第三章 热力学定律（单元解读课件）-【上好课】高二物理同步高效课堂（人教版2019选择性必修第三册）

第三章 热力学定律 人教版 选择性必修第三册 （单元解读） 授课人：××× 1 目录 CONTENTS 1 《课标》要求 2 学习目标 3 内容分析 4 本单元教学重点与难点 5 教学策略 2 01 《课标》要求 3 《课标》要求 3.2.1知道热力学第一定律。通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。 3.2.2理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一 。 4 《课标》要求 3.2.3通过自然界中宏观过程的方向性，了 解热力学第二定律。 5 02 学习目标 6 学习目标 节次 学习目标 第1节功、热和内能的改变 物理观念：能建立功与内能的改变，热与内能的改变的意识。 科学思维：具有从物理学的角度观察自然现象，将物理学与实际相联系的思维方式，知道做功和传热是改变内能的两种方式。 科学探究：探究焦耳的实验，知道做功和传热的等效性。 科学态度与责任：理解物理概念的建立的过程和规律，培养学生的科学探究精神。 第2节 热力学第一定律 物理观念∶知道热力学第一定律及其符号法则，能从热力学学的视角正确描述和解释生活中的热现象，能灵活应用热力学第一定律解决实际问题。 科学思维∶理解热力学第一定律的公式，并能在新的生活情境中对问题进行分析和推理。 科学探究：通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。 科学态度与责任∶从焦耳的实验到热力学第一定律，认识到我们应该具有实事求是的态度，认识到物理学是人类认识自然的方式之一。 7 学习目标 节次 学习目标 第3节 能量守恒定律 物理观念：知道能量守恒定律及永动机不可能制成。 科学思维：能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因。 科学探究：通过能量守恒定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。 科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的严谨的科学态度，培养探究科学的兴趣。 第4节 热力学第二定律 物理观念：知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象。 科学思维：理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力。 科学探究：通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。 科学态度与责任：学会科学家探索问题的方法，实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。 8 03 内容分析 9 内容分析 第1节 本节内容分为三个部分： 一是焦耳的实验；二是功与内能的改变；三是热与内能的改变。本 节内容主要是为热力学第一定律打下基础。焦耳的实验是热力学定律的奠基性实验，在物理学史 上具有独特的地位。本节从焦耳的实验出发，介绍了在19世纪30年代焦耳所做的功与热的等效 性实验。通过对实验结论的深度归纳后，引入系统内能的概念，最终得出做功与系统内能变化之间的关系。 本节在科学方法教育方面，教学中需要突出以下三点： 一是强调焦耳的实验中所运用的控制 变量的思想方法；二是根据焦耳的实验结果和功能关系，采用类比方法构建内能的宏观定义；三 是建立两个表达式，即在绝热条件下有△U=W, 以及在不做功的条件下有△U=Q, 这两个结论是建立热力学第一定律的基础。 10 内容分析 第2节 焦耳的实验结果表明，在系统状态发生改变时，只要始末状态确定了，做功的数量或者传热 的数量就是确定的。所以，当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该满足 △U=W+Q,这就是热力学第一定律的数学表达式。教科书又通过实例对表达式中物理量取值正 负的意义进行了讨论。 本节教学要注意两个重点： 一是在前一节学习的基础上运用综合归纳的方法得出热力学第一定律，所以，要注重归纳推理的方法教育；二是关于热力学第一定律的三个物理量正、负符号选取的 问题，明确各物理量正、负符号的物理含义，即应该从系统分析的角度来确定其正、负符号。 11 内容分析 第3节 本节内容分为三个部分： 一是探索能量守恒的足迹；二是能量守恒定律；三是永动机不可能 制成。本节的主要任务是认识能量和能量守恒观念的发展历史，理解能量守恒定律。能量守恒定 律的探索历史，内容非常丰富，因此，教科书对这些探索历史的内容进行了归类：第一部分是人 类对能量的认识；第二部分是能量守恒观念的形成。教学重点应该突出两个方面： 一是科学家对能量概念的逐步认识过程；二是对能量的守恒思想的探索认识过程。而对永动机的教学要重视科 学与技术之间的关系，并能让学生根据能量守恒定律理解永动机不可能制成的原因。 12 内容分析 第4节 热力学第二定律是关于与热运动有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，阐明 了过程进行的方向性。教科书通过实例阐述一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，引 导学生完成对这一科学规律的认识。紧接着，教科书提出了热力学第二定律的两种表述：克劳修 斯表述和开尔文表述。本节最后一部分内容阐述了能量与能源概念的区别，并指出了虽然能量是守恒的，但能源是有限的。 13 04 本单元教学重点与难点 14 本单元教学重点与难点 教学 重点 1、功与内能的改变，热与内能的改变。 2、热力学第一定律的推导与运用。 3、学会用能量转化和守恒的观点分析物理现象，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。 4、热力学第二定律的两种常见表述。 教学 难点 1、内能概念的建立，功与内能的改变，热与内能的改变。 2、运用热力学第一定律公式时各物理量的正、负号的意义及确定。 3、用能量转化和守恒的观点分析物理现象，如何综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。 4、热力学第二定律的开尔文表述。 15 05 教学策略 16 教学策略 1. 从微观、宏观视角认识“内能”, 深化对内能概念的认识 学生对内能的概念并不陌生，在初中物理已经学习过内能的概念。初中教科书把内能界定为 “构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和”。在本册书第一章中我们又对分子动 理论作了比较深入的探讨，特别是关于分子动能和分子势能的探讨，为内能的概念提供了微观解释。 本章内能概念的引入来源于焦耳实验的研究成果。焦耳研究功与热等效性的许多实验都表 明，在各种不同的绝热过程中，如果使系统从某一状态变为另一状态，外界对系统做的功仅由过 程的始末两个状态决定，而与做功的方式无关。那么,必定存在一个描述系统状态的物理量，这 个物理量的变化与做功的多少相关。在此基础上，教科书通过与重力势能概念引入的方法相类 比，引出内能的概念，从宏观角度界定了内能的概念，让学生认识到内能是由系统的热力学状态决定的一种能量。 在此，我们需要引导学生学会遵循一定的逻辑关系认识内能的概念。这样做的目的是让学生形成理性思维的习惯，感悟到内能的定义是有根据的，培养科学思维中推理、论证的能力。 17 教学策略 2. 突出热力学第一定律的实验基础， 展示科学探究过程 在19世纪中叶，能量守恒定律、热力学第一定律都还没有建立，内能的概念也不清楚，但 是这些思想已经开始萌发。焦耳提出猜想，并通过实验定量地证实了这个猜想。焦耳测定做功与 传热关系的实验在物理学史上具有里程碑的意义，它是热力学第一定律和能量守恒定律重要的实验基础。 教科书以焦耳的两个典型实验为线索，通过大量的实验归纳，给出热力学系统中的功与能的 关系和热与能的关系。其中，关于焦耳实验的内容体现了科学探究的特点，是科学教育的好素 材。教科书编写的逻辑线索如下： 18 教学策略 我们知道，在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能会增加；系统对外做 功，系统的内能会减少。用公式表示即为△U=W (热力学第一定律的重要组成部分)。这是在焦 耳实验的基础上导出的科学事实。焦耳的一系列实验为热力学第一定律以及更加广义的能量守恒 定律奠定了坚实的实验基础。 19 教学策略 3. 探索能量守恒的足迹，强化能量观及其对科学态度的渗透 能量守恒定律是人类在长期的研究和实践中总结出来的，是19世纪的重大发现之一。半个多世纪，人类对能量及其守恒定律的研究，见证了人类认识自然、探索科学的过程。对此，教科书从以下三个方面阐述人类认识能量守恒定律的足迹。 第一，阐述能量观念的形成过程和守恒观念的发展过程。教科书编写的逻辑线索如下。 首先，介绍人类对能量的认识。教科书阐述了人们在研究过程中透过各种自然现象，对其本 质特征“能量”的认识过程。从伦福德的实验表明热的本质是运动、奥斯特发现电流的磁效应、 塞贝克发现温差电现象到法拉第发现电磁感应现象，反映了各种运动现象背后的能量和能量转 化。虽然运动现象各异，但它们有其共同的描述量——“能量”。科学家对各种自然现象之间的联系和转化的认识是逐步发展起来的。 20 教学策略 其次，介绍能量守恒观念的形成。人类对能量的认识过程，体现了科学家对“守恒”思想的 追寻。人类对能量守恒的认识经历了一个由浅入深、由含糊到清晰的过程，教科书列举了最具代表性的几个史例来加以说明。其中，焦耳的实验为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为其向定量描述迈出了重要的一步。 第二，阐述能量守恒定律的表述及其意义。教科书一方面强调能量的转化和守恒；另一方面也告诉我们，在能量守恒定律建立后，仍然有能量“不守恒”的假象，这就会引起科学上新的发现，因为在这种“不守恒”的假象背后，必定存在没有被我们发现的事实或规律。 第三，阐述永动机不可能制成。教科书通过列举“饮水小鸭”的实例，阐明永动机的思想违 背能量守恒定律。所以，它是不可能制成的。这是一个历史探索的过程，既反映了人类科学探索 的艰辛，又反映了科学探索中理论总结的重要性。任何制造永动机的尝试都失败了，这也警醒人们要更深层次地考虑问题。从某种意义上说，这也促进了能量守恒定律的建立，为科学探索的成功奠定了基础。这对学生体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义，具有十分重要的教育价值。 21 教学策略 4. 探讨宏观自然过程的方向性， 加强学生科学思维的培养 在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律是热力学第二定律。它主要描述能量转化的方向性问题。这个规律可以从宏观或微观角度进行探讨。根据课程标准的要求，教科书重点采用 实验事实归纳的方法得出热力学第二定律。随后，围绕热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述展开讨论。具体编写的逻辑线索如下。 第一，列举具体的不可逆过程的实例，阐明一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，帮助学生完成对该科学过程的分析归纳，加强思维认识过程的培养。 22 教学策略 第二，克劳修斯表述阐述了传热的方向性。相对而言，克劳修斯表述比较容易理解，原因在 于这个表述的基础是学生习以为常的事实。教科书通过电冰箱的反例，说明“第三者影响”的存在，让学生深刻领会“自发”的物理意义。 第三，开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。这个问题不仅在物理学中很重要，在 日常生活中也很常见。机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化为机械能。 考虑到开尔文表述的事实基础和理论分析对学生来说较难理解，教科书只好简单处理。教学中不宜要求过高。 另外，关于热力学第二定律的微观解释，课程标准没有要求。因此，我们将熵与熵增加原理的内容调整到了“拓展学习”栏目之中，以供学有余力的学生自学。 23 教学策略 5. 注重热学基础知识体系的建构 热学知识与人们的日常生活联系非常紧密，在生产、生活和科学实践等方面都有重要的应用。在远古时代，人类的祖先发现了火、使用了火，从而开创了人类文明的历史；在科学技术高度发展的现代，各种热机和制冷设备的研制，化工、冶金、气象的研究，都离不开热学知识。 教科书前三章内容的选取和设计紧密围绕热学体系的建构而展开。从科学史上来看，热学体系的建构是从两条途径进行的。 一条途径是从宏观上，建立温度、热量和内能等概念，并根据大量实验事实总结出关于热现象的宏观理论——热力学，热力学的核心内容是热力学第一定律和热 力学第二定律。另一条途径是从物质的微观结构出发，以微观粒子遵循的规律为基础，利用统计方法导出宏观的热学规律，这样形成的理论称为统计物理学或统计力学。统计力学在近代物理各个领域都起着极其重要的作用，它能够让我们了解物质的宏观性质和微观因素的关系。热力学和统计力学一起，构成了现代热学的科学体系。 24 教学策略 6.课时分配建议 第1节 功、热和内能的改变 1课时 第2节 热力学第一定律 1课时 第3节 能量守恒定律 1课时 第4节 热力学第二定律 1课时 25 谢谢观看 THANK YOU FOR WATCHING 26 $$