2024-2025學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 4 熱力學(xué)第二定律（1）教學(xué)實(shí)錄 新人教版選修3-3

2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律（1）教學(xué)實(shí)錄新人教版選修3-3主備人備課成員教學(xué)內(nèi)容分析1.本節(jié)課的主要教學(xué)內(nèi)容為熱力學(xué)第二定律（1），涉及熱力學(xué)系統(tǒng)的熱平衡、熱力學(xué)過程、熵的概念等。具體內(nèi)容包含新人教版選修3-3教材第十章第一節(jié)和第二節(jié)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

2.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生已有知識(shí)的聯(lián)系：學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律，本節(jié)課在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生理解熱力學(xué)第二定律的含義，進(jìn)一步拓展對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。通過對(duì)比第一定律，讓學(xué)生體會(huì)熱力學(xué)第二定律的特性和重要性。核心素養(yǎng)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，通過分析熱力學(xué)第二定律，理解自然界中熱現(xiàn)象的方向性和不可逆性，提升學(xué)生的抽象思維和邏輯推理能力。同時(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)探究精神，通過實(shí)驗(yàn)和思考，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。學(xué)習(xí)者分析1.學(xué)生已經(jīng)掌握了哪些相關(guān)知識(shí)：學(xué)生在本節(jié)課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律，對(duì)能量守恒和能量轉(zhuǎn)換的基本概念有了一定的了解。此外，學(xué)生對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)的基本概念，如溫度、熱量、功等也有初步的認(rèn)識(shí)。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、能力和學(xué)習(xí)風(fēng)格：高中學(xué)生對(duì)物理學(xué)科普遍保持一定的興趣，尤其是與日常生活相關(guān)的物理現(xiàn)象。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)，通常具備較強(qiáng)的邏輯思維能力，能夠通過公式和概念進(jìn)行推理。學(xué)習(xí)風(fēng)格上，部分學(xué)生偏好通過實(shí)驗(yàn)和直觀演示來理解物理現(xiàn)象，而另一部分學(xué)生則更傾向于通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)來掌握知識(shí)。

3.學(xué)生可能遇到的困難和挑戰(zhàn)：學(xué)生對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解可能存在困難，因?yàn)檫@一概念較為抽象，且與日常經(jīng)驗(yàn)中的熱現(xiàn)象有所不同。此外，學(xué)生對(duì)熵的概念可能感到陌生，難以把握其物理意義。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可能會(huì)遇到如何將熱力學(xué)第二定律與第一定律相結(jié)合，以及如何運(yùn)用這些定律解決實(shí)際問題的挑戰(zhàn)。學(xué)具準(zhǔn)備多媒體課型新授課教法學(xué)法講授法課時(shí)第一課時(shí)師生互動(dòng)設(shè)計(jì)二次備課教學(xué)資源-軟硬件資源：計(jì)算機(jī)、投影儀、白板或黑板、教學(xué)用溫度計(jì)、壓力計(jì)、計(jì)時(shí)器

-課程平臺(tái)：學(xué)校內(nèi)部教學(xué)管理系統(tǒng)、在線教學(xué)平臺(tái)

-信息化資源：熱力學(xué)第二定律相關(guān)的教學(xué)視頻、動(dòng)畫演示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

-教學(xué)手段：多媒體教學(xué)軟件、實(shí)物教具（如熱水袋、冰塊）、課堂討論、小組合作學(xué)習(xí)教學(xué)流程1.導(dǎo)入新課（用時(shí)5分鐘）

-利用多媒體展示自然界中熱現(xiàn)象的圖片，如瀑布、火山噴發(fā)等，引導(dǎo)學(xué)生思考熱現(xiàn)象的方向性和不可逆性。

-提問：同學(xué)們，我們之前學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律，知道能量守恒。那么，自然界中的熱現(xiàn)象是否也遵循某種規(guī)律呢？

-引出本節(jié)課的主題：熱力學(xué)第二定律。

2.新課講授（用時(shí)15分鐘）

-講解熱力學(xué)系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)，通過實(shí)例說明熱平衡的條件和過程。

-介紹熱力學(xué)過程的概念，講解等溫過程、絕熱過程等，并舉例說明。

-引入熵的概念，解釋熵增原理，通過實(shí)例說明熵增現(xiàn)象。

3.實(shí)踐活動(dòng)（用時(shí)10分鐘）

-學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察熱水袋和冰塊的熱傳遞過程，記錄溫度變化，分析熱力學(xué)第二定律在實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)。

-利用多媒體展示熱力學(xué)第二定律的動(dòng)畫演示，引導(dǎo)學(xué)生觀察并分析動(dòng)畫中的熱現(xiàn)象。

-分組討論：如何將熱力學(xué)第二定律應(yīng)用于實(shí)際生活中的節(jié)能問題。

4.學(xué)生小組討論（用時(shí)10分鐘）

-問題1：如何理解熱力學(xué)第二定律中的“熵增”概念？

-學(xué)生回答舉例：熵增可以理解為系統(tǒng)無序度的增加，例如，將一盒有序排列的棋子打亂，熵就增加了。

-問題2：熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律有何區(qū)別？

-學(xué)生回答舉例：熱力學(xué)第一定律關(guān)注能量守恒，而熱力學(xué)第二定律關(guān)注能量轉(zhuǎn)換的方向性和不可逆性。

-問題3：如何運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決實(shí)際問題？

-學(xué)生回答舉例：在制冷系統(tǒng)中，通過逆向循環(huán)過程，可以將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，實(shí)現(xiàn)制冷效果。

5.總結(jié)回顧（用時(shí)5分鐘）

-回顧本節(jié)課的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)熱力學(xué)第二定律的重要性。

-強(qiáng)調(diào)熵增原理在自然界中的普遍性，以及其在實(shí)際應(yīng)用中的指導(dǎo)意義。

-提問：同學(xué)們，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你們對(duì)熱力學(xué)第二定律有了哪些新的認(rèn)識(shí)？

-學(xué)生分享學(xué)習(xí)心得，教師進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。教學(xué)資源拓展1.拓展資源：

-熵的概念及其在生物學(xué)中的應(yīng)用：介紹熵在生物學(xué)中的重要性，如生物體內(nèi)熵的變化與生命活動(dòng)的關(guān)聯(lián)。

-卡諾循環(huán)與熱機(jī)效率：探討卡諾循環(huán)的原理，以及熱機(jī)效率與熵的關(guān)系。

-熱力學(xué)第二定律與信息論：介紹熱力學(xué)第二定律與信息論之間的聯(lián)系，如香農(nóng)熵的概念。

-熱力學(xué)第三定律：簡要介紹熱力學(xué)第三定律的內(nèi)容，以及它與熵的關(guān)系。

2.拓展建議：

-閱讀相關(guān)科普書籍或文章，如《熱力學(xué)與宇宙學(xué)中的信息論》等，以加深對(duì)熵和信息論的理解。

-觀看科普視頻，如《宇宙大爆炸》等，了解熵在宇宙演化中的作用。

-參與學(xué)校或社區(qū)的科學(xué)講座，聽取專家對(duì)熱力學(xué)第二定律的深入講解。

-通過在線課程或開放課程平臺(tái)，學(xué)習(xí)熱力學(xué)相關(guān)的高級(jí)課程，如《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》等。

-實(shí)踐項(xiàng)目：設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如測(cè)量不同溫度下水的蒸發(fā)速率，以驗(yàn)證熵增原理。

-小組研究：分組研究熱力學(xué)第二定律在工業(yè)或日常生活中的應(yīng)用，如制冷技術(shù)、熱泵等。

-寫作報(bào)告：撰寫一篇關(guān)于熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用的報(bào)告，總結(jié)學(xué)習(xí)心得和發(fā)現(xiàn)。

-參加科學(xué)競賽或研討會(huì)：在競賽或研討會(huì)上，與其他同學(xué)交流熱力學(xué)知識(shí)，提升自己的學(xué)術(shù)水平。反思改進(jìn)措施反思改進(jìn)措施（一）教學(xué)特色創(chuàng)新

1.案例教學(xué)法的應(yīng)用：在講解熱力學(xué)第二定律時(shí)，我嘗試引入實(shí)際案例，如熱泵的工作原理、制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，讓學(xué)生通過案例分析來理解抽象的物理概念。

2.互動(dòng)式教學(xué)：通過設(shè)置問題情境，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上積極提問和討論，這樣可以提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣。

反思改進(jìn)措施（二）存在主要問題

1.學(xué)生對(duì)熵概念的理解困難：我發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生對(duì)熵的概念理解不夠深入，需要更多的時(shí)間來消化和吸收。

2.實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的不足：在實(shí)踐活動(dòng)環(huán)節(jié)，部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作不夠規(guī)范，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

3.評(píng)價(jià)方式單一：目前的教學(xué)評(píng)價(jià)主要依賴于學(xué)生的課堂表現(xiàn)和考試成績，缺乏對(duì)學(xué)生綜合能力的全面評(píng)估。

反思改進(jìn)措施（三）

1.加強(qiáng)熵概念的教學(xué)：為了幫助學(xué)生更好地理解熵的概念，我計(jì)劃在接下來的教學(xué)中，通過更多實(shí)例和類比，幫助學(xué)生建立對(duì)熵的直觀認(rèn)識(shí)。

2.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)：針對(duì)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的不足，我將加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)前的指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)后的反饋，確保每個(gè)學(xué)生都能按照規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3.豐富評(píng)價(jià)方式：為了更全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，我計(jì)劃引入課堂表現(xiàn)、小組合作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多種評(píng)價(jià)方式，以全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

4.增加課外輔導(dǎo)：對(duì)于學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，我將提供額外的輔導(dǎo)時(shí)間，幫助他們克服學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。

5.引入跨學(xué)科內(nèi)容：為了拓寬學(xué)生的知識(shí)面，我計(jì)劃在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候引入與熱力學(xué)相關(guān)的跨學(xué)科內(nèi)容，如生物學(xué)、化學(xué)等，以激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。

6.加強(qiáng)與學(xué)生的溝通：我將更加注重與學(xué)生之間的溝通，了解他們的學(xué)習(xí)需求和困難，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。板書設(shè)計(jì)①熱力學(xué)第二定律概述

-熱力學(xué)第二定律

-熵增原理

-熱力學(xué)過程的方向性

②熵的概念

-熵的定義

-熵的變化

-熵增的物理意義

③熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用

-卡諾循環(huán)

-熱機(jī)效率

-熵與信息論的聯(lián)系

④實(shí)驗(yàn)與實(shí)例

-熱傳遞實(shí)驗(yàn)

-熱泵工作原理

-制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型例題講解1.例題：

一臺(tái)卡諾熱機(jī)在高溫?zé)嵩礈囟葹門1，低溫?zé)嵩礈囟葹門2（T2<T1）的條件下工作，其效率為η。若高溫?zé)嵩吹臏囟冉档偷絋1'（T1'<T1），則熱機(jī)的效率變?yōu)槎嗌伲?/p>

解答：

根據(jù)卡諾熱機(jī)的效率公式，η=1-(T2/T1)，可得：

η'=1-(T2/T1')

因?yàn)門1'<T1，所以T2/T1'>T2/T1，從而η'<η。

因此，當(dāng)高溫?zé)嵩吹臏囟冉档蜁r(shí)，卡諾熱機(jī)的效率也會(huì)降低。

2.例題：

一個(gè)絕熱系統(tǒng)中的氣體體積從V1膨脹到V2，系統(tǒng)的內(nèi)能減少ΔU。已知?dú)怏w的比熱容為Cv，求系統(tǒng)對(duì)外做功W。

解答：

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，ΔU=Q-W，在絕熱過程中Q=0，所以ΔU=-W。

對(duì)于理想氣體，內(nèi)能變化ΔU=nCvΔT，其中n為氣體的物質(zhì)的量，ΔT為溫度變化。

在絕熱膨脹過程中，氣體對(duì)外做功W=PΔV，其中P為氣體的壓強(qiáng)，ΔV為體積變化。

由于氣體膨脹，壓強(qiáng)P減小，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，溫度T也會(huì)減小。

因此，W=nCvΔT=-ΔU。

3.例題：

一個(gè)熱機(jī)在一個(gè)循環(huán)中吸收了Q1的熱量，放出了Q2的熱量。若熱機(jī)的熱效率為η，求熱機(jī)在一個(gè)循環(huán)中對(duì)外做的功W。

解答：

熱機(jī)的熱效率η定義為對(duì)外做的功W與吸收的熱量Q1的比值，即η=W/Q1。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，吸收的熱量Q1等于放出的熱量Q2加上對(duì)外做的功W，即Q1=Q2+W。

將熱效率公式代入，得到η=(Q2+W)/Q1。

解得W=ηQ1-Q2。

4.例題：

一個(gè)理想氣體從狀態(tài)A（P1,V1,T1）變化到狀態(tài)B（P2,V2,T2），如果過程是等溫的，求氣體吸收的熱量Q。

解答：

在等溫過程中，理想氣體的溫度T保持不變，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，壓強(qiáng)P和體積V成反比。

因此，氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B的壓強(qiáng)變化ΔP=P2-P1，體積變化ΔV=V2-V1。

氣體吸收的熱量Q等于對(duì)外做的功W，即Q=W。

在等溫過程中，對(duì)外做的功W=nRTln(V2/V1)。

因此，Q=nRTln(V2/V1