教案 热力学第二定律教案中学教育中学学案_中学教育-中学学案.pdf

学习好资料 欢迎下载 热力学第二定律教学设计 浙江师范大学物理系 高月月 一、教学设计思路 以高中物理新课改的基本理念为指导，根据人民教育出版社高中物理选修 3-3第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际，本节课主要采用了“情境激疑、自主探究，对话互动，过程评价”的教学方略：通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境，激发学生科学探究的兴趣和动机；通过学生自主的探究，领悟宏观过程的方向性；通过师生对话和生生合作，归纳出热力学第二定律的表述；通过交流评价，认识热力学第二定律的本质。根据学生的特点和教学内容，本节课在重视学生自主探究的学习方式的同时，在不同的教学环节融合不同的学习方式。在教师的引导下，学生通过分析生活情境，在感性认识的基础上发现和提出问题；针对问题，提出科学假设，构建探究实验的模型，并进行科学探究活动。在学生探究性实验的设计和操作部分，分小组引导学生按照“确定问题提出解决问题的假设设计方案、验证假设分析数据、得出结论反馈和反思”的思路自主地进行探究。在课堂中进行过程性和形成性评价，采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验。整个教学设计，从知识序来看，本节课主要是引导学生通过探究，归纳和理解热力学第二定律的两种经典表述及热力学第二定律的实质；从认知序来看，则以学生已有的认知水平为教学起点，遵循了从感性到理性，达到在最近发展区建立新的认知；从教学序来看，则以实验为基础，以问题为载体，以情境为依托，体现了师生对话互动的教学特点。在设计过程中，知识序、认知序和教学序融合统一。二、前期分析 高三的学生已部分地学习了热力学的基本知识，并具有较强的逻辑推理能力。但是本节课的教学内容丰富，且热力学第二定律表述比较抽象，处理不当容易对学生的自主探究造成障碍。因此，如何把握课堂主线，从常见的生活常识出发，引出物理规律并加以运用，是本节课的关键。热力学第一定律告诉人们任何热力学过程中能量不会无中生有或消失，但是对于自然过程没有任何限制，那么是不是意味着任何过程都可以发生？热力学第二定律就是要解决怎么样的过程才能发生的问题。所以，对于一些实验可以完全放手让学生自己设计与动手，以培养其实验与归纳的能力。对热力学第二定律的克劳休斯表述、开尔文表述的理解和对热力学第二定律实质的理解是本节课的教学重点。本节课通过视频播放违背常理的现象而引出，使学生认识到在符合能量守恒定律的条件下，与热现象有关的宏观过程存在着一定的方向性。接着通过自己创设的探究实验“制冷片工作”与“神奇小风扇”，分别从热现象的热传递和功热转化两方面解释克劳休斯表述与开尔文表述，继而总结出热力学第二定律的实质及其他表述。学习好资料 欢迎下载 重点难点：重点：1.热力学第二定律的克劳休斯表述及开尔文表述的理解 2.热力学第二定律实质的理解 难点：1.热力学第二定律的开尔文表述及热机效率 2热力学第二定律实质的理解 三、教学目标 1知识与技能（1）能判断涉及热现象的宏观过程的方向性。（2）知道并会解释热力学第二定律的两种经典表述及其实质。（3）知道什么是第二类永动机，能阐述为什么第二类永动机不可能制成。（4）能够应用热力学第二定律分析有关问题。2.过程与方法（1）体会归纳的科学方法及理想化的科学研究方法。（2）认识到物理规律可以从多个方面进行解释与表述的特点。3.情感态度与价值观（1）体会热力学第二定律对于人类实践的指导意义。（2）领略自然界的奇妙与和谐。四、教学准备 自制的制冷实验，自制的“神奇小风扇”实验，学生电源，温度计，一次性塑料杯若干，热水，自来水 五、教学过程设计 1情境设计（多媒体展示）探究：地球上的海水温度降低 0.1能放出多少热量？已知地球海水的总质量约为 141018t，海水的比热容为 C=42103J/（kg）生生交流，教师引导学生计算。提问：大亚湾核电站一年的发电量为 150 亿千瓦时，海水温度降低 0.1所放出的热量相当于多少个大亚湾核电站一年的发电量？在学生回答的基础上，指出如果将这些热量全部用来做功，人类的能源问题就可以解决了，而且这样的物理过程是符合热力学第一定律的。那么，这个方法可行吗？2 提出热力学第二定律 教师提出：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？是否还存在除了能量转化与守恒定律之外我们还必须遵循的规律呢？进而引出本节课的学习内容：热力学第二定律。观看视频：本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 墨水在清水中扩散；烧红的铁棒浸入冷水中冷却；向密闭的广口瓶中充气，将瓶塞冲开 在草坪上滚动的足球最终停下来；水从高处流向低处 思考：以上 5 个过程的逆过程是什么，他们是否符合热力学第一定律，这些逆过程可能自发发生吗？师生交流，让学生举出更多的不可逆过程，进而体会总结出宏观过程具有方向性。教师适时总结，反映宏观过程方向性的定律就是热力学第二定律。3.热力学第二定律的表述 热力学第一定律与热力学第二定律就像是电路中两个串联的开关，过程要发生，必须同时满足这两大定律。图 1 自然过程的发生要遵从热力学第一、第二定律 师：热力学第一定律可以用U=Q+W 这一数学公式表述，热力学第二定律将如何表述？克劳休斯表述 展示图片：烧红的铁棒浸入冷水中冷却；夏天吃冰棍；人们围坐在火堆边取暖。让学生根据图片完成表 1 表 1 物体间热量的传递 高温物体 低温物体 热量传递方向 让学生举出生活中其他的热传递例子，也将其填入表 1.观察表格，师生交流，归纳出热传递的条件及特点。（条件：存在温度差；特点：热量总是从高温物体传向低温物体）提出问题：热量能否从低温物体传向高温物体？本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 演示实验：几个同学为一组，每一组发一个“元件”，一个学生电源，给“元件”加 1 伏电压，感受“元件”冷、热面的温度，令其明确“元件”两面已经具备了热传递的条件存在温度差。教师拿出自己制作的“元件”模型，首先通上 1 伏的电压，用温度计显示其冷热面的温度。提出问题：按照热传递的特点，接下来温度应该如何变化？（加大电压）温度计显示冷端继续变冷，热端继续变热。思考：为什么会产生这样的现象？它与表 1 中的热传递过程有什么不同?（通了电，表 1 中的热传递过程都是自然过程，自行发生，而实验中的热传递是在电能的作用下发生的）师生对话，通过分析实验，教师引导学生用不同的语句对热传递过程发生的方向性进行说明，并让学生试着归纳热力学第二定律关于热传递过程的表述。教师对学生的回答作出评价，并适时的介绍德国物理学家克劳修斯与其关于热力学第二定律的克劳休斯表述。讨论：生活中还有哪些例子热量是从低温物体传向高温物体的 分析电冰箱的工作原理，巩固对克劳休斯表述的理解。师生交流总结出热传递的过程要能够发生，除了要满足能量守恒定律外，还必须遵守热传递的方向性，热力学第二定律的克劳休斯表述即阐明了热传递的方向性。开尔文表述 提出问题：我们计算过海水降低 0.1就可以放出 5.81022J 的能量，那么我们是不是可以制造一种热机，从海水中吸热，根据能量守恒定律，将其全部转换为功，来实现上课开始时我们的设想呢？教师展示“神奇小风扇”（如图 3），并指出这是一个将热能转化为机械能的热机模型。实验：在桌子上放三组水杯，每组两个杯子：第一组 两杯热水；第二组 两杯自来水；第三组 一杯热水一杯自来水。将“神奇小风扇”分别放入三组杯子中发现 图 2 热量从低温物体传向高温物体的能流图 本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 表 2 “神奇小风扇”的工作条件 组别 1 号杯 2 号杯 “神奇小风扇”的工作情况 第一组 热 水 热 水 不工作 第二组 自来水 自来水 不工作 第三组 自来水 热 水 工 作 提出问题：热机工作有什么要求？师生对话（教师适时提出温度恒定而均匀的热源称为单一热源），教师引导学生归纳出热机不可能从单一热源吸收热量，使之全部转化为功，而不引起其它的变化，进而介绍热力学第二定律的开尔文表述。图 4 功热转化图示 师生对话，总结出功热转化的过程要能够发生，除了要满足能量守恒定律外，还必须遵守功热转化的方向性，热力学第二定律开尔文表述即阐明了功热转化的方向性。提出问题：既然我们已经了解了热机工作的条件，那么热机的工作效率应该怎么求呢？展示（图 5）生生合作，推算出热机的工作效率：=W/Q=（Q-Q1）/Q （教师适时提示：工作效率为热机对外所做功除以热机消耗的总热量）教师让学生根据公式，能量图和开尔文表述，结合热机工作的条件分析热机的效率可能达到 100%吗？教师结合学生回答总结出：由于热机工作必须要有一个高温热源和低温热源，才能对外做功，所以 Q1 必须存在，因此热机的效率不能达到 100%。=W/Q=（Q-Q1）/Q 1 高温热源QW不可能！低温热源WQ不可能！高温热源 低温热源 W Q Q1 高温热源 低温热源 W Q Q1 图 5 热机效率示意图 本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 教师指出不可能有效率为 100%的热机，这也是热力学第二 定律的表述。学生根据热力学第二定律的开尔文表述，分析从海水这一单一热源吸收热量将其全部转化为功的热机是无法制成的。教师适时指出“第二类永动机”的概念，并使学生认识到，热力学第二定律也可表述为：第二类永动机是无法制成的。4.热力学第二定律的实质及其他表述 通过师生的对话交流，让学生发现热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述都指明了物理过程的方向性，并引导学生理解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，且对任何一类自发的宏观物理过程进行方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述。请同学观察扩散现象，气体向真空中自由膨胀的过程（展示 PPT），依据热力学第二定律的实质，给出热力学第二定律的其他表述。表述 1：扩散过程是不可逆的。表述 2：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。让学生课后从热现象的不同方面继续探讨热力学第二定律其他表述。5.课堂小结 本节课主要从热现象的热传递和功热转化两方面学习了热力学第二定律的两种经典表述，并由此探究热力学第二定律的实质。此外还利用热力学第二定律学习了热机的效率，知道了第二类永动机是无法制成的，并由此解释了在能量守恒的情况下为什么会发生能源危机。6.布置作业 同学课后自己查找资料，分析四冲程内燃机的工作过程，分析其效率为什么不能达到100%。7.教学流程图 见附录一 8.形成性评价 根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是()A热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温 物体 B热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体 C机械能可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械能 D机械能可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械能 第二类永动机不可能制成，是因为()A它违背了能量守恒定律 B热量总是从高温物体传递到低温物体 本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 C机械能不能全部转化为内能 D内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 可逆热机的效率最高，因此由可逆热机带动的火车（）A 跑得最快 B 跑得最慢 C 夏天跑得最快 D 冬天跑得最快 从海水这一单一热源吸收热量将其全部转化为功的热机是无法制成的，那么，同学们有没有什么其他办法可以利用海水这个天然的大能量库呢？（提示：海水表面与海底的温度是不一样的）。让学生回去查阅相关资料写一篇小论文。9.板书设计 自发的宏观热现象具有方向性 1扩散过程是不可逆的.2.气体向真空中自由膨胀的过程是 不可逆的.热传导的方向性克劳修斯表述：热量不能自发地从低温 物体传到高温物体（即不可能将热量从低温物体传到高温物 体而不引起其它变化）功热转化的方向性 开尔文表述：1.不可能从单一热源吸收热量，使它完全变为有用的功，而不产生其它影响 2.不可能有效率为 100%的热机 3.第二类永动机不可能制成 热力学第二定律 的其它表述：本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 附录一 开始 探究海水降低 0.1放出的能量 猜测能否用这种方法利用海水的视频 与常理相反的过程 提出热力学第二定律 实验 制冷片工作条件 克劳休斯表述及实质 实验 探究神奇小风扇的工作条件 开尔文表述及实质 热机的工作效率及第二类永动机无法制理解热力学第二定律的实质 热力学第二定律的其他表述 课堂小结 布置作业 结 束 热机的工作效率及第二类永动机无法制成 猜测能否用这种方法利用海水的能量 本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节学习好资料 欢迎下载 符号说明：课堂教学开始、结束符号 媒体类型和媒体内容 教学内容和教师活动 学生进行的活动 师生交互活动 本理念为指导根据人民教育出版社高中物理选修第十章第四节热力学第二定律的教学内容和学生的实际本节课主要采用了情境激疑自主探究对话互动过程评价的教学方略通过创设能量守恒与能源危机悖论问题情境激发学生科学探究通过交流评价认识热力学第二定律的本质根据学生的特点和教学内容本节课重视学生自主探究的学习方式的同时不同的教学环节融合不同的学习方式教师的引导下学生通过分析生活情境感性认识的基础上发现和提出问题针对问题提问题提出解决问题的假设设计方案验证假设分析数据得出结论反馈和反思的思路自主地进行探究课堂中进行过程性和形成性评价采用鼓励的方式创建活跃的课堂气氛和让学生得到积极的学习情感体验整个教学设计从知识序来看本节