高中物理选修第五节 有序、无序和熵-教学建议

第五节有序、无序和熵教学建议1.本节是对认识热力学第二定律物理实质的深化和扩展。相对而言，课本中涉及的熵、熵增加原理以及有序、无序概念，作为首次出现在中学物理课程的内容，对中学教师是比较陌生的。因此，如何通俗而又不失准确地向学生介绍这些知识，使他们能更深人地理解热力学第二定律的内涵，无疑是本章教材中又一个教学难点。本节首先讨论了系统在不可逆过程中能量转换能力的变化，提出了反映能量品质下降的能量耗散与退化概念，在这个基础上又引入了表征能量耗散与退化过程的物理量——熵，进而概括得出热力学第二定律另一种更具有普遍性的表述：熵增加原理。最后，课本以热传递和气体扩散过程为例，从系统的有序(或无序)程度在不可逆过程中的变化。探讨了熵及熵增加原理的微观实质。本节教材的内容结构概括如下：必要环节与实施流程：2.应该指出，本节涉及的新概念不仅数量多，涵盖面宽。而且十分抽象，让学生全面理解这些知识既不现实也无必要。这一节课的教学重点只是让学生通过实例获得将来工作与生活需要的一种科学常识，即熵是表示系统无序程度的物理量，熵越大，系统的无序程度越高；孤立(封闭)系统的自发演化总是使系统的熵增加的，而任何涉及内能转化的过程，总会导致能量品质(转化能力)的下降。这些一般性知识可以在直接给出结论后加以通俗的诠释。在讲授本节内容时，教师应避免对知识的过分解读，注意教材处理上的删难就易，讲究教学的适度与实效。3.课本以“能不能概括所有不可逆过程的共同本质，找出一个普遍的物理量作为共同的标准”的问题导入新课，教师也可以采用其他问题，如“让我们从能量利用的角度，看看在一个不可逆的宏观过程中物体内能的转化有什么特点?”或“既然能量总是守恒的，也就是在实际过程中不会消耗能量，为什么还要提倡‘节约能源’呢?”等，以便进行下面“能量耗散与退化”内容的教学。4.能量耗散与退化主要是指在实际过程中，包括环境在内，整个系统尽管能量的总量值守恒，但系统做功的本领下降，即系统内能转化为其他形式能量的能力“减弱”，这就是通常所说的“能量品质降低”。从这一点上说，所谓“能量退化”与“能量耗散”是同义语，讲授时不要把“能量耗散”解释为单纯的能量散失。5.讲授“能量的耗散与退化”这一部分内容时，建议适当增加一些分析实例，帮助学生认识系统内能在能量转化中只能部分地用于做功的特点，了解可利用能量与不可利用能量的区别，使他们明白任何能源利用过程都必然导致能量的“贬值”，因而应该节约能源的道理。6.“熵”在物理学中是极其重要的概念。正是有了熵这样一个与系统热力学状态有关的物理量(态函数)，才使众多热力学第二定律的等价表述能够被概括为更普遍、更便于定量处理的形式，人们也因此而认识了所有宏观不可逆过程的共同本质。课本借用克劳修斯的研究结果，首先以直接引入方式，说明熵可以用来表示(孤立)系统的能量耗散和退化的程度，进而很自然地过渡到用熵来描述宏观的不可逆(能量耗散和退化)过程，给出熵增加原理的表述，然后再对熵及熵增加原理做必要的解释，而把对熵概念的更深入认识放在“有序向无序的转化”部分进行。这种处理既简洁通俗，又不失科学性。7.本节安排“有序向无序的转化”这部分内容的目的是为了从微观角度，帮助学生进一步理解熵及热力学第二定律(熵增加原理)的实质，即“熵是表征系统无序程度(或系统内微观粒子混乱程度)的物理量”“系统的自发过程总是向使系统无序程度增加的方向进行”(在热力学中更一般的说法是：系统的自发过程总是从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行)。为说明什么是有序、什么是无序以及有序向无序转化的图景，课本列举“热传递中温度趋于相同”和“气体扩散过程中气体分子分布趋于均匀”两个实例，并做了比较详尽的分析，指出：无论是“温度值趋于相同”，还是“扩散使分子分布趋于均匀”，都体现系统内分子运动无规则程度的增加，即“均匀”意味着更加“无序”，系统从比较不均匀的相对有序状态演化为比较均匀的相对无序状态，必然伴随系统无序程度(熵)的增加，这就是熵增加原理的微观实质。以上这些论述从一般的认知规律出发，由浅入深，环环相扣，体现科学分析的理性思辨特点。教师应注意体会上述编写意图，把握好分析讲解的逻辑程序，以免造成学生思路上的混乱。建议将这部分内容设计为课堂研讨活动，让学生围绕这两个实例进行自主探究，从中学会使用合乎逻辑的语言来表达科学结论。课本中的“气体扩散”实例最好能设计成Flash动画的形式，以使学生获得更形象直观的认识。8.自然界中类似“热传递”与“气体扩散”过程的事例有很多，建议在介绍“有序向无序的转化”的内容之后，尝试让学生对周围一些有趣的现象做出解释，这些