高中物理《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》的教案

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1、 高中物理《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》的教案 熱力學(xué)第二定律以宏觀事實(shí)為基礎(chǔ)，告訴我們熱學(xué)現(xiàn)象和熱學(xué) 過程應(yīng)該遵循的規(guī)律， 本節(jié)要從微觀的角度說明， 為什么涉及熱運(yùn)動(dòng) 的宏觀過程會(huì)有這樣的方向性。 1. 了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。 2. 了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 3. 了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。知道隨著條件的變化，熵是變化的。 4. 理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。 . 理解能源的利用實(shí)際上

2、是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程。 5. 了解常規(guī)能源的使用帶來(lái)的環(huán)境污染。 . 了解開發(fā)新能源的方法和意義。 1. 了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 2. 了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。 3.. 理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。 學(xué)生掌握了熱力學(xué)第二定律，但不知道它的微觀解釋。本節(jié)中的概念“有序”、“無(wú)序”、“熵”不易理解。熱力學(xué)第二定律的微觀解釋較抽象。“能源和可持續(xù)發(fā)展”內(nèi)容簡(jiǎn)單，易于掌握。 思考、討論、總

3、結(jié)發(fā)言，多媒體。 預(yù)習(xí)學(xué)案 閱讀課本 （一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑 （二）情景引入、展示目標(biāo) （三）合作探究、精講點(diǎn)撥 1. 有序和無(wú)序 有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。 無(wú)序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無(wú)序。 無(wú)序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。 有序和無(wú)序是相對(duì)的。

4、2. 宏觀態(tài)和微觀態(tài) 宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀 態(tài)。 微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。 系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的， 同時(shí)也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無(wú)序。 3. 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。

5、 4. 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)， 僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看， 熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序 ( 混亂 ) 程度的定量量度。 一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。 在自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。 在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對(duì)于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。 從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展， 而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。

6、 典例探究 例： 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？ 解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。 友情提示：本題考查的是對(duì)熵增加原理的理解和應(yīng)用。 1. 能量耗散：系統(tǒng)的內(nèi)能流散到周圍環(huán)境中，沒有辦法把這些內(nèi)能收集起來(lái)加以利用，這種現(xiàn)象叫做能量耗散。 2. 品質(zhì)降低：能

7、量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式叫品質(zhì)降低。 能量在利用過程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的 內(nèi)能。 3. 能源：能源是指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是現(xiàn)代社會(huì)生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 常規(guī)能源：指已被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水 力等。 4. 能源危機(jī)與環(huán)境污染 (1). 近一百年，地球人口由 16 億增加到目前的 50 億，凈增了 2 倍多，而能源消耗據(jù)統(tǒng)計(jì)卻增加了 16 倍。按目前的消耗量，專家

8、 的預(yù)測(cè)石油、天然氣最多只能維持半個(gè)世紀(jì)， 煤炭尚可維持一二百年。 (2). 能源利用的過程也直接污染著地球環(huán)境 ①溫室效應(yīng)：化石燃料燃燒放出的大量二氧化碳，使大氣中二氧化碳的含量大量增高，導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，造成地面溫度上升，兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒沿海地區(qū)等不良影響。 ②酸雨污染：排放到大氣中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降 水過程中溶入雨水， 使其形成酸雨，酸雨進(jìn)入地表、江河，破壞土壤， 影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，使生物死亡，破壞生態(tài)平衡。同時(shí)腐蝕建筑結(jié)構(gòu)、 工業(yè)裝

9、備、動(dòng)力和通訊設(shè)備等，還直接危害人類健康。 ③臭氧層的破壞：臭氧層的存在對(duì)吸收紫外線方面起著舉足輕重的作用，一旦臭氧層遭到破壞， 對(duì)生物有害的紫外線會(huì)毫無(wú)遮攔地照射到地面上， 會(huì)提高皮膚癌和白內(nèi)障的發(fā)病率， 也會(huì)影響我們的免疫系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)中生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、分布和生物地球化學(xué)循環(huán)都會(huì)造成一系列危害。 5. 新能源的開發(fā) （ 1）. 新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進(jìn)一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、氫能等?

10、 （ 2）. 無(wú)窮無(wú)盡的太陽(yáng)能： 熱力學(xué)第二定律的微觀意義： 1. 有序和無(wú)序 2. 熱力學(xué)第二定律的微觀意義： 3. 熵增加原理 能源和持續(xù)發(fā)展： 1. 能量耗散： 2. 品質(zhì)降低： 3. 能源： 能源和環(huán)境是社會(huì)關(guān)注的兩個(gè)問題。通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，是學(xué)生理解這兩個(gè)社會(huì)問題產(chǎn)生的原因， 使學(xué)生理解開發(fā)利

11、用清潔能源的價(jià)值，讓學(xué)生提高科學(xué)觀念，提高社會(huì)責(zé)任感。 1. 了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。 2. 了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 3. 了解熵的概念，知道隨著條件的變化，熵是變化的。 4. 理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念，能源的利用實(shí)際上是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程。 5. 了解常規(guī)能源的使用帶來(lái)的環(huán)境污染。 二、預(yù)習(xí)內(nèi)容： （一）熱力學(xué)第二定律的微觀解釋：

12、 1. 有序和無(wú)序 有序： 。 無(wú)序： 。 2. 熱力學(xué)第二定律的微觀意義： 。 3. 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè) 函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。 從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看， 熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序 ( 混亂 ) 程度的定量量度。 一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。 在自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。 熵增加原理的內(nèi)容： 。 從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)

13、統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展， 而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。 （二）能源和持續(xù)發(fā)展： 1. 能量耗散： 。 2. 品質(zhì)降低：能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式叫品質(zhì)降低。 能量在利用過程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的 內(nèi)能。 3. 能源：能源是指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是現(xiàn)代社會(huì)生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 常規(guī)能源：指已

14、被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等。 課內(nèi)探究學(xué)案 一、 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1. 理解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。 2. 理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。 二、學(xué)習(xí)過程 典例探究 例 1 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何 變化？ 解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)

15、動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。 例 2. 某地的平均風(fēng)速為 5m/s，已知空氣密度是 1.2kg/m3 ，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為 12m的圓面，如果這個(gè)風(fēng)車能將此圓內(nèi) 10%的氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，則該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？ 解析：首先可以求出在時(shí)間 t 內(nèi)作用于風(fēng)車的氣流質(zhì)量為 m= л r2 υt ρ，這些氣流的動(dòng)能為 mυ2；轉(zhuǎn)變的電能為 ，故風(fēng)車帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的功率為 代

16、入數(shù)據(jù)以后得 P=3.4kW 友情提示：從能量守恒定律入手，注意能量轉(zhuǎn)移的方向性是解答本題的關(guān)鍵。 例 某地的平均風(fēng)速為 5m/s，已知空氣密度是 1.2kg/m3 ，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為 12m的圓面，如果這個(gè)風(fēng)車能將此圓內(nèi) 10%的氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，則該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？ 解析：首先可以求出在時(shí)間 t 內(nèi)作用于風(fēng)車的氣流質(zhì)量為 m= л r2 υt ρ，這些氣流的動(dòng)能為 mυ2；轉(zhuǎn)變的電能為 ，故風(fēng)車帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的功率為

17、 代入數(shù)據(jù)以后得 P=3.4kW 友情提示：從能量守恒定律入手，注意能量轉(zhuǎn)移的方向性是解答本題的關(guān)鍵。 三、反思總結(jié) 四、當(dāng)堂檢測(cè) 1. 一定質(zhì)量的氣體被壓縮，從而放出熱量，其熵怎樣變化？ 2. 保持體積不變，將一個(gè)系統(tǒng)冷卻，熵怎樣變化？ 增加 3 、. 能源可劃為一級(jí)能源和二級(jí)能源。自然界以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一級(jí)能源； 需要依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級(jí)能源。氫

18、氣是一種高效而沒有污染的二級(jí)能源， 它可以由自然界中大量存在的水來(lái)制?。?2H2O=2H2+O2-517.，6下列敘述正確的是（ ） A. 電能是二級(jí)能源 B. 水力是二級(jí)能源 C. 天然氣是一級(jí)能源 D. 焦?fàn)t氣是一級(jí)能源 課后練習(xí)與提高 1 、. 下面的敘述中正確的是（ ） ①不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變 化 ②不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化

19、 ③所謂“能源”，指的就是能夠提供可利用能量的物質(zhì) ④能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性 A. ①② B. ①②③④ C. ③④ D. ②③ 2 、. 常規(guī)能源的利用帶來(lái)很多環(huán)境問題，如煤和石油的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，其主要危害是 。 3 、. 煤在燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化硫等物質(zhì)對(duì)環(huán)境的主要危害是 。 1 、減少 2 、增加 3 、AC 1 、B 2 、產(chǎn)生“溫室效應(yīng)” 3 、形成酸雨、腐蝕建筑物、酸化土壤。 內(nèi)容僅供參考