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1、热力学第二定律教学设计摘要:本文给出了热力学第二定律的一个教学设计。关键词:热力学第二定律;不可逆性;教学设计这节课的内容是人民出版社出版的高中物理选修3-3教材第十章第五节。1教学目的1.1知识和技能(1)能判断涉及热现象的宏观过程是具有方向性的。(2)知道并理解热力学第二定律的两种经典表述。(3)形成关于宏观热现象都具有不可逆性的概念。(4)认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同样重要的意义。1.2过程和方法分析各种热学现象的过程,归纳出现象背后的普遍规律热力学第二定律。1.3情感、态度和价值观(1)体会科学发现的曲折性和必然性。(2)体会热力学第二定律对于人类实践的指导意义。2教学重
2、点和难点2.1重点热力学第二定律内容的理解。2.2难点热力学第二定律的两种表述的理解。3设计思路与教学流程3.1设计思路课程标准对本节内容的要求是:“通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律。”热力学第二定律是紧跟在热力学第一定律之后的一节内容。学生早在初中就知道了能量的转化与守恒定律,在学完了热力学第一定律之后,对于能量守恒的认识就更深刻了。因此在此基础上提出“利用海水降温释放的热量作为新能源”这一设想,让学生思考、讨论进而引入新课。然后再列举一些自发的热学现象,归纳出其中共同的特征:过程的不可逆性。接着对其中的热传导与功热转化两个过程具体分析,归纳出热力学第二定律的两种经典表述:克
3、劳修斯表述和开尔文表述。热力学第二定律的实质就是指宏观自发的涉及热现象的过程都是不可逆的,任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述。本节课的难点在于如何理解热力学第二定律的两种表述,特别是开尔文表述。教学中尽可能多地让学生分析实例,从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识:热量可以自发地从高温物体传到低温物体;功可以全部转化为热;热量可以从低温物体传到高温物体(但要有条件);热可以转化为功(但不完全)。最终认识到热力学第二定律是与热力学第一定律并重的一条客观规律。3.2教学流程(图1)4教学实录4.1引入新课师:我们刚刚学过了热力学第一定律,即能量的转化与守恒定律。既然
4、能量的总量是不变的,但为什么还说有能源危机,还要提倡节约能源呢曾经有这样一个设想(展示幻灯片),试图来解决我们的能源危机。(幻灯片内容)地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4某1018t,如果这些海水的温度降低0.1,将要放出多少焦耳的热量海水的比热容为c=4.2某103J/(kg)师:请大家计算一下,上述过程将释放多少能量生:放出5.8某1023J的热量。师:这相当于1800万个大亚湾核电站一年的发电量。(秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦)(幻灯片)师:请大家相互讨论一下,该方案可行吗(学生分组讨论)生1:这个方案可行,因为不违背能量守恒定律。生2:这个方案不
5、可行,若可行的话,科学家早就将这一想法付诸实践了。生3:不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现。4.2提出热力学第二定律师:那么这一想法实现的困难是技术上的障碍呢还是理论上根本不可能是否还存在一些除了能量转化与守恒定律之外的一些我们还必须遵循的客观规律呢现在让我们一起来学习本章第五节:热力学第二定律。师:首先我们来分析下面这样一些物理现象:空气和二氧化氮气体的扩散;烧红的铁棒浸入水中冷却;向密闭的广口瓶中充气,将瓶塞充开;在草坪上滚动的足球最终停下来;一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破碎。(展示视频)师:这些是我们生活中的现象,大家能否描述一下上述现象的逆过程并判断这些逆过程可能实现吗大家
6、相互讨论一下。(学生分组讨论)生1:现象的逆过程是均匀混合的空气与二氧化氮气体过一段时间变得泾渭分明:上面是空气,下面是二氧化氮。该过程不可能。生2:现象的逆过程是浸在水中的铁棒过一段时间后吸收水的热量变红了,而水温降低了。该过程不可能。生3:现象的逆过程是从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中,瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强。该过程不可能。生4:现象的逆过程是静止在草坪上的足球自动地吸收草地的热量转化为足球的动能,足球滚了起来。该过程不可能。生5:现象的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成完整的杯子,并跳回桌面。该过程不可能。师:所有的这些现象有何共同特征生:都是不可逆的。师:既然在不同的
7、现象背后存在着一个共同特征,那么就应该存在着一个普遍的客观规律。事实上,许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结,提出了热力学第二定律。4.3热传导过程分析-克劳修斯表述师:分析诸如的热传导过程,要发生热传导必须具备什么条件生:要有温度差。师:那么自发的热传导过程有什么特征生:总是从高温物体向低温物体传导。师:热量能否从低温物体传导到高温物体生1:不能,诸如中不可能出现铁棒变红、水温降低的现象。生2:可能的,电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。师:很好,让我们一起来分析电冰箱的工作过程。请考虑三个问题:一是电冰箱中热量传导的方向性;二是电冰箱中这种热量传导有没有条件三是分析电冰
8、箱工作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。(学生分组讨论)生1:电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境;生2:只有在电冰箱插上电源后,才能实现上述热量传导过程;生3:电冰箱工作时,消耗了电能。师:电冰箱工作时,消耗了电能,再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸收的热量与在箱外释放的热量,该过程中能量守恒吗生4:能量肯定是守恒的,也许释放到电冰箱外的热量大于在电冰箱内吸收的热量。师:你的说法不错,诸如过程和电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示:图2图3可见,热量传导可以从低温物体到高温物体。但是断掉电源的冰箱是不可能制冷的,也就是下面的过程不可能:(图4)图4师:早在1850年德国物理学家克劳修斯就总结了热传导过程的规律,称之为热力学第二定律的克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。请大家将这一意思换一种表述方法。
