《热力学定律》主题单元设计

1、热力学定律主题单元设计主题单元标题热力学定律作者姓名所属单位联系地址联系电话电子邮箱邮政编码学科领域（在内打7表示主属学科，打+表示相关学科）回思想品德口音乐化学信息技术口劳动与技术口其他（请列出）：语文口美术生物科学数学口外语口历史口社区服务体育回物理地理社会实践适用年级高中二年级所需时间4课时（含实验探究）主题学习概述（简述单元在课程中的地位和作用、单元的组成情况，解释专题的划分和专题之间的关系，主要的学习方式和预期的学习成果，字数300-500）本章是选修3-3模块的最后一章，也是整个中学物理课程讲述热学的最后一章。这一章以两个基本的热力学定律为核心，从能量转化过程中的守恒和与热现象有关

2、的宏观过程的方向性两个方面对中学物理涉及的热学问题作了一个总结。第1、2两节通过观察实验、实验中的大量信息进行分析、归纳和概括。于是在第3节热力学第二定律就水到渠成了。教科书第4、5两节分别从宏观、微观两个方面介绍热力学第二定律，在第5节中大量用统计方法介绍有序无序、宏观态、微观态以及自发过程的进行方向。教科书在第6节从更宽阔的视野对本章进行总结和拓展。承接了热力学第二定律的思路，提出能量转换过程中耗散和品质降低问题，提出节约能源！本章末附有一个课题研究，引导学生去实践开展探究活动。主题学习目标（描述该主题学习所要达到的主要目标）知识与技能：1通过功和能、热和能的关系，逐步得出热力学第一定律，

3、理解并应用能量守恒的观点解释自然现象。2从宏观、微观两方面理解了热力学第二定律，初步了解熵是反应系统无序程度的物理量。3认识能源和环境与人类生存的关系，知道可持续发展的重大意义过程与方法：1通过有关史实，了解热力学第一定律的发现过程。2、通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。情感态度与价值观：通过了解第一定律和能量守恒定律的发现过程体会科学探索的挫折和失败对科学发现的意义。通过热力学第二定律的学习，知道可持续发展的重大意义，提高保护环境的意识。对应课标通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的法相过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。认识热力学第一定律。理解能量守

4、恒定律。用能量守恒的观点解释自然想象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第一定律，初步了解熵是反应系统无序有序程度的物理量。认识能源和环境与人类生存的关系，知道可持续发展的重大意义。讨论能源的开发和利用带来的问题及应该采取的对策，具有保护环境意识注意自然环境的循环利用。主题单元问题设计功和能的关系式什么？热和能的关系式什么？热力学第一定律内容及其表达式？如何用能量守恒的观点解释自然想象？课本是如何动宏观、微观两个方面理解热力学第二定律的？能源和环境与人类有什么关系？为什么还要节约能源？专题划分专题一：功和能、热和能、热力学第一定律（1课时）

5、专题二：热力学第二定律（2课时）专题三：能源和可持续发展（1课时）专题一功和能、热和能、热力学第一定律所需课时1课时专题一概述（介绍本专题在整个单元中的作用，以及本专题的主要学习内容、学习活动和学习成果）首相通过焦耳的两个实验，得出绝热过程中做功改变系统内能，建立内能概念，其次分析通过单纯的传热过也可以系统内能的变化，子让引出热量和内能概念的区别与联系，最后研究做功与热传递在改变系统内能上的异同，得出热力学第一定律：功、热量、内能三者之间的关系和能量守恒定律，并应用能量守恒的观点解释自然现象。本节是主题一的重难点，分析一：本节由改变物体内能的两种方式引出热力学第一定律及其数学表达式，在此基础上

6、结合以往的知识总结出能量守恒定律，最后通过能量守恒定律阐述永动机是不可能的分析二：根据热力学第一定律知，物体内能的改变量，运用此公式时，需要注意各物理量的符号：物体内能增加时，”为正，物体内能减少时，苛为负；外界对物体做功时，为正，物体对外界做功时，为负；物体吸收热量时，为正，物体放出热量.分析三：各种形式的能量在转化和转移过程中保持总量不变，无任何附加条件，而某种或几种能的守恒是要有条件的（例如机械能守恒需要对于系统只有重力或弹力做功）.本专题学习目标（描述该学习所要达到的主要目标）了解焦耳的两个实验的原理知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式及两种方式的区别。会区别热量和内能的概念理解热

7、力学第一定律，能运用热力学第一定律解释能量的转化、转移问题。理解能量守恒定律，认识自然规律的多样性和统一性。知道第一类永动机是不可能实现的。本专题问题设计通过实验，感受物理学家是如何探究发现规律？热力学第一定律内容及其表达式是什么？如何用它解释自然现象？能量守能定律的内容是什么？为什么还要可持续发展？所需教学材料和资源（在此列出学习过程中所需的各种支持资源）信息化资源视频、图片、多媒体常规资源焦耳热功当量实验装置、棉花、带有活塞推进器的有机玻璃筒教学支撑环境具有多媒体操作平台的教室其他学习活动设计（针对该专题所选择的活动形式及过程）活动一：教师做演示实验引入：学生阅读课本：焦耳的两个代表性的实

8、验，回答一下问题一、绝热过程：物质系统与外界没有热4交换的情况下进行的物理过程。即系统不从外界吸收热量，也不向外界一热量。二、功与系统内能改变的关系。一可以改变系统的内能。1、外界对系统做功，系统的内能增加在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功即厶U=U-U=W212、系统对外界做功，系统的内能减少在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少即W=-U三是系统内能转化的量度。四、在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳（J）活动二：诱思导学1.热传递热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫做热传递。热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。2热传递的实质：热

9、传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。3传递的热量与内能改变的关系在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少。即AU=Q吸在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即Q=-AU放4热传递具有方向性，热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发的从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。5改变系统内能的两种方式：做功和热传递。做功和热传递都能改变系统的内能，这两种方式是等效的，都能引起系统内能的改变，但是它们还是有重要区别的。做功是系统内能与其它形式的能之间发生转化，而热传递只

10、是不同物体（或物体不同部分）之间内能的转移。典例探究例1如果铁丝的温度升高了，则（）A.铁丝一定吸收了热量B.铁丝一定放出了热量C.外界可能对铁丝做功D.外界一定对铁丝做功例2下列关于热量的说法，正确的是（）A.温度高的物体含有的热量多B.内能多的物体含有的热量多C.热量、功和内能的单位相同D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量活动三：1、热力学第一定律改变物体内能的方式有两种：做功和热传递.运用此公式时，需要注意各物理量的符号：物体内能增加时，虫戸为正，物体内能减少时，也/为负；外界对物体做功时，卿为正，物体对外界做功时，屛为负；物体吸收热量时，为正，物体放出热量时，为负.例1：下列说法

11、中正确的是：A、物体吸收热量，其内能必增加B、外界对物体做功，物体内能必增加C、物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能减少D、物体温度不变，其内能也一定不变例题2：空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量2.0X105J，同时空气的内能增加了1.5X105J.这时空气对外做了多少功？2、能量守恒定律（1）复习各种能量的相互转化和转移（2）能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变（学生看书学习能量守恒定律内容）.（3）能量守恒定律的历史意义.3、永动机永动机的原理违背了能量守恒定律，所以是不

12、可能的（举例说明几种永动机模型）教学评价可评价的学习要素1、通过功和能、热和能课本资料的阅读，讨论，展示问题答案评价方法：现场评价评价指标：1、参与程度、积极程度2、自我归纳规律的能力2、热力学第一定律的理解和应用评价方法：测验评价指标：答题时间、答对加十分（红蓝两队）3、能量守恒定律评价方法：应用它解释自然现象评价指标：学生评价4、学习活动过程评价方法：量规参与程度、积极程度思维逻辑、严密性表达展示观察实验的能力专题二热力学第二定律所需课时2课时主题学习概述（简述单元在课程中的地位和作用、单元的组成情况，解释专题的划分和专题之间的关系，主要的学习方式和预期的学习成果，字数300-500）本节

13、内容的课程标准是：“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。然后就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

14、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，再借助于一些多媒体素材（我利用了一些视频及热机、内燃机两个flash动画），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。第二部分，在宏观事实的基础上，要从微观的角度说明，为什么涉及热运动的宏观过程会有这样的方向性。最后认识与微观态数目对应的物理量一一熵。本专题学习目标（描述该学习所要

15、达到的主要目标）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。5热力学第二定律的微观解释及理解熵的概念6.能源与可持续发展本专题问题设计针对幻灯片中的情况，发表自己的见解？思考与讨论中的四种现象，你见过吗？会自然的发生吗？热力学第二定律有哪几种表达？4热力学第一定律和第二定律的不冋？5热力学第二定律的微观解释是什么？什么是熵？所需教学材料和资源（在此列出学习过程中所需的各种支持资源）信息化资源视频、图片、多媒体常规资源视频、图片教学支撑环境具有多媒

16、体操作平台的教室其他学习活动设计（针对该专题所选择的活动形式及过程）活动一：从宏观角度，理解热力学第二定律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1.4X10i8t,如果这些海水的温度降低0.1oC,将要放出多少焦耳的热量？海水的比热容为C=4.2X103/（kgC）请大家计算一下，上述过程将释放多少能量？师：请大家相互讨论一下，该方案可行吗？2：提出热力学第二定律师：那么这一想法实现的困难是

17、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的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：我们先从分析一组物理现象开始。请看下面的一些视频：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：这些是我们眼中能看到的现象，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？注意语言表述的准确性，大家相互讨论一下。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的泾渭分明：上面是空气，下面是

18、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：现象错误！链接无效。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？师：既然在不同的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

19、出了热力学第二定律。3：热传导过程分一克劳修斯表述师：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？三是分析电冰箱工作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。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

20、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：高温物体I高温物体可见，热量传导可以从低温物体到高温物体。可以设想，拔掉电源的冰箱是不可能达到制冷效果的，也就是下面的过程不可能：（展示幻灯片）师：早在1850年德国物理学家克劳修斯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。请大家再

21、将这一意思换一种表述方法。生：也可以说成：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。4、功热转化过程分一尔文表述师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。师：再比如小球从高处落下掉进沙坑，能量的转化情况怎样？师：机械能可以全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能？师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机；二是内燃机。（展示flash动画）请观察热机与内燃机的工作流程，并分析能量转化的情况。师：以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程中，内能全部转化为机械能吗？师：这样看来，机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示：高温

22、热源5IV（展示幻灯片）师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q,其中对外做功为W,到低温热源放出热量Q。这一过程是通过工作物质如水蒸气、汽油和空气混合气体的燃烧等来完成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾气带走的热量。在1851年，开尔文就功与热的转化提出了：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。所以热机、内燃机的效率总有：。即下面的过程是不可能完成的:（展示幻灯片）师：大家能否就开尔文表述换一种说法？。活动五、热力学第二定律的实质师：热传导过程与功热转化过程的分析，得到了热力学第二定律的克劳修

23、斯表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么？生：都指明了物理进程的一种方向性。师：不错，热力学第二定律的实质就是指明了自发的宏观热现象具有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明可以作为热力学第二定律的表述。请观察扩散现象、气体向真空扩散的过程（展示幻灯片）。大家能否结合这些现象给出热力学第二定律的其他表述呢？生1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不可逆的。生2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。师：这些说法都不错，当然还有其他不同的表述，所有的这些表述都是等价的。请同学们课后相互讨论交流。活动六、回顾与思考师：现在让我们来回顾一开始提出的设想：能否利用海

24、水降温的方法获取有用功？违背热力学第二定律中的哪种表述？活动二：热力学第二定律的微观表示首先弄清生活中的有序和无序、宏观态和微观态然后已气体向真空的扩散为例，利用统计学的数学方法得出微观解释物理学新的物理量的出现一一熵什么是熵？学生通过阅读与讨论得出答案，展示4.尝试用第二定律微观解释处理实际问题：第二类永动机为什么不可实现？教学评价1、可评价的学习要素：（1）幻灯片展示评价方法：现场评价评价指标：运用物理语言表示物理问题的能力从生活现象中发现规律的能力2、热力学第二定律的两种种表达评价方法：现场评价评价指标：阅读课本理解，有物理语言表述能力3热力学第二定律的微观表达方法：现场评价评价指标：讨论是否激烈，观点是否独特，语言是否精炼，结论是否正确4.通过鼓励，锻炼学生阐述热力学第二定律评价标准：勇敢，语言精炼专题三能源与可持续发展课时1课时本专题概述能源与环境是社会关注的两个问题。通过本节的学习，应使学生理解这两个社会问题产生的原因，深入理解热力学