人教版高中物理选修(3-3)第十章《热力学定律》教学设计

人教版高中物理选修（3-3）第十章《热力学定律》教学设计物理名言：在自然过程的庞大工厂里，熵的原理起着经理的作用，因为它规定整个企业的经营方式和方法；而能的原理仅仅充当了簿记员，平衡着贷方和借方——R 埃姆登（1862-1940）。

德国物理学家，主要从事天体物理学研究。

冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。

人类不但掌握了精确的测温控温方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现科学的奇迹。

物理学中的热学，已经成为当代科技中最活跃的领域之一。

10.1、2 功和内能热和内能三维教学目标1、知识与技能（1）了解内能改变的两种方式：做功、热传递；（2）理解内能的变化可以分别由功和热量来量度，知道做功和热传递对改变物体内能是等效的；（3）知道什么是绝热过程。

2、过程与方法：通过书本中的事例体会做功和热传递都能改变物体的内能。

3、情感、态度与价值观：教学重难点（1）改变内能两种方式及内能改变量度；（2）对做功和热传递对改变内能是等效的理解。

教学教具：细铁棒、铁锤、洒精灯、木块、厚壁玻璃筒（带活塞）、硝化棉、乙醚、学生每人准备一小段钢丝等．教学过程：第一节功和内能热和内能（一）复习引入提问：（1）什么是物体的内能？（物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能）（2）什么叫分子的动能？它和哪些因素有关？（由于分子在不停地做着无规则热运动而具有的动能．它与物体的温度有关，温度是分子平均动能的标志）（3）什么叫分子的势能？它和哪些因素有关？（分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能，它和物体的体积有关）（4）物体的内能和哪些因素有关呢？（与物体的温度和体积有关）小结：通常情况下，对固体或液体，由于体积变化不明显，主要是通过温度的变化来判断内能是否改变。

（二）新课教学1、提出问题如何改变物体的内能呢？物体内能的变化可以通过什么表现出来呢？或者说怎样判断一个物体（如一杯水、一块铁块）的内能是否改变呢？2、寻找解决问题的办法有的想到“摩擦”，有的想到“折”，有的想到“敲打”，有的想到用“钢锯锯”，有的想到“烧”，有的想到“晒”，有的想到“烤”，有的想到“烫”、“冰”等等．一边想办法，一边体验内能是不是已经增加了。

3、知识的提练改变物体内能的物理过程有两种：做功和热传递。

4、新知识的深入探讨（1）内能改变的量度如何量度物体内能的改变多少呢？10.3 热力学第一定律能量守恒定律三维教学目标1、知识与技能（1）认识物质的运动形式有多种，对应不同运动形式的运动有不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化；（2）进一步掌握能的转化和守恒定律，并了解能的转化和守恒定律的意义；（3）运用公式△U＝W＋Q分析有关问题并具体进行计算。

2、过程与方法：3、情感、态度与价值观：教学重点：热力第一定律教学难点：能量守恒教学教具：多媒体课件教学过程：第三节热力学第一定律能量守恒定律（一）复习提问物体做什么样的运动具有机械能？机械能转化和守恒定律的内容是什么？（二）新课教学1、热力学第一定律分析下列特殊情况：（1）如果物体只与外只有热交换，没有做功，外界传给物体4J热量物体的内能增加了多少？物体若向外界传出了4J热量，物体内能如何变化？结论：在没有做功情况下，物体与外界间传递热量Q，物体内能变化为△U，则△U＝Q，为了在此表达式中能反映物体对外界是吸热不是放热，作出规定：吸热Q取正值，放热Q取负值，由此可知：物体吸热，内能增加，放热，内能减少。

（2）如果物体和外界不发生热交换，当外界对物体做了10J功，物体内能增加了多少？当物体对外做了10J功，物体内能又如何变化？结论：在无热交换情况下，△U＝W（对外做功时，W取负值）（3）如果物体内能在改变的过程中，既有热传递又有做功，例如外界对物体做了10J的功，同时物体吸收4J热量，物体的内能如何变化？（4）又如，外界对物体做10J功，物体放热4J物体内能又如何变化？又物体对外界做了10J功，物体吸热4J，物体放热4J物体内能又如何变化？综上所述：在能的转化转移过程中，一个物体，如果没有吸收热量也没有放出热量，那么外界对它做多少功它的内能就增加多少；如果它既没有对外做功，外界也没有对其做功，则它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少。

用△U表示物体内能的增量，用Q表示吸收的热量，用W表示外界对物体所做的功，那么：△U＝Q＋W上式就是热力学第一定律。

例1：一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J，外界对物体做了多少功？解：根据热力学第一定律得，W＝△U－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J2、能的转化物体的每一种运动形式都有一种对应的能机械运动――机械能热运动――内能电荷运动――电能化学运动――化学能生物运动――生物能原子核内部的运动――原子能各种形式的能可以相互转化：机械能中的动能和势能可互相转化（自由落体运动），机械能可以与内能相互转化（摩擦生热，消耗了机械能通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功把气体内能转化为机械能），其它形式有能也可以转化为内能，如电流通过导体时，把电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化成光能；燃烧时，把化学能转化成内能）3、能量守恒定律（1）内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能众一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中其总量不变。

4、永动机不可能制成讨论：第一类永动机是否真的能永远运动下去？（它不可能持续运动的原因：虽然右边每个球的力矩大，但球的个数少，左边的每个球产生的力矩虽然小，但是球的个数多，于是轮子不会持续转动下去对外做功，只会摆动几下便停在图中所画的位置上），不消耗能量的机器从来没有制成功过。

能量不能创生，工程技术的任务在于设法找出合理利用能源途径和减少能量损耗，而不是去研制永动机。

10.4 热力学第二定律三维教学目标1、知识与技能（1）了解热力学第二定律的发展简史；（2）了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成；（3）了解热传导的方向性；（4）了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质；（5）了解什么是能量耗散。

2、过程与方法：3、情感、态度与价值观：教学重点：热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。

教学难点：热力学第二定律中所描述的 "不发生其他变化"。

教学方法：多媒体辅助教学，分析讨论讲解相结合。

教学器材：多媒体演示系统、自制电脑教学软件。

教学过程：第四节热力学第二定律（一）引入新课提问：热力学第一定律的内容是什么？第一类永动机为什么没有制成？能量守恒定律是怎样表述的？在能量守恒定律中，存在着能量的 "转移"和 "转化"，具体到热力学第二定律，内能和内能之间存在着"转移"以及内能和机械能之间也存在着"转化"的过程，引入课题：热力学第二定律。

（二）新课教学1、内能的转移:内能转移实质就是热传递。

例1：冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程，引导学生分析融化的原因。

（热量可以从高温物体传递给低温物体）冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。

进一步引导学生思考热量只能从高温物体传递给低温物体这种说法是否妥当。

如果不妥当应该怎样说。

从而得出所谓的热量从高温物体向低温物体传递是一个自发的过程，热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与。

（以模拟动画说明内能转移过程的方向性）（1）热力学第二定律克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。

内能转移过程的方向性说明:不产生其他变化是指没有其他物理过程参与。

2、内能和机械能之间的转化（1）第二类永动机瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究，（"热机"就是一种把内能转化为机械能的机械） 1824年，卡诺在《论火的动力》中指出 "凡是有温度差的地方就能够发生动力"1834年，克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为"卡诺循环"热机从高温热源吸收热量Q，其中一部分对外做功W，另一部分被释放给低温热源，根据能量守恒定律Q1 = Q2 + W η=W/ Q1 = (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1，可以知道Q2越少，η越高，于是人们就考虑能否让Q2不存在，这样就可以产生一个η=100％的热机，就可以产生另一种永动机，可以看到这种机械并不违反能量守恒定律，这一类永动机叫第二类永动机。

第二类永动机：能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。

如果这一类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量，而对外做功。

众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。

人们为此做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没能制成。

伴随着一次次的失败，终于认识到第二类永动机是不可能制成的。

这个结论是开尔文首先提出来的。

（2）开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他变化。

即:第二类永动机是不可能制成的。

说明：热力学第二定律两种表述形式实质是一样的，只是侧重角度不同：（1）克劳修斯表述体现热传导的方向性（2）开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性3、能量耗散自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。

举例：电能转化为光能再转化为内能：烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能都是无法将散失的内能重新再利用能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。

说明能量耗散不是能量损失，只是可便于利用的能量减少了。

总结：热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。

说明：不仅仅在物理上存在这种"方向性"，在其他领域也都存在。

比如：化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。

10.5 能源环境和可持续发展三维教学目标1、知识与技能（1）了解什么是能源，了解什么是常规能源，了解常规能源的储备与人类需求间的矛盾；（2）了解常规能源的使用与环境污染的关系；（3）了解哪些能源是清洁能源，哪些能源可再生；（4）要求就能源与环境问题开展研究性学习。

2、过程与方法：3、情感、态度与价值观：教学重难点：常规能源与新能源，能源与环境；研究性学习的课题选择及材料的收集。