高中物理 第三章34《热力学第二定律》教案 粤教版选修33.docx

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高中物理第三章34《热力学第二定律》教案粤教版选修33

2019-2020年高中物理第三章3.4《热力学第二定律》教案粤教版选修3-3

【教材分析】

本节介绍热力学第二定律，该定律与热力学第一定律是构成热力学知识的理论基础，热力学第一定律对自然过程没有任何限制，只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，热力学第二定律解决哪些过程可以发生，教学时要注意讲清二者的关系。

对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手，研究与分子热运动有关的过程的方向性问题，以期引起学生思维的深化，也作为学习热力学第二定律的基础。

教材介绍了热力学第二定律的两种表述：

一种是按照热传导过程的方向性表示，另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述，这两种表述都表明：

自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。

第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机，由于在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。

【设计思想】

1.从实际问题导入，从简单的实验开始，尽可能引导学生联系自己熟悉的，身边的生活现象的实例，在教学内容上使物理贴近学生生活、联系社会实际，体现《标准》倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

2.积极创设情景，开展师生、生生间的对话交流，开展小组合作讨论学习，使教学过程能够确立学生在教学活动中的中心地位，让学生从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益，体现以学生为中心的原则。

3.热力学第二定律不象以往的实验定律可以推导和验证，是在大量实验事实的基础上总结出来，内容的表述比较抽象和难以理解，教师要引导学生对关键词的作深刻地理解，要引导学生多运用实例来辅助理解。

4.夯实知识基础，灵活运用技能是三维教学目标中第一要素，本节课除了使用教材中“问题与练习”外，还设计了四道练习题，在教学过程中结合学生的学习状况灵活使用，帮助学生更好理解定律。

《课后思考题》有助于学生更深刻地理解定律。

【教学目标】

一、知识与技能

1.了解热传递过程的方向性。

2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。

3.知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。

二、过程与方法

1．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显著不同，它是用否定语句表述的。

2．热力学第二定律的表述不只一种，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，学习本节时注意这一方法。

三、情感、态度与价值观

1．通过学习热力学第二定律，可以使学生明白热机的效率不会达到100%，我们只能想办法尽量提高热机的效率，但不能渴求达到100%。

2．自然界发生的一切过程中的能量都是守恒的，但不违背能量守恒定律的宏观过程并都能发生。

【重点、难点分析】

重点：

热力学第二定律两种常见的表述。

难点：

1.热力学第二定律的开尔文表述。

2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

【课时安排】1课时

【课前准备】

教师：

多媒体课件，一个电冰箱模型，一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳。

学生：

课前预习课文，在家观察自家的电冰箱。

【教学设计】

引入新课：

【问题】我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。

而且热量公式Q=cm△t，这里有一个有趣的问题：

地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018t,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=4.2×103J/（kg·℃）。

下面请大家计算一下。

学生计算：

Q=4.2×103×1.4×1018×103×0.1J=5.8×1023J

这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。

为什么人们不去研究这“新能源”呢？

原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。

【设计意图】从实际问题入手，唤起学生对学习的兴趣。

从学生已有的热学知识出发引入新的知识，使过渡自然，减少学生对新知识的唐突性。

【板书】一、热传递的方向性

教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在如果用手摸会出现什么现象？

下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗？

通过这个实验说明什么问题？

学生思考，教师给予启发

学生答：

热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体

再让学生列举一些这样的例子，例如：

雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等。

利用课本中“思考与讨论”开展小组讨论并进行对话交流。

教师反问学生：

有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。

这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。

学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：

电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？

事前我们让大家观察自家的电冰箱，请同学做简要的回答，教师进行点拨。

然后，展示电冰箱模型给学生简要讲解（多媒体课件）。

这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。

一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。

相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。

【学生总结】热传导的方向性：

两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。

要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。

【板书】结论:

热力学第二定律的一种表述:

热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

这是热力学第二定律的克劳修斯表述。

老师讲解对定律的理解:

这里阐述的是热传递的方向性.在这个表述中,“自发”二字指的是:

当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传向另一个物体.当两个温度不同的物体接触时,这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。

教师指出：

热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：

热传递过程是不可逆的。

【设计意图】：

1.联系学生熟悉的，身边的生活现象，使知识的学习贴近学生的生活，使学生感受物理知识就在身边，存在于生活，强化学生的实践意识，使情感成为学习动力。

2.通过师生的对话交流，在互动中实现思维的碰撞，突出学生的学习过程，体现以学生为中心的原则，从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益。

3.热力学第二定律的克劳修斯表述中的“自发”是定律表述的关键词，教师要引导学生作深刻理解。

二、热力学第二定律的另一种表述（第二类永动机）

前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么？

（违背了能量守恒），什么是第二类永动机呢？

分组合作学习，思考讨论下列问题：

1.热机是一种把什么能转化成什么能的装置？

2.热机的效率能否达到100%？

3.第二类永动机模型

4.机械能和内能转化的方向性

然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨

1.热机是一种把内能转化成机械能的装置

2.热机的效率不能达到100%

原因分析：

以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，

由能量守恒定律可知：

Q1=W+Q2

我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用η表示

η=W/Q1

实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：

Q1>W

因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。

师生总结:

热力学第二定律的另一种表述:

【板书】不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。

这是热力学第二定律的开尔文表述（也称第二类永动机）。

教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。

第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。

为什么第二类永动机不可能制成呢？

因为机械能和内能的转化过程具有方向性。

机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。

再举实例，说明有些物理过程具有方向性。

〈学生思考回答，教师引导点拨〉

1.气体的扩散现象。

2.书上连通器的小实验（气体向其中膨胀）。

【板书】热力学第二定律的两种表述

表述一：

不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化

（按照热传递的方向性来表述的）

表述二：

不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。

也可表述为第二类永动机是不可能制成的。

（机械能与内能转化具有方向性）

这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。

热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。

（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）。

因此,对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。

如图中,盒子中间有一个挡板,左室为真空,右室有气体。

撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散,而相反的过程不可能自发地进行。

因此，热力学第二定律也可以表述为:

气体向真空的自由彭胀是不可逆的。

【注意】：

不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：

一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

【本节小结】回过头分析引入的例子,学生应用热力学第二定律分析,老师点拨总结。

进一步说明第二类永动机不能制成的,违背热力学第二定律。

【设计意图】

1.热力学第二定律的开尔文表述比较抽象和难以理解，需要学生通过合作学习，在讨论和交流中认识规律，再通过教师的点拨指导才能更好的理解和掌握规律。

2.热力学第二定律是在大量实验事实的基础上总结出来的，教学过程要引导学生多运用实例来辅助理解。

3.分析引入的例子，学生应用热力学第二定律分析，师生共同小结本节内容，首尾呼应，学以致用。

熵：

描述物体的无序程度，物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵越大。

【课后思考题】

一种冷暖两用型空调铭牌标注有如下指标：

输入功率1KW，制冷能力1.2×104KJ/h，制热能力1.3×104KJ/h。

这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标注错误还是能量不守恒呢？

【教学感悟】

1.从有趣的问题引入，学生利用初中的热学知识能够计算出地球上海水降低0.1oC时释放出巨大的能量，是否是新能源？

在能源紧缺的今天，无疑是一个能引发学生积极思考的问题，学生对此特别感兴趣，学习积极性也有此受到激发，求知欲望强烈，这是一个成功的引入。

2.通过实例的讨论和分析，学生整体对热力学第二定律的克劳修斯表达能够较好的理解，教学过程的关键点是由实例引导学生对两个关键词“自发”和“不可逆”的理解。

3.对于本节的教学难点――热力学第二定律的开尔文表述，学生对此理解有一定的难度，引导学生对教材中的热机工作过程的分析，用好“热机能流图”和“热机工作时能流分配图”，明确热机效率不可能100％，才能帮助学生理解机械能和内能转化的方向性，到此学生有一个误区，以为内能一定不可能100％的转化为机械能，教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。

4.热力学第二定律的两种表述，一种是按照热传导过程的方向性表述的另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述的。

这两种表述是等价的，它们都表明，自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。

5．热力学第二定律跟其它的物理规律不同的是：

用一种现象作为定律的内容，对任何一类宏观自然过程方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，必须向学生交代清楚的这一特点。

2019-2020年高中物理第三章3.5《能源与可持续发展》教案粤教版选修3-3

【教学目的】

1、了解什么是能源，什么是常规能源，知道常规能源的储量和人类需求的矛盾

2、了解常规能源的使用和环境污染方面的关系

3、了解哪些是清洁能源，哪些是可再生能源

【教学重点】

1、能源、常规能源、可再生能源的教学

2、能源和环境之间的关系

【教学难点】

能源和环境之间的关系

【教具准备】

投影仪

【教学过程】

引入

热力学第二定律告诉我们，很多与热现象有关的物理过程都是不可逆的。

涉及内能的能量转化过程具有方向性，这在上一节已经提到过了。

在本节，我们讨论这种方向性的现实意义。

一、能源

一段木料燃烧后化为灰烬，能够释放给我们所需要的能量。

然而，灰烬却不能立即被合成而成为一段木料。

但是，我们至少可以将灰烬作为肥料施在一颗小树苗上，促成它长成一段未来的木料，以供人类（可能是种树、施肥者的子孙，也可能是别人的子孙）再次燃烧。

在这一人与资源的交互行为中，我们会发现，首先，能量转化的方向性并没有被破坏，也就是说，热力学第二定律仍被得到尊重。

其次，这将形成了一个循环，因为只要时间足够，让树苗成长成为木料的数目大于我们燃烧木料的数目，它就不会破坏需求与资源的动态平衡关系。

其三，在这个循环中，必须要有第三者参与——如果没有太阳的光合作用，循环就终止了——所以人与资源（树木）之间并不是“今天你给我，明天我还给你”的关系（我们与其说在燃烧树木，还不如说是在利用储存的太阳能）。

其四，这种循环还有一种隐忧，那就是：

灰烬“成为”树木的速度要远远小于树木变成灰烬的速度，表面的平衡是以内部数量上的不平衡为代价的。

以上的四点中，第三点事实上已经决定了循环“返回”过程的速度（不能由人类操控），第二点和第四点则意味着人类的行为、世界观对“平衡”能否被破坏有着直接的关系。

在工业化时代到来之前，人们过着田园牧歌式的生活，没有电器、没有汽车、没有空调，人类使用大自然的资源只是为了满足最基本的生活需求，因此，这种“平衡”没有被破坏。

随着工业化时代的到来，这种状况立即显现出危机，循环就要被终止了。

于是，人们想到了地底下的资源：

煤和石油。

他们提供的能量很有用，燃烧的速度和效能和木材相差无几。

但是，形成煤和石油的速度比长成树木的速度，就不能同日而语了！

可以这样说，人们自从使用煤的第一天起，就没有想到一个可能形成循环的问题，更不用说什么平衡了。

所以，煤和石油事实上是一种坐吃山空的资源：

我们今天用得越多，我们的子孙将来可以使用的就越少。

在不久的将来，人们用完了所有的煤和石油，会怎么办？

这是一个令社会学家睡不安枕的问题。

然而，经济学家们却不这样看。

经济学教授给学生们讲课，出了这样一个题目：

地底下现有石油储量X吨，近五年的开采量是Y吨/年，请预测石油将在多少年后被开采完？

有的学生开始用计算器摁键：

X/Y=?

…这样的学生被认为是经济学的盲者。

教授的观点是：

永远也开采不完。

因为，随着石油储量的减少，开采的成本会加大，成本大于销售价格时，市场规律决定了人们在也不会去开采石油了。

此时石油存在事实已经失去了利用价值，任它在地底下沉睡多少年也和我们没有关系了。

那么人们会使用什么能源呢？

巨大的市场潜力和利润空间将驱使人们去研究一种石油的替代品。

因此，能源的危机也就解决了。

是社会学家们悲天悯人，还是经济学家们盲目乐观？

这需要我们冷静地去判断。

至少，以下的一些事实可以显示，这两派观点都有一定的道理——

世界上石油储量最大的中东地区一直是发达国家关注的焦点，外交、军事莫不围绕着这片从地表上看毫无魅力的区域打转。

世界警察（美国）和他的随从们最愿意去管中东的事情：

两次海湾战争、伊拉克战争等等…说明能量消耗巨大的富国们对石油的心痛程度。

令以一方面，“替代品”——新能源的研发、形式层出不穷。

1、水能：

水作为能量的载体，被太阳能驱动地球上三栖（水、陆、空）循环。

地表水的流动时，在落差大、流量大的地区，形成可利用的水能资源。

目前世界上水力发电还处于起步阶段。

2、海洋能：

由于地球受月球和太阳引力的周期性不均衡，海水发生非气候性的涨潮和落潮现象，形成潮汐。

潮汐蕴含着巨大能量，既可以用来推动机械装置，又可以用来发电。

此外，由于海水表层和深层间的存在很大的温差，利用这种温差也可以发电（*因为水的沸点与气压有关，如果建造一个装置，用抽真空的方法使表层的海水在20摄氏度时汽化，并推动汽轮机，再将深层的冷水提上来使蒸汽冷却，如此周而复始，就可以发电了。

除这种方法外，还可以用低沸点的流体如丙烷和氨来作为热机的工作介质）。

法国已经建成了世界上第一座温差发电站，发电容量为14,000kW。

3、风能：

利用风的机械能发电，风能是一种重要的自然能源。

据有关专家估算，在全球边界层内的总能量为1.3×1015瓦，一年中约为1.4×1016千瓦时电力的能量，相当于目前全世界每年所燃烧能量的3000倍。

其中1/10为可取用的极限量。

风能的优点是：

总能量巨大，利用简单、无污染、可再生。

缺点是：

能量密度低（当流速同为3米/秒时，风力的能量密度仅为水力的1/1000）、不稳定性大，连续性、可靠性差，时空分布不均匀。

4、生物质能：

利用厌氧微生物在密闭条件下分解（废弃）有机物，产生沼气，沼气具有很高的热值，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人畜健康。

生成沼气的原料本身就是各种废弃物，生产过程可以减少（有机物）垃圾的数量。

在农村到处可以看到许多生物质的废弃物，如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等。

将这些废弃物收集起来，经过细菌发酵可以产生沼气，用沼气做燃料和照明，也可以发电。

5、太阳能：

太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。

我们目前的利用方式主要是两种——

一是将阳光聚焦，将光能转化为热能（传说阿基米德就曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰）。

在日照充分的地方，人们在生产和生活中已大量使用太阳灶、干燥器和太阳能热水器（太阳能热水器的构造要简单的多。

因为不需要它产生太高的温度。

在大多数情况下，可以将太阳能热水器的集热器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式，通过管道与水源和储水箱相连。

太阳能热水器在我国北方比较常见）。

二是将太阳能转化为化学能，再用化学能发电。

比较常见的光电池是硅电池（它能将13%-20%的日光能转化为电能）。

许多电子计算器和其他小型电子仪器现在已经采用太阳能电池供电，人造卫星和宇宙飞船更是主要依靠太阳能电池来提供电力。

但是阳光在达到地面以前要经过大气的反射、散射和吸收，能量损失较大，加上阴天、昼夜变化和雨雪等降水过程的影响，目前地面上利用日光发电受到一定限制。

无论是生物质能、风能，还是水力、温差和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。

即使矿物燃料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。

6、地热能：

用地热采暖、将地热用于农业、水产养殖业、工业生产等，在全世界范围内受到关注。

（从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%）。

利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。

*据美国地热资源委员会（GRC）1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。

我国的地热资 源也很丰富，但开发利用程度很低。

主要分布在云南、西藏、河北等省区。

除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学组分和硫磺等。

7、核能：

铀在自然界中有三种放射性同位素：

U235、U238、U234，在衰变过程中放出热量。

在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。

铀的和平用途十分广泛，其中最主要的是用作核电反应堆的燃料。

由于核电具有发电成本低、对环境污染小和安全等优点，世界各国，尤其是工业发达的国家和地区都大力发展核电，估计到xx年核电将达到世界总发电量的25%左右。

我国已建成秦山、大亚湾核电站，目前还有多处正在筹建。

铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。

例如，在工业上利用射线实现生产自动控制，无损伤检查等；在农业上利用射线培育良种，防止病虫害等；在医学上用于灭菌消毒，临床诊断及治疗；在地质勘探工作中用来找矿等等。

从种种迹象看来，能源危机的解决也许并不是难事。

但这是不是就意味着人类可以高枕无忧呢？

答案是否定的——

二、环境

可以说，自打人类寻找到木材的替代品——煤和石油开始，就已经意识到了“替代”绝不就是“等同”。

我们前面说过，木料的灰烬能够作为肥料施在小树下，这样就促进了循环的完整与良性发展，而煤渣并不能做到这一点。

也许学过化学的我们会说，煤和石油的衍生物也可以制成肥料，但是，请大家不要忘了，木料的灰烬可以被大自然“照单全收”地降解、燃烧的二氧化碳也是植物（新树苗）呼吸作用的必须，可煤燃烧的废渣、石油的衍生物（塑料等）却不能或很难被降解，他们燃烧的废气（二氧化硫等）是天怨人怒的有害物质（石油燃烧的废气还是城市人们致癌的罪魁祸首）。

所以说，垃圾问题、大气问题，共同构成了——环境问题。

在新的能源中，环境问题是不是彻底解决了呢？

从前面介绍的1~6种能源中，人们确实充分考虑了这个问题，理论上是不会有环境问题的。

但是，不知大家注意到了没有，它们都会受自然条件和资源条件的制约（没有风，风车能转吗？

太阳能需要面积，你能把热效应管架在别人的房子上去吗？

潮汐能需要海岸线的长度，你去侵略别人的海域吗？

）。

随着人们需求的增长，可以说，这前6能源的供应量必然不能满足要求，所以第7种能源成为人们关注的焦点：

核能（因为它有一个突出的优点，那就是能量巨大）。

在发达国家，核能的使用量日益增多…但是，核能的直接或潜藏的环境问题比煤合石油的要严重得多…

人类要在以上问题中寻求一种协调与和谐，在调整需求意识、珍惜资源、科研开发等多个方面都有工作要做。

无论今后大家会致力于哪一方面的工作，今天的意识形成都会大有必要。

三、小结

本节我们介绍了能源于环境的问题，通过介绍，希望大家能够了解：

1、能量和能源是两回事；2、非再生能源和可再生能源是两回事；3、人类不能打破与环境的和谐，破坏环境等于摧毁自己的生存家园。

【板书设计】

注意“教学过程”的灰色部分，即是板书计划。

【教后感】

纯讲座式的课很难控制速度，第一堂只“说”了23分钟，第二堂加了一点板书，把网页内容机械的复述了一下，差不多35分钟。

是太激动了吗？

语言的润色和激情的控制看来要动脑筋。

几种“新能源”的准备不够充分，没有化为自己的语言，说来就很别扭。

刚才化时间改了一下。

调动学生的效果好象不是太好，有一种吃亏不讨好的感觉。

距自己的期望值有不小的距离。