《5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》學(xué)歷案

《5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》學(xué)歷案一、學(xué)習(xí)主題熱力學(xué)第二定律的微觀解釋二、設(shè)計(jì)者姓名三、課標(biāo)要求理解熱力學(xué)第二定律的微觀意義，能用微觀解釋的方法認(rèn)識(shí)熱現(xiàn)象。四、學(xué)習(xí)目標(biāo)1、知識(shí)與技能知道什么是有序和無(wú)序，能舉例說(shuō)明生活中的有序和無(wú)序現(xiàn)象。了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義，能說(shuō)出大量分子的熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)序程度增大的過(guò)程。會(huì)用微觀解釋的方法分析簡(jiǎn)單的熱現(xiàn)象，如熱傳遞、擴(kuò)散現(xiàn)象等。2、過(guò)程與方法通過(guò)對(duì)生活中有序和無(wú)序現(xiàn)象的觀察和分析，提高觀察能力和邏輯思維能力。經(jīng)歷用微觀解釋熱現(xiàn)象的過(guò)程，掌握從微觀角度分析宏觀現(xiàn)象的方法。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀體會(huì)微觀世界與宏觀世界的聯(lián)系，感受物理知識(shí)的統(tǒng)一性。培養(yǎng)對(duì)物理現(xiàn)象的好奇心和探究欲，提高學(xué)習(xí)物理的興趣。五、自主學(xué)習(xí)（一）有序和無(wú)序1、觀察自己的書桌，整齊擺放書本和文具的時(shí)候就是一種有序狀態(tài)，如果書本和文具雜亂無(wú)章地堆在書桌上，那就是一種無(wú)序狀態(tài)。你還能在生活中找到哪些有序和無(wú)序的例子呢？寫下來(lái)吧。有序例子：＿_(dá)__________________無(wú)序例子：＿_(dá)__________________2、在物理學(xué)中，我們說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)的組成部分按照一定的規(guī)律排列或者運(yùn)動(dòng)就是有序的；如果系統(tǒng)的組成部分沒(méi)有規(guī)律地排列或者運(yùn)動(dòng)就是無(wú)序的。那么，對(duì)于分子來(lái)說(shuō)，怎樣是有序，怎樣是無(wú)序呢？比如，在一個(gè)盒子里，左邊全是氧氣分子，右邊全是氮?dú)夥肿樱@是一種（有序/無(wú)序）狀態(tài)；如果氧氣分子和氮?dú)夥肿泳鶆虻鼗旌显诤凶永?，這是一種（有序/無(wú)序）狀態(tài)。（二）熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1、閱讀教材內(nèi)容，試著理解為什么說(shuō)一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。可以結(jié)合下面的問(wèn)題來(lái)思考哦。熱傳遞是怎樣一個(gè)過(guò)程呢？是高溫物體的內(nèi)能傳遞給低溫物體，從微觀角度看，高溫物體分子的平均動(dòng)能（大/小），低溫物體分子的平均動(dòng)能（大/?。?。熱傳遞過(guò)程中，分子的分布是變得更有序還是更無(wú)序了呢？擴(kuò)散現(xiàn)象呢？比如在一個(gè)房間里，打開一瓶香水，香水分子會(huì)慢慢擴(kuò)散到整個(gè)房間。這個(gè)過(guò)程中分子的無(wú)序程度是怎樣變化的？2、總結(jié)一下，根據(jù)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵（無(wú)序程度的一種度量）是怎樣變化的？六、課堂互動(dòng)（一）小組討論1、分成小組，討論自主學(xué)習(xí)部分遇到的問(wèn)題。每個(gè)小組選擇一個(gè)生活中的熱現(xiàn)象，比如冰塊在常溫下融化，用微觀解釋的方法來(lái)分析這個(gè)過(guò)程中分子的有序和無(wú)序變化，以及這個(gè)現(xiàn)象和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系。討論后，每個(gè)小組派一名代表來(lái)發(fā)言，分享小組的討論結(jié)果。（二）老師講解1、針對(duì)同學(xué)們?cè)谧灾鲗W(xué)習(xí)和小組討論中存在的問(wèn)題進(jìn)行講解。重點(diǎn)講解熱力學(xué)第二定律微觀解釋中的一些難點(diǎn)，比如如何理解“自然過(guò)程沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行”，通過(guò)更多的實(shí)例來(lái)加深同學(xué)們的理解。用簡(jiǎn)單的模型（例如在黑板上畫一些分子分布的示意圖）來(lái)解釋分子的有序和無(wú)序狀態(tài)，以及在熱現(xiàn)象過(guò)程中的變化。（三）課堂練習(xí)1、下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀解釋的說(shuō)法正確的是（）A.一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性減小的方向進(jìn)行B.有序性越大的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多C.一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展D.熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的狀態(tài)向無(wú)序程度大的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程答案：CD2、請(qǐng)用熱力學(xué)第二定律的微觀解釋來(lái)分析下面這個(gè)現(xiàn)象：一杯熱水放在房間里，水會(huì)慢慢變涼，周圍的空氣會(huì)稍微變熱，從分子的有序和無(wú)序變化角度來(lái)解釋這個(gè)過(guò)程。答案：熱水中的水分子平均動(dòng)能大，周圍空氣中分子平均動(dòng)能小。在這個(gè)過(guò)程中，熱水中的熱量傳遞給空氣，從微觀角度看，熱水中水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較整齊（相對(duì)有序），隨著熱量傳遞，水分子的運(yùn)動(dòng)變得更加雜亂無(wú)章（無(wú)序程度增大）；而空氣分子原來(lái)比較無(wú)序，吸收熱量后，分子運(yùn)動(dòng)更加雜亂，無(wú)序程度也增大了。這個(gè)過(guò)程符合熱力學(xué)第二定律，即自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。七、典型例題1、例1：一個(gè)密閉的容器被隔板分成左右兩部分，左邊充滿氣體，右邊是真空。當(dāng)隔板被抽出后，氣體迅速充滿整個(gè)容器。從熱力學(xué)第二定律的微觀解釋角度分析這個(gè)過(guò)程。解題思路：首先要明確這個(gè)過(guò)程中分子的初始狀態(tài)是左邊有氣體分子（相對(duì)有序，都在左邊），然后隔板抽出后，氣體分子會(huì)在整個(gè)容器內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從微觀角度看，分子的分布變得更加無(wú)序了。這是因?yàn)樽匀贿^(guò)程總是朝著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。答案：在隔板抽出前，氣體分子集中在容器左邊，是一種相對(duì)有序的狀態(tài)。隔板抽出后，氣體分子在整個(gè)容器內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，分子的分布變得更加無(wú)規(guī)則，無(wú)序程度增大。這符合熱力學(xué)第二定律的微觀解釋，即自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。2、例2：假設(shè)有兩種氣體A和B，開始時(shí)A氣體在一個(gè)容器的上層，B氣體在下層，中間有一個(gè)隔板。當(dāng)隔板移除后，兩種氣體逐漸混合均勻。試從微觀角度解釋這個(gè)過(guò)程，并說(shuō)明這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)的熵是如何變化的。解題思路：考慮兩種氣體分子在混合前是分層的，相對(duì)有序，混合后均勻分布，無(wú)序程度增加。而熵是用來(lái)度量系統(tǒng)無(wú)序程度的，所以熵增大。答案：開始時(shí)，A氣體分子在上層，B氣體分子在下層，這種分布是一種有序狀態(tài)。當(dāng)隔板移除后，A和B氣體分子會(huì)相互擴(kuò)散、混合，分子的運(yùn)動(dòng)變得雜亂無(wú)章，分子的無(wú)序程度增大。因?yàn)殪厥敲枋鱿到y(tǒng)無(wú)序程度的物理量，所以在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)的熵增大，這也符合熱力學(xué)第二定律的微觀解釋，即自然過(guò)程朝著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，系統(tǒng)的熵總是增加的。八、課后作業(yè)（一）基礎(chǔ)題1、下列現(xiàn)象中，能用熱力學(xué)第二定律的微觀解釋來(lái)分析的是（）A.春天，柳絮飛揚(yáng)B.夏天，一滴墨水滴入一杯清水中，整杯水變黑C.秋天，果實(shí)成熟后從樹上落下D.冬天，雪花飛舞答案：B2、關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說(shuō)法正確的是（）A.大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)B.熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的狀態(tài)向無(wú)序程度大的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程C.熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從有序程度大的狀態(tài)向有序程度小的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程D.一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行答案：BD（二）拓展題1、想象有一個(gè)箱子，里面有很多個(gè)小球，開始時(shí)一半是白色球在左邊，一半是黑色球在右邊。如果不斷地?fù)u晃箱子，最后黑白球會(huì)混合均勻。請(qǐng)?jiān)敿?xì)地從熱力學(xué)第二定律的微觀解釋角度來(lái)分析這個(gè)過(guò)程，包括分子的有序和無(wú)序狀態(tài)的變化，以及熵的變化。答案：開始時(shí)，白色球在左邊，黑色球在右邊，這種分布是一種有序狀態(tài)，小球（類比分子）按照顏色被分隔開來(lái)。當(dāng)搖晃箱子時(shí)，就像分子在熱運(yùn)動(dòng)一樣，黑白球會(huì)相互碰撞、混合。隨著搖晃的進(jìn)行，黑白球逐漸混合均勻，這個(gè)過(guò)程中，小球的分布變得沒(méi)有規(guī)律，無(wú)序程度增大。從熵的角度來(lái)看，開始時(shí)系統(tǒng)的熵相對(duì)較小，因?yàn)樾∏虻姆植急容^有序，而混合均勻后，系統(tǒng)的熵增大了。這就像在自然過(guò)程中，系統(tǒng)總是朝著無(wú)序性增大、熵增大的方向發(fā)展，符合熱力學(xué)第二定律的微觀解釋。2、結(jié)合你對(duì)熱力學(xué)第二定律微觀解釋的理解，談?wù)勀銓?duì)宇宙最終命運(yùn)的看法（這是一個(gè)開放性的問(wèn)題哦，可以大膽想象和推測(cè)，但要基于所學(xué)的物理知識(shí)）。答案：從熱力學(xué)第二定律的微觀解釋來(lái)看，宇宙中的一切自然