2024-2025学年高中物理 第10章 热力学定律 2 热和内能教案1 新人教版选修3-3

2024-2025学年高中物理第10章热力学定律2热和内能教案1新人教版选修3-3学校授课教师课时授课班级授课地点教具教学内容2024-2025学年高中物理第10章热力学定律，第二节“热和内能”，新人教版选修3-3。本节课将围绕以下内容展开：

1.热量的概念与传递方式

2.内能的定义及其与温度、物质状态的关系

3.热力学第一定律：能量守恒原理在热力学中的应用

4.热力学第二定律：熵的增加与热力学过程的方向性

5.热力学循环：卡诺循环及其效率

6.实际应用：热机与制冷技术核心素养目标1.培养学生运用物理学原理，理解和解释热现象的能力，提高科学探究素养。

2.培养学生通过实验和数据分析，探究内能与热量之间的关系，发展实践创新能力。

3.培养学生运用热力学定律分析解决实际问题的能力，增强理论联系实际的意识。

4.培养学生从能量守恒和熵增的角度认识自然界中的热现象，提高能量观念和生态观念。

5.培养学生通过团队合作，交流分享研究成果，提升科学交流与合作的素养。重点难点及解决办法重点：

1.热力学第一、第二定律的理解与应用。

2.内能与热量之间的关系及其在热力学过程中的体现。

3.卡诺循环的工作原理及其效率的计算。

难点：

1.熵的概念及其在热力学第二定律中的应用。

2.热力学过程中能量转化的定量分析。

3.实际热机效率与理论效率的差异分析。

解决办法与突破策略：

1.通过多媒体动画和实物模型，直观演示热力学过程，帮助学生理解热力学定律。

2.设计实验，让学生亲自操作，测量并分析数据，加深对内能与热量关系的理解。

3.引导学生运用数学方法进行能量平衡计算，解决定量分析难题。

4.案例分析，比较实际热机与理论模型，探讨效率差异的原因，提高学生分析问题的能力。

5.组织小组讨论，鼓励学生提出问题，互相解答，共同突破难点。教学资源1.硬件资源：

-热力学实验设备：热量计、温度计、活塞-气缸模型等。

-多媒体教学设备：投影仪、计算机、白板等。

-实验材料：不同温度的水、热敏纸、酒精等。

2.软件资源：

-热力学教学软件：模拟热力学过程的动画软件。

-数据处理软件：Excel、GraphPad等。

3.课程平台：

-学校局域网教学平台：共享教案、课件、实验指导等教学资源。

-在线学习管理系统：发布作业、讨论区交流、学习进度跟踪等。

4.信息化资源：

-电子教材：新人教版选修3-3电子教材。

-网络教学视频：热力学定律相关教学视频。

5.教学手段：

-实验教学：分组实验，观察与记录数据。

-课堂讲授：讲解原理，分析案例。

-小组讨论：合作学习，共同探究问题。

-演示教学：使用多媒体和实物模型进行直观演示。教学流程（一）课前准备（预计用时：5分钟）

学生预习：

发放预习材料，引导学生提前了解热力学定律的学习内容，标记出有疑问或不懂的地方。

设计预习问题，如“热量与内能的关系是什么？”激发学生思考，为课堂学习热力学定律内容做好准备。

教师备课：

深入研究教材，明确教学目标和重难点。

准备热力学实验设备、多媒体资源，确保教学过程的顺利进行。

设计课堂互动环节，提高学生学习热力学的积极性。

（二）课堂导入（预计用时：3分钟）

激发兴趣：

提出问题或设置悬念，如“为什么热机效率不能达到100%？”引发学生的好奇心和求知欲，引导学生进入热力学学习状态。

回顾旧知：

简要回顾上节课学习的能量守恒定律，帮助学生建立知识之间的联系。

提出问题，检查学生对旧知的掌握情况，为学习热力学新课打下基础。

（三）新课呈现（预计用时：25分钟）

知识讲解：

清晰、准确地讲解热力学第一、第二定律，结合实例帮助学生理解。

突出重点，强调难点，如熵的增加与热力学过程的方向性，通过对比、归纳等方法帮助学生加深记忆。

互动探究：

设计小组讨论环节，让学生围绕热力学问题展开讨论，培养学生的合作精神和沟通能力。

鼓励学生提出自己的观点和疑问，引导学生深入思考，拓展思维。

技能训练：

设计实践活动或实验，让学生在实践中体验热力学知识的应用，提高实践能力。

在新课呈现结束后，对热力学定律知识点进行梳理和总结。

强调重点和难点，帮助学生形成完整的知识体系。

（四）巩固练习（预计用时：5分钟）

随堂练习：

随堂练习题，让学生在课堂上完成，检查学生对热力学知识的掌握情况。

鼓励学生相互讨论、互相帮助，共同解决问题。

错题订正：

针对学生在随堂练习中出现的错误，进行及时订正和讲解。

引导学生分析错误原因，避免类似错误再次发生。

（五）拓展延伸（预计用时：3分钟）

知识拓展：

介绍与热力学相关的拓展知识，如实际热机效率与理论效率的差异。

引导学生关注学科前沿动态，培养学生的创新意识和探索精神。

情感升华：

结合热力学内容，引导学生思考学科与生活的联系，培养学生的社会责任感。

鼓励学生分享学习热力学的心得和体会，增进师生之间的情感交流。

（六）课堂小结（预计用时：2分钟）

简要回顾本节课学习的热力学定律，强调重点和难点。

肯定学生的表现，鼓励他们继续努力。

布置作业：

根据本节课学习的热力学定律，布置适量的课后作业，巩固学习效果。

提醒学生注意作业要求和时间安排，确保作业质量。拓展与延伸1.拓展阅读材料：

-《热力学与热工程》：介绍了热力学基本原理在热工程领域的应用，包括热机、制冷、热交换等方面的内容。

-《能源与环境保护》：探讨了能源利用与环境保护的关系，分析了热力学在节能减排和可持续发展中的作用。

-《现代热力学》：阐述了热力学在现代科技发展中的地位和作用，如纳米技术、生物技术等领域。

2.课后自主学习和探究：

-研究热力学第一、第二定律在生活中的应用，如冰箱、空调、汽车发动机等，分析其工作原理和效率。

-探讨热力学过程中的能量损失，研究如何提高热机效率，降低能源消耗。

-学习热力学在新能源开发中的应用，如太阳能电池、燃料电池等，了解其发展前景和挑战。

-调查生活中存在的能源浪费现象，运用热力学原理提出改进措施，培养节能环保意识。

-研究热力学在建筑节能、工业生产、交通运输等领域的应用，了解热力学在现代社会中的重要作用。

（1）热力学第一定律的应用：

-物体在等压过程中的热量变化与内能变化的关系。

-热力学循环中，工作物质的内能、热量和功的关系。

（2）热力学第二定律的应用：

-熵增原理在自然界和工程技术中的应用。

-热力学第二定律与生态学、环境科学的关系。

（3）卡诺循环及其效率：

-卡诺循环的原理和特点。

-卡诺循环在实际热机中的应用和优化。

（4）热力学在新能源领域的应用：

-太阳能热利用技术。

-生物质能、地热能等可再生能源的热力学分析。

（5）热力学与生活：

-日常生活中的热现象，如烹饪、取暖等。

-热力学在建筑设计、家电选购等方面的应用。作业布置与反馈作业布置：

1.请学生完成教材第10章第2节后的习题，重点包括以下题目：

-第1题：热力学第一定律的应用。

-第2题：热力学第二定律与熵的概念。

-第3题：卡诺循环的计算与分析。

-第4题：结合实际案例分析热力学原理。

2.设计一道综合应用题，要求学生结合课堂所学，分析一种热机（如汽车发动机、空调等）的工作原理，并计算其理论效率与实际效率。

3.鼓励学生进行课后实验探究，例如设计一个小型的热力学循环实验，观察并记录数据，分析实验结果。

作业反馈：

1.批改作业时，关注以下方面：

-学生对热力学定律的理解是否准确。

-学生在解题过程中是否能够正确应用热力学原理。

-学生对热力学概念的计算能力。

-学生能否将热力学知识应用于实际问题分析。

2.针对作业中存在的问题，给出以下反馈：

-对概念理解不准确的地方，指导学生回顾教材，加强基础知识的掌握。

-解题方法不正确时，为学生提供正确的解题思路，引导他们分析问题，避免类似错误的发生。

-计算错误时，帮助学生找出错误原因，提高其计算能力。

-在分析实际问题时，鼓励学生结合生活经验，将理论知识与实际应用相结合。

3.对于优秀作业，给予表扬和鼓励，提高学生的自信心和学习积极性。

4.定期组织作业讲评，针对普遍存在的问题进行集中讲解，帮助学生巩固知识点。

5.鼓励学生主动参与作业反馈，提出自己的疑问和困惑，培养其自主学习能力。重点题型整理1.热力学第一定律的应用题

题型1：等压过程中物体的热量变化与内能变化

问题：一气体在等压过程中吸收了400J的热量，同时对外做了100J的功，求气体的内能变化。

答案：根据热力学第一定律，内能变化ΔU=Q-W，其中Q为吸收的热量，W为对外做的功。因此，ΔU=400J-100J=300J。气体的内能增加了300J。

题型2：热力学循环中内能、热量和功的关系

问题：一理想气体经历了一个等温膨胀过程，气体吸收了500J的热量，对外做了300J的功，求气体的内能变化。

答案：在等温过程中，理想气体的内能不变，即ΔU=0。因此，吸收的热量等于对外做的功加上内能变化，即Q=W+ΔU。所以，500J=300J+ΔU，解得ΔU=200J。但由于是等温过程，理想气体的内能不变，所以实际内能变化为0。

2.热力学第二定律的应用题

题型1：熵增原理的应用

问题：一系统经历了两个过程，第一个过程吸收了200J的热量，第二个过程放出了150J的热量。如果两个过程都是可逆的，求系统的熵变。

答案：在可逆过程中，系统的熵变ΔS=0。因此，两个过程合起来的熵变为0，即ΔS1+ΔS2=0。由于第一个过程吸热，第二个过程放热，且热量不相等，可知熵变不为零。但题目指出两个过程都是可逆的，因此，ΔS1=-ΔS2，所以ΔS1=(200J/T)-(150J/T)=50J/T，其中T为绝对温度。

题型2：热力学第二定律与生态学的关系

问题：解释为什么自然界的生物体不能将吸收的所有热量完全转化为有用的功。

答案：根据热力学第二定律，任何热机都不可能将从单一热源吸收的热量完全转化为有用的功。生物体作为一种热机，也存在能量转化的限制。生物体在代谢过程中，总会有一部分热量以熵的形式散失到环境中，无法完全转化为生物体能量的形式。这是自然界能量流动和物质循环的基本规律。

3.卡诺循环的计算与分析题

题型1：卡诺循环的效率计算

问题：一理想卡诺循环的低温热源温度为300K，高温热源温度为600K，求该卡诺循环的效率。

答案：卡诺循环的效率η=1-(Tc/Th)，其中Tc为低温热源温度，Th为高温热源温度。将给定的温度代入公式，得到η=1-(300K/600K)=0.5，即50%。

题型2：卡诺循环在实际热机中的应用

问题：一实际热机在运行过程中，高温热源温度为1300K，低温热源温度为300K，求该热机的最大理论效率。

答案：实际热机的最大理论效率等于对应的卡诺循环效率。将给定的温度代入卡诺循环效率公式，得到η=1-(300K/1300K)≈0.77，即77%。

4.热力学在新能源领域的应用题

题型1：太阳能热利用技术

问题：一太阳能集热器在标准太阳辐射条件下，每小时可以吸收4MJ的热量，求该集热器在一天中的总吸热量。

答案：太阳能集热器一天中的总吸热量为Q=4MJ/h×24h=96MJ。

题型2：生物质能的热力学分析

问题：一生物质能发电站的发电效率为30%，如果每天消耗100吨生物质能，求该发电站每天的理论发电量。

答案：生物质能的理论发电量E=100吨×30MJ/吨×30%≈900MJ。其中，生物质能的低位发热值为30MJ/吨。

5.热力学与生活实际结合题

题型1：日常生活中的热现象

问题：一电热水壶加热1升水（质量约为1kg）从20°C加热到100°C，求所需吸收的热量。

答案：水的比热容为4.18J/(g·°C)，1kg水的比热容为4180J/(kg·°C)。所需吸收的热量Q=m×c×ΔT，其中m为水的质量，c为比热容，ΔT为温度变