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高中物理《熱力學第二定律的微觀解釋》的教案
一、教材分析
熱力學第二定律以宏觀事實為基礎(chǔ)，告訴我們熱學現(xiàn)象和熱學過程應(yīng)該遵循的規(guī)律，本節(jié)要從微觀的角度說明，為什么涉及熱運動的宏觀過程會有這樣的方向性。
二、教學目標
1.了解有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。
2.了解熱力學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)能源的使用帶來的環(huán)境污染。.了解開發(fā)新能源的方法和意義。
三、教學重難點
1.了解熱力學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)無序程度的物理量。
3..理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。
四、學情分析
學生掌握了熱力學第二定律，但不知道它的微觀解釋。本節(jié)中的概念“有序”、“無序”、“熵”不易理解。熱力學第二定律的微觀解釋較抽象�！澳茉春涂沙掷m(xù)發(fā)展”內(nèi)容簡單，易于掌握。
五、教學方法
思考、討論、總結(jié)發(fā)言，多媒體。
六、課前準備
預(yù)習學案 閱讀課本
七、課時安排 1課時
八、教學過程
�。ㄒ唬╊A(yù)習檢查、總結(jié)疑惑
（二）情景引入、展示目標
�。ㄈ┖献魈骄�、精講點撥
1.有序和無序
有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。
無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。
無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。
有序和無序是相對的。
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)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。
系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序。
3.熱力學第二定律的微觀意義
一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。
4.熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。
一個系統(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，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(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序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。
典例探究
例： 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？
解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，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)能收集起來加以利用，這種現(xiàn)象叫做能量耗散。
2.品質(zhì)降低：能量從高度有用的形式降級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)計卻增加了16倍。按目前的消耗量，專家的預(yù)測石油、天然氣最多只能維持半個世紀，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
�、贉厥倚�(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。
�、谒嵊晡廴荆号欧诺酱髿庵械拇罅慷趸蚝偷趸锏仍诮邓^程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨進入地表、江河，破壞土壤，影響農(nóng)作物生長，使生物死亡，破壞生態(tài)平衡。同時腐蝕建筑結(jié)構(gòu)、工業(yè)裝備、動力和通訊設(shè)備等，還直接危害人類健康。
�、鄢粞鯇拥钠茐模撼粞鯇拥拇嬖趯ξ兆贤饩�方面起著舉足輕重的作用，一旦臭氧層遭到破壞，對生物有害的紫外線會毫無遮攔地照射到地面上，會提高皮膚癌和白內(nèi)障的發(fā)病率，也會影響我們的免疫系統(tǒng)。同時對不同生態(tài)系統(tǒng)中生物的生長、發(fā)育、繁殖、分布和生物地球化學循環(huán)都會造成一系列危害。
5.新能源的開發(fā)
�。�1）.新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、氫能等。
�。�2）.無窮無盡的太陽能：
九、板書設(shè)計：
熱力學第二定律的微觀意義：
1.有序和無序
2.熱力學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：
十、教學反思
能源和環(huán)境是社會關(guān)注的兩個問題。通過本節(jié)的學習，是學生理解這兩個社會問題產(chǎn)生的原因，使學生理解開發(fā)利用清潔能源的價值，讓學生提高科學觀念，提高社會責任感。
10.5熱力學第二定律的微觀解釋
10.6 能源和可持續(xù)發(fā)展學案
一、預(yù)習目標：
1.了解有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。
2.了解熱力學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)能源的使用帶來的環(huán)境污染。
二、預(yù)習內(nèi)容：
�。ㄒ唬崃W第二定律的微觀解釋：
1.有序和無序
有序： 。
無序： 。
2.熱力學第二定律的微觀意義：
。
3.熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個 函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。
一個系統(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，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(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序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。
�。ǘ┠茉春统掷m(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。
三、提出疑惑、
課內(nèi)探究學案
一、 學習目標
1.理解熱力學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、學習過程
典例探究
例1 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？
解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。
例2.某地的平均風速為5m/s，已知空氣密度是1.2kg/m3，有一風車，它的車葉轉(zhuǎn)動時可形成半徑為12m的圓面，如果這個風車能將此圓內(nèi)10%的氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，則該風車帶動的發(fā)電機功率是多大？
解析：首先可以求出在時間t內(nèi)作用于風車的氣流質(zhì)量為 m=лr2υtρ，這些氣流的動能為 mυ2；轉(zhuǎn)變的電能為 ，故風車帶動發(fā)電機發(fā)電的功率為
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。
例 某地的平均風速為5m/s，已知空氣密度是1.2kg/m3，有一風車，它的車葉轉(zhuǎn)動時可形成半徑為12m的圓面，如果這個風車能將此圓內(nèi)10%的氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑒t該風車帶動的發(fā)電機功率是多大？
解析：首先可以求出在時間t內(nèi)作用于風車的氣流質(zhì)量為 m=лr2υtρ，這些氣流的動能為 mυ2；轉(zhuǎn)變的電能為 ，故風車帶動發(fā)電機發(fā)電的功率為
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、當堂檢測
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，將一個系統(tǒng)冷卻，熵怎樣變化？
增加
3、.能源可劃為一級能源和二級能源。自然界以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一級能源；需要依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級能源。氫氣是一種高效而沒有污染的二級能源，它可以由自然界中大量存在的水來制取：2H2O=2H2+O2-517.6，下列敘述正確的是（ ）
A.電能是二級能源 B.水力是二級能源
C.天然氣是一級能源 D.焦爐氣是一級能源
課后練習與提高
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
�、诓豢赡軓膯我粺嵩次諢崃坎阉坑脕碜龉�，而不引起其他變化
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)能源的利用帶來很多環(huán)境問題，如煤和石油的燃燒會產(chǎn)生大量的二氧化碳，其主要危害是 。
3、.煤在燃燒時產(chǎn)生的二氧化硫等物質(zhì)對環(huán)境的主要危害是 。
當堂檢測
1、減少
2、增加
3、AC
課后練習與提高
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。
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