热力学第二定律教学设计

1 热热力学第二定律力学第二定律 教材分析教材分析 本本节节介介绍热绍热力学第二定律 力学第二定律 该该定律与定律与热热力学第一定律是构成力学第一定律是构成 热热力学知力学知识识的理的理论论基基础础 热热力学第一定律力学第一定律对对自然自然过过程没有任何限制 只指出在程没有任何限制 只指出在 任何任何热热力学力学过过程中能量不会有任何增加或程中能量不会有任何增加或损损失 失 热热力学第二定律解决哪些力学第二定律解决哪些过过 程可以程可以发发生 教学生 教学时时要注意要注意讲讲清二者的关系 清二者的关系 对对于于热热力学第二定律 教材先从学生比力学第二定律 教材先从学生比较较熟悉的熟悉的热传导过热传导过程的方向性入程的方向性入 手 研究与分子手 研究与分子热热运运动动有关的有关的过过程的方向性程的方向性问题问题 以期引起学生思 以期引起学生思维维的深化 的深化 也作也作为为学学习热习热力学第二定律的基力学第二定律的基础础 教材介教材介绍绍了了热热力学第二定律的两种表述 一种是按照力学第二定律的两种表述 一种是按照热传导过热传导过程的方向性程的方向性 表示 另一种是按照机械能与内能表示 另一种是按照机械能与内能转转化化过过程的方向性表述 程的方向性表述 这这两种表述都表明 两种表述都表明 自然界中一切与自然界中一切与热现热现象有关的象有关的实际实际宏宏观过观过程都是不可逆的 教学程都是不可逆的 教学时时 要注意 要注意说说 明明这这两种不同表述的内在两种不同表述的内在联联系 系 讲讲清清这这两种表述的物理两种表述的物理实质实质 第二第二类类永永动动机是指机是指设设想中的效率达到想中的效率达到 100 的的热热机 由于在自然界中把机 由于在自然界中把热热 转转化化为为功功时时 不可避免地把一部分 不可避免地把一部分热传递给热传递给低温的低温的环环境 所以第二境 所以第二类类永永动动机不机不 可能制成 可能制成 设计设计思想思想 1 从从实际问题导实际问题导入 从入 从简单简单的的实验实验开始 尽可能引开始 尽可能引导导学生学生联联系自己熟悉的 身系自己熟悉的 身 边边的生活的生活现现象的象的实实例 在教学内容上使物理例 在教学内容上使物理贴贴近学生生活 近学生生活 联联系社会系社会实际实际 体体现现 标标准准 倡倡导导的的 从生活走向物理 从物理走向社会从生活走向物理 从物理走向社会 的理念 的理念 2 积积极极创设创设情景 开展情景 开展师师生 生生生 生生间间的的对话对话交流 开展小交流 开展小组组合作合作讨论讨论学学习习 使教 使教 学学过过程能程能够够确立学生在教学活确立学生在教学活动动中的中心地位 中的中心地位 让让学生从自己的学学生从自己的学习习体体验验和和 感悟中感悟中获获得知得知识识 向学生学 向学生学习习活活动动要效益 体要效益 体现现以学生以学生为为中心的原中心的原则则 3 热热力学第二定律不象以往的力学第二定律不象以往的实验实验定律可以推定律可以推导导和和验证验证 是在大量 是在大量实验实验事事实实的的 基基础础上上总结总结出来 内容的表述比出来 内容的表述比较较抽象和抽象和难难以理解 教以理解 教师师要引要引导导学生学生对对关关键键 词词的作深刻地理解 要引的作深刻地理解 要引导导学生多运用学生多运用实实例来例来辅辅助理解 助理解 4 夯夯实实知知识识基基础础 灵活运用技能是三 灵活运用技能是三维维教学目教学目标标中第一要素 本中第一要素 本节课节课除了使用除了使用 教材中教材中 问题问题与与练习练习 外 外 还设计还设计了四道了四道练习题练习题 在教学 在教学过过程中程中结结合学生的学合学生的学习习 状况灵活使用 帮助学生更好理解定律 状况灵活使用 帮助学生更好理解定律 课课后思考后思考题题 有助于学生更深刻地理有助于学生更深刻地理 解定律 解定律 教学目教学目标标 知知识识与技能与技能 1 了解了解热传递过热传递过程的方向性 程的方向性 2 知道知道热热力学第二定律的两种不同的表述 力学第二定律的两种不同的表述 以及以及这这两种表述的物理两种表述的物理实质实质 3 知道什么是第二知道什么是第二类类永永动动机 机 为为什么第二什么第二类类永永动动机不可能制成 机不可能制成 过过程与方法程与方法 1 热热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个显显著不同 著不同 2 它是用否定它是用否定语语句表述的 句表述的 2 热热力学第二定律的表述不只一种 力学第二定律的表述不只一种 对对任何一任何一类类宏宏观观自然自然过过程程进进行方向的行方向的 说说明 都可以作明 都可以作为热为热力学第二定律的表述 学力学第二定律的表述 学习习本本节时节时注意注意这这一方法 一方法 情感 情感 态态度与价度与价值观值观 1 通通过过学学习热习热力学第二定律 可以使学生明白力学第二定律 可以使学生明白热热机的效率不会达到机的效率不会达到100 我我们们只能想只能想办办法尽量提高法尽量提高热热机的效率 但不能渴求达到机的效率 但不能渴求达到100 2 自然界自然界发发生的一切生的一切过过程中的能量都是守恒的 但不程中的能量都是守恒的 但不违违背能量守恒定律的背能量守恒定律的 宏宏观过观过程并都能程并都能发发生 生 重点 重点 难难点分析点分析 重点 重点 热热力学第二定律两种常力学第二定律两种常见见的表述 的表述 难难点 点 1 热热力学第二定律的开力学第二定律的开尔尔文表述 文表述 2 自然界中自然界中进进行的涉及行的涉及热现热现象的宏象的宏观过观过程都具有方向性 程都具有方向性 课时课时安排安排 1课时课时 课课前准前准备备 教教师师 多媒体 多媒体课课件 一盆凉水 准件 一盆凉水 准备备一个酒精灯和一个一个酒精灯和一个铁块铁块 铁钳铁钳 学生 学生 课课前前预习课预习课文 在家文 在家观观察自家的察自家的电电冰箱 冰箱 教学教学设计设计 引入新引入新课课 问题问题 我我们们在初中学在初中学过过 当物体温度升高 当物体温度升高时时 就要吸收 就要吸收热热量 当物体温度降低量 当物体温度降低 时时 就要放出 就要放出热热量 而且量 而且热热量公式量公式Q cm t 这这里有一个有趣的里有一个有趣的问题问题 地球上 地球上 有大量的海水有大量的海水 它的它的总质总质量量约为约为1 4 1018 t 如果如果这这些海水的温度降低些海水的温度降低0 1oC 将将 要放出多少焦耳的要放出多少焦耳的热热量量 海水的比海水的比热热容容为为C 4 2 103J kg 下面 下面请请大家大家计计算算 一下 一下 学生学生计计算 算 Q 4 2 103 1 4 1018 103 0 1 J 5 8 1023J 这这相当于相当于1800万个功率万个功率为为100万千瓦的核万千瓦的核电电站一年的站一年的发电发电量 量 为为什么人什么人们们不去不去 研究研究这这 新能源新能源 呢 原来 呢 原来 这样这样做是不可能的 做是不可能的 这这涉及物理学的一个基本定律 涉及物理学的一个基本定律 这这就是本就是本节节要要讨论讨论的的热热力学第二定律 力学第二定律 设计设计意意图图 从 从实际问题实际问题入手 入手 唤唤起学生起学生对对学学习习的的兴兴趣 从学生已有的趣 从学生已有的热热学知学知 识识出出发发引入新的知引入新的知识识 使 使过过渡自然 减少学生渡自然 减少学生对对新知新知识识的唐突性 的唐突性 板板书书 第四第四节节 热热力学第二定律力学第二定律 板板书书 一 一 热传递热传递的方向性的方向性 教教师实验师实验 点燃酒精灯 用 点燃酒精灯 用钳夹钳夹住事先准住事先准备备好的好的铁块铁块 在火焰上灼 在火焰上灼烧烧一段一段 时间时间后 后 问问学生学生现现在如果用手摸会出在如果用手摸会出现现什么什么现现象 下面把灼象 下面把灼热热的的铁块铁块放入冷放入冷 水中 水中 过过一段一段时间时间 拿出 拿出铁块现铁块现在你在你们们敢用手摸敢用手摸吗吗 通 通过这过这个个实验说实验说明什么明什么问问 题题 学生思考 教学生思考 教师给师给予启予启发发 学生答 学生答 热热量从温度高的物体自量从温度高的物体自发发地地传给传给温度低的物体温度低的物体 3 再再让让学生列学生列举举一些一些这样这样的例子 例如 雪花落在手上就融化 挨着火炉就的例子 例如 雪花落在手上就融化 挨着火炉就 温暖等等 温暖等等 利用利用课课本中本中 思考与思考与讨论讨论 开展小开展小组讨论组讨论并并进进行行对话对话交流 交流 教教师师反反问问学生 有没有可能学生 有没有可能发发生生这样这样地地现现象 象 热热量自量自发发地从低温物体地从低温物体传给传给 高温物体 使低温物体的温度越来越低 高温物体的温度越来越高 高温物体 使低温物体的温度越来越低 高温物体的温度越来越高 这这里所里所说说 的的 自自发发地地 指的是没有任何外界的影响或帮助 学生思考 指的是没有任何外界的影响或帮助 学生思考讨论讨论一会后 有的一会后 有的 同学可能同学可能产产生疑生疑问问 电电冰箱内部的温度比外部低 冰箱内部的温度比外部低 为为什么致冷系什么致冷系统还统还能能够够不断不断 地把冰箱内的地把冰箱内的热热量量传给传给外界的空气 外界的空气 事前我事前我们让们让大家大家观观察自家的察自家的电电冰箱 冰箱 请请同学做同学做简简要的回答 教要的回答 教师进师进行点行点拨拨 然后 展示然后 展示电电冰箱模型冰箱模型给给学生学生简简要要讲讲解解 多媒体多媒体课课件件 这这是因是因为电为电冰箱消耗了冰箱消耗了电电能 能 对对致冷系致冷系统统做了功 一旦切断做了功 一旦切断电电源 源 电电冰箱冰箱 就不能把其内部的就不能把其内部的热热量量传给传给外界的空气了 相反 外界的外界的空气了 相反 外界的热热量会自量会自发发地地传给电传给电 冰箱 使其温度逐冰箱 使其温度逐渐渐升高 升高 学生学生总结总结 热传导热传导的方向性 两个温度不同的物体相互接触的方向性 两个温度不同的物体相互接触时时 热热量会自量会自发发地地 从高温物体从高温物体传给传给低温物体 要低温物体 要实现实现相反相反过过程 必程 必须须借助外界的帮助 因而借助外界的帮助 因而产产生生 其他影响或引起其他其他影响或引起其他变变化 化 板板书书 结论结论 热热力学第二定律的一种表述力学第二定律的一种表述 热热量不能自量不能自发发地从低温物体地从低温物体传传到高到高 温物体 温物体 这这是是热热力学第二定律的克力学第二定律的克劳劳修斯表述 修斯表述 老老师讲师讲解解对对定律的理解定律的理解 这这里里阐阐述的是述的是热传递热传递的方向性的方向性 在在这这个表述中个表述中 自自 发发 二字指的是二字指的是 当两个物体接触当两个物体接触时时 不需要任何第三者的介入 不会不需要任何第三者的介入 不会对对任何第任何第 三者三者产产生任何影响生任何影响 热热量就能从一个物体量就能从一个物体传传向另一个物体向另一个物体 当两个温度不同的物当两个温度不同的物 体接触体接触时时 这这个个 自自发发 的方向是从高温物体指向低温物体的 的方向是从高温物体指向低温物体的 教教师师指出 指出 热热力学第二定律的克力学第二定律的克劳劳修斯表述修斯表述实质实质上就是 上就是 热传递过热传递过程是不程是不 可逆的 可逆的 设计设计意意图图 1 联联系学生熟悉的 身系学生熟悉的 身边边的生活的生活现现象 使知象 使知识识的学的学习贴习贴近学生的生活 使学生近学生的生活 使学生 感受物理知感受物理知识识就在身就在身边边 存在于生活 存在于生活 强强化学生的化学生的实实践意践意识识 使情感成 使情感成为为学学习习 动动力 力 2 通通过师过师生的生的对话对话交流 在互交流 在互动动中中实现实现思思维维的碰撞 突出学生的学的碰撞 突出学生的学习过习过程 体程 体 现现以学生以学生为为中心的原中心的原则则 从自己的学 从自己的学习习体体验验和感悟中和感悟中获获得知得知识识 向学生学 向学生学习习活活 动动要效益 要效益 3 热热力学第二定律的克力学第二定律的克劳劳修斯表述中的修斯表述中的 自自发发 是定律表述的关是定律表述的关键词键词 教 教师师要要 引引导导学生作深刻理解 学生作深刻理解 板板书书 二 二 热热力学第二定律的另一种表述力学第二定律的另一种表述 第二第二类类永永动动机机 前面我前面我们们学学习习了第一了第一类类永永动动机 不能制成的原因是什么 机 不能制成的原因是什么 违违背了能量守背了能量守 恒 什么是第二恒 什么是第二类类永永动动机呢 机呢 分分组组合作学合作学习习 思考 思考讨论讨论下列下列问题问题 4 1 热热机是一种把什么能机是一种把什么能转转化成什么能的装置 化成什么能的装置 2 热热机的效率能否达到机的效率能否达到100 3 第二第二类类永永动动机模型机模型 4 机械能和内能机械能和内能转转化的方向性化的方向性 然后由各小然后由各小组组代表回答 教代表回答 教师进师进行思路点行思路点拨拨 1 热热机是一种把内能机是一种把内能转转化成机械能的装置化成机械能的装置 2 热热机的效率不能达到机的效率不能达到100 原因分析 原因分析 以内燃机以内燃机为为例 气缸中的气体得到燃例 气缸中的气体得到燃烧时产烧时产生的生的热热量量为为Q1 推 推动动活塞做工活塞做工 W 然后排出 然后排出废废气 同气 同时时把把热热量量Q2散散发发到大气中 到大气中 由能量守恒定律可知 由能量守恒定律可知 Q1 W Q2 我我们们把把热热机做的功机做的功W和它从和它从热热源吸收的源吸收的热热量量Q1的比的比值值叫做叫做热热机的效率 机的效率 用用 表示表示 W Q1 实际实际上上热热机不能把得到的全部内能机不能把得到的全部内能转转化化为为机械能 机械能 热热机必机必须须有有热热源和冷凝器 源和冷凝器 热热机工作机工作时时 总总要向冷凝器散要向冷凝器散 热热 不可避免的要由工作物 不可避免的要由工作物质带质带走一部分走一部分热热量量Q2 所以 所以 有 有 Q1 W 因此 因此 热热机的效率不可能达到机的效率不可能达到100 汽 汽车车上的汽油上的汽油 机械效率只有机械效率只有20 30 蒸汽 蒸汽轮轮机的效率比机的效率比较较高 也只高 也只 能达到能达到60 即使是理想 即使是理想热热机 没有摩擦 也没有漏气等机 没有摩擦 也没有漏气等 能量能量损损失 它也不可能把吸收的失 它也不可能把吸收的热热量百分之百的量百分之百的转转化成机械能 化成机械能 总总要有一部分要有一部分 散散发发到冷凝器中 到冷凝器中 师师生生总结总结 热热力学第二定律的另一种表述力学第二定律的另一种表述 板板书书 不可能从不可能从单单一一热热源吸收源吸收热热量 使之完全量 使之完全变变成功成功 而不而不产产生其他影响 生其他影响 这这是是热热力学第二定律的开力学第二定律的开尔尔文表述文表述 也称第二也称第二类类永永动动机机 教教师应该强调师应该强调定律内容定律内容 而不而不产产生其他影响生其他影响 这这个条件 个条件 举举出出 绝热绝热膨膨胀胀 的例子加以的例子加以说说明 明 第二第二类类永永动动机并不机并不违违反能量守恒定律 人反能量守恒定律 人们为们为了制造出第二了制造出第二类类永永动动机作机作 出了各种努力 但同制造第一出了各种努力 但同制造第一类类永永动动机一机一样样 都失 都失败败了 了 为为什么第二什么第二类类永永动动机不可能制成呢 机不可能制成呢 因因为为机械能和内能的机械能和内能的转转化化过过程具有方向性 机械能全部程具有方向性 机械能全部转转化成内能 内能化成内能 内能 却不能全部却不能全部转转化化为为机械能 同机械能 同时时不引起其他不引起其他变变化 化 再再举实举实例 例 说说明有些物理明有些物理过过程具有方向性 程具有方向性 学生思考回答 教学生思考回答 教师师引引导导点点拨拨 1 气体的气体的扩扩散散现现象 象 2 书书上上连连通器的小通器的小实验实验 气体向其中膨 气体向其中膨胀胀 5 板板书书 热热力学第二定律的两种表述力学第二定律的两种表述 表述一 不可能使表述一 不可能使热热量由低温物体量由低温物体传递传递到高温物体 而不引起其他到高温物体 而不引起其他变变化化 按照 按照热传递热传递的方向性来表述的 的方向性来表述的 表述二 不可能从表述二 不可能从单单一一热热源吸收源吸收热热量并把它全部用来做功 而不引起其他量并把它全部用来做功 而不引起其他变变化 化 也可表述也可表述为为第二第二类类永永动动机是不可能制成的 机是不可能制成的 机械能与 机械能与 内能内能转转化具有方向性 化具有方向性 这这两种表述是等价的 可以从一种表述两种表述是等价的 可以从一种表述导导出另一出另一 种表述 所以他种表述 所以他们们都称都称为热为热力学第二定律 力学第二定律 热热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过观过 程的方向性 程的方向性 自然界中 自然界中进进行的涉及行的涉及热现热现象的宏象的宏观过观过程程 都具有方向性 都具有方向性 因此因此 对对任何一任何一类类宏宏观观自然自然过过程程进进行方向的行方向的说说明明 都可以作都可以作为热为热力学第二定力学第二定 律的表述 如律的表述 如图图中中 盒子中盒子中间间有一个有一个挡挡板板 左室左室为为真空真空 右室有气体 撤去右室有气体 撤去挡挡板后板后 右室的气体自右室的气体自发发地向左室地向左室扩扩散散 而相反的而相反的过过程不可能自程不可能自发发地地进进行 因此 行 因此 热热力学力学 第二定律也可以表述第二定律也可以表述为为 气体向真空的自由彭气体向真空的自由彭胀胀是不可逆的 是不可逆的 注意注意 不管如何表述 不管如何表述 热热力学第二定律的力学第二定律的实质实质在于揭示了 一切与在于揭示了 一切与热现热现象有象有 关的关的实际实际宏宏观过观过程都是不可逆的 程都是不可逆的 本本节节小小结结 回回过头过头分析引入的例子分析引入的例子 学生学生应应用用热热力学第二定律分析力学第二定律分析 老老师师点点拨拨 总结总结 进进一步一步说说明第二明第二类类永永动动机不能制成的机不能制成的 违违背背热热力学第二定律 力学第二定律 设计设计意意图图 1 热热力学第二定律的开力学第二定律的开尔尔文表述比文表述比较较抽象和抽象和难难以理解 需要学生通以理解 需要学生通过过合作学合作学习习 在在讨论讨论和交流中和交流中认识规认识规律 再通律 再通过过教教师师的点的点拨拨指指导导才能更好的理解和掌握才能更好的理解和掌握规规 律 律 2 热热力学第二定律是在大量力学第二定律是在大量实验实验事事实实的基的基础础上上总结总结出来的 教学出来的 教学过过程要引程要引导导 学生多运用学生多运用实实例来例来辅辅助理解 助理解 3 分析引入的例子 学生分析引入的例子 学生应应用用热热力学第二定律分析 力学第二定律分析 师师生共同小生共同小结结本本节节内容 内容 首尾呼首尾呼应应 学以致用 学以致用 三 三 随堂随堂练习练习 1 热热力学第二定律使人力学第二定律使人们认识们认识到 自然界中到 自然界中进进行的涉及行的涉及 现现象的宏象的宏观观 过过程都具有程都具有 性 例如机械能可以性 例如机械能可以 转转化化为为内能 但内能内能 但内能 全部全部转转化成机械能 而不引起其他化成机械能 而不引起其他变变化 化 2 热传导热传导的的规规律律为为 A 热热量量总总是从是从热热量量较较多的物体多的物体传递给热传递给热量量较较少的物体少的物体 B 热热量量总总是从温度是从温度较较高的物体高的物体传递给传递给温度温度较较低的物体低的物体 C 热热量量总总是从内能是从内能较较多的物体多的物体传递给传递给内能内能较较少的物体少的物体 D 热热量量总总是从比是从比热热容容较较大的物体大的物体传递给传递给比比热热容容较较小的物体小的物体 3 根据根据热热力学第二定律 下列判断正确的是 力学第二定律 下列判断正确的是 6 A 电电流的能不可能全部流的能不可能全部变为变为内能内能 B 在火力 在火力发电发电机中 燃气的内能不可能全部机中 燃气的内能不可能全部变为电变为电能能 C 热热机中 燃气内能不可能全部机中 燃气内能不可能全部变为变为机械能机械能 D 在 在热传导热传导中 中 热热量不可能自量不可能自发发地从低温物体地从低温物体传递给传递给高温度物体 高温度物体 4 第二第二类类永永动动机不可以制成 是因机不可以制成 是因为为 A 违违背了能量的守恒定律背了能量的守恒定律 B 热热量量总总是从高温物体是从高温物体传递传递到低温物体到低温物体 C 机械能不能全部 机械能不能全部转变为转变为内能内能 D 内能不能全部 内能不能全部转转化化为为机械能 同机械能 同时时不引起其他不引起其他变变化化 四 作四 作业业 p73问题问题与与练习练习 2 3 教学反思教学反思 1 从有趣的从有趣的问题问题引入 学生利用初中的引入 学生利用初中的热热学知学知识识能能够计够计算出地球上海水算出地球上海水 降低降低0 1 oC时释时释放出巨大的能量 是否是新能源 在能源放出巨大的能量 是否是新能源 在能源紧紧缺的今天 无疑是缺的今天 无疑是 一个能引一个能引发发学生学生积积极思考的极思考的问题问题 学生 学生对对此特此特别别感感兴兴趣 学趣 学习积习