描述無序程度的物理量教學(xué)設(shè)計(jì)一、教學(xué)目標(biāo)1.了解有序和無序是相對(duì)的。知道宏觀態(tài)與微觀態(tài)，知道宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目與無序程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2．知道熵的概念，初步了解熵是描述系統(tǒng)無序程度的物理量。了解熵增加原理，知道它是熱力學(xué)第二定律的另一種表述。3．能用熵增加原理解釋生活中的一些現(xiàn)象。二、教學(xué)重難點(diǎn)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋，熵的概念的建立。三、課程導(dǎo)學(xué)建議教學(xué)建議：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)有方向性。課前要求學(xué)生閱讀所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并自行完成知識(shí)體系梳理，明確對(duì)于每一個(gè)具體的不可逆過程，人們往往在經(jīng)驗(yàn)上尋找出一個(gè)特定的參量來判斷自發(fā)過程進(jìn)行的方向和限度。課堂上引導(dǎo)學(xué)生分組討論，從微觀上分析各種具體過程的特點(diǎn),找出它們的共性。引導(dǎo)學(xué)生探究生活中熟悉的概念——“序”，引入有序和無序的概念,探尋其本質(zhì)。為了說明有序和無序的程度,引入“宏觀態(tài)”與“微觀態(tài)”的概念。組織學(xué)生分析、討論4個(gè)氣體分子向真空的擴(kuò)散所對(duì)應(yīng)的可能微觀態(tài)，得出結(jié)論：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。最后認(rèn)識(shí)與微觀態(tài)數(shù)目對(duì)應(yīng)的物理量——熵。四、教學(xué)過程導(dǎo)入新課：自然現(xiàn)象，歷史人文，大多是不可逆的。現(xiàn)在你可以理解為什么孔夫子在川上有“逝者如斯”之嘆了嗎？試想,如果分子的運(yùn)動(dòng)可以自發(fā)地從無序變?yōu)橛行?，?huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生？這些現(xiàn)象會(huì)自然發(fā)生嗎？為什么？（一）知識(shí)體系梳理1.有序和無序(1)在生活中遇到的有關(guān)事件，只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就是有序的。如果對(duì)個(gè)體沒有確定的要求，我們就說這是無序的。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)”是比較無序的。(2)一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義。2.一個(gè)非常有用的概念——熵(1)在物理學(xué)上，為了描述一個(gè)系統(tǒng)的無序程度，引入了一個(gè)物理量，叫作熵。系統(tǒng)的熵高,表示無序程度大,顯得“混亂”和“分散”;系統(tǒng)的熵低,表示無序程度小，顯得“有序”“整齊”和“集中”。(2)引入熵之后,關(guān)于自然過程的方向性就可以表述為:在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少。這就是用熵的概念表示的熱力學(xué)第二定律。（二）基礎(chǔ)學(xué)習(xí)交流1．熱力學(xué)第二定律從微觀上來說是描述氣體分子分布有序無序的，試列舉一些生活中的有序無序?qū)Ρ鹊默F(xiàn)象，比較哪種狀態(tài)更容易出現(xiàn)。解答:任何事物放在一起總是呈現(xiàn)出有序或無序的排列，如：按順序花色排列的撲克牌，把這些撲克牌隨意地洗幾下或拋撒開來變得雜亂無章。2．生活中我們常說到有序和無序這兩個(gè)詞,那么究竟什么叫序?舉例說明有序和無序。解答：序就是次序，就是從事物的關(guān)聯(lián)中找出的內(nèi)在規(guī)律。例如,玩撲克牌時(shí)，撲克牌的排列；體育課上同學(xué)列隊(duì)；等等。3．判斷下列說法是否正確。(1)如果一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)比較多，說明該宏觀態(tài)是比較無序的。(2)熵越大，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越少。(3)在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)增加。(4)自發(fā)的宏觀過程總是向無序性增大的方向發(fā)展。解答：(1)一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)比較多，說明對(duì)該宏觀態(tài)要求得少，其分布是比較無序的，故(1)對(duì)。(2)熵越大，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越多，因?yàn)殪厥窍到y(tǒng)無序性的量度，故(2)錯(cuò)。(3)由熵增加原理可得：一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，故(3)錯(cuò)。(4)根據(jù)熵增加原理，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,即自發(fā)的宏觀過程總是向無序性增大的方向發(fā)展，故(4)對(duì)。（三）重點(diǎn)探究1.主題1：有序與無序、宏觀態(tài)與微觀態(tài)問題：閱讀課本相關(guān)內(nèi)容，回答下列問題。(1)如圖所示，一個(gè)箱子被擋板分為左右兩室,左室有4個(gè)氣體分子，右室為真空,撤去擋板后，氣體自由擴(kuò)散，以箱子內(nèi)4個(gè)分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說明，氣體擴(kuò)散后4個(gè)分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情形。(2)試著從無序的角度談?wù)勆厦鎲栴}中出現(xiàn)最大可能的那種情形的原因。能否由此得出熱力學(xué)第二定律的微觀意義?解答：(1)宏觀態(tài)如：左0右4,左1右3,左2右2,左3右1,左4右0；對(duì)應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目：1、4、6、4、1。不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能的情況是左2右2，最小一種可能的情況是左0右4或左4右0。(2)從無序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運(yùn)動(dòng)的分子組成的，因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過程都伴隨著分子的無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，在撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對(duì)于左、右兩室這一個(gè)整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了。我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最小。實(shí)際上，氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多，因此，撤去擋板后實(shí)際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)散,而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室的現(xiàn)象。因此，氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序增大的方向進(jìn)行的。綜上可知，一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行的，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義。知識(shí)鏈接：無序意味著各處都一樣、平均、沒有差別;而有序則相反。要特別注意有序和無序是相對(duì)的。主題2:熵問題：閱讀課本“熵”標(biāo)題下面的內(nèi)容，回答下列問題。(1)熵值越大代表越有序還是越無序？什么是熵增加原理？(2)怎樣理解一個(gè)孤立的系統(tǒng)熵不會(huì)減?。拷獯穑?1)引入熵后，關(guān)于自然過程的方向性就可以表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。從微觀角度看，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序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序性更大的方向發(fā)展。因此，熱力學(xué)第二定律又叫作熵增加原理。(2)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，自發(fā)的宏觀過程總是向無序性更大的方向發(fā)展，而熵較大代表著較為無序，所以一個(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。知識(shí)鏈接：系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無序程度增大的方向發(fā)展，至少無序程度不會(huì)減少。從熵的意義上說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會(huì)使熵減少?；A(chǔ)檢測(cè)1．(考查對(duì)有序和無序的認(rèn)識(shí))下列說法正確的是()。A.有序與無序是相對(duì)的B.對(duì)任何一件事物，如果規(guī)定得越多，限制得越多，它的無序性就越大C.有序性越大，說明它對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目就越多D.有序性越大，說明它對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目就越少【答案】AD【點(diǎn)評(píng)】熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動(dòng)能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個(gè)系統(tǒng)的熵越大。2．（考查熵的概念）下列關(guān)于熵的觀點(diǎn)中正確的是()。A.熵越大,系統(tǒng)的無序程度越大B.對(duì)于一個(gè)不可逆絕熱過程,其熵不會(huì)減小C.氣體向真空中擴(kuò)散時(shí),熵值減少D.自然過程中熵總是增加,是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多【答案】ABD【點(diǎn)評(píng)】熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，熵越大，無序程度越大，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減小。3．(考查熱力學(xué)第二定律)下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說法正確的是()。A.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B.一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行C.有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行D.在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵會(huì)減小【解析】從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看,一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)；熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A對(duì)；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行,也就是熵增加的方向進(jìn)行，故D錯(cuò)?！敬鸢浮緼【點(diǎn)評(píng)】熱傳遞過程是大量分子由無序程度小轉(zhuǎn)化為無序程度大的過程，體現(xiàn)了自然過程的方向性。4．(考查熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用)在相對(duì)封閉的空間環(huán)境中(如冰箱內(nèi)的空間、公共衛(wèi)生間等)，常會(huì)充滿異味，能否發(fā)明一種簡(jiǎn)單除味裝置，消除這種環(huán)境中的異味，且不引起其他的變化，請(qǐng)說明判斷理由?！窘馕觥坎荒?。異味的產(chǎn)生是由帶有異味的氣體分子在空氣中擴(kuò)散造成的，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，這種大量分子參與的宏觀過程是具有方向性的，要逆著這個(gè)方向進(jìn)行，就必然引起其他的變化，即在不引起其他變化的前提下，是不可能讓這些帶有異味的氣體分子重新聚集在一起從而消除異味的?！敬鸢浮坎荒茉蛞娊馕觥军c(diǎn)評(píng)】自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。視角拓展拓展一：對(duì)序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)的理解1.以一副撲克牌為例,下列關(guān)于有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)的認(rèn)識(shí)中不正確的是()。A.按黑桃、紅桃、草花、方塊的順序，而且從大到小將撲克牌排列起來，撲克牌這時(shí)是有序的B.將撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，撲克牌是無序的，每部分內(nèi)部是有序的C.一副撲克牌,這就是一個(gè)宏觀態(tài)，將牌洗動(dòng)一次就是一個(gè)微觀態(tài)D.一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個(gè)宏觀態(tài)，它是一副撲克牌對(duì)應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)【分析】正確理解有序和無序以及宏觀態(tài)和微觀態(tài)是判斷的前提?！窘馕觥緼中撲克牌的排列是有確定規(guī)則的,是有序的，A正確。B中將撲克牌按奇、偶分成兩部分，是有確定規(guī)律的，是有序的，每部分內(nèi)部排列是沒有規(guī)則的，是無序的，B不正確。一副撲克牌是一個(gè)系統(tǒng)，是一個(gè)宏觀態(tài)，洗動(dòng)一次，系統(tǒng)內(nèi)部排列不同，是這副撲克牌宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)，C正確。將一副撲克牌分成奇、偶兩部分，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng),是一個(gè)宏觀態(tài)，同時(shí)，它又是一副撲克的一種排列形式，是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)，D正確?！敬鸢浮緽【點(diǎn)撥】eq\o\ac(○,1)宏觀態(tài)與微觀態(tài)不是絕對(duì)的，宏觀態(tài)的有序性越高,其對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)越少。反之，宏觀態(tài)的有序性越小，其對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)就越多。eq\o\ac(○,2)氣體向真空中擴(kuò)散表現(xiàn)出的是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在分析處理這類問題時(shí)，應(yīng)充分利用統(tǒng)計(jì)的方法和思想來解決。拓展二：熵、熵增加原理2．如圖所示，質(zhì)量、溫度相同的水，分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？【分析】固體分子間距較小，分子間相互作用較強(qiáng)；液體分子間距也較小，分子間相互作用較弱；氣體分子間距較大，氣體分子間幾乎沒有相互作用。由于以上微觀特點(diǎn)，它們宏觀表現(xiàn)為固體凝聚有形，液體凝聚無形，氣體則完全由容器決定?！窘馕觥扛鶕?jù)大量分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學(xué)第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無序程度增大的方向發(fā)展，至少無序程度不會(huì)減小