力學(xué)第二定律表述比較抽象，處理不當(dāng)容易對學(xué)生的自主探究造成障礙。因此，如何把握課堂主線，從常見的生活常識出發(fā)，引出物理規(guī)律并加以運用，是本節(jié)課的關(guān)鍵。熱力學(xué)第一定律告訴人們?nèi)魏螣崃W(xué)過程中能量不會無中生有或消失，但是對于自然過程沒有任何限制，那么是不是意味著任何過程都可以發(fā)生？熱力學(xué)第二定律就是要解決怎么樣的過程才能發(fā)生的問題。所以， 對于一些實驗可以完全放手讓學(xué)生自己設(shè)計與動手，

4、以培養(yǎng)其實驗與歸納的能力。對熱力學(xué)第二定律的克勞休斯表述、開爾文表述的理解和對熱力學(xué)第二定律實質(zhì)的理解是本節(jié)課的教學(xué)重點。本節(jié)課通過視頻播放違背常理的現(xiàn)象而引出，使學(xué)生認(rèn)識到在符合能量守恒定律的條件下，與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程存在著一定的方向性。接著通過自己創(chuàng)設(shè)的探究實驗“制冷片工作”與“神奇小風(fēng)扇”，分別從熱現(xiàn)象的熱傳遞和功熱轉(zhuǎn)化兩方面解釋 克勞休斯表述與開爾文表述，繼而總結(jié)出熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)及其他表述。重點難點：重點：1.熱力學(xué)第二定律的克勞休斯表述及開爾文表述的理解2.熱力學(xué)第二定律實質(zhì)的理解難點：1.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述及熱機效率2 熱力學(xué)第二定律實質(zhì)的理解三、教學(xué)目標(biāo)1知識與

5、技能（ 1 ）能判斷涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程的方向性。（ 2）知道并會解釋熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述及其實質(zhì)。（ 3）知道什么是第二類永動機，能闡述為什么第二類永動機不可能制成。（ 4）能夠應(yīng)用熱力學(xué)第二定律分析有關(guān)問題。2. 過程與方法（ 1 ）體會歸納的科學(xué)方法及理想化的科學(xué)研究方法。（ 2）認(rèn)識到物理規(guī)律可以從多個方面進行解釋與表述的特點。3. 情感態(tài)度與價值觀（ 1 ）體會熱力學(xué)第二定律對于人類實踐的指導(dǎo)意義。（ 2）領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧。四、教學(xué)準(zhǔn)備自制的制冷實驗，自制的“神奇小風(fēng)扇”實驗，學(xué)生電源，溫度計，一次性塑料杯若干，熱水，自來水五、教學(xué)過程設(shè)計1情境設(shè)計（多媒體展示）探究：

6、地球上的海水溫度降低0.1能放出多少熱量？已知地球海水的總質(zhì)量約為1. 4X1018t,海水的比熱容為 C=4. 2X103J/ （kg C）生生交流，教師引導(dǎo)學(xué)生計算。提問：大亞灣核電站一年的發(fā)電量為150 億千瓦時，海水溫度降低0.1 所放出的熱量相當(dāng)于多少個大亞灣核電站一年的發(fā)電量？在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，指出如果將這些熱量全部用來做功，人類的能源問題就可以解決了，而且這樣的物理過程是符合熱力學(xué)第一定律的。那么，這個方法可行嗎？2 提出熱力學(xué)第二定律教師提出：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？是否還存在除了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律之外我們還必須遵循的規(guī)律呢？進而引出本節(jié)課的

7、學(xué)習(xí)內(nèi)容：熱力學(xué)第二定律。觀看視頻：墨水在清水中擴散；燒紅的鐵棒浸入冷水中冷卻；向密閉的廣口瓶中充氣，將瓶塞沖開在草坪上滾動的足球最終停下來；水從高處流向低處思考：以上5個過程的逆過程是什么，他們是否符合熱力學(xué)第一定律，這些逆過程可能自 發(fā)發(fā)生嗎？師生交流，讓學(xué)生舉出更多的不可逆過程，進而體會總結(jié)出宏觀過程具有方向性。教師適時總結(jié)，反映宏觀過程方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。3 .熱力學(xué)第二定律的表述熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律就像是電路中兩個串聯(lián)的開關(guān)，過程要發(fā)生，必須 同時滿足這兩大定律。過程第一定律第二定律圖1自然過程的發(fā)生要遵從熱力學(xué)第一、第二定律師：熱力學(xué)第一定律可以用 U=Q+W

8、這一數(shù)學(xué)公式表述，熱力學(xué)第二定律將如何表 述？克勞休斯表述展示圖片：燒紅的鐵棒浸入冷水中冷卻；夏天吃冰棍；人們圍坐在火堆邊取暖。讓學(xué)生根據(jù)圖片完成表 1表1 物體間熱量的傳遞高溫物體低溫物體熱量傳遞方向讓學(xué)生舉出生活中其他的熱傳遞例子，也將其填入表1.觀察表格，師生交流，歸納出熱傳遞的條件及特點。（條件：存在溫度差；特點：熱量總是從高溫物體傳向低溫物體）提出問題：熱量能否從低溫物體傳向高溫物體?演示實驗: 幾個同學(xué)為一組，每一組發(fā)一個“元件” ，一個學(xué)生電源，給“元件”加 1伏電壓, 感受“元件”冷、熱面的溫度，令其明確“元件”兩面已經(jīng)具備了熱傳遞的條件一一存在溫 度差。教師拿出自己制作的“元

9、件”模型，首先通上1伏的電壓，用溫度計顯示其冷熱面 的溫度。提出問題：按照熱傳遞的特點，接下來溫度應(yīng)該如何變化？（加大電壓）溫度計顯示冷端繼續(xù)變冷，熱端繼續(xù)變熱。思考：為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象？它與表1中的熱傳遞過程有什么不同 ？（通了電，表1中的熱傳遞過程都是自然過程，自行發(fā)生，而實驗中的熱傳遞是在電能的作用下發(fā)生的）師生對話，通過分析實驗，教師引導(dǎo)學(xué)生用不同的語句對熱傳遞過程發(fā)生的方向性進行 說明，并讓學(xué)生試著歸納熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱傳遞過程的表述。教師對學(xué)生的回答作出評價，并適時的介紹德國物理學(xué)家克勞修斯與其關(guān)于熱力學(xué)第二 定律的克勞休斯表述。討論：生活中還有哪些例子熱量是從低溫物體 傳向

10、高溫物體的分析電冰箱的工作原理，鞏固對克勞休斯表述 的理解。師生交流總結(jié)出熱傳遞的過程要能夠發(fā)生，除 了要滿足能量守恒定律外，還必須遵守?zé)醾鬟f的方 向性，熱力學(xué)第二定律的克勞休斯表述即闡明了熱 傳遞的方向性。開爾文表述提出問題：我們計算過海水降低0.1 C就可以放出5.8X 1022J的能量，那么我們是不是可以制造一種熱機, 將其全部轉(zhuǎn)換為功，來實現(xiàn)上課開始時我們的設(shè)想呢？從海水中吸熱，根據(jù)能量守恒定律,教師展示“神奇小風(fēng)扇”（如圖3）,并指出這是一個將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的熱機模型。實驗：在桌子上放三組水杯，每組兩個杯子第一組兩杯熱水；第二組兩杯自來水；第三組 一杯熱水一杯自來水 。制冷片將“神

11、奇小風(fēng)扇”分別放入三組杯子中發(fā)現(xiàn)表2“神奇小風(fēng)扇”的工作條件組別1號杯2號杯“神奇小風(fēng)扇”的工作情況第一組熱水熱水不工作第二組自來水自來水不工作第三組自來水熱水工作提出問題：熱機工作有什么要求？師生對話（教師適時提出溫度恒定而均勻的熱源稱為單一熱源），教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出熱機不可能從單一熱源吸收熱量，使之全部轉(zhuǎn)化為功，而不引起其它的變化， 進而介紹熱力圖4功熱轉(zhuǎn)化圖示學(xué)第二定律的開爾文表述。Q上WNQlV低溫?zé)嵩磶熒鷮υ?，總結(jié)出功熱轉(zhuǎn)化的過程要能夠發(fā)生，除了要滿足能量守恒定律外，還必須 遵守功熱轉(zhuǎn)化的方向性，熱力學(xué)第二定律開爾文表述即闡明了功熱轉(zhuǎn)化的方向性。提出問題：既然我們已經(jīng)了解了熱機工作的

12、條件，那么熱機的工作效率應(yīng)該怎么求呢?展示（圖5 ）生生合作，推算出熱機的工作效率：Y =N / Q= （ Q- Qi） / Q（教師適時提示：工作效率為熱機對外所做功除以熱機消耗的總熱量）教師讓學(xué)生根據(jù)公式，能量圖和開爾文表述，結(jié)合熱機工作的條件分析熱機的效率可能達(dá)到100%嗎？教師結(jié)合學(xué)生回答總結(jié)出：由于熱機工作必須要有一個高溫?zé)嵩?和低溫?zé)嵩?，才能對外做功，所以Q必須存在，因此熱機的效率不 能達(dá)到100%引=N / Q= ( Q- Qi) / Q < 1圖5熱機效率示意圖教師指出不可能有效率為100%的熱機，這也是熱力學(xué)第二定律的表述。學(xué)生根據(jù)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，分析從海水

13、這一單一熱源吸收熱量將其全部轉(zhuǎn)化為功的熱機是無法制成的。教師適時指出“第二類永動機”的概念，并使學(xué)生認(rèn)識到，熱力學(xué)第二定律也可表述為：第二類永動機是無法制成的。4. 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)及其他表述通過師生的對話交流，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述都指明了物理過程的方向性，并引導(dǎo)學(xué)生理解熱力學(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，且對任何一類自發(fā)的宏觀物理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。請同學(xué)觀察擴散現(xiàn)象，氣體向真空中自由膨脹的過程(展示PPT) ，依據(jù)熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)，給出熱力學(xué)第二定律的其他表述。表述1：擴散過程是不可逆的。表述2：氣體

14、向真空中自由膨脹的過程是不可逆的。讓學(xué)生課后從熱現(xiàn)象的不同方面繼續(xù)探討熱力學(xué)第二定律其他表述。5. 課堂小結(jié)本節(jié)課主要從熱現(xiàn)象的熱傳遞和功熱轉(zhuǎn)化兩方面學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述，并由此探究熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)。此外還利用熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)了熱機的效率，知道了第二類永動機是無法制成的，并由此解釋了在能量守恒的情況下為什么會發(fā)生能源危機。6. 布置作業(yè)同學(xué)課后自己查找資料，分析四沖程內(nèi)燃機的工作過程，分析其效率為什么不能達(dá)到100%。7. 教學(xué)流程圖見附錄一8. 形成性評價 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法中正確的是( ) A 熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B

15、 熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，但熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D 機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可能全部轉(zhuǎn)化為機械能 第二類永動機不可能制成，是因為( )A 它違背了能量守恒定律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)化為內(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 可逆熱機的效率最高，因此由可逆熱機帶動的火車（）A跑得最快B跑得最慢 C夏天跑得最快D 冬天跑得最快（4）從海水這一單一熱源吸收熱量將其全部轉(zhuǎn)化為功的熱機是無法制成的，那么，同學(xué)們有沒有什么其他辦法可以利用海水這個天然的大能量庫呢？（提示：海水表面與海底的溫度是不一樣的）。讓學(xué)生回去查閱相關(guān)資料寫一篇小論文。9. 板書設(shè)計熱傳導(dǎo)的方向性一一克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫